ES2383863B1 - Pieza de material compuesto con gran cambio de espesor. - Google Patents

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Abstract

Pieza de material compuesto con gran cambio de espesor.#Pieza (10) de material compuesto con gran cambio de espesor entre una primera zona (11) de un espesor E1 y una segunda zona (15) de un espesor E2, realizada como una pieza unitaria con una zona de transición (13) cuyas superficies exteriores (17, 19) tienen unas pendientes de magnitudes P1, P2, en la que la estructura del apilado comprende: b1) una pluralidad de telas continuas (31, 35, 39) que se extienden en las tres zonas mencionadas (11, 13, 15); b2) una pluralidad de telas (33) que se extienden en la primera zona (11) y en la zona de transición (13), terminando escalonadamente en la zona de transición (13); b3) una pluralidad de telas (37) que se extienden en la primera zona (11) y en la zona de transición (13), terminando escalonadamente en la zona de transición (13). La invención también se refiere a procedimientos para fabricar dicha pieza.

Description

PIEZA DE MATERIAL COMPUESTO CON GRAN CAMBIO DE ESPESOR
CAMPO DE LA INVENCION
5
La presente invención se refiere a la estructura del apilado de una pieza
de material compuesto con un gran cambio de espesor que se fabrica curando
en autoclave dicho apilado y, más en particular, a la estructura del apilado de
una pieza de material compuesto de! una estructura aeronáutica.
10
ANTECEDENTES DE LA INVENCiÓN
En la industria aeronáutica son bien conocidos procesos de fabricación
de piezas que comprenden básicamente una primera etapa de apilado de telas
15
por ATL "Automatic Tape Lay-Up" y una segunda etapa de curado en autoclave.
En la etapa de apilado se colocan en un molde/útil de forma apropiada
capas de un material compuesto tal como el preimpregnado que es una mezcla
de refuerzo fibroso y matriz polimérica susceptible de almacenamiento.
Ese material se puede presHntar en diversas formas y en particular en
20
forma de tela . Para las matrices termoendurecibles la resina generalmente se
cura parcialmente o se lleva mediante otro proceso a una viscosidad controlada,
llamada S-etapa.
Las telas de material compu1esto no se colocan aleatoriamente sino que
se disponen en cada zona en un número y con una orientación de su refuerzo
25
fibroso, típicamente de fibra de carbono, determinados en función de la
naturaleza y la magnitud de los esfuerzos que vaya a soportar la pieza en cada
zona. Se utilizan para ello generalmente máquinas ATL ("Automatic Tape Lay
up").
Las máquinas de encintado automático son muy eficientes para fabricar
3 O
laminados planos o sustancialmente planos ya que las pendientes admisibles
por dichas máquinas son pequeñas. Esa limitación tiene como consecuencia
que en aquellas estructuras aeron~iuticas con zonas de distinto espesor haya
que extender mucho las rampas dE! cambio de espesor especialmente cuando
las diferencias de espesor son muy acusadas, con el consiguiente impacto en
peso.
La presente invención está orientada a la solución de ese problema.
5
SUMARIO DE LA INVENCION
Un objeto de la presente invención es proporcionar una estructura de
apilado de una pieza realizada en material compuesto con un gran cambio de
1 o
espesor entre dos zonas que facilite su optimización en peso y dimensiones.
Otro objeto de la presente invención es proporcionar una estructura de
apilado de una pieza realizada en material compuesto con un gran cambio de
espesor entre dos zonas que pueda ejecutarse con una máquina ATL.
En un primer aspecto, esos y otros objetos se consiguen proporcionando
15
una pieza con una primera zona de un espesor E1 y una segunda zona de un
espesor E2 que está realizada como una pieza unitaria con una zona de
transición entre dichas zonas, cuyas superficies exteriores tienen unas
pendientes de magnitudes P1, P2, con un apilado estructurado con:
-Una pluralidad de telas continuas que se extienden en las tres zonas
2 o
mencionadas.
-Una pluralidad de telas que se extienden en la primera zona y en la
zona de transición, terminando escalonadamente en la zona de transición, para
compensar la diferencia de espesor entre la primera y la segunda zonas
correspondientes por un lado a la pendiente P1 y por otro lado a la pendiente
25
P2.
En una realización preferente, la estructura del apilado comprende:
-Dos secciones exteriores con telas continuas que se extienden en las
tres zonas mencionadas paralelamente a sus superficies.
-Una sección central con telas continuas que se extienden en las tres
30
zonas mencionadas paralelamente a las superficies de la primera y la segunda
zona.
-Dos secciones intermedias entre las. secciones exteriores y la sección
central con telas que extienden en la primera zona y en la zona de transición
paralelamente a la superficie de la primera zona y que terminan
escalonadamente en la zona de transición. Se consigue con ello, una estructura
de apilado optimizada para piezas con cambios de espesor como la
correspondiente a la zona de cogida de componentes del borde de salida y/o de
5
ataque en el revestimiento del cajón de torsión de un estabilizador horizontal de
cola de una aeronave, al aprovechar la rampa que debe existir en la cuna de
apilado de dicho revestimiento para que haya continuidad aerodinámica entre el
revestimiento y el componente del borde de salida y/o de ataque, para
configurar una zona de transición optimizada en peso y dimensiones.
1 o
En un segundo aspecto, los objetos mencionados se consiguen con
procedimientos de fabricación de la pieza que comprenden el apilado de telas
de material compuesto sobre un útil de apilado con la forma de la superficie
exterior de la pieza en distintas etapas, dependientes de la estructura del
apilado y su curado en un dispositivo apropiado.
15
Otras características y ventajas de la presente invención se
desprenderán de la descripción detallada que sigue de una realización ilustrativa
del objeto de la invención en relación a las figuras adjuntas.
2 o
DESCRIPCION DE LAS FIGURAS
La Figura 1 a es una vista del montaje del cajón de torsión y el borde de
salida de un estabilizador horizontal de cola de una aeronave, con un cajón de
torsión cuyo revestimiento es una pieza con un gran cambio de espesor y la
2 5
Figura 1 b es una vista parcial de detalle de una zona de cogida del
revestimiento del cajón a un componente del borde de salida.
La Figura 2 es una vista en sección transversal de una solución conocida
en la técnica para montar piezas de material compuesto con grandes cambios
de espesor.
30
La Figura 3 es una vista esquemática en sección transversal del montaje
de piezas de material compuesto en el que una de las partes es una pieza con
grandes cambios de espesor según la presente invención.
Las Figuras 4a, 4b, 4c y 4d son vistas esquemáticas del proceso de
encintado de una pieza con grandes cambios de espesor según la presente
invención.
5
DESCRIPCION DETALLADA DE LA INVENCION
La presente invención resulta aplicable a piezas fabricadas en material
compuesto con grandes cambios de espesor. Como ejemplo de piezas de ese
tipo en la industria aeronáutica, cabe citar a los revestimientos de los cajones de
1o
torsión de los estabilizadores horizontales de cola mostrados en las Figuras 1 a y
1 b en los que hay un gran cambio de espesor entre el revestimiento 5 del cajón
propiamente dicho y la faldilla 7 de cogida de un panel 9 del borde de salida. En
ese caso la superficie externa del revestimiento 5 y la superficie del panel 9 del
borde de salida deben quedar alineados para garantizar la continuidad
15
aerodinámica.
Como ya hemos dicho, la solución convencional de la técnica anterior
para poder fabricar unitariamente piezas con zonas de distintos espesor
utilizando una máquina ATL es que las rampas de las zonas de transición entre
las zonas con distinto espesor sean compatibles con los requerimientos de
2 o
dichas máquinas.
En el caso que nos ocupa, una alternativa a la fabricación de una pieza
unitaria con rampas demasiado largas es la ilustrada en la Figura 2 en la que se
fabrica la faldilla de cogida 7 como una pieza separada del revestimiento 5 para
su unión posterior a éste y al panel 9 del borde de salida.
2 5
En ese contexto, la idea básica de la presente invención para conseguir
el objetivo de que dicha pieza pueda fabricarse como una pieza unitaria con una
transición suave entre las zonas de distinto espesor y limitando al máximo la
longitud de la zona de transición es utilizar el escalón existente en la cara
externa de las zonas de distinto espesor, es decir en la superficie exterior de la
30
pieza, para estructurar adecuadamente el apilado de la zona de transición.
Siguiendo la Figura 3 puede observarse que la pieza 1 O según la
presente invención comprende: una primera zona 11 de un espesor E1, una
1o
2 o
2 5
3o
segunda zona 15 de un espesor E2 y una zona de transición 13 entre ambas cuyas superficies 17, 19, de dimensiones longitudinales L1, L2, tienen, respectivamente, pendientes P1, P2.
La estructura del apilado de la pieza 1 O en una realización preferente de la invención ilustrada en la Figura 4d es la siguiente
-
Dos secciones exteriores 21, 29 con telas continuas 31, 39 que se extienden en las tres zonas mencionadas 11, 13, 15 paralelamente a sus superficies, adaptándose pues a las rampas de la zona de transición 13.
-
Una sección central 25 con telas continuas 35 horizontales que se extienden a lo largo de la pieza.
-
Dos secciones intermedias 23, 27 entre las secciones exteriores 21, 31 y la sección central 25 con telas 33, 37 horizontales que extienden en la primera zona 11 y en la zona de transición 13, terminando escalonadamente en la zona de transición 13.
Siguiendo las Figuras 4a, 4b, 4c, 4d pueden observarse las etapas
básicas que se siguen en el encintado de la pieza 1 Osobre una cuna de apilado 49 cuya superficie se corresponde con la superficie aerodinámica de la pieza
10:
-
En la primera etapa se encintan las telas 31 de la sección 21 que siguen la geometría exterior de la pieza 1 O y de la cuna de apilado 49. Las telas pueden ser apiladas por una máquina ATL puesto que la pendiente P1 es compatible con sus requerimientos.
-
En la segunda etapa se encintan las telas 33 de la sección 23. Como se ilustra en las Figuras 4a, 4b se van "matando" telas 33 en la zona de transición 13 provocando una primera disminución de espesor en la pieza 1 O correspondiente al escalón conformado en la cuna 49.
-
En la tercera etapa se encintan las telas 35 de la sección central 25.
-
En la cuarta etapa se encintan las telas 37 de la sección 27. Como se ilustra en las Figuras 4c, 4d se van "matando" telas 37 en la zona de transición 13 conformando un escalón y provocando una segunda disminución de espesor en la pieza 10. El perímetro de estas telas no coincide en planta con el
perímetro de las telas "muertas" en la segunda etapa. La "muerte" de estas telas
se intercala por tanto entre la "muerte" de las telas de la segunda etapa.
-En la quinta etapa se encintan las telas 39 de la sección 29. Las telas
pueden ser apiladas por una máquina ATL.
5
En otras realizaciones del apilado podría haber telas continuas 31, 35, 39
continuas intercaladas entre las telas 33, 37 que mueren en la zona de
transición 13 en cuyo caso la máquina ATL irá apilando sucesivamente sobre la
cuna de apilado 49 tanto las telas continuas 31, 35, 39 a lo largo de las tres
zonas 11, 13, 15 como las telas 33, 37 que "mueren" en la zona de transición
1 o
13. Como ya hemos dicho, en la ejecución del apilado se procedería en primer
término a ir matando telas contra la rampa 17 y una vez que el apilado haya
superado el espesor de la segunda parte 15 continuar matando telas por el otro
lado (el de la rampa 19) hasta conseguir el espesor de la primera pieza 11.
Las pendientes P1, P2 de las superficies 17, 19 de la zona de transición
15
13 deben ser iguales o menores de la máxima pendiente admisible para un
encintado con una máquina ATL que actualmente puede cifrarse en 1/5.
En el caso de que la pieza 1 O se corresponda con la zona de cogida del
revestimiento del cajón de torsión de un estabilizador horizontal de cola a un
componente del borde de ataque o del borde de salida ilustrada en la Figura 2,
2 o
si el panel 9 tiene, por ejemplo, un espesor de 3,5 mm, eso determina que,
considerando como máxima pendiente admisible para una máquina ATL una
pendiente de 1/5 la longitud L 1 de la superficie 17 de la zona de transición 13
sea de 17,5 mm. A partir de ahí, la longitud L2 y pendiente P2 de la superficie
19 vienen determinadas por la diferencia de espesores del revestimiento 5 y la
25
zona de cogida 7.
En el tipo de piezas que estamos considerando, la zona de transición 13
tiene normalmente la forma representada en las Figuras 4a-4b con sus dos
superficies en rampa 17, 19 dentro de una zona de transición de longitud L
porque la diferencia de espesores del revestimiento 5 y la zona de cogida 7
30
permite que la pendiente P2 sea igual o menor que P1. Ello es deseable porque
se optimiza la longitud de la zona de transición ya que las rampas no son aptas
para la unión de otras piezas como por ejemplo largueros en el caso que nos
ocupa. Ahora bien, si la diferencia de espesores lo exigiera la rampa 19 podría tener una mayor extensión longitudinal que la rampa 17.
Se considera que la presente invención es aplicable para piezas en las
que la diferencia entre el espesor E1 de la primera zona 11 y el espesor E2 de
la segunda zona 15 está comprendido en el rango 1.5-15 mm.
En las realizaciones preferentes que acabamos de describir pueden introducirse aquellas modificaciones comprendidas dentro del alcance definido por las siguientes reivindicaciones.

Claims (7)

  1. REIVINDICACIONES
    1.-Una pieza (1 O) de material compuesto que comprende una primera zona (11) de un espesor E1 y una segunda zona (15) de un espesor E2, 5 caracterizada porque:
    a) está realizada como una pieza unitaria con una zona de transición (13) entre ambas zonas (11, 15) cuyas superficies exteriores (17, 19) tienen unas pendientes de magnitudes P1, P2;
    b) la estructura del apilado de la pieza ( 1 O) comprende: 10 b1) una pluralidad de telas continuas (31, 35, 39) que se extienden en las tres zonas mencionadas (11, 13, 15);
    b2) una pluralidad de telas (33) que se extienden en la primera zona (11) y en la zona de transición (13), terminando escalonadamente en la zona de transición (13) para compensar la diferencia de espesor entre la primera y la
    15 segunda zonas (11, 15) correspondiente a la pendiente P1; b3) una pluralidad de telas (37) que se extienden en la primera zona (11) y en la zona de transición (13), terminando escalonadamente en la zona de transición (13) para compensar la diferencia de espesor entre la primera y la segunda zonas (11, 15) correspondiente a la pendiente P2.
  2. 2.-Una pieza (1 O) según la reivindicación 1, caracterizada porque la estructura de su apilado comprende: c1) dos secciones exteriores (21, 29) con telas continuas (31, 39) que se extienden en las tres zonas mencionadas (11, 13, 15) paralelamente a sus 2 5 superficies;
    c2) una sección central (25) con telas continuas (35) que se extienden en las tres zonas mencionadas paralelamente a las superficies de la primera y la segunda zona (11, 15); c3) dos secciones intermedias (23, 27) entre las secciones exteriores (21,
    30 31) y la sección central (25) con telas (33, 37) que extienden en la primera zona
    (11) y en la zona de transición ( 13) paralelamente a la superficies de la primera zona (11) y que terminan escalonad amente en la zona de transición (13).
  3. 3.Una pieza (1 O) según cualquiera de las reivindicaciones 1-2,
    caracterizada porque la diferencia entre los espesores E1, E2 de la primera y la
    segunda zonas (11, 15) está comprendida en el rango 1.5 -15 mm.
    5
  4. 4.Una pieza (1 O) según cualquiera de las reivindicaciones 1-3,
    caracterizada porque dichas pendientes P1, P2 son iguales o menores de 1/5.
  5. 5.Una pieza (1 O) según cualquiera de las reivindicaciones 1-3,
    1 o
    caracterizada porque forma parte del revestimiento de un cajón de torsión de un
    estabilizador horizontal de una aeronave.
  6. 6.Un procedimiento de fabricación de una pieza (1 O) según la
    reivindicación 1, que comprende el apilado de telas de material compuesto
    15
    sobre un útil de apilado (49) con la forma de la superficie exterior de la pieza
    (10) y su curado en un dispositivo apropiado, caracterizado porque comprende
    etapas de apilado de telas continuas (31, 35. 39) a lo largo de las tres secciones
    de la pieza (11, 13, 15) y etapas de apilado de telas (33, 37) que terminan
    escalonadamente en la zona de transición (13).
    20
  7. 7.Un procedimiento de fabricación de una pieza (19) según la
    reivindicación 2, que comprende el apilado de telas de material compuesto
    sobre un útil de apilado (49) con la forma de la superficie exterior de la pieza (5)
    y su curado en un dispositivo apropiado, caracterizado porque:
    25
    a) en una primera etapa se apilan las telas (31) de la sección exterior
    (21);
    b) en una segunda etapa se apilan las telas (33) de la sección intermedia
    (23);
    e) en una tercera etapa se apilan las telas (35) de sección central 25);
    30
    d) en una cuarta etapa se apilan las telas (37) de la sección intermedia
    (27);
    e) en una quinta etapa se apilan las telas (39) de la sección exterior (29).
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