ES2428588B1

ES2428588B1 - Procedimiento de obtención de patrones para la fabricación de preformas de materiales compuestos

Info

Publication number: ES2428588B1
Application number: ES201200342A
Authority: ES
Inventors: Francisco Javier PUGA GONZALEZ
Original assignee: Ind Delta Vigo S L; INDUSTRIAS DELTA VIGO SL
Current assignee: Ind Delta Vigo S L; INDUSTRIAS DELTA VIGO SL
Priority date: 2012-03-30
Filing date: 2012-03-30
Publication date: 2014-11-25
Anticipated expiration: 2032-03-30
Also published as: WO2013144389A1; ES2428588R1; ES2428588A2

Abstract

Procedimiento de obtención de patrones para fabricación de preformas de materiales compuestos.#El procedimiento está previsto para obtener patrones de tejido optimizados para la fabricación de preformas de cuadernas de fuselaje o cualquier otro tipo de rigidizadores de estructuras aeronáuticas y/o aeroespaciales. Las preformas resultantes tendrán una configuración optimizada en cuanto a desviación y distorsión de las fibras del material respecto a valores nominales. Para conseguir la configuración optimizada de las fibras de tejido se parte de definir primeramente y de forma geométrica la línea neutra óptima sobre la pieza patrón, para conseguir esa optimización. En las distintas fases del procedimiento se lleva a cabo la obtención de la línea neutra curva óptima a partir de la obtención de curvas resultantes de ser trazadas en base a la curvatura interna y a la curvatura externa, respectivamente, de la pieza patrón.

Description

PROCEDIMIENTO DE OBTENCIÓN DE PATRONES PARA LA FABRICACIÓN DE PREFORMAS DE MATERIALES COMPUESTOS

5: DESCRIPCIÓN

OBJETO DE LA INVENCIÓN

1 O 15: La presente invención se refiere a un procedimiento de obtención de patrones para la fabricación de preformas de materiales compuestos, de manera tal que dichas preformas serán posteriormente impregnadas con resina mediante cualquier proceso de impregnación obteniendo tras el ciclo de polimerización de la resina, piezas de materiales compuestos como cuadernas de fuselaje o cualquier otro tipo de rigidizadores de estructuras aeronáuticas y/o aeroespaciales.

20: El objeto de la invención es conseguir patrones de tejido que permiten conseguir correspondientes preformas con una configuración optimizada en cuanto a desviación y distorsión de las fibras del material respecto a los valores nominales.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

25: En el sector aeronáutico y aeroespacial, las estructuras han de ser lo mas ligeras posible cumpliendo con los requerimientos mecánicos y de seguridad establecidos, de forma que se maximice la carga útil a transportar y se minimice el consumo d e combustible.

Actualmente: se fabrican muchas estructuras con materiales

compuestos, principalmente de fibra de carbono, en virtud de que este material ofrece ventajas importantes en peso respecto a los diseftos que utilizan materiales metálicos.

5 1 O: En la fabricación, por ejemplo, de configuraciones para cuadernas de fuselaje, se utilizan tejidos secos que posteriormente se impregnan con resina, pero con el inconveniente de que presentan unas desviaciones y distorsiones de las fibras respecto a los valores nominales, lo que obliga a sobredimensionar las estructuras, aftadiendo refuerzos locales en las zonas donde las desviaciones y/o distorsiones están fuera de las tolerancias angulares permitidas.

15: Se conocen dos formas de fabricar cuadernas de fuselaje con tejidos secos, una de ellas utilizando patrones de tejido que son cortados de un rollo de material con formato estándar, que luego se curvan en su plano para obtener un patrón curvo que se adapte a la curvatura de la cuaderna.

20 25: Pues bien, los procesos actuales utilizados para conseguir estos patrones dan lugar a unas desviaciones y distorsiones de las fibras que están muy lejos de los valores óptimos alcanzables, lo cual tiene un impacto directo en el peso de las piezas, por necesitar mas espesor del necesario al no conseguir una optimización de orientaciones, ni una minimización de las distorsiones, porque los materiales compuestos no son materiales isótropos como los metales, por lo que la correcta orientación de las fibras y la distorsión mínima, determina el dimensionado y con ello el espesor de las piezas y por lo tanto el peso.

30: La segunda forma de fabricar cuadernas de fuselaje es utilizar mechas de cinta unidireccional, que se colocan en plano o sobre un útil curvo, siguiendo la orientación teórica local, de manera que estos procesos, aún

consiguiendo una buena optimización de la orientación de la fibra, desde un punto de vista industrial presenta el inconveniente de ser procesos poco eficientes, muy costosos e implicando tiempo recurrente de fabricación largos, por lo que es muy baja la eficiencia en cuanto a kg de material colocado por hora.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

El procedimiento que se preconiza está previsto para optimizar la orientación y distorsión de las fibras de material y permitir a la vez llevar a cabo procesos de fabricación de formas muy eficientes en términos de productividad, empleando patrones de tejido en vez de mechas.

Mas concretamente el procedimiento de la invención está previsto para obtener patrones de tejido de material compuesto sin impregnar, que serán empleados en la fabricación de preformas de rigidizadores, especialmente cuadernas de fuselaje, de estructuras aeronáuticas, siendo posteriormente impregnadas dentro de un útil mediante cualquier proceso de impregnación conocido, como son los procesos LRI o RTM.

En base al procedimiento de la invención permite conseguir una conformación optimizada de la fibra del tejido, para lo que es necesario y fundamental definir geométricamente y luego conseguir en el patrón la línea neutra adecuada que permita dicha optimización.

La invención es aplicable a geometrías con radios de curvaturas y anchuras de alma variables, sin descartar lógicamente como un caso particular, el hecho de que pueda ser aplicable a geometrías de radio de

curvatura constante y/o una anchura de alma constante.

5: Teniendo en cuenta que en el procedimiento de la invención lo que se pretende es minimizar la distorsión y desviación de la fibra del material utilizado en la obtención del patrón o patrones, conviene definir lo que es la distorsión, la desviación e incluso la línea neutra que se utiliza en el patrón.

1 O: Concretamente, la distorsión corresponde a la variación del ángulo entre las fibras de la trama y las fibras de la urdimbre del tejido, respecto a los 90° nominales de la materia prima.

15: Por su parte, desviación corresponde a la variación del ángulo de la fibra de la trama (o de la urdimbre), respecto a la orientación teórica. En el caso concreto de cuadernas, la orientación teórica es de +/-45° en el alma, considerando como dirección oo la línea longitudinal media que recorre la cuaderna, de manera que fuera de la línea media la desviación se mide respecto al offset de la línea media que pasa por cada punto.

20: En cuanto a la línea neutra, corresponderá a la línea que mantiene su longitud constante en el patrón de fibra, después de la operación de conformado curvo en el plano del patrón.

25: La geometría determinada de la pieza o preforma fabricada mediante los patrones de la invención, permiten obtener rigidizadores con secciones transversales en forma de "C" "L" "Z" "H" "T" ó "J"' ' ' ' ' .

30: Pasando ya a describir las fases del procedimiento de la invención, el mismo comprende la fase inicial de extracción de las líneas internas de los radios definidos entre las faldillas y el alma de la pieza, en caso de ser de sección en "C", considerando esta fase como la fase primera del

procedimiento, de manera presente cambios bruscos mediante una "spline".: que en el caso de que alguna de esas líneas de geometría, se realizará una aproximación

5 1 O: En un paso 2 se generarán una serie de puntos equidistantes sobre la curva interior, es decir la de menor desarrollo, trazando desde cada uno de esos puntos un segmento perpendicular a dicha curva, hasta alcanzar la curva exterior o de mayor desarrollo, todo ello de manera tal que cuanto menor sea la distancia entre puntos, mayor será la precisión que se conseguirá en la definición de la línea neutra óptima.

En una fase 3 se marca el punto medio de cada segmentos creados en la fase anterior.: uno de esos

15: En una siguiente fase considerada como 4, se lleva a cabo la unión de los puntos medios marcados en el paso 3, obteniendo una curva que será una interpolación tipo "spline".

20: En un paso o fase 5 se repiten las fases 2, 3 y 4, pero aplicadas ahora a la generación de puntos equidistantes sobre la curva exterior, trazando segmentos que intercepten con la curva interior, obteniéndose una segunda curva que queda muy próxima a la anterior.

25: En una fase 6 se obtiene la línea media real, repitiendo las fases anteriores para cada una de las dos curvas obtenidas en las fases 4 y 5, tantas veces como se crea oportuno, se conseguirá que entre ambas curvas definitivas existirá una mínima diferencia que corresponderá a una tolerancia predeterminada.

Sobre esa línea media real que se considerará como línea neutra

óptima, y que divide en dos áreas iguales a la pieza, en una fase 7 se marcan

puntos equidistantes.

En una fase 8 se obtiene un desarrollo curvo del patrón con creces.

En una fase se traza un rectángulo sobre el correspondiente rollo de material a utilizar, y cuyo trazado de rectángulo se realizará sobre una superficie extendida y lisa con una orientación a 45° respecto a la dirección oo de la urdimbre, y con unas dimensiones mayores a la longitud y anchura máxima de la pieza final o patrón a obtener.

En una fase 1 O, sobre la pieza patrón con creces obtenida en la fase 8, se marca la línea media longitudinal y sobre ella una serie de puntos equidistantes.

En una fase 11 se lleva a cabo el cortado del rectángulo de tejido, según el contorno exterior definido en la fase 9.

En una fase 12 se efectúa, sobre una superficie plana, la marcación de puntos sobre la trayectoria de la línea neutra obtenida en la fase 7, pudiendo utilizar para ello un proyector láser o cualquier otro medio apropiado.

La pieza patrón rectangular de tejido obtenido en la fase 11 se lleva y se superpone sobre la superficie plana de la fase anterior, haciendo coincidir cada punto trazado en dicha superficie plana con los puntos trazados sobre la pieza patrón de tejido.

En una fase 14 y utilizando un proyector láser o cualquier otro medio, se proyecta el contorno exterior del patrón de tejido curvo, para en una

fase 15 efectuar el cortado de dicho patrón por el contorno perimetral, para

obtener así un patrón curvo definitivo, el cual se coloca en su posición

original sobre el rollo de material o plantilla, haciendo coincidir marcaciones

realizado antes de la operación de corte, de manera que el contorno que

5: defina será el desarrollo del patrón que hay que cortar, cuyo desarrollo plano

y curvo se colocará en un útil de conformado para obtener preformas que

posteriormente serán impregnadas con resina dentro de un útil para obtener la

pieza de material compuesto final.

1 O: De esta forma se obtienen patrones de materiales compuestos a

base de tejido, utilizados para la fabricación de preformas de, por ejemplo,

cuadernas de materiales compuestos a impregnar en LRI o RTM, en donde

dichas preformas tendrán una configuración optimizada en cuanto a

desviación y distorsión de las fibras del material respecto a los valores

15: nominales se refiere, con la especial particularidad de que los radios de

curvatura longitudinales así como el alma serán variables,

independientemente de la configuración correspondiente a la geometría que

presenten la piezas o preformas correspondientes.

20: En cuanto al tejido utilizado como material compuesto, podrá ser

de fibras de carbono, de fibras de vidrio, de fibras cerámicas o de fibras de

aramida, así como podrán utilizarse tejidos híbridos, siempre con una

aplicación independiente del gramaje del tejido o de su textura, es decir

tejidos planos, satén o twill.

25

Los valores de desviación de orientación y distorsión de las fibras

que se obtendrán en la pieza final no requerirán utillaje de conformado o de

impregnación, para conseguir rigidizadores que presenten cualquiera de las

secciones transversales ya comentadas.

DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

Para complementar la descripción que seguidamente se va a realizar y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características del invento, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica del mismo, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:

La figura 1.-Muestra sendas vistas en planta correspondientes al desarrollo rectangular y curvo de una pieza en la que se deja ver claramente la línea neutra intermedia.

La figura 2.-Muestra un detalle correspondiente a una pieza en "C" como preforma para obtener un rigidizador, con su alma y sus correspondientes faldillas.

La figura 3.-Muestra el detalle correspondiente a las líneas definidas por el alma y cada una de las dos faldillas de la pieza anterior.

La figura 4.-Muestra un detalle correspondiente a una aproximación hecha en el caso de que alguno de los dos radios de la pieza presenten cambios bruscos de geometría.

La figura 5.-Muestra el alma de una pieza como la de las figuras anteriores, dividida en segmentos transversales y perpendiculares a la línea de curvatura interna, así como la línea curva intermedia definida por la unión sucesiva de puntos intermedios de esos segmentos transversales.

La figura 6. Muestra una vista como la de la figura 5, pero en este caso con la línea intermedia curva o neutra obtenida a partir de los segmentos que unen puntos equidistantes correspondientes a la línea curva exterior.

5: La figura 7.-Muestra una vista correspondiente a la superposición de las dos líneas curvas intermedias obtenidas a partir de lo representado en las figuras 5 y 6.

1 O: La figura 8.-Muestra lo que es considerada como línea neutra óptima, que optimiza la orientación de las fibras y minimiza la distorsión, y al lado la línea media real señalada en línea de trazos.

15 20: La figura 9.Muestra una sucesión de puntos equidistantes marcados sobre la línea neutra óptima definida en la figura anterior. La figura 10.-Muestra la pieza patrón de partida que hay que cortar del rollo de material, cuya pieza patrón es un rectángulo orientado a 45° respecto de la dirección de las fibras de la urdimbre, incluyendo esa pieza patrón rectangular la línea intermedia longitudinal con los correspondientes puntos equidistantes entre si.

La figura 11.-Muestra una superficie sobre la que se han trazado los puntos equidistantes definidos en la figura 9.

25: La figura 12.-Muestra el patrón de tejido curvado en el plano horizontal, en donde se ha hecho coincidir los puntos trazados sobre el patrón con los puntos correspondientes a la figura 11.

30: La figura 13.-Muestra el contorno de la pieza del patrón de tejido, antes y después de la operación de corte, viéndose su sobredimensionado.

5: La figura 14.Muestra las líneas trazadas en los lados longitudinales de la pieza patrón, resultante de ea figura anterior, y que delimitan el alma con las faldillas. La figura 15.-Muestra el patrón de tejido resultante de la figura anterior, colocado en su posición original sobre el rollo de material.

1 O: La figura 16.-Muestra el contorno final de la pieza patrón de tejido que minimiza las desviaciones y distorsiones de las fibras a lo largo de toda la pieza.

15: La figura 17.-Muestra, finalmente, el contorno en el que habrá que ajustar los patrones obtenidos en la operación anterior, a la hora de fabricar la pteza.

REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN

20 25: Como se puede ver en las figuras referidas, y en relación concretamente con la figura 1, puede observase el concepto de lo que es la línea neutra ( 1) sobre una pieza curvada (3), y cuya línea neutra ( 1) es el resultado de unir correlativamente entre si una pluralidad de puntos equidistantes (4) que corresponden a puntos intermedios de la pieza (2) ó (3). En la figura 2 puede observase la pieza de configuración en "C" con un alma (5) y faldillas (6), mientras que en la figura 3 se muestran las líneas (7, 8), que son líneas curvas interior y exterior respectivamente delimitando el alma (5) y cuyas líneas curvas (7, 8) corresponderían

lógicamente a las faldillas ( 6), correspondiendo esta figura 3 al caso de que la

pieza final tenga una sección transversal en "C", ya que si tiene una sección

transversal en, por ejemplo, "L" solo existiría un radio o faldilla.

5: En la figura 4 se muestra un detalle en el caso de que alguno de los

dos radios o almas (7, 8) presenten cambios.

En la figura 5 se muestra una pieza o alma ( 5) en cuyo radio o

línea curva interior (7) presenta una pluralidad de puntos equidistantes ( 1 0),

1 O: desde los cuales se han trazado otros tantos segmentos transversales ( 11) que

son perpendiculares a dicha línea o radio de curvatura (7), con la

particularidad de que el punto medio de esos segmentos ( 11) están marcados

con puntos (12) cuya unión correlativa determina una línea curva y

intermedia (13).

15

En la figura 6 se muestra la línea intermedia y curva ( 13 ') obtenida

de la misma forma que la descrita para la figura 5, pero en donde se ha

tomado como referencia la línea curva externa (8) en la que se han marcado

los puntos equidistantes ( 1 O') y de éstos trazados los segmentos transversales

20: (11 ')que son perpendiculares a la línea curva externa (8), y en donde cuyos

segmentos (11 ') se han marcado los puntos intermedios (12') cuya unión

correlativa determina la comentada línea intermedia y curva (13').

Por lo tanto, en la pieza (5) se obtienen dos líneas intermedias y

25: curvas (13, 13'), las cuales se dejan ver en el detalle ampliado de la figura 7,

de manera tal que repitiendo el proceso en cada una de esas líneas

intermedias y curvas (13, 13') llegará un momento en que la diferencia entre

ambas será mínima y que corresponderá a un valor pre-establecido

considerando entonces a dicha línea intermedia como línea neutra óptima ( 14)

30: respecto de la línea media real (15), tal y como se representa en la figura 8.

La propia línea neutra óptima (14) se utilizará para marcación de una pluralidad de puntos equidistantes (16).

5 1 O: En la figura 1 O se muestra la p1eza patrón rectangular ( 17) marcada sobre un rollo ( 18) del material utilizado, y cuya pieza o contorno rectangular marcado ( 17) está orientado a +45° respecto la dirección de las fibras de la urdimbre, incluyendo ese contorno rectangular ( 17) la correspondiente línea intermedia longitudinal ( 19) con la marcación de los puntos equidistantes (20), correspondiendo ese contorno rectangular ( 17) con las características referidas, a la que se considera como pieza patrón de partida, una vez cortada del rollo (18).

15: En la figura 11 se muestra una superficie (21 ), que es lisa y sobre la que se han marcado los puntos equidistantes ( 16') que corresponderían a los puntos ( 16) de la pieza representada en la figura 9.

20: En la figura 12 se muestra la pieza patrón (22) de configuración curva y obtenida a partir del corte y curvatura del rectángulo ( 17) de la figura 1O, incluido lógicamente la línea intermedia ( 19) y los puntos equidistantes (20) cuya unión define o determina esa línea intermedia ( 19).

25: Esta pieza (22) es la pieza patrón de tejido curvada en el plano horizontal, cuyos puntos (20) se corresponden con los puntos (16') marcados en la superficie (21) de la figura 11.

30: En la figura 13 se muestra el contorno del patrón de tejido (22), antes y después de la operación de corte, viéndose el contorno externo (23) antes del corte, y el contorno interno (24) que es el definitivo y a través del cual se realizará el corte para obtener la pieza patrón (22), y eliminando la

parte sobrante (25), tras realizar el corte a través de la línea perimetral de contorno (24).

5: En la figura 14 se muestran las líneas trazadas en los radios longitudinales y curvos de la pieza patrón referida anteriormente, estableciendo la delimitación entre el alma (22) y las propias faldillas perimetrales (25).

1 O: En la figura 25 se muestra la pieza patrón (22) de la figura 14 sin deformar pero colocada sobre el rollo (26) de material, mostrándose la flecha (27) que corresponde a la dirección del rollo y la orientación de la pieza patrón (22).

15 20: En la figura 26 se muestra el contorno final de la pieza patrón de tejido (28) resultante, en lo que es su contorno definitivo, minimizando las desviaciones y distorsiones de las fibras a lo largo de toda la pieza (28), mientras que en la figura 27 se muestra, finalmente, el contorno (29) en el que habrá que ajustar los patrones obtenidos en la operación anterior, a la hora de fabricar la pieza.