ES2883130T3 - Método de moldeo de material compuesto - Google Patents
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Abstract
Un método de moldeo de material compuesto para moldear un material compuesto (30) calentando y curando un cuerpo laminado (20) de las láminas preimpregnadas (S1, S2, S3) laminadas sobre una plantilla de moldeo de material compuesto (1), en el que la plantilla de moldeo de material compuesto (1) comprende: una parte rígida (2) que tiene una superficie (2A) para laminar las láminas preimpregnadas; y una parte convexa (3) para formar una ranura con el fin de insertar un sensor de fibra óptica, estando formada la parte convexa en un lado de la superficie de la parte rígida, en el que la parte convexa (3) tiene una longitud no menor de 1 m y no mayor de 10 m en una dirección longitudinal de la parte convexa, comprendiendo además el método de moldeo de material compuesto: producir el cuerpo laminado de las láminas preimpregnadas, que tiene la ranura; y moldear el material compuesto curando el cuerpo laminado de las láminas preimpregnadas, teniendo el material compuesto la ranura, en el que la ranura se forma sin procesamiento de corte o procesamiento de prensa del material compuesto después del curado, en el que la ranura se forma disponiendo una capa de una lámina preimpregnada o capas de láminas preimpregnadas en cada uno de ambos lados de la parte convexa para formar la ranura, una dirección longitudinal de las fibras de una capa de la lámina preimpregnada, o dirigiendo las capas de las láminas preimpregnadas hacia una dirección longitudinal de la parte convexa, habiéndose formado la parte convexa sobre una superficie de la plantilla de moldeo de material compuesto, comprendiendo además el método de moldeo de material compuesto: insertar un sensor de fibra óptica en la ranura formada en el material compuesto y aplicar un adhesivo entre la ranura y el sensor de fibra óptica; y producir un material compuesto, integrado con el sensor de fibra óptica, endureciendo el adhesivo.
Description
DESCRIPCIÓN
Método de moldeo de material compuesto
CAMPO
Las realizaciones descritas en la presente memoria se refieren en general a una plantilla de moldeo de material compuesto, un método de moldeo de material compuesto, un sistema de prueba ultrasónico, un método de prueba ultrasónico y un objeto estructural de aeronave.
ANTECEDENTES
Convencionalmente, la ultrasonografía se conoce como un método para probar de forma no destructiva un miembro estructural de una aeronave o similar. Además, también se conoce una técnica que utiliza un sensor FBG (fibra de rejilla de Bragg) como sensor para pruebas ultrasónicas. El uso de un sensor FBG como sensor para recibir una onda ultrasónica puede mejorar la precisión de detección de ondas ultrasónicas en comparación con un caso en el que se utiliza un transductor ultrasónico como sensor.
Así, se ha propuesto una técnica de formar una ranura sobre un sustrato metálico presionando un miembro en forma de barra contra el sustrato metálico de modo que se pueda insertar un sensor de fibra óptica en la ranura metálica (por ejemplo, Publicación Internacional N°. WO 2008/123285 A1). Con esta técnica, se puede incrustar un sensor de fibra óptica entre metales unidos mediante prensado en caliente.
Por otro lado, un material compuesto, como GFRP (plásticos reforzados con fibra de vidrio) o CFRP (plásticos reforzados con fibra de carbono), que es liviano y tiene altas resistencias, ha llamado la atención principalmente como material de un objeto estructural de aeronave o similar. Un material compuesto se fabrica laminando y curando preimpregnados en forma de lámina semicurados, cada uno de los cuales está hecho de fibras, tales como fibras de carbono o fibras de vidrio, impregnadas con resina.
Así, se ha propuesto una técnica de incrustación de una fibra óptica, como sensor de deformación, entre preimpregnados en forma de lámina, que son un material antes del curado de un material compuesto, y luego, curar los preimpregnados entre los cuales se incrusta la fibra óptica (por ejemplo, Publicación de solicitud de patente japonesa JP 2012-020483 A y Publicación de solicitud de patente japonesa JP H11-142262 A). Específicamente, se puede fabricar un material compuesto, en el que se ha incrustado una fibra óptica, insertando la fibra óptica entre láminas preimpregnadas durante el laminado de las láminas preimpregnadas, antes del curado de las láminas preimpregnadas.
Sin embargo, el grosor de un sensor de fibra óptica típica es del orden de 100 gm, por lo que la rigidez es baja. Por consiguiente, cuando se inserta una fibra óptica entre láminas preimpregnadas antes del curado, existe el problema de que la fibra óptica se mueve desde una posición apropiada por contracción de un material compuesto debido al curado.
Por tanto, un objeto de la presente invención es permitir la incrustación de un sensor de fibra óptica en una posición apropiada, sin deteriorar la resistencia de un material compuesto.
COMPENDIO DE LA INVENCIÓN
La invención se define mediante el método de la reivindicación 1.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
En los dibujos adjuntos:
La figura 1 es una vista superior que muestra una estructura de una plantilla de moldeo de material compuesto La figura 2 es una vista en sección de la plantilla de moldeo de material compuesto mostrada en la figura 1; La figura 3 es una vista en sección transversal ampliada de cada parte convexa mostrada en la figura 1 y la figura 2 , que ilustra un método para determinar la altura y la anchura de la parte convexa;
La figura 4 es una vista superior que muestra un estado en el que se ha dispuesto una capa de lámina preimpregnada sobre la plantilla de moldeo de material compuesto mostrada en la figura 1;
La figura 5 es una vista en sección de la plantilla de moldeo de material compuesto y la lámina preimpregnada mostrada en la figura 4;
La figura 6 es una vista en sección que muestra un estado en el que las capas segunda y siguientes de láminas preimpregnadas se han estratificado sobre la primera capa de la lámina preimpregnada S1 mostrada en la figura 5;
La figura 7 es una vista superior que muestra un estado en el que los sensores de fibra óptica se han insertado en ranuras de un material compuesto moldeado calentando y curando el cuerpo laminado preimpregnado mostrado en la figura 6 ;
La figura 8 es una vista superior que muestra un estado en el que se ha endurecido un adhesivo para fijar los sensores de fibra óptica, mostrado en la figura 7, al material compuesto;
La figura 9 muestra un método de fabricación del material compuesto en el caso de curvar una parte de la superficie del material compuesto, en el que están incrustados los sensores de fibra óptica;
La figura 10 explica los problemas del método de moldeo convencional de un material compuesto, que coloca los sensores de fibra óptica entre las láminas preimpregnadas y posteriormente cura las láminas preimpregnadas;
La figura 11 explica problemas en el caso del procesamiento de ranuras, para colocar los sensores de fibra óptica, en el material compuesto después del curado;
La figura 12 muestra una configuración de un sistema de prueba ultrasónico que incluye los sensores de fibra óptica, incrustados en la superficie del material compuesto, como elementos;
La figura 13 muestra un ejemplo de objeto estructural de aeronave que incluye el sistema de prueba ultrasónico, mostrado en la figura 12, como una parte;
La figura 14 es una vista superior que muestra una estructura de una plantilla de moldeo de material compuesto; La figura 15 es una vista en sección de la plantilla de moldeo de material compuesto en la posición A-A en la figura 14;
La figura 16 es una vista superior que muestra formas de ranuras del material compuesto, formadas por las partes convexas de la plantilla de moldeo del material compuesto mostrada en la figura 14 y la figura 15; y La figura 17 es una vista en sección que muestra una forma de la ranura en la posición B-B en la figura 16.
DESCRIPCIÓN DETALLADA
Se describirán una plantilla de moldeo de material compuesto, un método de moldeo de material compuesto, un sistema de prueba ultrasónico, un método de prueba ultrasónico y un objeto estructural de aeronave según la descripción con referencia a los dibujos adjuntos.
(Primera realización)
(Estructura de la plantilla de moldeo de material compuesto)
La figura 1 es una vista superior que muestra una estructura de una plantilla de moldeo de material compuesto según la divulgación. La figura 2 es una vista en sección de la plantilla de moldeo de material compuesto mostrada en la figura 1.
Una plantilla de moldeo de material compuesto 1 es una plantilla para fabricar un material compuesto al que se ha unido un sensor de fibra óptica como sensor para detectar una onda ultrasónica. La plantilla de moldeo de material compuesto 1 tiene una parte rígida 2 y al menos una parte convexa 3 formada en la parte rígida 2. La parte rígida 2 tiene una superficie 2A para laminar láminas preimpregnadas. Cada parte convexa 3 se usa para formar una ranura, que es para insertar un sensor de fibra óptica, en un cuerpo laminado de láminas preimpregnadas. Por tanto, cada parte convexa 3 está formada en el lado de la superficie 2A de la parte rígida 2 y tiene una estructura alargada que se corresponde con la forma de la ranura.
En el caso de formar una pluralidad de ranuras en un cuerpo laminado de láminas preimpregnadas de modo que se pueda insertar una pluralidad de sensores de fibra óptica, se puede formar una pluralidad de partes convexas 3 en la parte rígida 2, según el número de ranuras, como se muestra en las figuras. En este caso, las partes convexas 3 se forman de modo que se vuelvan uniformes las direcciones longitudinales de las partes convexas 3. Por lo tanto, las direcciones longitudinales de las partes convexas 3 se vuelven aproximadamente paralelas.
La figura 3 es una vista en sección transversal ampliada de cada parte convexa 3 mostrada en la figura 1 y la figura 2, que ilustra un método para determinar la altura y el ancho de la parte convexa 3.
Lo que es necesario para formar una ranura, que tenga un tamaño capaz de albergar un sensor de fibra óptica 10, en un cuerpo laminado preimpregnado es hacer que la altura H de la parte convexa 3 y el ancho W de la sección transversal de la parte convexa 3 sea una altura y una anchura según el diámetro del sensor de fibra óptica 10, respectivamente, como se muestra en la figura 3. Es decir, lo que es necesario es hacer que la altura H y la anchura W de la parte convexa 3 sean una altura y una anchura obtenidas cada una de las añadiendo un margen necesario al diámetro del sensor de fibra óptica 10.
El diámetro del sensor de fibra óptica típico 10 es de aproximadamente 125 gm a 150 gm. Por tanto, lo que se necesita para formar una ranura, que tenga un tamaño capaz de albergar el típico sensor de fibra óptica 10, sobre un cuerpo laminado preimpregnado es hacer que la altura H de cada parte convexa 3 y el ancho W de la sección transversal de cada parte convexa 3 no sean inferiores a 125 gm ni superiores a 150 gm, respectivamente.
El grosor de una lámina preimpregnada típica S laminada sobre la superficie 2A de la parte rígida 2 también es de aproximadamente 125 gm a 150 gm. Por lo tanto, cuando el diámetro del sensor de fibra óptica 10 y el grosor de la lámina preimpregnada S son casi iguales entre ellos, la altura H de cada parte convexa 3 puede ser la altura de una capa de la lámina preimpregnada S. En este caso, se formará una ranura que tiene una profundidad correspondiente al espesor de una capa de la lámina preimpregnada S sobre un cuerpo laminado preimpregnado.
Se puede determinar un intervalo permisible en el espesor de la lámina preimpregnada S mediante información de diseño con el fin de obtener las características mecánicas necesarias, tales como resistencias de un material compuesto. Además, el grosor de la lámina preimpregnada S fácilmente disponible, que es suministrada por los fabricantes de un preimpregnado, es a menudo limitado. Mientras tanto, el diámetro del sensor de fibra óptica 10 tiene una gran flexibilidad en su selección. Por tanto, el diámetro del sensor de fibra óptica 10 se puede determinar según el espesor de la lámina preimpregnada S, y se pueden determinar la altura H de cada parte convexa 3 y el ancho W de la sección transversal de cada parte convexa 3 según el grosor de la lámina preimpregnada S y el diámetro del sensor de fibra óptica 10.
Por supuesto, en el caso de formar una ranura para insertar el sensor de fibra óptica 10, que tiene un diámetro casi igual al grosor de algunas capas de las láminas preimpregnadas S, sobre un cuerpo laminado preimpregnado, la altura H de cada parte convexa 3 se puede hacer casi igual al grosor de las capas de las láminas preimpregnadas S según el diámetro del sensor de fibra óptica 10.
Obsérvese que el grosor de la lámina preimpregnada S y el diámetro del sensor de fibra óptica 10 también tienden a reducirse con el avance de la tecnología. Por lo tanto, la altura H de cada parte convexa 3 y el ancho W de la sección transversal de cada parte convexa 3 también pueden ser menores de 125 gm, respectivamente, dependiendo del grosor de la lámina preimpregnada S y del diámetro del sensor de fibra óptica 10.
(Método de moldeo de material compuesto)
A continuación, se describirá un método de moldeo de un material compuesto que utiliza la plantilla de moldeo de material compuesto 1. Un material compuesto en el que se han formado ranuras para insertar los sensores de fibra óptica 10 se puede moldear calentando y curando un cuerpo laminado preimpregnado en la plantilla de moldeo de material compuesto 1 que tiene una estructura como se muestra en la figura 1. Además, se puede producir un material compuesto integrado con los sensores de fibra óptica 10 insertando los sensores de fibra óptica 10 en el material compuesto en el que se han formado las ranuras.
La figura 4 es una vista superior que muestra un estado en el que se ha dispuesto una capa de lámina preimpregnada S1 sobre la plantilla de moldeo de material compuesto 1 mostrada en la figura 1. La figura 5 es una vista en sección de la plantilla de moldeo de material compuesto 1 y la lámina preimpregnada S1 mostradas en la figura 4.
Como se muestra en la figura 4 y la figura 5, la primera capa de la lámina preimpregnada S1 se puede laminar en cada uno de ambos lados de cada parte convexa 3, respectivamente, estableciendo la dirección longitudinal de las fibras para que sea la dirección longitudinal de las partes convexas 3. Por lo tanto, la lámina preimpregnada S1 en la que la dirección longitudinal de las fibras es una dirección, se utiliza como la primera capa. Por ejemplo, la lámina preimpregnada S1 se puede laminar en ambos lados de cada parte convexa 3 extendiéndose a mano o con un instrumento la lámina preimpregnada S1. Alternativamente, una pluralidad de láminas preimpregnadas S1 que han sido previamente cortadas pueden estar dispuestas en ambos lados de cada parte convexa 3.
En el caso de insertar una pluralidad de sensores de fibra óptica 10 en un material compuesto, los intervalos de los sensores de fibra óptica 10 se pueden determinar dependiendo de la sensibilidad de los sensores de fibra óptica 10 de modo que se pueda probar un área de detección necesaria. Como ejemplo específico, los sensores de fibra óptica 10 pueden disponerse en paralelo a intervalos de aproximadamente 0,5 m. En ese caso, los intervalos de las partes convexas 3 se convierten en los intervalos de los sensores de fibra óptica 10.
Cuando las partes convexas paralelas 3 se han formado en la parte rígida 2, la lámina preimpregnada S1 que se ha cortado previamente según un intervalo de las partes convexas adyacentes 3 se puede laminar entre las partes convexas adyacentes 3. En otras palabras, la lámina preimpregnada S1, que tiene un ancho igual que un intervalo de las partes convexas adyacentes 3, puede prepararse y estratificarse entre las partes convexas adyacentes 3.
Cuando se ha determinado que la altura de las partes convexas 3 es el espesor de una pluralidad de capas de las láminas preimpregnadas S1, las capas de las láminas preimpregnadas S1 se laminarán en cada uno de ambos lados de cada parte convexa 3, respectivamente, de modo que la dirección longitudinal de las fibras se convierta en la dirección longitudinal de las partes convexas 3. En este caso, cada una de las capas de las láminas preimpregnadas S1 se lamina en la misma dirección de modo que la dirección longitudinal de las fibras coincida con la dirección longitudinal de las partes convexas 3. A continuación, se describirá un caso de ejemplo en el que se ha determinado que la altura de las partes convexas 3 es el grosor de una capa de la lámina preimpregnada S1, como se muestra en las figuras.
La figura 6 es una vista en sección que muestra un estado en el que las capas segunda y siguientes de láminas preimpregnadas S2 se han estratificado sobre la primera capa de la lámina preimpregnada S1 mostrada en la figura 5.
Dado que se determina que la altura de las partes convexas 3 sea el espesor de las láminas preimpregnadas S1, se
forma un plano aproximadamente por las superficies superiores de las partes convexas 3 y las superficies de la primera capa de las láminas preimpregnadas S1 cuando las láminas preimpregnadas S1 están dispuestas en ambos lados de cada parte convexa 3. Por lo tanto, las capas segunda y siguientes de las láminas preimpregnadas S2 se pueden laminar siguiendo un método de laminación habitual. Por lo tanto, las capas segunda y siguientes de las láminas preimpregnadas S2 pueden laminarse automáticamente usando un dispositivo de laminación.
Las fibras de las capas segunda y siguientes de las láminas preimpregnadas S2, que están laminadas por encima de las superficies superiores de las partes convexas 3, pueden dirigirse en las direcciones deseadas. Por lo tanto, para laminar las láminas preimpregnadas S2, que se laminan por encima de las superficies superiores de las partes convexas 3, se puede seleccionar un método de laminación preferible, tal como unidireccional, pseudoisotrópico o de capas transversales.
Cuando se determina una dirección de al menos una parte de las fibras de las láminas preimpregnadas S2, que están laminadas por encima de las superficies superiores de las partes convexas 3, de modo que la dirección longitudinal de las fibras se cruce con la dirección longitudinal de las partes convexas 3 en un ángulo perpendicular o predeterminado, se pueden asegurar las resistencias de un material compuesto en la dirección perpendicular a la dirección longitudinal de las partes convexas 3. Por lo tanto, es apropiado hacer que la dirección longitudinal de las fibras de la lámina preimpregnada S1, que está laminada debajo de las superficies superiores de las partes convexas 3, sea la dirección longitudinal de las partes convexas 3, mientras que es apropiado hacer que una dirección de al menos una parte de las fibras de las láminas preimpregnadas S2, que están laminadas por encima de las superficies superiores de las partes convexas 3, sea una dirección que se cruza con la dirección longitudinal de las partes convexas 3, desde el punto de vista de asegurar de manera suficiente las resistencias de un material compuesto después del curado térmico.
Como se ejemplifica en la figura 6 , cuando el número necesario de láminas preimpregnadas S2 para asegurar el espesor de un material compuesto se laminan por encima de las superficies superiores de las partes convexas 3, se forman ranuras que tienen la misma forma que la de las partes convexas 3 en un cuerpo laminado 20 de las láminas preimpregnadas S. Es decir, se puede fabricar el cuerpo laminado preimpregnado 20, que tiene las ranuras para insertar los sensores de fibra óptica 10.
Cuando se calienta y cura el cuerpo laminado preimpregnado 20, que tiene las ranuras, laminado en la plantilla de moldeo de material compuesto 1, en un estado presurizado, mediante un equipo de procesamiento de autoclave o similar, se pueden moldear un material compuesto que tiene las ranuras para insertar la óptica los sensores de fibra 10. Como método de presurización del cuerpo laminado 20, es típico un método para cubrir el cuerpo laminado preimpregnado 20 con una película de embolsado y descomprimir una región dentro de la película de embolsado para hacer que la región dentro de la película de embolsado esté en un estado de vacío, o un método de presurización del cuerpo laminado 20 presionando una plantilla rígida, que se denomina mandril, contra el cuerpo laminado 20.
La plantilla de moldeo de material compuesto 1 se puede utilizar únicamente como plantilla para laminar preimpregnados, mientras que el cuerpo laminado preimpregnado 20 puede calentarse y curarse utilizando otra plantilla para el curado térmico. Cuando la plantilla de moldeo de material compuesto 1 también se utiliza como plantilla para calentar y curar el cuerpo laminado 20, las ranuras formadas en un material compuesto para insertar los sensores de fibra óptica 10 pueden tener formas exactamente iguales que las de las partes convexas 3.
Como se describió anteriormente, cuando el cuerpo laminado preimpregnado 20 se calienta y cura después de formar ranuras en el cuerpo laminado 20 de modo que la dirección longitudinal de las ranuras se convierta en la dirección longitudinal de las fibras preimpregnadas, se pueden formar las ranuras en el cuerpo laminado preimpregnado 20 y un material compuesto sin cortar las fibras.
La figura 7 es una vista superior que muestra un estado en el que los sensores de fibra óptica 10 se han insertado en ranuras de un material compuesto 30 moldeado calentando y curando el cuerpo laminado preimpregnado 20 mostrado en la figura 6.
Cuando el material compuesto 30 después del curado térmico se separa de la plantilla de moldeo de material compuesto 1, se forman ranuras, que tienen formas de sección transversal similares a las formas de sección transversal de las partes convexas 3, en la superficie del material compuesto 30 en el lado de la plantilla de moldeo de material compuesto 1. Es decir, las ranuras se pueden procesar en el material compuesto 30 formando el cuerpo laminado preimpregnado 20 bajo calentamiento y presurización, sin realizar el procesamiento usando deformación plástica de un material, tal como procesamiento de corte o procesamiento de doblado.
Las ranuras del material compuesto 30 se utilizan para insertar los sensores de fibra óptica 10. Específicamente, como se ejemplifica en la figura 7, los sensores de fibra óptica 10 se insertan en las ranuras formadas en el material compuesto 30. En este momento, se aplica un adhesivo entre los sensores de fibra óptica 10 y las ranuras. El adhesivo puede aplicarse a los sensores de fibra óptica 10 o a las caras internas de las ranuras, o tanto a los sensores de fibra
óptica 10 como a las caras internas de las ranuras. Además, el adhesivo puede aplicarse antes de insertar los sensores de fibra óptica 10 en las ranuras, o después de insertar los sensores de fibra óptica 10 en las ranuras.
La figura 8 es una vista superior que muestra un estado en el que se ha endurecido un adhesivo para fijar los sensores de fibra óptica 10, mostrado en la figura 7, al material compuesto 30.
Cuando se endurece el adhesivo para fijar los sensores de fibra óptica 10 al material compuesto 30, el material compuesto 30 integrado con los sensores de fibra óptica 10 se puede producir como se ejemplifica en la figura 8. Cuando el material compuesto 30 se usa como parte de un objeto estructural de aeronave, normalmente se usa una resina termoendurecible como adhesivo. En ese caso, el material compuesto 30 integrado con los sensores de fibra óptica 10 se produce mediante el curado térmico del adhesivo mediante un dispositivo de calentamiento.
El material compuesto 30 mencionado anteriormente en el que se han incrustado en la superficie los sensores 10 de fibra óptica puede usarse como una pieza deseada, tal como una pieza de una aeronave. En el ejemplo mencionado anteriormente, la superficie del material compuesto 30 en el lado donde se van a incrustar los sensores de fibra óptica 10 es plana. Por supuesto, la superficie del material compuesto 30 en el lado donde se incrustarán los sensores de fibra óptica 10 también puede ser una superficie curva dependiendo del propósito previsto del material compuesto 30. En el caso de curvar la superficie del material compuesto 30, la superficie del material compuesto 30 se puede curvar tanto en la dirección longitudinal de los sensores de fibra óptica 10 como en la dirección perpendicular a la dirección longitudinal de los sensores de fibra óptica 10. Por lo tanto, el material compuesto 30 en termo endurecible el que se han incrustado los sensores de fibra óptica 10, se puede producir no solo para un panel, que es parte de un objeto estructural de un ala de aeronave, sino también para un miembro de refuerzo, como un larguero, una nervadura o un larguerillo.
La figura 9 muestra un método de fabricación del material compuesto 30 en el caso de curvar una parte de la superficie del material compuesto 30, en el que están incrustados los sensores de fibra óptica 10.
En el caso de curvar la superficie del material compuesto 30, lo que es necesario es curvar la superficie 2A de la parte rígida 2 de la plantilla de moldeo de material compuesto 1, para laminar las láminas preimpregnadas S, según la forma del material compuesto 30 después del curado, como se ejemplifica en la figura 9. Las partes convexas 3 para formar las ranuras para insertar los sensores de fibra óptica 10 también pueden formarse en la superficie curva 2A. Por tanto, incluso cuando la superficie del material compuesto 30 sea una superficie curva, los sensores de fibra óptica 10 pueden fijarse al material compuesto 30 a intervalos predeterminados.
Como se describió anteriormente, el método de moldeo del material compuesto 30 consiste en formar las partes convexas 3 para formar ranuras en la plantilla de moldeo de material compuesto 1 con el fin de laminar las láminas preimpregnadas S, insertar los sensores de fibra óptica 10 en las ranuras formadas en el material compuesto 30 después del curado, y fijar con un adhesivo los sensores de fibra óptica 10 al material compuesto 30. Además, las láminas preimpregnadas S1, cada una de ellas laminada en una posición más baja que cada una de las superficies superiores de las partes convexas 3, está dispuesta de modo que la dirección longitudinal de las fibras de las láminas preimpregnadas S1 se convierta en la dirección longitudinal de las partes convexas 3. (Efectos)
Por tanto, el método de moldeo del material compuesto 30 que utiliza la plantilla de moldeo de material compuesto 1 permite fabricar el material compuesto de alta calidad 30 en el que se han incrustado en la superficie los sensores de fibra óptica 10. En otras palabras, los sensores de fibra óptica 10 se pueden incrustar en posiciones apropiadas en la superficie sin deteriorar las resistencias del material compuesto 30.
La figura 10 explica los problemas del método de moldeo convencional de un material compuesto, que coloca los sensores de fibra óptica 10 entre las láminas preimpregnadas S y posteriormente cura las láminas preimpregnadas S.
Incluso cuando los sensores de fibra óptica 10 se han dispuesto en una determinada lámina preimpregnada S como se muestra en la figura 10A, se aplica la presión atmosférica sobre los sensores de fibra óptica 10 mediante aspiración en el momento del curado de los preimpregnados, además del propio peso de las láminas preimpregnadas S laminadas en los sensores de fibra óptica 10. En consecuencia, los sensores de fibra óptica 10, que tienen cada uno una rigidez baja, pueden moverse desde las posiciones iniciales mostradas en la figura 10B. Además, cuando los preimpregnados laminados se calientan y curan, las posiciones de los sensores de fibra óptica 10 se modifican aún más por contracción debido al curado, como se muestra en la figura 10C.
Por el contrario, en el método de moldeo del material compuesto 30 que usa la plantilla de moldeo de material compuesto 1 como se describió anteriormente, los sensores de fibra óptica 10 se insertan en las ranuras del material compuesto curado 30. Por lo tanto, puede evitarse el desplazamiento de los sensores de fibra óptica 10, y los sensores de fibra óptica 10 se pueden incrustar de manera estable y fácil en posiciones apropiadas sobre una superficie del material compuesto 30.
La figura 11 explica problemas en el caso del procesamiento de ranuras, para colocar los sensores de fibra óptica 10, sobre el material compuesto 40 después del curado.
También se considera formar ranuras, con el fin de colocar los sensores de fibra óptica 10, sobre un material compuesto 40 después del curado mediante procesamiento de corte o procesamiento de prensa. Sin embargo, las fibras 40A del material compuesto 40 después del curado no son necesariamente lineales a diferencia de las fibras tejidas en preimpregnados, como se ejemplifica en la figura 11. Es decir, se produce ondulación en las fibras 40A del material compuesto 40. Esto se debe a que el desplazamiento de los preimpregnados se produce en el momento de laminar y embolsar láminas preimpregnadas, y la deformación de los preimpregnados se produce en el momento del curado.
Por lo tanto, con la condición de que se formen ranuras, mediante mecanizado, en el material compuesto 40 después del curado, se cortará un gran número de fibras complejas enmarañadas 40A como se ejemplifica en la figura 11. Alternativamente, resultan dañadas un gran número de fibras 40A. Por consiguiente, esto conduce al deterioro de la resistencia del material compuesto 40.
Por el contrario, los sensores de fibra óptica 10 integrados con el material compuesto 30 están dispuestos en las ranuras formadas sin procesamiento de corte o procesamiento de prensa del material compuesto 30 después del curado. Por tanto, las fibras del material compuesto 30 no se dañan ni se cortan para fijar los sensores de fibra óptica 10 al material compuesto 30.
Además, la dirección longitudinal de las fibras es la dirección longitudinal de los sensores de fibra óptica 10. Específicamente, las direcciones de las fibras de las láminas preimpregnadas S1, cada una laminada en una posición más baja que cada una de las superficies superiores de las partes convexas 3 de la plantilla de moldeo de material compuesto 1, son unidireccionales, y la dirección longitudinal de las partes convexas 3 es la dirección longitudinal de las fibras. Por lo tanto, las fibras de las láminas preimpregnadas S1 no se cortan para colocar las láminas preimpregnadas S1 en ambos lados de cada parte convexa 3. Además, las fibras no son interrumpidas por cada parte convexa 3. Por lo tanto, puede evitarse el deterioro de la resistencia del material compuesto 30, resultante del corte o daño de las fibras.
Cuando una dirección de al menos una parte de las fibras de las láminas preimpregnadas S2, laminadas en posiciones más altas que las superficies superiores de las partes convexas 3, se hace que sea una dirección que interseca la dirección longitudinal de las partes convexas 3, las resistencias en la dirección que interseca la dirección longitudinal de las partes convexas 3 se puede asegurar incluso cuando se hayan separado las láminas preimpregnadas S1 en ambos lados de cada parte convexa 3.
En particular, el deterioro de las resistencias del material compuesto 30, resultante de la existencia de ranuras para fijar los sensores de fibra óptica 10, es de un grado insignificante cuando el número de la lámina preimpregnada S1 laminada en una posición más baja que cada superficie superior de las partes convexas 3 se forman en una lámina aprovechando la relación de que un diámetro estándar de cada sensor de fibra óptica 10 es aproximadamente el mismo que el grosor estándar de una capa de la lámina preimpregnada S. Por lo tanto, se puede fabricar fácilmente el material compuesto 30 que tiene las resistencias necesarias.
Dado que cada uno de los sensores de fibra óptica 10 tiene una rigidez baja, los sensores de fibra óptica 10 se rompen fácilmente por una fuerza externa. Por lo tanto, incrustar los sensores de fibra óptica 10 en el material compuesto 30 es más eficaz para evitar la rotura de los sensores de fibra óptica 10. Es decir, los sensores de fibra óptica 10 pueden protegerse de forma segura al estar incrustados en el material compuesto 30.
(Sistema de prueba ultrasónico)
La figura 12 muestra una configuración de un sistema de prueba ultrasónico 50 que incluye, como elementos, los sensores de fibra óptica 10, incrustados en la superficie del material compuesto 30.
El sistema de prueba ultrasónico 50 puede estar compuesto por actuadores 51, los sensores de fibra óptica 10, incrustados en la superficie del material compuesto 30, y un sistema de procesamiento de señales 52. Cada uno de los actuadores 51 es un transductor ultrasónico que emite una onda ultrasónica hacia un área de prueba del material compuesto 30.
Como se describió anteriormente, los sensores de fibra óptica 10 incrustados en la superficie del material compuesto 30 se pueden fabricar curando el cuerpo laminado preimpregnado 20, que tiene ranuras, para moldear el material compuesto 30, que tiene las ranuras, insertando los sensores de fibra óptica 10 con un adhesivo en las ranuras del material compuesto 30, y endureciendo el adhesivo. Por ejemplo, el material compuesto 30, en el cual los sensores de fibra óptica 10 han sido incrustados en la superficie, se puede fabricar moldeando el material compuesto 30 que tiene ranuras cada de las cuales tiene una profundidad y un ancho de sección transversal correspondiente al espesor de una capa de la lámina preimpregnada S, e insertando los sensores de fibra óptica 10, cada uno de los cuales tiene
un diámetro seleccionado según el grosor de una capa de la lámina preimpregnada S, dentro de las fibras. ranuras respectivamente.
Cada uno de los sensores de fibra óptica 10 detecta al menos uno de una onda ultrasónica que ha transmitido un área de prueba de un objeto que se ha de probar hecho del material compuesto 30 y una onda reflejada de la onda ultrasónica que se ha reflejado en el área de prueba, para emitir una señal de detección. Es decir, pueden usarse al menos una de una onda ultrasónica que ha transmitido un área de prueba y una onda ultrasónica reflejada que se ha reflejado en el área de prueba para una prueba de detección de fallos en el área de prueba. Por lo tanto, las posiciones relativas de los sensores de fibra óptica 10 y los accionadores 51 se determinan dependiendo de cuál de las ondas ultrasónicas que han transmitido las áreas de prueba y las ondas ultrasónicas reflejadas que se han reflejado en las áreas de prueba deben detectarse.
Como se describió anteriormente, los sensores de fibra óptica 10 deben insertarse en ranuras, que se han formado entre fibras no cortadas del material compuesto 30 de modo que la dirección longitudinal de las ranuras se convierta en la misma dirección que la dirección longitudinal de las fibras antes del curado. Las posiciones y direcciones de las ranuras para insertar los sensores de fibra óptica 10 se determinan de modo que al menos una de las ondas ultrasónicas que han transmitido áreas de prueba del material compuesto 30 y las ondas ultrasónicas reflejadas que se han reflejado en las áreas de prueba puedan ser detectadas por los sensores de fibra óptica 10 respectivamente. Un intervalo de los sensores de fibra óptica 10 puede ser de 0,5 m dependiendo de la sensibilidad de detección de ondas ultrasónicas, por ejemplo.
Los ejemplos típicos del sensor de fibra óptica 10 incluyen un sensor PS-FBG (FBG con desplazamiento de fase) además de un sensor FBG. Un sensor FBG detecta una onda ultrasónica al detectar un cambio en las características de transmisión de luz o las características de reflexión de la luz de un FBG, que varían por un cambio de deformación causado por la propagación de la vibración en el objetivo de prueba, como una señal óptica. Mientras tanto, un PS-FBG es un FBG en el que se ha introducido un desplazamiento de fase local en un cambio periódico de un índice de refracción. Cuando se usa un sensor PS-FBG, la sensibilidad de detección de ondas ultrasónicas se puede mejorar drásticamente, en comparación con un caso en el que se usa un sensor FBG.
Las ondas ultrasónicas especialmente preferidas incluyen una onda Lamb desde el punto de vista de mejorar la SNR (relación señal/ruido) y la precisión de una señal óptica que se obtiene por cada uno de los sensores de fibra óptica 10 como una señal de detección ultrasónica. Una onda de Lamb se propaga en una placa delgada cuyo espesor no supera la mitad de la longitud de onda de la onda ultrasónica. Por lo tanto, es preferible transmitir ondas Lamb desde los actuadores 51.
El sistema de procesamiento de señales 52 tiene una función para emitir ondas ultrasónicas hacia un área de prueba desde los actuadores 51 emitiendo señales de control a los actuadores 51, y una función para detectar una falla en el área de prueba basada en señales de detección de los sensores de fibra óptica 10. El sistema de procesamiento de señales 52 puede estar compuesto por circuitos, que incluyen un circuito de conversión fotoeléctrica, un convertidor A/D (analógico a digital) y un ordenador, además de un circuito de control que emite una señal de control a cada uno de los actuadores 51 , al menos una fuente de luz que emite luces láser a los sensores de fibra óptica 10, y elementos ópticos necesarios para procesar una señal óptica, que consiste en una luz reflejada o una luz transmitida, que sale de cada uno de los sensores de fibra óptica 10 como un señal de detección de una onda ultrasónica. Además, el sistema de procesamiento de señales 52 tiene una función para realizar el procesamiento de señales, tal como procesamiento de eliminación de ruido, procesamiento de promediado, procesamiento de detección de envolvente, procesamiento de detección de picos y procesamiento de umbral, necesarios para detectar un fallo. Se puede acoplar una pantalla 53 al sistema de procesamiento de señales 52 de modo que se pueda visualizar la información necesaria para un usuario, tal como la existencia de un fallo y una posición del falo.
Más específicamente, al menos una parte de los elementos, que procesan señales eléctricas e información digital, que componen el sistema de procesamiento de señales 52 pueden implementarse mediante circuitos que incluyen al menos un circuito integrado de semiconductores, tal como al menos un procesador (por ejemplo, una unidad central de procesamiento (CPU)), al menos un circuito integrado de aplicación específica (ASIC) y/o al menos una matriz de puertas programables en campo (FPGA). Se puede configurar al menos un procesador, leyendo instrucciones de al menos un medio tangible legible por máquina, para realizar todas o una parte de las funciones del sistema de procesamiento de señales 52. Tal medio puede adoptar muchas formas, que incluyen, entre otras, cualquier tipo de medio magnético como un disco duro, cualquier tipo de medio óptico como un CD y un DVD, cualquier tipo de memoria semiconductora (es decir, un circuito semiconductor) tal como una memoria volátil y una memoria no volátil. La memoria volátil puede incluir una DRAM y una SRAM, y la memoria no volátil puede incluir una ROM y una NVRAM. El ASIC es un circuito integrado (IC) personalizado para funcionar, y la FPGA es un circuito integrado diseñado para configurarse después de la fabricación con el fin de realizar todas o una parte de las funciones de los módulos mostrados en la figura 12.
Por tanto, la salud del material compuesto 30 que se utiliza como material de un objeto estructural de aeronave o similar puede monitorizarse utilizando el sistema de prueba ultrasónico 50 que tiene tal estructura. Es decir, se puede
realizar una prueba ultrasónica del material compuesto 30 utilizando los sensores de fibra óptica 10 integrados con un objeto que se ha de probar.
(Objeto estructural de aeronave)
La figura 13 muestra un ejemplo de objeto estructural de aeronave 60 que incluye el sistema de prueba ultrasónica 50, mostrado en la figura 12, como una parte.
Dado que los sensores de fibra óptica 10 del sistema de prueba ultrasónico 50 están incrustados en el material compuesto 30, el sistema de prueba ultrasónico 50 puede ser parte del objeto estructural 60 de la aeronave, hecho del material compuesto 30. Como ejemplo específico, en el caso del objeto estructural de aeronave 60 en el que un miembro de refuerzo 62, tal como un larguero cuya sección transversal tiene forma de sombrero, se ha unido a un panel 61 hecho del material compuesto 30, los sensores de fibra óptica 10 se pueden incrustar entre el panel 61 y el miembro de refuerzo 62. Por supuesto, de manera similar se aplica a un caso en el que la forma en sección transversal del miembro de refuerzo 62 tenga una forma de I, una forma de T invertida o similar.
En este caso, se pueden formar ranuras en el panel 61 o en el miembro de refuerzo 62 de modo que los sensores de fibra óptica 10 se puedan incrustar en las ranuras. Alternativamente, se pueden formar ranuras tanto en el panel 61 como en el miembro de refuerzo 62 de modo que los sensores de fibra óptica 10 se puedan incrustar en las ranuras. En el ejemplo mostrado en la figura 13, una pluralidad de sensores de fibra óptica 10 se han incrustado en el lado del panel 61 de modo que la dirección longitudinal del miembro de refuerzo 62 se convierte en la dirección longitudinal de los sensores de fibra óptica 10. Por supuesto, un solo sensor de fibra óptica 10 o una pluralidad de sensores de fibra óptica 10 pueden estar incrustados de modo que una dirección perpendicular a la dirección longitudinal del miembro de refuerzo 62 se convierta en la dirección longitudinal del sensor de fibra óptica único 10 o la pluralidad de sensores de fibra óptica 10. En ese caso, cada sensor de fibra óptica 10 puede estar dispuesto no sólo a lo largo del lado del panel 61, sino también a lo largo del lado del miembro de refuerzo 62.
Además, los sensores de fibra óptica 10 pueden estar incrustados no sólo entre el panel 61 y el miembro de refuerzo 62, sino también entre dos láminas de los paneles 61. Es decir, los sensores de fibra óptica 10 pueden incrustarse dentro de ranuras formadas en el lado de la superficie unida de al menos una de las dos partes de material compuesto unidas. Por lo tanto, se pueden formar ranuras en al menos una de las superficies que se han de unir de las partes de material compuesto, que son objetos que se han de unir, utilizando la plantilla de moldeo de material compuesto 1.
Como se describió anteriormente, cuando los sensores de fibra óptica 10 están incrustados entre dos partes de material compuesto, es posible detectar fácilmente un defecto, tal como deslaminación o pelado, en una parte adhesiva o una parte unida. El objeto estructural de aeronave 60, donde los sensores 10 de fibra óptica se han incrustado entre dos partes de material compuesto, se puede fabricar utilizando diversos métodos.
En el caso de incrustar los sensores de fibra óptica 10 en ranuras formadas en solo una de las dos partes de material compuesto, la parte de material compuesto sobre la que se han formado las ranuras se fabrica calentando y curando una de las partes de material compuesto. A continuación, los sensores de fibra óptica 10 se insertan en las ranuras y se fijan con un adhesivo. A continuación, se combina un cuerpo laminado preimpregnado correspondiente a la otra parte de material compuesto con la parte de material compuesto, cuyos sensores de fibra óptica 10 se han incrustado en las ranuras, mediante un adhesivo. A continuación, el objeto estructural de aeronave 60 donde los sensores de fibra óptica 10 se han incrustado entre las dos partes de material compuesto se puede fabricar calentando y curando el cuerpo laminado preimpregnado.
A la inversa, en el caso de incrustar los sensores de fibra óptica 10 en ranuras formadas en ambas partes de material compuesto, las partes de material compuesto en las que se han formado las ranuras se fabrican calentando y curando ambas partes de material compuesto. A continuación, las partes de material compuesto se combinan entre ellas mediante un adhesivo. En este momento, los sensores de fibra óptica 10 se insertan en las ranuras y se fijan con un adhesivo. A continuación, se puede fabricar endureciendo el adhesivo el objeto estructural de aeronave 60 donde los sensores 10 de fibra óptica se han incrustado entre las dos partes de material compuesto.
(Segunda realización)
La figura 14 es una vista superior que muestra una estructura de una plantilla de moldeo de material compuesto según la divulgación. La figura 15 es una vista en sección de la plantilla de moldeo de material compuesto en la posición A-A en la figura 14.
Una plantilla de moldeo de material compuesto 1A en la segunda realización mostrada en la figura 14 y la figura 15 es diferente de la plantilla de moldeo de material compuesto 1 en la primera realización en un punto en el que las partes extremas de las partes convexas 3A son caras extremas interiores de la parte rígida 2. Otras estructuras y funciones de la plantilla de moldeo de material compuesto 1A en la segunda realización son no sustancialmente diferentes de los de la plantilla de moldeo de material compuesto 1 en la primera realización. Por lo tanto, las mismas estructuras o estructuras correspondientes se muestran con los mismos signos y se omiten sus explicaciones.
Cada parte de los sensores de fibra óptica 10, donde las características de transmisión de luz y las características de reflexión de la luz muestran un pico y que realmente funcionan como un sensor, tiene aproximadamente varios mm de longitud. Por lo tanto, en el caso del sensor de fibra óptica 10 que tiene una longitud de aproximadamente 3 m a 5 m, por ejemplo, se pueden hacer que aparezcan aproximadamente de tres a cinco picos en las características de transmisión de luz y las características de reflexión de la luz dando al sensor de fibra óptica 10 características en las que se repiten periódicamente las características de transmisión de la luz y las características de reflexión de la luz. En muchos casos de un objeto estructural de aeronave, es apropiado incrustar los sensores de fibra óptica 10, cada uno con una longitud de aproximadamente 1 m a 10 m, en el material compuesto 30.
Así, cada una de las partes convexas 3A de la plantilla de moldeo de material compuesto 1A puede tener una longitud L de no menos de 1 m y de no más de 10 m en la dirección longitudinal de las partes convexas 3A, por ejemplo. De este modo, se pueden cubrir las regiones que deberían probarse en la mayoría de los objetos estructurales de aeronaves. Cuando la longitud L de las partes convexas 3A en la dirección longitudinal es más corta que la distancia entre las caras extremas de la parte rígida 2 , no a través de ranuras donde no se han cerrado ambos extremos, sino de ranuras ciegas donde ambos extremos o un extremo se ha cerrado, se han de formar cerradas sobre el material compuesto 30. Es decir, las partes de transmisión de señal de los sensores de fibra óptica 10 no pueden insertarse en las ranuras del material compuesto 30.
En ese caso, cuando los sensores de fibra óptica 10 se doblan extremadamente en las partes extremas de las ranuras, esto puede llevar a una rotura. Por tanto, las partes extremas de las ranuras pueden alisarse de modo que los sensores de fibra óptica 10 no se doblen demasiado en las partes extremas de las ranuras. Es decir, se puede evitar que se formen irregularidades en las partes extremas de las ranuras.
Como ejemplo específico, al menos una de ambas partes extremas de cada parte convexa 3A en la dirección longitudinal puede tener una forma en la que la altura y la anchura de la sección transversal disminuyan gradualmente como se ejemplifica en la figura 14 y la figura 15.
La figura 16 es una vista superior que muestra formas de ranuras 70 del material compuesto 30, formadas por las partes convexas 3A de la plantilla de moldeo de material compuesto 1A mostrada en la figura 14 y la figura 15. La figura 17 es una vista en sección que muestra una forma de la ranura 70 en la posición B-B en la figura 16.
Cuando las ranuras 70 del material compuesto 30 están formadas por las partes convexas 3A ejemplificadas en la figura 14 y figura 15, al menos una de las dos partes extremas de cada ranura 70 en la dirección longitudinal puede tener una forma cuya profundidad y anchura en sección transversal disminuyen gradualmente. Es decir, el material compuesto 30 que tiene las ranuras 70, cuyas profundidad y anchura de cada sección transversal de al menos una de las dos partes extremas disminuyen gradualmente, se puede moldear usando la plantilla de moldeo de material compuesto 1A.
En este caso, cada sensor de fibra óptica 10 debe estar incrustado en la ranura ciega de la cual ambos extremos o un extremo han sido cerrados por superficies curvadas tridimensionales lisas o una superficie curva tridimensionalmente lisa. Normalmente, el diámetro de una fibra óptica para transmitir una señal de detección óptica desde el sensor de fibra óptica 10 es el mismo que el del sensor de fibra óptica 10. Es decir, el diámetro de una parte de sensor de una fibra óptica es el mismo que el de una parte de transmisión de señal de la fibra óptica. Por consiguiente, solo las partes de sensor de fibra óptica 10 pueden insertarse dentro de las ranuras 70, sin doblar demasiado las fibras ópticas. De ese modo, se puede evitar que se doblen y dañen los sensores de fibra óptica 10.
Por otro lado, las partes extremas de las partes convexas 3A también tienen superficies curvadas tridimensionales lisas. Por lo tanto, las láminas preimpregnadas S1 pueden disponerse a lo largo de formas de las partes convexas 3A sin cortar fibras preimpregnadas dispuestas a ambos lados de cada parte convexa 3A. A la inversa, es apropiado determinar las formas de las partes extremas de las partes convexas 3A para que sean lo suficientemente lisas como para que las láminas preimpregnadas S1 puedan colocarse a lo largo de las partes convexas 3A sin cortar fibras.
Claims (6)
1. Un método de moldeo de material compuesto para moldear un material compuesto (30) calentando y curando un cuerpo laminado (20) de las láminas preimpregnadas (S1, S2, S3) laminadas sobre una plantilla de moldeo de material compuesto (1), en el que la plantilla de moldeo de material compuesto (1) comprende:
una parte rígida (2) que tiene una superficie (2A) para laminar las láminas preimpregnadas; y
una parte convexa (3) para formar una ranura con el fin de insertar un sensor de fibra óptica, estando formada la parte convexa en un lado de la superficie de la parte rígida,
en el que la parte convexa (3) tiene una longitud no menor de 1 m y no mayor de 10 m en una dirección longitudinal de la parte convexa,
comprendiendo además el método de moldeo de material compuesto:
producir el cuerpo laminado de las láminas preimpregnadas, que tiene la ranura; y
moldear el material compuesto curando el cuerpo laminado de las láminas preimpregnadas, teniendo el material compuesto la ranura,
en el que la ranura se forma sin procesamiento de corte o procesamiento de prensa del material compuesto después del curado,
en el que la ranura se forma disponiendo una capa de una lámina preimpregnada o capas de láminas preimpregnadas en cada uno de ambos lados de la parte convexa para formar la ranura, una dirección longitudinal de las fibras de una capa de la lámina preimpregnada, o dirigiendo las capas de las láminas preimpregnadas hacia una dirección longitudinal de la parte convexa, habiéndose formado la parte convexa sobre una superficie de la plantilla de moldeo de material compuesto,
comprendiendo además el método de moldeo de material compuesto:
insertar un sensor de fibra óptica en la ranura formada en el material compuesto y aplicar un adhesivo entre la ranura y el sensor de fibra óptica; y
producir un material compuesto, integrado con el sensor de fibra óptica, endureciendo el adhesivo.
2. El método de moldeo de material compuesto según la reivindicación 1,
en el que la parte convexa tiene una altura de una capa de una lámina preimpregnada.
3. El método de moldeo de material compuesto según una cualquiera de las reivindicaciones 1 y 2,
en el que la ranura tiene una profundidad correspondiente a una capa de una lámina preimpregnada.
4. El método de moldeo de material compuesto según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3,
en el que se hace que al menos una de las dos partes extremas de la ranura en una dirección longitudinal tenga una forma cuya profundidad y anchura de una sección transversal disminuyen gradualmente.
5. El método de moldeo de material compuesto según la reivindicación 1,
en el que la altura de la parte convexa y la anchura de la sección transversal de la parte convexa no son inferiores a 125 pm ni superiores a 150 pm, respectivamente.
6. Uso de un material compuesto moldeado mediante el método de moldeo de material compuesto según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5 para fabricar un objeto estructural de aeronave.
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