WO2007074179A1 - Procedimiento y útiles para la fabricación de cuadernas de material compuesto - Google Patents

Procedimiento y útiles para la fabricación de cuadernas de material compuesto Download PDF

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Aquilino GARCÍA GARCÍA
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Definitions

  • the present invention relates to a process for the manufacture of frames of aeronautical fuselages in composite materials by means of the RTM (resin transfer molding) technique and in particular to the steps of that procedure in which the preforms that enter the final step of resin injection.
  • RTM resin transfer molding
  • the resistance-to-weight ratio is a fundamental aspect, which is why we have moved from using metal structures to structures manufactured or optimized with composite materials.
  • the manufacture of the frames is carried out based on mechanized metal structures or metal sheet structures formed by reinforcing the part that most loads with machined parts.
  • the section that is normally used in two pieces is obtained: on the one hand the Z is manufactured, and on the other, the angular or babettes that are riveted to the previous section are manufactured (see Figure 1a).
  • the object of the present invention is to provide a method that solves the drawbacks of the prior art.
  • the present invention proposes a process for manufacturing composite material frames for aeronautical fuselages by applying the RTM technique to two preforms with a C and L shaped section, characterized in that said preforms are manufactured, using a first and a second useful, in the following stages:
  • the first is formed by a central module and two lateral modules that are joined to make the preform laminate, as well as to perform the longitudinal union of the patterns, by means of overlaps, and are separated to Carrying out the stage of forming straight angular section laminates and heating heads to carry out the application of pressure and temperature of the stage forming the flat laminates.
  • the central module has heating elements, vacuum sockets and a treadmill with a pneumatic actuator arranged on the central module for forming the straight angular section laminates.
  • the second tool comprises a curved male module with holes to position the skirt and skirts, respectively, of the L or C shaped laminates and a plurality of elastic strips to hold them laminated during their conformation.
  • the thickness control is improved (reaching tolerances ⁇ 0.2 mm), whatever they are, and therefore achieving a good fit between the outer skirt of the frames with the lining and the stringer.
  • the process is repetitive with short curing cycle times, which reduces the duration of the manufacturing process.
  • Figure 1a shows a section of a frame made of metal and Figure 1b shows a section of a frame in material compound manufactured by the process object of the present invention.
  • Figure 2a is a perspective view of the first tool used in the process object of the present invention.
  • Figure 2b schematically shows the components of the first tool used in the process object of the present invention.
  • Figure 3 schematically shows the different steps of the stage of forming flat laminates of the process object of the present invention.
  • Figure 4 schematically shows the cuts given to the flat laminate to obtain the laminates with the dimensions required by the preforms with a C and L shaped section.
  • Figure 5 schematically shows the different steps of the stage of forming straight angular section laminates of the process object of the present invention.
  • Figure 6 shows schematically the different steps of the stage of forming the preforms with section in the form of C and L.
  • Figure 7 shows schematic sectional views of the second tool used in the process object of the present invention.
  • Figures 8 and 9 show schematic views in section of the central module of the first tool.
  • the section to be manufactured is formed by a C 1 1, and by an angle in the form of L 13, constituted of fabric and reinforced with unidirectional tape in the inner skirt 15 to increase the moment of inertia, and, consequently, the rigidity.
  • frames of up to 8 meters in length can be obtained with radii of curvature of up to 250 mm.
  • the performance of the procedure begins with the provisioning of the material necessary for the manufacture of the laminates;
  • the patterns obtained from the cutting process are manufactured grouped by geometries, so that the cutting machine works at once obtaining all the patterns that are required of each of them. Through this process, it is not necessary to identify each of the parts and it is only necessary to take the number of pieces required of each geometry to manufacture the laminate.
  • the tool of laminates 21 of the preforms in C and L (in each case of the appropriate dimensions) is provided, by coupling the side modules 23 to the central module 25.
  • the longitudinal strips 27 are fixed positioned on the side modules 23 of the area where the laminate is made (either of the two side modules 23 is suitable for this).
  • the step 29 of the upper part of the tool 21 is removed.
  • the rectangular patterns of fabrics 30 are placed at +/- 45 °, between the central module 25 and the strips 27 of the chosen side module 23 for manufacturing, making longitudinal overlaps between pattern and pattern.
  • the measurements of the dimensions of the contour, as well as the marks of beadings, cutting and overlaps of the layers involved in it, are shown by laser projectors.
  • pressure and temperature are applied with a heating head 31 movable on lateral guides to the table 33.
  • the descent of the heating head 31 on the laminate 41 is performed by means of a manually controllable pneumatic drive.
  • the heater may rotate +45 or , + 90 °, -90 °, - 45 ° around the Z axis to be able to glue the reinforcements of the unidirectional tape or the overlaps, as appropriate.
  • the straight shaping of the preforms in C and L is carried out in the rolling tool 21 following the steps shown in Figure 5.
  • a separating film 53 will be placed so that the starting laminate 51 does not stick together (with the dimensions required to form the preform in C or L in question) to the forming membrane 55 and the material is not contaminated.
  • the step 29 is placed, which is fastened quickly through a pneumatic actuator to a projection of the central module 25, whose overhang overlaps only a longitudinal strip of 10 mm of laminate 41 and presses it sufficiently so that it is not dragged by the forming membrane 55. Since the laminate 51 has longitudinal reinforcements of varying thickness in the area to be heated, the footing 29 must be discontinuous to be coupled to the different heights.
  • the side modules 23 are removed, taking care not to drag the laminate 41 generated above and the frame is placed with the forming membrane 55.
  • This elastic silicone membrane is vacuum deformed, supporting temperatures of 12O 0 C as working temperature and elongations of the order of 400%.
  • the hot-forming program (temperature + vacuum) will be executed.
  • the temperature is applied through the forming tool 21.
  • the central module 25 has embedded electrical resistors 61 to heat the laminate 51. These resistors heat up the horizontal zone where the laminate 51 and 5 mm is supported during forming.
  • the vertical zone To prevent the vertical zone from being heated, a PV material 63 that acts as a thermal insulator is placed in the tool in this area.
  • the temperature to be reached locally is 100 0 C (with a tolerance of ⁇ 5 ° C) for 20 minutes as a reference.
  • the vacuum is carried out through the table 33 of the tool 21, made in the form of an aluminum bee panel and the vacuum sockets are placed under the central module 25, which has a longitudinal recess with transverse leads 67.
  • the curved forming tool 55 is used for the preforms in C and L.
  • the laminates 51 of straight angular section obtained in the previous stage are placed on the forming element 55 corresponding to the preforms in C in L, deforming them manually, to be coupled to the male 55 without the appearance of wrinkles, first placing the skirts formed in the previous stage in the recesses 59 and then adapting the rest of the laminate to the tool, which, in the case of the preforms in C, it supposes that in addition to the curved deformation it is necessary to proceed to the deformation necessary to form the other skirt using the effect of the recess 60.
  • thermocouples will be positioned in each of the preforms, in the middle of the skirts formed in the first straight forming cycle, introducing about 5mm into it.
  • the tool 55 formed by an aluminum plate 75 on a base plate 77 also made of aluminum, will be introduced in the Hot-Forming Machine (temperature + vacuum cycles). Once the preforms are formed, the remaining parts will be cut.

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Abstract

Procedimiento para fabricar cuadernas de material compuesto para fuselajes aeronáuticos mediante la aplicación de la técnica RTM a dos preformas con sección en forma de C y L, que se fabrican utilizando dos útiles (21, 55) en las siguientes etapas: Proporcionar el material; Conformar laminados planos (41) de forma rectangular; Conformar laminados de sección angular recta (51) sobre una parte de sección angular recta del primer útil (21) colocando una membrana de conformado (55) y aplicando un ciclo de temperatura y vacío; Conformar las preformas en forma de C (11) y L (13) sobre un segundo útil curvo (55), deformando sobre él dichos laminados de sección angular recta (51) y aplicando un ciclo de temperatura y vacío. La invención también se refiere a dichos útiles (21, 55).

Description

PROCEDIMIENTO Y ÚTILES PARA LA FABRICACIÓN DE CUADERNAS DE MATERIAL COMPUESTO
CAMPO DE LA INVENCIÓN
La presente invención se refiere a un procedimiento para Ia fabricación de cuadernas de fuselajes aeronáuticos en materiales compuestos mediante Ia técnica RTM (resin transfer moulding) y en particular a los pasos de ese procedimiento en los que se fabrican las preformas que entran al paso final de inyección de resina.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
En Ia industria aeronáutica Ia relación resistencia-peso es un aspecto primordial, motivo por el cual se ha pasado de utilizar estructuras metálicas a estructuras fabricadas u optimizadas con materiales compuestos.
En el proceso de optimización de todo tipo de estructuras aeronáuticas, se busca reducir el peso al máximo y de integrar el mayor número de piezas para reducir tanto Ia duración del proceso de montaje como Ia manipulación de elementos menores.
En Ia técnica conocida, Ia fabricación de las cuadernas se realiza a base de estructuras metálicas mecanizadas o estructuras de chapa metálica conformada reforzando Ia parte que más carga soporta con piezas mecanizadas. En el caso de chapa conformada, se obtiene Ia sección que se utiliza normalmente en dos trozos: por un lado se fabrica Ia Z, y por otro, se fabrican los angulares o babettes que se remachan a Ia sección anterior (ver Figura 1a).
Este proceso tiene el inconveniente de que se requieren grandes tiempos de montaje y el peso resultante es superior al obtenido al realizar Ia misma sección de forma integrada. La presente invención tiene por objeto proporcionar un procedimiento que resuelva los inconvenientes de Ia técnica anterior.
SUMARIO DE LA INVENCIÓN
La presente invención propone un procedimiento para fabricar cuadernas de material compuesto para fuselajes aeronáuticos mediante Ia aplicación de Ia técnica RTM a dos preformas con sección en forma de C y L, caracterizado porque dichas preformas se fabrican, utilizando un primer y un segundo útil, en las siguientes etapas:
- Proporcionar el tejido para las preformas en telas cortadas según patrones prefijados.
- Conformar laminados planos de forma rectangular colocando capas de telas sobre un primer útil en posiciones y número predeterminados y aplicando presión y temperatura para que las telas queden pegadas entre ellas, sólo localmente, es decir, no en toda su superficie sino sólo en una franja longitudinal donde van los refuerzos de cinta unidireccional.
- Conformar laminados de sección angular recta a partir de segmentos de dichos laminados planos de dimensiones predeterminadas, obtenidos mediante cortado, sobre una parte de sección angular recta del primer útil disponiendo sobre su cara superior Ia parte destinada a faldilla de las preformas con sección en forma de C ó L, sujetando un borde longitudinal sobre el útil y dejando libre el resto; colocando sobre el útil una membrana de conformado y aplicando un ciclo de temperatura y vacío. - Conformar las preformas en forma de C y L sobre un segundo útil curvo deformando sobre él dichos laminados de sección angular recta, incluyendo dicha deformación en el caso de las preformas en forma de C el doblado de Ia segunda faldilla, y aplicando un ciclo de temperatura y vacío. La presente invención también se refiere a los dos útiles mencionados. El primero está formado por un módulo central y dos módulos laterales que se unen para realizar el laminado de las preformas, así como para realizar Ia unión longitudinal de los patrones, mediante solapes, y se separan para llevar a cabo Ia etapa de conformación de laminados de sección angular recta y unos cabezales calefactores para llevar a cabo Ia aplicación de presión y temperatura de Ia etapa conformar los laminados planos.
El módulo central dispone de elementos calefactores, tomas de vacío y un pisador con un actuador neumático dispuesto sobre el módulo central para Ia conformación de los laminados de sección angular recta.
El segundo útil comprende un módulo macho curvo con cajeados para posicionar Ia faldilla y faldillas, respectivamente, de los laminados con forma de L ó C y una pluralidad de tiras elásticas para sujetarlos laminados durante su conformación.
Mediante el procedimiento de Ia presente invención se facilita Ia fabricación de preformas de cuadernas que posteriormente serán inyectadas en el proceso de RTM con las siguientes ventajas:
- Se fabrican cuadernas de geometrías complicadas e integradas, cumpliendo con el objetivo buscado en toda estructura.
- Se solventa el problema del acabado superficial sólo por una cara añadiéndole una alta precisión dimensional sin existir estricción de radios, pues no se utiliza el autoclave.
- Se mejora el control de espesores (alcanzando tolerancias < 0,2 mm), sean cual sean éstos, y consiguiendo por Io tanto, un buen ajuste entre Ia faldilla exterior de las cuadernas con el revestimiento y el larguerillo.
- El proceso es repetitivo con cortos tiempos de ciclos de curado, Io cual reduce Ia duración del proceso de fabricación.
Otras características y ventajas de Ia presente invención se desprenderán de Ia descripción detallada que sigue de una realización ilustrativa de su objeto en relación con las figuras que Ie acompañan.
DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
La Figura 1a muestra una sección de una cuaderna fabricada en metálico y Ia Figura 1b muestra una sección de una cuaderna en material compuesto fabricada mediante el procedimiento objeto de Ia presente invención.
La figura 2a es una vista en perspectiva del primer útil utilizado en el procedimiento objeto de Ia presente invención. La figura 2b muestra esquemáticamente los componentes del primer útil utilizado en el procedimiento objeto de Ia presente invención.
La Figura 3 muestra esquemáticamente los distintos pasos de Ia etapa de conformado de laminados planos del procedimiento objeto de Ia presente invención. La Figura 4 muestra esquemáticamente los cortes dados al laminado plano para obtener los laminados con las dimensiones requeridas por los preformas con sección en forma de C y L.
La Figura 5 muestra esquemáticamente los distintos pasos de Ia etapa de conformado de laminados de sección angular recta del procedimiento objeto de Ia presente invención.
La Figura 6 muestra esquemáticamente los distintos pasos de Ia etapa de conformado de las preformas con sección en forma de C y L.
La Figura 7 muestra vistas esquemáticas en sección del segundo útil utilizado en el procedimiento objeto de Ia presente invención. Las Figuras 8 y 9 muestran vistas esquemáticas en sección del módulo central del primer útil.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN
Se describe a continuación una realización del procedimiento según Ia invención para fabricar las preformas de las cuadernas de fuselajes aeronáuticos en materiales compuestos.
La sección a fabricar está formada por una C 1 1 , y por un angular en forma de L 13, constituidos de tejido y reforzados con cinta unidireccional en Ia faldilla interior 15 para aumentar el momento de inercia, y, por consiguiente, Ia rigidez. Con esta invención se consiguen obtener cuadernas de hasta 8 metros de longitud con radios de curvatura de hasta 250 mm.
La realización del procedimiento comienza con el aprovisionamiento del material necesario para Ia fabricación de los laminados; los patrones obtenidos del proceso de corte son fabricados agrupados por geometrías, de forma que Ia máquina de corte trabaja de una sola vez obteniendo todos los patrones que se requieren de cada una de ellas. Mediante este proceso no es necesaria una identificación de cada una de las partes y sólo es necesario ir tomando el número de piezas requeridas de cada geometría para fabricar el laminado.
Por su parte, se proporciona el útil de laminados 21 de las preformas en C y L (en cada caso de las dimensiones apropiadas), acoplando los módulos laterales 23 al módulo central 25. Se fijan las regletas longitudinales 27 posicionadas sobre los módulos laterales 23 de Ia zona donde se realice el laminado (cualquiera de los dos módulos laterales 23 es apto para ello).
Para empezar el laminado 41 , se retira el pisa 29 de Ia parte superior del útil 21. A continuación se colocan los patrones rectangulares de telas 30 a +/-45°, entre el módulo central 25 y las regletas 27 del módulo lateral 23 elegido para Ia fabricación, realizando solapes longitudinales entre patrón y patrón. Las medidas de las dimensiones del contorno, así como las marcas de decalajes, corte y solapes de las capas involucradas en el mismo, son mostradas mediante proyectores láser. Para hacer Ia integración de los refuerzos y solapar las telas 30 hasta obtener Ia longitud total del tramo de cuaderna, se aplica presión y temperatura con un cabezal calefactor 31 desplazable sobre guías laterales a Ia mesa 33. El descenso del cabezal calefactor 31 sobre el laminado 41 , se realiza por medio de un accionamiento neumático controlable manualmente. El calefactor podrá girar +45o,+90°,-90°,- 45° alrededor del eje Z para poder pegar los refuerzos de Ia cinta unidireccional o los solapes, según corresponda. Una vez terminado el laminado 41 , se debe cortar por los lugares marcados identificando con lápiz blanco cada una de las partes resultantes y sus ejes de simetría, de esta forma queda claro que de un único laminado 41 , se fabrican cuatro cuadernas a Ia vez 43, 45, 47, 49.
El conformado recto de las preformas en C y L se lleva a cabo en el útil de laminado 21 siguiendo los pasos representados en Ia Figura 5. En primer lugar se colocará una película separadora 53 para que no se pegue el laminado de partida 51 (con las dimensiones requeridas para formar Ia preforma en C ó en L en cuestión) a Ia membrana de conformado 55 y no se contamine el material. A continuación se coloca el pisa 29 que va sujetado de una manera rápida a través de un actuador neumático a un resalte del módulo central 25, cuyo voladizo solapa tan sólo una franja longitudinal de 10 mm de laminado 41 y presiona ésta suficientemente para que no sea arrastrada por Ia membrana de conformado 55. Puesto que el laminado 51 lleva refuerzos longitudinales de espesor variable en Ia zona a calentar, el pisa 29 debe ser discontinuo para acoplarse a las distintas alturas. Una vez colocado el pisa 29, se retiran los módulos laterales 23 con cuidado de no arrastrar el laminado 41 generado anteriormente y se coloca el marco con Ia membrana de conformado 55. Esta membrana elástica de silicona es deformada por vacío soportando unas temperaturas de 12O0C como temperatura de trabajo y elongaciones del orden del 400%. A continuación, con todo ya montado se procederá a ejecutar el programa de hot-forming (temperatura + vacío). La temperatura es aplicada a través del útil de conformado 21. El módulo central 25, lleva embebidas resistencias eléctricas 61 para calentar el laminado 51. Estas resistencias calientan durante el conformado Ia zona horizontal donde se apoya el laminado 51 y 5 mm (como máximo) Ia zona vertical. Para evitar que se caliente Ia zona vertical, se coloca en el útil en esta zona, un material 63 de FV que hace de aislante térmico. La temperatura a alcanzar de forma local es de 1000C (con una tolerancia de ±5°C) durante 20 minutos como referencia. El vacío se realiza a través de Ia mesa 33 del útil 21 , fabricada en forma de panel de abeja de aluminio y las tomas de vacío son colocadas bajo el módulo central 25, que dispone de un cajeado longitudinal con derivaciones transversales 67. Para la realización del segundo ciclo de conformado, se emplea el útil de conformado curvo 55 para las preformas en C y en L. Los laminados 51 de sección angular recta obtenidos en Ia etapa anterior son colocados sobre el elemento de conformado 55 correspondiente a las preformas en C en L, deformándolos manualmente, para ir acoplándolos al macho 55 sin aparición de arrugas, ubicando en primer lugar las faldillas conformadas en Ia etapa anterior en los cajeados 59 y luego adaptando el resto del laminado al útil, Io que, en el caso de las preformas en C, supone que además de Ia deformación curva hay que proceder a Ia deformación necesaria para conformar Ia otra faldilla sirviéndose al efecto del cajeado 60.
A continuación, se coloca una película separadora por encima de las preformas, dando los cortes necesarios con objeto de acoplarlo perfectamente, y todo ello se sujeta con tiras elásticas 71 con unos clips de cierre 73, evitando Ia aparición de arrugas en los radios y el alma. Se posicionarán termopares de control en cada una de las preformas, en Ia mitad de las faldillas conformadas en el primer ciclo de conformado recto, introduciéndose en ella unos 5mm. Por último, se introducirá el útil 55, formado por con chapa de aluminio 75 sobre una chapa base 77 también de aluminio, en Ia Máquina de Hot-Forming (ciclos de temperatura + vacío). Una vez conformadas las preformas, se cortarán las partes sobrantes.
Si es necesario en el montaje acoplar Ia faldilla exterior de Ia cuaderna a un soporte plano, como puede ser el revestimiento, se pueden fabricar suplemento en forma de cuñas ubicados en las cuadernas acoplándolos a las faldillas mediante Ia aplicación de calor con plancha. Con esto, quedan listas las preformas necesarias para Ia realización de una cuaderna de sección totalmente integrada mediante un proceso conocido de inyección RTM.
En Ia realización preferente que acabamos de describir pueden introducirse aquellas modificaciones comprendidas dentro del alcance definido por las siguientes reivindicaciones.

Claims

REIVINDICACIONES
1. Procedimiento para fabricar cuadernas de material compuesto para fuselajes aeronáuticos mediante Ia aplicación de Ia técnica RTM a dos preformas con sección en forma de C y L, caracterizado porque dichas preformas se fabrican, utilizando un primer (21 ) y un segundo útil (55), en las siguientes etapas: a) Proporcionar el tejido para las preformas en telas (30) cortadas según patrones prefijados; b) Conformar laminados planos (41 ) de forma rectangular colocando capas de telas (30) sobre un primer útil (21 ), en posiciones y número predeterminados y aplicando presión y temperatura para que las telas (30) queden pegadas entre ellas en zonas locales; c) Conformar laminados de sección angular recta (51 ) a partir de segmentos de dichos laminados planos (41 ) de dimensiones predeterminadas, obtenidos mediante cortado, sobre una parte de sección angular recta del primer útil (21 ) disponiendo sobre su cara superior Ia parte destinada a faldilla de las preformas con sección en forma de C ó L, sujetando su borde longitudinal sobre el primer útil (21 ) y dejando libre el resto, colocando sobre el primer útil (21 ) una membrana de conformado (55) y aplicando un ciclo de temperatura y vacío; d) Conformar las preformas en forma de C (11) y L (13) sobre un segundo útil curvo (55), deformando sobre él dichos laminados de sección angular recta (51 ), incluyendo dicha deformación en el caso de las preformas con sección en forma de C el doblado de Ia segunda faldilla, y aplicando un ciclo de temperatura y vacío.
2. Procedimiento para fabricar cuadernas de material compuesto para fuselajes aeronáuticos según Ia reivindicación 1 caracterizado porque los patrones prefijados para las telas (30) incluyen patrones rectangulares a +/- 45° y cintas unidireccionales de refuerzo para una faldilla.
3. Útil (21 ) para llevar a cabo las etapas b) y c) del procedimiento objeto de las reivindicaciones 1-2, caracterizado porque comprende un módulo central (25) y dos módulos laterales (23), que se unen para llevar a cabo Ia etapa b) y se separan para llevar a cabo Ia etapa c) y unos cabezales calefactores (31 ) para llevar a cabo Ia aplicación de presión y temperatura de Ia etapa b), disponiendo el módulo central (25) de elementos calefactores (61 ) en su interior, de tomas de vacío para Ia ejecución de Ia etapa c) y de un pisador (29) con un actuador neumático dispuesto sobre el módulo central (25) para sujetar los laminados (51 ) durante Ia etapa c).
3. Útil (55) para llevar a cabo Ia etapa d) del procedimiento objeto de las reivindicaciones 1-2, caracterizado porque comprende un módulo macho curvo (57) con cajeados (59, 60) para posicionar Ia faldilla y faldillas, respectivamente, de los laminados (51 ) con forma de L ó C y una pluralidad de tiras elásticas (71 ) para sujetar los laminados durante su conformación.
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