ES2203124T3

ES2203124T3 - Fabricacion de estructuras compuestas de rigidez reforzada.

Info

Publication number: ES2203124T3
Application number: ES99919432T
Authority: ES
Inventors: Roger Phillip; Duffy
Original assignee: BAE Systems PLC
Current assignee: BAE Systems PLC
Priority date: 1998-05-15
Filing date: 1999-05-04
Publication date: 2004-04-01
Anticipated expiration: 2019-05-04
Also published as: JP2001501885A; DE69911594D1; GB9810528D0; EP1077804A1; US6261395B1; EP1077804B1; DE69911594T2; WO1999059802A1; AU3722199A

Abstract

Un método para la fabricación de una estructura compuesta reforzada (2), el cual comprende al menos las etapas de: moldear la estructura alrededor de una herramienta de mandril (1); secar o curar la estructura (2); formar elementos de refuerzo (5) a partir de un material compuesto, lo que incluye la formación de una pluralidad de lengüetas (6) en el elemento de refuerzo (5); utilizar un teodolito de láser para situar las lengüetas (6) del elemento de refuerzo de forma precisa en la estructura (2); y unir los elementos de refuerzo (5) a la estructura (2) a través, al menos, de las lengüetas (6).

Description

Fabricación de estructuras compuestas de rigidez reforzada.

La presente invención se refiere a métodos y aparatos para la fabricación de estructuras de rigidez reforzada hechas de materiales compuestos, tales como compuestos de fibra de carbono.

En muchas áreas de fabricación se fabrican estructuras de bajo peso y resistentes a partir de materiales compuestos, los cuales pueden conformarse fácilmente en formas tridimensionales complejas. Las carrocerías de los automóviles y ciertas estructuras de las aeronaves, tales como las alas y las tomas o conductos de entrada, se hacen por lo común de estos materiales. Con frecuencia, dichas estructuras son grandes y requieren elementos de refuerzo que les aporten una resistencia y rigidez añadidas y, en ocasiones, que les proporcionen puntos de fijación a otras estructuras.

Las estructuras compuestas reforzadas de forma convencional se fabrican formando la estructura básica a partir de un material compuesto no curado o secado, con el uso de una herramienta de molde, al tiempo que se construyen los elementos de refuerzo de compuesto de forma independiente, también a partir de un material compuesto sin curar. Los elementos de refuerzo independientes y la estructura moldeada se tratan entonces en un autoclave con el fin de curarlos, y a continuación sigue un difícil proceso por el cual los elementos de refuerzo se fijan a la estructura moldeada. Típicamente, la estructura moldeada se sujetará sobre un marco de posicionamiento y se erigirá en torno a ella un armazón o apeo complejo. Se requiere entonces un amplio taladrado de la estructura y de los elementos de refuerzo, después de lo cual se unen entre sí las dos partes para su fijación por medio de pernos o pasadores. En caso de que se requiera una colocación precisa de los elementos de refuerzo en la estructura, supóngase como consecuencia de que la estructura reforzada ha de servir de intermediaria con otra estructura, esto puede ser verdaderamente un procedimiento muy dificultoso, y puede resultar extremadamente difícil lograr la precisión de taladrado y de posicionamiento requeridas, debido a la naturaleza intrínsecamente variable de los marcos de posicionamiento y del armazón utilizados.

Es un objeto de nuestra invención proporcionar un método para la producción de una estructura compuesta reforzada que sea más simple y más preciso que los métodos conocidos.

De acuerdo con la presente invención, en un aspecto de la misma, se proporciona un método para la fabricación de una estructura compuesta reforzada, que comprende las etapas de:

moldear la estructura en torno a una herramienta de mandril;

secar o curar la estructura;

formar elementos de refuerzo a partir de material compuesto, lo que incluye la formación de una pluralidad de lengüetas en el elemento de refuerzo;

utilizar un teodolito de láser para colocar las lengüetas con precisión en la estructura; y

unir los elementos de refuerzo a la estructura al menos a través de las lengüetas.

De acuerdo con la presente invención, en otro aspecto de la misma, se proporciona un método para fabricar una estructura compuesta reforzada, que comprende al menos las etapas de:

moldear la estructura en torno a una herramienta de mandril;

utilizar una cámara de láser o digital para grabar las posiciones de los lugares de almohadilla deseados sobre la estructura;

unir las almohadillas o tacos a la estructura en los lugares deseados;

secar o curar las almohadillas sobre la estructura;

formar elementos de refuerzo a partir de un material compuesto, lo que incluye formar una pluralidad de lengüetas en puntos del elemento de refuerzo que corresponden a las almohadillas situadas sobre la estructura;

utilizar un teodolito de láser conectado de forma que reciba la información almacenada sobre las posiciones de las almohadillas con respecto a un origen de coordenadas de referencia situado en la estructura, a fin de situar las lengüetas de forma precisa sobre las almohadillas o tacos; y

unir los elementos de refuerzo a la estructura al menos a través de las lengüetas y las almohadillas.

Realizaciones preferidas se definen en las reivindicaciones dependientes 3 a 11.

Se apreciará que la unión por adherencia evita que se tenga que penetrar la estructura por, por ejemplo, taladrado, para proporcionar emplazamientos para pernos. Esto es ventajoso en términos de resistencia, durabilidad y superficies limpias o lisas desde el punto de vista de la aerodinámica.

Cualquier etapa de unión por unión o solidificación puede llevarse a cabo utilizando un procedimiento a alta temperatura, pudiendo utilizarse, por ejemplo, un autoclave. De forma alternativa, cualquier etapa de unión o solidificación puede llevarse a la práctica utilizando una técnica de tratamiento en frío. La técnica de tratamiento en frío puede servirse de radiación electromagnética, tal como energía de microondas, radiación ultravioleta, o bien puede utilizar, por ejemplo, haces de electrones.

Los elementos de refuerzo pueden ser unidos a una superficie convexa de la estructura. Los elementos de refuerzo pueden, alternativamente, o de forma adicional, ser unidos a una superficie cóncava de la estructura.

Las lengüetas pueden ventajosamente conformarse mediante un procedimiento de moldeo por inyección.

Preferiblemente, las lengüetas de posicionamiento y cualesquiera almohadillas existentes se eliminan por mecanizado de la estructura reforzada final después de su unión.

A continuación se describirá la invención únicamente a modo de ejemplo y con referencia a los dibujos que se acompañan, de los cuales las Figuras 1 a 7 muestran un método para la fabricación de un conducto o toma de entrada de aire compuesta y reforzada de una aeronave.

Un método para la fabricación de un conducto de aeronave se lleva a cabo en cuatro etapas que se describen más adelante, incluyendo dos variaciones de la primera etapa.

Primera etapa

Fabricación del conducto (Ejemplo 1) (véase la Figura 1)

Etapa 1

Utilizando una herramienta de mandril susceptible de colapsarse o constreñirse, enrollar a modo de fibra (un tipo de procedimiento de arrollamiento) el conducto 2 en torno al mandril 1.

Etapa 2

Utilizando una cámara 3 del tipo de proyección de láser "Virtek" (con una precisión de +/-0,20 mm), identificar y almacenar posiciones 4 de ubicación de almohadilla alrededor y a lo largo del conducto 2, que está sin curar en esta etapa. Colocar almohadillas o tacos 4 de fibra de vidrio eliminables y sin curar en el conducto 2, en las posiciones deseadas. Las almohadillas podrán tener un espesor de entre 0,25 mm y 3,0 mm, dependiendo del método de unión / sujeción escogido para la fijación de los elementos de refuerzo.

Etapa 3

Capturar y curar las almohadillas 4 y el conducto 2, y unir las almohadillas al conducto en una operación final.

Primera etapa

Fabricación del conducto (Ejemplo 2) (véase la Figura 1)

Éste es un método similar al descrito en el anterior Ejemplo 1, con la excepción de que las almohadillas 4 se unen a la pared del conducto 2 en una operación de unión independiente, una vez curado el propio conducto, es decir, las almohadillas son almohadillas sin curar y unidas en cooperación, que se curan y unen al conducto previamente curado en la misma operación. La operación de unión puede entonces llevarse a cabo a temperaturas más bajas, comprendidas en el intervalo entre 80ºC y 120ºC.

Segunda etapa

Fabricación de los elementos de refuerzo (véanse las Figuras 2 y 3)

Un elemento de refuerzo 5 es una estructura de soporte que se extiende circunferencialmente sobre el conducto. Se proporcionan una serie de dichos elementos de refuerzo 5 longitudinalmente sobre el conducto. Los elementos de refuerzo se fabrican de forma independiente mediante un procedimiento de moldeo por inyección de resina / machihembrado (procedimiento RTM). El procedimiento RTM de los elementos de refuerzo se lleva a cabo utilizando un punto de inyección o de purga en torno a la preforma / molde utilizado para fabricar el elemento de refuerzo y "modificándolo" con el fin de producir una pluralidad de lengüetas 6. Estas lengüetas pueden utilizarse como lugares de mecanización susceptibles de eliminarse.

Tercera etapa

Colocación del elemento de refuerzo en el conducto (véase la Figura 4)

Con el uso de "Smart", un teodolito de láser de precisión (no mostrado), típicamente con una exactitud de +/-0,05 mm (+/-0,002''), los elementos de refuerzo 5 se sitúan a continuación de forma precisa en el conducto 2 utilizando los datos de posición de las lengüetas almacenados, y con referencia a un indicador o señal moldeada, una espiga, un orificio o una incisión 7 de algún tipo.

Una vez situado el elemento de refuerzo 5, éste es unido a continuación localmente al conducto 2 por medio de las lengüetas 6 y de las almohadillas 4 situadas sobre la pared del conducto. Las lengüetas 6 pueden ser unidas por medio de iso-cianato o de un acrílico 9 que se cura por ultravioletas (véase la Figura 4c). Ambos son procedimientos en frío y casi instantáneos. Alternativamente, pueden emplearse unos pasadores superficiales 8 (típicamente de plástico), o bien una combinación de pasadores y adhesión (véase la Figura 4e). Puede ser deseable unir por pasador la lengüeta central 6 a la posición del molde / origen de coordenadas de referencia, y unir por adhesión las demás. La opción de adhesión contribuye también en gran medida a mantener las cosas en su lugar mientras el conducto se hace girar para trabajar en otras zonas.

Una de las características críticas con el uso de adhesivo de película en la línea de adherencia entre los elementos de refuerzo y el conducto, es que debe mantenerse su posición, pero, al mismo tiempo, permitir cierta capacidad de consolidación y adaptación verticales. Las lengüetas flexibles 6 hacen posible esto. La versión completamente unida por pasadores que se muestra en la Figura 4 permitirá dicha consolidación y adaptación si se ha unido por pasadores utilizando la herramienta de mandril de núcleo, con orificios a través del conducto. Esto puede dar lugar a un cierto grado de "bloqueo", con el consiguiente riesgo de un pobre control de la unión y de dificultades a la hora de retirar los accesorios de la estructura.

Cuarta etapa

Unir los elementos de refuerzo al conducto (véanse las Figuras 5, 6 y 7)

Si los elementos de refuerzo son del tipo ranurado (el número de referencia 10 indica las ranuras en la Figura 4e), el método es ajustar o encajar un bloque de relleno, mantener la forma del elemento de refuerzo y situar bloques en ángulo en torno a la parte exterior. A continuación, el conjunto de conducto reforzado se recoge para una operación de unión por autoclave convencional.

A continuación de la operación en autoclave, las siguientes etapas son:

(i) Desmontar las herramientas o accesorios externos después de la solidificación o curación.

(ii) Montar el mandril de núcleo y el conducto en una máquina herramienta, establecer un origen de referencia y, de nuevo utilizando los datos de posición almacenados, llevar a cabo una operación de limpieza o eliminación con el cortador, retirando por mecanizado el relativamente delgado material susceptible de eliminación de la ranura (o de la cara de un elemento de refuerzo del tipo de cuchilla) (véanse las Figuras 5 y 6).

(iii) En caso necesario, después del mecanizado, eliminar por pulido, a mano o a máquina, las lengüetas y las almohadillas o tacos de posicionamiento.

Ventajas del método de fabricación anteriormente descrito

- no es necesario practicar penetraciones en la pared del conducto ni introducir sujetadores, etc.,

- no existe riesgo de fugas en caso de que el conducto deba formar parte del contorno del depósito de combustible en el avión terminado,

- existe "potencialmente" un control estricto de las tolerancias que afectan a otros miembros de la sub-estructura, marcos, tabiques de corte, etc.,

- como las posiciones se establecen por moldeo, existen menos operaciones y una menor probabilidad de error en el establecimiento de las tolerancias,

- existe un menor riesgo de deformación o movimiento durante la curación, o de aparición de situaciones de bloqueo.

Las soluciones de mecanizado alternativas requerirían, bien un amplio taladrado del conducto, o bien alguna forma de herramienta de tipo de andamiaje complejo en torno al conducto. Ésta ha de ser controlada y manejada en torno a todo ello, a un alto coste y con un riesgo elevado.

Muchas variaciones y modificaciones del procedimiento anterior se harán ahora evidentes a los expertos de la técnica. Por ejemplo, las etapas de unión por adhesión o de solidificación podrían llevarse a cabo, bien por una técnica a elevada temperatura, tal como el tratamiento en autoclave, o bien por una técnica de tratamiento en frío, tal como el uso de radiación electromagnética, en particular, de microondas, de radiación ultravioleta o de haz de electrones.

Claims

1. Un método para la fabricación de una estructura compuesta reforzada (2), el cual comprende al menos las etapas de:

moldear la estructura alrededor de una herramienta de mandril (1);

secar o curar la estructura (2);

formar elementos de refuerzo (5) a partir de un material compuesto, lo que incluye la formación de una pluralidad de lengüetas (6) en el elemento de refuerzo (5);

utilizar un teodolito de láser para situar las lengüetas (6) del elemento de refuerzo de forma precisa en la estructura (2); y

unir los elementos de refuerzo (5) a la estructura (2) a través, al menos, de las lengüetas (6).

2. Un método para la fabricación de una estructura compuesta reforzada (2), el cual comprende al menos las etapas de:

moldear la estructura (2) alrededor de una herramienta de mandril (1);

utilizar una cámara de láser o digital para grabar las posiciones de los lugares de almohadilla deseados sobre la estructura (2);

unir las almohadillas o tacos (4) a la estructura (2) en los lugares deseados;

secar o curar las almohadillas (4) y la estructura (2);

formar elementos de refuerzo (5) a partir de un material compuesto, incluyendo formar una pluralidad de lengüetas (6) en puntos del elemento de refuerzo (5) correspondientes a las almohadillas (4) de la estructura (2);

utilizar un teodolito de láser conectado de tal forma que reciba la información almacenada de los lugares de almohadilla, referida a un punto de origen de coordenadas de referencia situado sobre la estructura, a fin de ubicar las lengüetas (6) de elemento de refuerzo de forma precisa sobre las almohadillas (4); y

unir los elementos de refuerzo (5) a la estructura (2) a través, al menos, de las lengüetas (6) y de las almohadillas o tacos (4).

3. Un método según se reivindica en la reivindicación 1 o en la reivindicación 2, en el cual las etapas de unir o solidificar se realizan mediante el uso de un autoclave.

4. Un método según se reivindica en la reivindicación 1 o en la reivindicación 2, en el cual las etapas de unir o solidificar se realizan mediante el uso de una técnica de tratamiento en frío.

5. Un método según se reivindica en la reivindicación 4, en el cual la técnica de tratamiento en frío utiliza radiación electromagnética.

6. Un método según se reivindica en la reivindicación 4, en el cual la técnica de tratamiento en frío se sirve de haces de electrones.

7. Un método según se reivindica en una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el cual los elementos de refuerzo (5) se unen a una superficie convexa de la estructura (2).

8. Un método según se reivindica en una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el cual los elementos de refuerzo (5) se unen a una superficie cóncava de la estructura (2).

9. Un método según se reivindica en una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el cual las lengüetas (6) se forman por un procedimiento de moldeo por inyección.

10. Un método según se reivindica en la reivindicación 1, en el cual las lengüetas (6) son eliminadas por mecanizado de la estructura final reforzada (2) después de la unión.

11. Un método según se reivindica en la reivindicación 2, en el cual las almohadillas (4) y las lengüetas (6) son eliminadas por mecanizado de la estructura final reforzada (2) después de la unión.