ES2208694T3

ES2208694T3 - Sistema para insertar elementos en estructura de material compuesto.

Info

Publication number: ES2208694T3
Application number: ES95930894T
Authority: ES
Inventors: Thomas M. Fusco; Glen Freitas; Constance Magee
Original assignee: Foster Miller Inc
Current assignee: Vencore Services and Solutions Inc
Priority date: 1995-08-21
Filing date: 1995-08-21
Publication date: 2004-06-16
Anticipated expiration: 2015-08-21
Also published as: EP0863811A1; CA2229996A1; JP2986220B2; EP0863811B1; DE69531963D1; AU3411395A; US5589015A; EP0863811A4; DE69531963T2; CA2229996C; WO1997006948A1; JPH10511052A

Abstract

UN METODO Y UN SISTEMA PARA INSERTAR PASADORES DE REFUERZO EN UNA ESTRUCTURA COMPOSITE, EN DONDE SE INSERTAN UNA SERIE DE PASADORES DE REFUERZO (22, 24, 26) EN UN MATERIAL COMPRESIBLE (28); SE ENSAMBLA EN LA ESTRUCTURA COMPOSITE LA COMBINACION MATERIAL COMPRESIBLE/PASADOR; SE APLICA ENERGIA ULTRASONICA A LOS PASADORES; Y SE APLICA PRESION DE FORMA SIMULTANEA CON LA APLICACION DE LA ENERGIA ULTRASONICA POR MEDIO DE UN TRANSDUCTOR ULTRASONICO (34) PARA COMPRIMIR EL MATERIAL COMPRESIBLE E INSERTAR LOS PASADORES EN LA ESTRUCTURA COMPOSITE PARA UNIR DOS LAMINADOS (30, 32) O PARA REFORZAR UNA UNICA ESTRUCTURA COMPOSITE.

Description

Sistema para insertar elementos en estructura de material compuesto.

Campo de la invención

Esta invención se refiere a un método y sistema para insertar elementos de refuerzo en una estructura de material compuesto que usa energía ultrasónica y presión.

Antecedentes de la invención

Los materiales compuestos se usan debido a su alta relación de resistencia a peso. La sujeción de las piezas de material compuesto, sin embargo, es con frecuencia problemática. Por ejemplo, se puede usar en la unión de un elemento de cubierta estructural de una aeronave a un sujeción de soporte, sujeción de tornillos y/o remaches, aunque tales elementos de sujeción añaden peso, incrementan los costes de fabricación, y pueden contribuir a modos de fallo local entre los pliegues del material compuesto laminado. También se usa broncesoldadura para unir dos piezas de material compuesto, (véase la Patente de U.S. Nº 5.021.107), aunque no siempre proporciona suficiente resistencia para mantener la integridad de la unión entre los dos materiales compuestos bajo carga.

Se descubrió por el solicitante que las estructuras de material compuesto se pueden reforzar para evitar la exfoliación y agrietamiento insertando pasadores tal como fibras de boro a través del grosor del material compuesto. Los pasadores se insertan dentro de un cuerpo de espuma que se puede térmicamente descomprimir el cual es colocado entonces sobre el material compuesto. La aplicación del incremento en temperatura y presión en un autoclave introduce los pasadores a través del grosor del material compuesto. Véase la Patente de U.S. No. 4.808.461.

Recientemente, el solicitante se dio cuenta de que los pasadores se pueden introducir a través de dos estructuras de material compuesto para unirlas, y que tal estructura unida por pasadores que se extiende a través de ambos laminados era más fuerte que la fabricada solo por broncesoldadura y ofrecía beneficios importantes sobre los remaches o tornillos usados como elementos de sujeción. Véase la solicitud de Patente Serie Nº 08/056.029, y la Patente de U.S. Nº 5.186.776.

El documento DE-A-4030989 se refiere a un método/sistema para reforzar componentes termoplásticos reforzados de fibra estratificada en el que un componente termoplástico reforzado de fibra estratificada se lamina bajo presión y calor, en el que antes y después de la presión, los pasadores que penetran las capas al menos parcialmente son soldados por termo soldadura en los ángulos correctos para incrementar la fuerza de adherencia; se pueden insertar diversos pasadores simultáneamente y el proceso de soldadura se realiza ultrasónicamente y es programable. En este método una camisa guía que tiene un orificio de aceptación separado para cada pasador se usa para alinear apropiadamente cada pasador, y se usa una herramienta ultrasónica que tiene múltiples martinetes para soldar los pasadores dentro del componente plástico reforzado.

Todavía, al estado actual de la técnica le falta una metodología conveniente para insertar pasadores para unir estructuras de materiales compuestos como la disposición de refuerzo/cubierta de un ala de aeronave puesto que tales estructuras no pueden ser convenientemente colocadas en un autoclave.

Sumario de la invención

Por lo tanto es un objeto de esta invención proporcionar un método mejorado y sistema para insertar los pasadores de refuerzo dentro de un material compuesto.

Es un objeto adicional de esta invención proporcionar tal método y sistema para insertar los pasadores de refuerzo, dentro de una estructura de material compuesto que elimina la necesidad de usar un autoclave y la necesidad del incremento de temperaturas usadas en un autoclave.

Es un objeto adicional de esta invención proporcionar tal método y sistema para insertar pasadores de refuerzo dentro de una estructura de material compuesto que puede ser usada para unir un laminado compuesto a otro laminado compuesto y para formar una unión entre ellos sin la necesidad de elementos de sujeción del tipo tornillo o remache o broncesoldadura.

Es un objeto adicional de esta invención proporcionar tal método y sistema de insertar pasadores de refuerzo dentro de una estructura de material compuesto para reforzar la estructura de material compuesto.

Es un objeto adicional de esta invención proporcionar tal método y sistema para insertar pasadores de refuerzo dentro de una estructura de material compuesto que reduce los costes de fabricación y no contribuye a modos de fallo local.

Esta invención resulta de la realización de la energía ultrasónica, en adición a la presión, puede ser usada para insertar convenientemente los pasadores dentro de una estructura de material compuesto eliminando de ese modo la necesidad de fuentes externas de temperaturas y presiones incrementadas tales como un autoclave. Esta invención resulta de la realización adicional de que los pasadores son calentados por la energía ultrasónica y pueden por lo tanto ser fácilmente introducidos en una estructura de material compuesto sin degradar los pliegues individuales del material compuesto y también que los materiales compuestos se funden en un área localizada alrededor de los pasadores durante la inserción los cuales promueven además una fuerte unión entre dos estructuras compuestas. El método y el sistema de esta invención se pueden usar para unir dos piezas compuestas y/o para reforzar una pieza compuesta.

Esta invención se caracteriza y puede adecuadamente abarcar, incluir, consistir esencialmente en, y/o consistir en un método y sistema para insertar pasadores de refuerzo en una estructura de material compuesto. El método comprende insertar un número de pasadores de refuerzo en un material comprimible; ensamblar la combinación pasador/material comprimible sobre la estructura de material compuesto; impartir energía ultrasónica a los pasadores; y simultáneamente aplicar presión al material comprimible para comprimir el mismo e insertar los pasadores dentro de la estructura de material compuesto.

El ensamblaje de la combinación pasador/material comprimible sobre una estructura de material compuesto incluye la colocación de la combinación pasador/material comprimible alrededor de una región de unión entre dos o más estructuras de laminado para unirlas. El ensamblaje de la combinación pasador/material comprimible sobre una estructura de material compuesto también incluye colocar la combinación pasador/material comprimible sobre una estructura de laminado para reforzar la estructura de laminado. La estructura de material compuesto puede ser una estructura de matriz de fibra curada; o la estructura de material compuesto puede ser una estructura matriz de una fibra no curada.

El método además incluye añadir una capa de protección al menos a un lado del material comprimible para mantener allí los pasadores de refuerzo en su orientación apropiada durante la aplicación de la presión al material comprimible.

El sistema de inserción de pasadores de refuerzo dentro de una estructura de material compuesto de esta invención comprende un número de pasadores de refuerzo insertados en un material comprimible; medios para aplicar la energía ultrasónica a los pasadores; medios para aplicar presión a los pasadores simultáneamente con la aplicación de energía ultrasónica para comprimir el material comprimible e introducir los pasadores dentro de la estructura de material compuesto.

La estructura de material compuesto comprende al menos dos estructuras de laminado para ser unidas o una estructura de laminado para ser reforzada. La estructura de material compuesto incluye una estructura matriz de fibra curada o estructura matriz de fibra no curada.

El material comprimible puede incluir un material de protección sobre al menos un lado del mismo para mantener los pasadores de refuerzo en su orientación apropiada en la aplicación de presión al material comprimible.

Descripción de la realización preferida

Otros objetos, características y ventajas se les ocurrirán a aquellos expertos en la técnica a partir de la descripción siguiente de una realización preferida y los dibujos que se acompañan, en los que:

la fig. 1 es un diagrama en sección transversal esquemático de dos laminados estructuralmente reforzados por un refuerzo típicamente de una sección del ala de la aeronave.

la figs. 2A-2C son diagramas en sección transversal esquemáticos que muestran el método y el sistema usado par insertar pasadores de refuerzo a través del espesor de dos laminados;

la fig. 3 es una vista de tres dimensiones esquemática de pasadores de refuerzo insertados según el método de las figs. 2A-2C mostrados formando una unión entre dos laminados;

la fig. 4 es una vista en tres dimensiones esquemática de pasadores insertados dentro de un laminado único para refuerzo de los pliegues individuales del laminado; y

la fig. 5 es una vista en tres dimensiones esquemática de una combinación de pasador/cuerpo de espuma con una capa de material de protección añadida para mantener la orientación de los pasadores durante la aplicación del cuerno ultrasónico de esta información.

La fig. 1 muestra los laminados 10 y 12 estructuralmente reforzados por el refuerzo 14 como es común en las secciones de las alas de aeronaves. Según se trata en los antecedentes de la invención anteriormente mencionados, el uso de tornillos o remaches del tipo de elementos de sujeción según se muestra en 16 para unir el laminado 12 al refuerzo 14 añade peso, incrementa los costes de fabricación, y puede contribuir al fallo de los modos en la interfaz refuerzo/laminado o incluso entre los pliegues 13, 17 del laminado. Por otra parte, no es práctico usar un autoclave para insertar pasadores a través del laminado 12 y el refuerzo 14 según se trata en la patente de U.S. Nº 4.808.461 en todas las aplicaciones.

En esta invención, se insertan primero un número de pasadores 20,22,24, de la Fig.2A, en un cuerpo 28 de espuma y entonces la combinación pasador/cuerpo de espuma se ensambla sobre el laminado 30 que va a ser unido con el laminado 32. Se usa entonces el transductor 34 ultrasónico para impartir energía ultrasónica a los pasadores 22, 24, y 26 mientras que al mismo tiempo la presión según se representa por la fuerza F, fig. 2B, se aplica para comprimir el cuerpo 28 de espuma y para introducir los pasadores 22, 24, y 26 a través de la dimensión del grosor de los laminados 30 y 32 según se muestran sin degradar los pliegues individuales de cada laminado. El cuerpo 28 de espuma mantiene convenientemente los pasadores en su orientación apropiada durante la etapa de aplicar la energía ultrasónica y presión. El uso de energía ultrasónica también hace que se produzca la fusión localizada según se muestra en 34 y 36, fig. 2C, alrededor del pasador 22, que facilita además una fuerte unión entre el laminado 30 y el laminado 32.

En esta forma, el laminado 30 se une al laminado 32 (o laminados 10 y 12 se unen al refuerzo 14, fig. 1) sin la necesidad de elementos de sujeción del tipo de remache o tornillo y sin ninguna degradación de los pliegues individuales del laminado.

Dos materiales compuestos se muestran en la fig. 3 (después que los pasadores se ajustan a nivel) unidos por filas de pasadores 44, 46, 48 a un extremo y filas de pasadores 50, 52. 54 en el otro extremo según se muestran usando energía ultrasónica y presión según el método descrito anteriormente con referencia a las figs. 2A-2C.

También, se puede reforzar un laminado 60 único, fig. 4, insertando filas de pasadores 62, 64, según se muestra alcanzando de ese modo la dirección-z de refuerzo del laminado 60 según se describe en la patente de US nº 4.808.461, aunque sin la necesidad de usar un autoclave.

El cuerpo 28, fig. 2A, puede ser una sustancia comprimible bajo presión que incluye un material elastomérico tal como caucho de silicio RTV, aislante de grafito FIBER FORM™, aislante de cerámica KAWOOL™, espuma con base fenólica, fibra de vidrio, y aislante con base de poliamida, melamina, Rohacell™, Polimathacrylimide™, Diveneycell™, polivinilo reticulado, y Klegecell™ con base rígida de cloruros de polivinilo, espumas, PVC (cloruro de polivinilo) poliésteres, polietilenos, polipropilenos, poliuretanos, poliestirenos, poliamidas, celulosa, acetatos, siliconas, polibenzimidazoles, polivinilos, PEEK, polietercetona, PPS, poli(sulfuro de fenileno), carbono y grafito.

Los pasadores 22, 24, 26 reforzados pueden ser aluminio, boro, carbono, grafito, Kevlar, acero inoxidable, titanio, tungsteno, cristal, carburo de silicio, óxido de aluminio, nitrato de aluminio, compuestos fenólicos rígidos, poliamidas rígidas, epoxídicos rígidos, termoplásticos, y materiales compuestos de tales materiales. Los pasadores 22, 24 y 26 de refuerzo se insertan dentro del cuerpo 28 de espuma por medio de una máquina de control numérico u otros medios conocidos por aquellos expertos en la técnica. Un conjunto de varillas o fibras o pasadores 22, 24, 26 cada uno con un diámetro de 0,1 mm se disponen en el cuerpo 28 con un espaciamiento entre las fibras de 1,5 mm. El diámetro, longitud, y espaciamiento de los pasadores dependerá de la geometría de la estructura de material compuesto que se va a reforzar o la unión que se va a realizar, estructura de matriz que se va a formar.

Los laminados 30, 32, pueden tener una estructura de matriz de fibra formada de fibras en una matriz de resina ya curada, fibras en una resina no curada combinada como un preimpregnado, material preformado de material fibroso y un agente de pegajosidad o incluso una fibra de fieltro vasta la cual tiene que ser todavía impregnada. Las resinas usadas para sujetar los pliegues individuales de la estructura de matriz de fibra pueden ser poliamidas epoxídicas, bismaleimidas, fenólicos, policianuratos, PEEK, polietercetona, PPS, poli(sulfuro de fenol), AVAMID, poliamidas, poliéster, y ésteres de vinilo.

Si se requiere, para las estructuras de laminado de matriz de fibra con perfiles curvados, se puede termo formar el cuerpo 28 de espuma comprimible para coincidir con los contornos de la estructura del material compuesto para ser unido o reforzado. El transductor 34, ultrasónico, fig. 2A, es un modelo TW2 distribuido por Bransom accionado por un módulo de suministro de fuerza Branson modelo E150. El transductor 34 ultrasónico se colocó en una prensa taladradora sobre el cuerpo 28 de espuma después que se usó un trozo de cinta adhesiva para asegurar la combinación pasador/cuerpo de espuma alrededor de los laminados 30 y 32. Se activó entonces el transductor ultrasónico a una frecuencia de 20 KHZ y se llevó hacia abajo para apoyarse sobre el cuerpo de espuma usando la prensa taladradora con una presión aplicada estimada de 88,96 N - 133,44 N. Se modificó el área de la punta 35 del cuerno 34 para tener 12,5 mm de ancho por 10,975 mm de largo y se usó para insertar cuatro pasadores al mismo tiempo. La potencia y tiempos de soldadura se pueden variar para adecuarse a la aplicación específica. En base experimental, se encontró que 75% de la potencia y un tiempo de soldadura de 2,0 segundos dieron por resultado un rendimiento adecuado en la inserción de pasadores de acero inoxidable o similares en los elementos preformados, y materiales compuestos.

El resultado es una estructura de material compuesto y/o una estructura de material compuesto reforzada fabricada sin la necesidad de usar un autoclave y temperaturas incrementadas, y sin las limitaciones inherentes en el uso de elementos de sujeción convencionales tales como tornillos o remaches.

Cuando el conjunto de pasadores 72, en el cuerpo 70 de espuma de la fig. 5 se hacen algo densos, hay la posibilidad de que los pasadores puedan degradar la estructura del cuerpo de espuma y el cuerpo de espuma no soportará los pasadores en su alineamiento apropiado durante la aplicación del transductor ultrasónico bajo presión. En consecuencia, en una realización de esta invención, según se muestra se coloca una capa 76 de protección sobre el cuerpo 70 de espuma y los pasadores 72, 74 se insertan en los intersticios de la capa 76 de protección. En esta forma, la capa de protección mantiene los pasadores en su orientación apropiada durante la aplicación de presión. También puede haber otra capa de protección sobre el lado opuesto del cuerpo de espuma (no mostrada).

Aunque se muestran las características específicas de la invención en algunos dibujos y en otros no, esto es sólo por conveniencia puesto que algunas características se pueden combinar con cualquiera o todas las otras características según la invención.

Otras realizaciones se les ocurrirán a aquellos expertos en la técnica y están dentro de las siguientes reivindicaciones.

Claims

1. Un método para insertar pasadores de refuerzo en una estructura de material compuesto, el método comprende;

: insertar un número de pasadores de refuerzo en un material comprimible;

: ensamblar dicha combinación de pasador/ma- terial comprimible sobre la estructura de material compuesto, incluyendo dicha estructura de material compuesto pliegues de fibras en una matriz de resina;

: impartir energía ultrasónica a dichos pasadores; y simultáneamente aplicar presión a dicho material comprimible para comprimir el mismo e insertar dichos pasadores dentro de la estructura de material compuesto.

2. El método según la reivindicación 1, en el que el ensamblaje de la combinación pasador/material comprimible sobre una estructura de material compuesto incluye colocar dicha combinación pasador/material comprimible alrededor de una región de unión entre dos o más estructuras de laminado para unir las estructuras de laminado.

3. El método según la reivindicación 1, en el que el ensamblaje de dicha combinación de pasador/material comprimible sobre una estructura de material compuesto incluye colocar dicha combinación de pasador/material comprimible sobre una estructura de laminado para reforzar la estructura de laminado.

4. El método según la reivindicación 1, en el que dicha estructura de material compuesto incluye una estructura de matriz de fibra curada, en el que dicha matriz de resina está curada.

5. El método según la reivindicación 1, en el que dicha estructura de material compuesto incluye una estructura de matriz de fibra no curada en el que dicha matriz de resina no está curada.

6. El método según la reivindicación 1, que incluye además añadir una capa de protección al menos a un lado de dicho material comprimible para mantener allí dichos pasadores de refuerzo en su orientación apropiada durante la aplicación de presión al material comprimible.

7. Un sistema para insertar los pasadores de refuerzo dentro de una estructura de material compuesto que incluye pliegues de fibras en una matriz de resina, el sistema comprende:

: un material comprimible que tiene un número de pasadores de refuerzo dispuestos en el mismo;

: un dispositivo ultrasónico para aplicar energía ultrasónica a dichos pasadores;

: medios para aplicar presión a dichos pasadores simultáneamente con la aplicación de energía ultrasónica para comprimir dicho material comprimible e introducir dichos pasadores dentro de la estructura de material compuesto.

8. El sistema de la reivindicación 7, en el que dicha estructura de material compuesto comprende al menos dos estructuras de laminado para ser unidas.

9. El sistema de la reivindicación 7, en el que dicha estructura de material compuesto comprende una estructura de laminado para ser reforzada.

10. El sistema de la reivindicación 7, en el que dicha estructura de material compuesto incluye una estructura de matriz de fibra curada en el que dicha matriz de resina está curada.

11. El sistema de la reivindicación 7, en el que dicha estructura de material compuesto incluye una estructura de matriz de fibra no curada en el que dicha matriz de resina está no curada.

12. El sistema de la reivindicación 7, en el que dicho material comprimible incluye un material de protección sobre al menos un lado del mismo para mantener dichos pasadores de refuerzo en su orientación apropiada en la aplicación de presión a dicho material comprimible.