ES2214520T3 - Un estratificado compuesto. - Google Patents
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Abstract
SE PROPORCIONAN UNA LAMINA DE COMPOSITE, PANEL DE REVESTIMIENTO DE AVIONES, ALA DELGADA, AVION Y METODO PARA FABRICAR ESTA LAMINA DE COMPOSITE. LA LAMINA INCLUYE AL MENOS TRES CAPAS: UNA PRIMERA CAPA DE MATERIAL DE COMPOSITE DE FIBRA REFORZADA, UNA SEGUNDA CAPA, NORMALMENTE METALICA Y QUE FORMA UNA SUPERFICIE DEL COMPONENTE DE LA TERCERA CAPA, DE UN MATERIAL QUE ABSORBA EL IMPACTO DE ENERGIA INTERPUESTO ENTRE LA PRIMERA Y LA SEGUNDA CAPA, EN EL QUE LA SEGUNDA Y TERCERA CAPA PROTEGEN A LA PRIMERA CONTRA DAÑOS POR IMPACTO. EL METODO DE FABRICACION SUPONE LA COLOCACION DE LAS TRES CAPAS, INCLUYENDO UNA TERCERA CAPA, YA MENCIONADA, DE ADHESIVO ESPUMOSO, EN UN MOLDE CERRADO Y ESPUMANDO EL ADHESIVO PARA DAR FORMA A UN COMPONENTE.
Description
Un estratificado compuesto.
Este invento se refiere a estratificados de
material compuesto, y en particular a tales estratificados que
comprenden material estructural compuesto de plástico reforzado con
fibra, que tiene una o más capas de material no estructural fijadas
al mismo, usados generalmente para fines de protección.
En muchas industrias, incluyendo la industria
aeroespacial, se usan ampliamente materiales compuestos de plástico
reforzado con fibra debido a su elevada relación entre su
resistencia mecánica/ rigidez y su peso. Sin embargo, la naturaleza
de dichos materiales compuestos les hace vulnerables en ciertos
aspectos.
En primer lugar, los materiales compuestos de
plástico reforzado con fibra pueden ser frágiles en ciertas
construcciones de alta resistencia mecánica. Por ejemplo, los
materiales compuestos de fibra de carbono son generalmente frágiles
y por tanto propensos a daños extensos de impacto, a pesar de tener
una gran capacidad de resistencia mecánica/rigidez con relación al
peso. Es conocido el procedimiento de aplicar una capa protectora
de un material compuesto usando refuerzo de diferente fibra, por
ejemplo una de las fibras de aramida, que son más tolerantes a los
daños que las fibras de carbono. En segundo lugar, la detección de
los daños producidos por un impacto a las estructuras de materiales
compuestos de plástico reforzados con plástico puede constituir un
problema peligroso e irresoluble. Esto se debe a que el punto de
impacto de un objeto que choca contra la superficie del material
compuesto puede revelar poco o nada sobre la magnitud del daño
causado a las subcapas de la estructura. Una configuración típica
del daño causado a dicha estructura de material compuesto que tenga
varias capas revelaría quizás no más de una mancha de poca
importancia en la superficie que haya recibido el impacto. Sin
embargo, las capas de material subyacente podrían revelar un daño
progresivamente creciente lejos de la superficie donde se produjo el
impacto. De ahí que puedan producirse daños estructurales
extremadamente graves a dichos materiales compuestos mientras son
virtualmente indetectables en la superficie. Para componentes en los
que es crítica la relación entre la resistencia mecánica y la
rigidez con el peso, por ejemplo las alas de los aviones, dicho daño
indetectable podría ser catastrófico.
Los refuerzos conocidos según se ha descrito
anteriormente que usan fibras diferentes de refuerzo en la
superficie del material estructural pueden aliviar en cierto modo el
problema de los daños subsuperficiales, pero el peligro subsiste
todavía en el sentido de que puede producirse un daño grave no
detectado debido a impactos pesados y permanecer indetectado.
Un problema adicional que se plantea con tales
materiales compuestos reforzados con fibra es que el daño, cuando se
produce, puede consumir un tiempo extremadamente largo y exigir una
reparación cara. Además, a menudo debe añadirse un peso considerable
a la estructura para garantizar una reparación adecuada.
Un objeto del presente invento es proporcionar un
estratificado perfeccionado de material compuesto.
Un aspecto del presente invento comprende el uso
de un panel que comprende un estratificado de material compuesto que
incluye
una primera capa de material compuesto reforzado
con fibra, cuya primera capa proporciona resistencia mecánica
estructural para dicho estratificado de material compuesto,
una segunda capa metálica exterior de espesor
comprendido entre 0,01 y 1,0 mm que forma un revestimiento
protector, cuya segunda capa metálica tiene una propiedad de
deformación plástica bajo impacto, y
una tercera capa de material absorbente de
energía de impacto interpuesta entre las capas primera y segunda,
cuya tercera capa de material absorbente de energía de impacto tiene
una propiedad de absorción de energía cuando se deforma, de tal
manera que, al experimentarse un impacto a dicha segunda capa,
dichas segunda y tercera capas combinadas proporcionan una
indicación claramente visible de dicho impacto y de la gravedad del
citado impacto, y aportan protección a la primera capa mediante la
absorción de energía del impacto en dicha tercera capa, en un
revestimiento metálico de avión, caracterizada porque el panel está
situado de tal manera que la primera capa no está expuesta y la
segunda capa está expuesta.
Por tanto, el uso de dicho revestimiento de
avión o de un estratificado de material compuesto con la segunda
capa formando una superficie exterior de un componente proporcionará
protección a la primera capa de material compuesto reforzado con
fibra. Dicha protección lo sería principalmente contra los daños al
estratificado producidos por un impacto. Una protección secundaria
podría serlo contra los elementos. Se puede esperar que resulte una
estructura más liviana, para aplicaciones de resistencia mecánica y
rigidez elevadas, donde se debe proteger contra los daños de un
impacto. Ello se debe a que la primera capa de material compuesto
reforzado con fibra ya no tiene que proporcionar resistencia al
impacto en tal magnitud, o en ninguna. Por tanto, se puede
disminuir el espesor de esta capa. A continuación se especifica un
ejemplo de la aplicación de esta teoría.
La resistencia mecánica a la compresión después
del impacto (en adelante CDI) se reduce típicamente en alrededor de
un 35% en un daño por impacto apenas visible (en adelante DIAV) con
respecto a una muestra no impactada. Por ejemplo, una estructura
de 10 mm de espesor después de un DIAV sería típicamente capaz de
soportar la misma carga de compresión que una muestra no impactada
de 6,5 mm de espesor. De ahí que, si se puede impedir cualquier daño
por impacto a la primera capa de material compuesto reforzado con
fibra del invento mediante un recubrimiento de las capas segunda y
tercera de 3-5 mm de espesor, pero de una masa
equivalente, por ejemplo, a 1 mm de material compuesto reforzado con
fibra, entonces teóricamente se podrían ahorrar el peso y el coste
de 2,5 mm de material compuesto reforzado con fibra si la CDI fuese
la consideración principal del diseño.
El panel de revestimiento se puede usar para
cualquier parte del revestimiento superficial del avión, por ejemplo
para las alas, estabilizador vertical, plano de cola, fuselaje o
cualquier panel del carenaje. Muchas superficies de control de vuelo
del avión se fabrican actualmente de materiales compuestos, y el
estratificado de material compuesto del invento se presta de por sí
particularmente bien a dichas aplicaciones, en particular porque la
potencialidad de reducción de espesor de la primera capa de material
compuesto reforzado con fibra aporta posibles ventajas de menor
coste y peso de componentes, lo cual conduce a potenciales aumentos
en la carga útil.
Los paneles se pueden fijar juntos entre sí o
bien fijarse a otra estructura adjunta usando elementos de sujeción
tales como pernos, o bien usando adhesivos. Para aplicaciones donde
la integridad del flujo aerodinámico es de primordial importancia,
puede que sea conveniente fijar firmemente la primera capa de
material compuesto reforzado con fibra a la estructura adyacente y
luego formar in situ las capas segunda y tercera sobre la
primera capa. De ese modo se pueden evitar las irregularidades de la
superficie.
El panel puede comprender un plano aerodinámico
de sustentación o un fuselaje de avión.
La segunda capa puede ser, por ejemplo, de
aluminio o titanio, y puede tener adecuadamente un espesor
comprendido en el intervalo de 0,05-0,30 mm. Dichas
hojas se pueden usar adecuadamente en la
construcción de alas de avión.
construcción de alas de avión.
El uso de hoja de aluminio para la segunda capa
puede permitir convenientemente aliviar la protección contrachoques
con un estratificado del invento, cuando se usa para construir
revestimientos de avión, por ejemplo.
La segunda capa, aunque aportando su propia
protección contra los elementos, se puede pintar de forma segura o
cubrir de otro modo si se desea, y en el procedimiento del pintado
existe la posibilidad de usar un desprendedor químico de pintura,
donde sea necesario. Esto no es posible con los materiales conocidos
de plástico reforzado con fibra bajo ciertas reglamentaciones de
seguridad, por ejemplo en la industria aeronáutica.
El material alternativo comprendido en la segunda
capa puede incluir mallas de alambre metálico o de fibras metálicas,
por ejemplo de cobre, aluminio o níquel. Alternativamente, las
fibras pueden ser fibras revestidas de metal, por ejemplo de vidrio.
De este modo, el uso de metales de nuevo permite la posibilidad de
protección contra el choque de un relámpago para el
estratificado.
Cuando se emplea una malla para la segunda capa,
o cuando la segunda capa incluye un material susceptible al medio
ambiente, se puede añadir una capa - barrera para proporcionar
protección ambiental. Un material conocido de capa de protección
usado en la industria aeroespacial es el Tedlar (marca comercial
registrada a nombre de la compañía DuPont), un polifluoruro de
vinilideno.
Dependiendo del espesor de la segunda capa, se
pueden habilitar de ese modo una resistencia adicional al impacto y
una deformación plástica adicional sin rotura de un objeto
impactado. Las propiedades de deformación plástica de la hoja de
aluminio hacen a este metal particularmente útil para minimizar el
daño por impacto a la primera capa estructural. Además, la segunda
capa puede actuar como una barrera térmica, por ejemplo cuando se
usa para un panel de revestimiento de avión, contra el calor de
ráfagas cortas a velocidades supersónicas del avión, o contra la
fractura de un conducto por aire caliente o por incendio. Puede
también actuar como una barrera ablativa, por ejemplo contra lluvia,
polvo, fuego o elementos similares. Para la resistencia contra fuego
o ablación, son convenientes espumas basadas total o parcialmente en
resina fenólica.
Hay que hacer notar que la detección de daños
aumentará considerablemente con el uso de una segunda capa
relativamente delgada, porque los impactos dejarán una marca
claramente visible.
La tercera capa de material absorbente de energía
de impacto se diseña para absorber energía de impacto por
aplastamiento gradual, y de ese modo proteger la primera capa
subyacente. Cuando se usa el estratificado de material compuesto del
invento como un miembro estructural de un vehículo, por ejemplo, se
puede proporcionar protección al impacto contra tales daños
accidentales como herramientas que se caigan o piedras u otros
objetos que choquen con el estratificado cuando el vehículo esté en
movimiento.
La tercera capa de material absorbente de energía
de impacto es convenientemente un material de densidad relativamente
baja, por ejemplo de una densidad relativa menor de sustancialmente
0,9, típicamente 0,2-0,7, y puede ser un material
preconformado o puede comprender un material de formación de espuma
in situ, o de hecho puede comprender una resina llena de
microglobos. Se contemplan otros materiales absorbentes de energía
distintos a los descritos que entran dentro del alcance del
invento.
A continuación se citan ejemplos de adhesivos
comerciales conocidos de formación de espuma que pueden encontrarse
adecuados para su uso con el presente invento.
Adhesivo de película de formación de
espuma
Ciba-Geigy Redux 219. Este adhesivo tiene una densidad relativa al 70% de expansión de 0,86 y al 150% de expansión de 0,59. Se puede curar a temperaturas comprendidas entre 150 y 180 grados centígrados.
Ciba-Geigy Redux 219. Este adhesivo tiene una densidad relativa al 70% de expansión de 0,86 y al 150% de expansión de 0,59. Se puede curar a temperaturas comprendidas entre 150 y 180 grados centígrados.
Adhesivo en pasta para formación de espuma
Ciba-Geigy Redux 204. Este tiene una densidad relativa al 50% de expansión de 0,71; al 100% de expansión de 0,50, y al 200% de expansión de 0,32. Se puede curar a temperaturas comprendidas entre 100 y 180 grados centígrados.
Ciba-Geigy Redux 204. Este tiene una densidad relativa al 50% de expansión de 0,71; al 100% de expansión de 0,50, y al 200% de expansión de 0,32. Se puede curar a temperaturas comprendidas entre 100 y 180 grados centígrados.
Adhesivo en película de formación de espuma
Cianamida FM27. Este tiene una densidad relativa cuando se ha curado
entre 0,19 y 0,26, y se puede curar a temperaturas comprendidas
entre 120 y 180 grados centígrados.
Adhesivo en película para formación de espuma
Cianamida FM410-1. Este tiene una densidad relativa
cuando se ha curado entre 0,32 y 0,64, y puede curarse a
temperaturas comprendidas entre 120 y 180 grados centígrados.
Con el fin de aumentar la disipación de energía
dentro de la tercera capa de material absorbente de energía de
impacto, se pueden dispersar en la misma fibras de refuerzo. Estas
probablemente se dispersan en una densidad relativamente baja,
comparada con la primera capa, y se pueden dispersar en una forma
aleatoria a través de una matriz del material absorbente de energía
de impacto, o bien pueden estar presentes en capas más distintas,
típicamente como una esterilla o tejidas, por ejemplo como una tela
y posiblemente situadas de forma predominante más cerca de la
segunda capa que la primera capa. El papel de las fibras puede ser
también, al menos en parte, mantener la integridad estructural de la
espuma. Las fibras pueden ser fibras de aramida, vidrio o fibras de
polietileno de alto módulo, por ejemplo las fabricadas con el
nombre de Dyneema. Hay que hacer notar que la colocación de una de
la citada capa distinta o capas de fibras dentro de la tercera capa
de material absorbente de energía de impacto será una cuestión de
elección de diseño. La colocación de dicha capa distinta más cerca
de la segunda capa ayudará a maximizar la disipación de la energía
de impacto dentro de las capas segunda y tercera con el fin de
evitar la producción de daños a la primera capa.
La selección de los parámetros de espesor,
resistencia mecánica y deformación para las capas segunda y tercera
dependerá de requisitos particulares, por ejemplo el grado requerido
de protección contra daños o la flexibilidad requerida, o sobre si
se necesita una superficie sobre la que se ande o carga
aerodinámica. El espesor máximo de las capas segunda y tercera puede
estar típicamente entre dos y diez mm, por ejemplo en la región de 3
mm para un estratificado que forme un panel de revestimiento de
avión, pero puede ser mayor o menor.
El estratificado de material compuesto puede
incluir una capa de fibras detectoras de daños, por ejemplo fibras
ópticas que se pueden situar dentro de la tercera capa contiguas a
la primera capa, y posiblemente fijadas a la misma o
excepcionalmente embutidas en la superficie de la capa de material
compuesto reforzado con fibra para actuar como detectoras de daños
en el caso de que se produzca un impacto de una intensidad mayor que
para el que se diseñaron las capas segunda y tercera como
protección.
Las fibras ópticas se pueden se pueden fijar a la
capa de material compuesto reforzado con fibra y/o se puede colocar
sobre ellas una película, típicamente un adhesivo, para protección
y/o para impedir el desplazamiento mediante la expansión de espuma
de la segunda capa.
El estratificado de material compuesto del
invento se puede modificar para aplicaciones diferentes. Por
ejemplo, se puede proveer un conducto de paso para fluido definido a
través de la tercera capa con el fin de aumentar el flujo laminar de
aire sobre un revestimiento de ala fabricado de dicho estratificado
de material compuesto. Además, con dicho conducto de paso para
fluido se puede conseguir una anticongelación o una
descongelación.
El conducto de paso para fluido a través de la
tercera capa se puede obtener mediante el uso de una espuma de celda
abierta para definir el conducto de paso, mediante un conjunto de
tuberías preformadas dentro de la tercera capa, o bien mediante la
espuma u otro material adecuado absorbente de la energía de impacto
que se coloca en bloques o tiras con el fin de crear canales. La
segunda capa se puede perforar para situar el al menos un conducto
de paso de fluido en la tercera capa en comunicación con el exterior
del estratificado. Para la perforación de aplicaciones de flujo
laminar, puede que sea necesario taladrar la segunda capa y/o la
tercera capa, por ejemplo usando rayos láser.
Cuando se proporcione dicho control de flujo
laminar o de anticongelación usando espuma de celda abierta para la
tercera capa, ésta puede incluir una barrera intermedia impermeable,
por ejemplo una hoja de aluminio entre el conducto de paso de celda
abierta y una sub-capa de la tercera capa adyacente
a la primera capa y no destinada a proporcionar dicho conducto de
paso para fluido.
La fabricación de la primera capa de material
compuesto reforzado con fibra se puede realizar por métodos
tradicionales de moldeo, que al mismo tiempo proporcionen a la misma
una superficie exterior rugosa para mejorar la unión a la tercera
capa.
Un método de fabricar un panel de revestimiento
de avión que comprende un estratificado de material compuesto que
incluye una primera capa de material compuesto reforzado con fibra,
cuya primera capa proporciona resistencia mecánica estructural para
dicho estratificado de material compuesto, una segunda capa que
forma un revestimiento protector, cuya segunda capa tiene una
propiedad de deformarse plásticamente bajo un impacto, y una tercera
capa de material absorbente de energía interpuesta entre las capas
primera y segunda, cuya tercera capa de material absorbente de
energía de impacto tiene una propiedad de absorber energía cuando se
deforma, de tal manera que, cuando se experimente un impacto a dicha
segunda capa, las mencionadas capas segunda y tercera combinadas
proporcionan una indicación claramente visible de dicho impacto y de
la gravedad del mismo y proporcionan protección a la primera capa
mediante la absorción de la energía del impacto en dicha tercera
capa, incluye las etapas de: proporcionar una primera capa citada
precurada de material compuesto reforzado con fibra; instalar
adhesivo de formación de espuma, según se requiera, sobre la primera
capa; colocar la segunda capa sobre el material de formación de
espuma para formar un conjunto de moldeo en un molde de la forma
requerida, y formar espuma en dicho material, con lo que la espuma
al expandirse hace que las capas segunda y tercera conformen la
forma del molde para crear de ese modo un panel de revestimiento de
avión de la forma requerida.
La superficie para fijación a la tercera capa
puede incluir contornos alterados donde sea apropiado, para acomodar
el espesor de las capas segunda y tercera. Hay que hacer notar que,
a pesar del espesor añadido de las capas segunda y tercera, el
espesor total del estratificado de material compuesto puede ser poco
mayor, si acaso, que una hoja de material compuesto de construcción
tradicional. Esto se debe a la posibilidad de reducir el espesor de
la primera capa que ya no tiene que acomodarse a impactos, en la
manera de la técnica anterior, con suficiente margen de resistencia
mecánica para cumplir la especificación cuando sufra un daño.
Los detectores de fibra óptica, si se instalan,
se colocarían en la capa precurada de material compuesto reforzado
con fibra con tomas apropiadas para el tratamiento de las señales.
Luego, en la parte más alta se pueden instalar material de formación
de espuma, fibras de refuerzo si se usan, y la segunda capa.
Cuando se usen ciertos materiales para las
terceras capas, por ejemplo fibras de refuerzo de polietileno de
alto módulo dentro de la tercera capa, las temperaturas empleadas
durante la conformación del estratificado a la forma del molde que
sobrepasen sustancialmente los 100ºC, y con algunos materiales que
excedan de 80ºC, pueden ser destructivas. Por tanto, en estas
circunstancias se pueden emplear materiales formadores de espuma a
temperaturas que no excedan sustancialmente de 100ºC, y con algunos
materiales que no excedan de 80ºC. Los materiales formadores de
espuma así formados pueden tener formaciones de celda abierta o
cerrada. Se puede emplear adecuadamente la formación con vacío para
conseguir la formación de espuma a temperaturas menores, cuando sea
necesario.
A continuación se describe el invento a título de
ejemplo con referencia a los dibujos adjuntos, de los que:
La Figura 1 es un corte a través de un
estratificado de material compuesto de acuerdo con un aspecto del
invento;
La Figura 2 es un corte a través de un
estratificado de material compuesto de acuerdo con un segundo
aspecto del invento;
La Figura 3 es un corte a través de un panel de
revestimiento de ala fabricado con un estratificado de material
compuesto de acuerdo con un tercer aspecto del invento;
La Figura 4 es una vista en planta de conductos
dentro de la tercera capa;
La Figura 5 es una vista en planta de conductos
alternativos dentro de la tercera capa;
La Figura 6 es una vista de la flecha VI de la
Figura 5;
La Figura 7A es un corte a través de una
herramienta de molde y un conjunto de moldeo para formar de acuerdo
con el invento;
La Figura 7B muestra los componentes de la Figura
7A montados para que tenga lugar el moldeo;
La Figura 8 muestra una realización alternativa
de la de la Figura 6, y
La Figura 9 muestra una vista en planta de un
avión que tiene un fuselaje, paneles de revestimiento y planos
aerodinámicos de sustentación de acuerdo con el invento.
Con referencia a los dibujos, la Figura 1 muestra
un estratificado de material compuesto de acuerdo con el invento en
un corte que comprende una primera capa 1 de material compuesto
reforzado con fibra, una segunda capa- barrera 2 de hoja de
aluminio, y una tercera capa 3 de material de formación de espuma
de baja densidad interpuesta entre las capas primera y segunda 1 y
2. Distribuidas de forma aleatoria dentro de la tercera capa 3 hay
unas fibras 4 disipadoras de energía de un material de aramida. Unos
detectores de daños en la forma de fibras ópticas 5 están situados a
través de una superficie alta 6 de la primera capa 1. Estas fibras
ópticas están conectadas a un equipo de tratamiento de señales (no
mostrado), destinado a registrar una discontinuidad en una
cualquiera de las fibras ópticas 5 que puedan indicar la presencia
de una grieta o de otro tipo de daño que haya sufrido la primera
capa 1.
Con referencia a la Figura 2, se muestra en corte
un estratificado de material compuesto de acuerdo con el invento.
Este comprende una primera capa 1, una segunda capa 2 de hoja de
aluminio de un espesor de 0,1 mm, una tercera capa 3 de material de
formación de espuma de baja densidad, y dos capas 7 y 8 de fibras
tejidas de aramida, de 0,2 mm de espesor cada una. El espesor total
de las capas segunda y tercera es de 5 mm. Adicionalmente, una capa
5 de fibras ópticas está distribuida similarmente sobre la
superficie más alta 6 de la primera capa 1. La capa 7 de fibras
tejidas de aramida está situada muy cerca de la hoja 2 de aluminio,
y la hoja y las fibras se han diseñado para maximizar el área sobre
la que se disipa la energía debida a un impacto dentro de la tercera
capa por aplastamiento gradual. Se ha incluido la capa adicional 8
de fibras para añadir resistencia al impacto, pero puede omitirse
en circunstancias en que se requiera una protección menor contra un
impacto.
La Figura 3 es un corte alternativo que muestra
un estratificado de material compuesto de acuerdo con el invento,
en la forma de un panel de revestimiento de un ala de avión que está
diseñado para desviar la capa límite de aire sobre una superficie
aerodinámica formada por una capa perforada 9 de aluminio. La capa 9
de aluminio se ha perforado mediante un taladrado con rayo láser
para formar una serie de orificios finos regularmente espaciados a
través del material. Inmediatamente debajo de la capa 9 de aluminio
se encuentra una espuma 10 de celda abierta que forma parte de la
tercera capa de acuerdo con el invento. La espuma 10 de celda
abierta está entremezclada con fibras 11 de refuerzo distribuidas de
forma aleatoria. Debajo de la espuma 10 de celda abierta hay una
segunda capa intermedia 12 de aluminio que forma una barrera
impermeable al aire o a la humedad. Bajo la segunda capa 12 de
aluminio hay una estructura sustancialmente de acuerdo con la
mostrada en la Figura 1 en la parte derecha o en la parte izquierda
de la Figura 2, a excepción de la omisión de la capa 8 de fibras en
la Figura 2.
Por tanto, en realidad, se verá que la estructura
mostrada en la Figura 3 corresponde sustancialmente a la mostrada en
las Figuras 1 ó 2, pero con la adición de una capa de espuma de
celda abierta y una capa alta de hoja perforada de aluminio para
proporcionar una estructura de superficie adecuada para desviar o
"retener" una capa límite de aire que se mueva sobre la
superficie de la hoja 9 de aluminio, o con el fin de dejar pasar
aire caliente a través de la misma para anticongelación de la capa
9 de aluminio. Hay que hacer notar que se requerirán medios de
bombeo en cualquiera de los dos casos anteriormente citados, para
proporcionar aspiración en el caso de una retención de capa límite y
para aportar presión positiva en el caso de descongelación o
anticongelación. Estos medios de bombeo pueden ser de cualquier tipo
conocido que sea apropiado para la aplicación correspondiente.
Las Figuras 4, 5 y 6 muestran el uso de métodos
alternativos de proporcionar retención de capa límite o
anticongelación para un ala de avión. Las Figuras 4 y 5 muestran en
planta, disposiciones alternativas para bloques de material de
formación de espuma que forman toda o parte de una tercera capa de
un estratificado de material compuesto de acuerdo con el invento. La
espuma está dispuesta en tiras 14 en la Figura 4 y en bloques 15 en
la Figura 5. La disposición de la Figura 4 está diseñada para el
movimiento del aire en una dirección a lo largo de un ala de un
avión. Esta dirección es normalmente a lo largo de la envergadura.
La disposición de la Figura 5 permite el movimiento del aire tanto a
lo largo de la envergadura como a lo largo de la cuerda del ala en
las mismas circunstancias.
La Figura 6 muestra un corte a través de un
estratificado de material compuesto del invento que incorpora la
disposición de cualquiera de las dos Figuras 4 ó 5 vista en la
dirección de la flecha VI. Se puede ver que se han provisto una
serie de conductos 13 entre tiras adyacentes 14 o bloques
adyacentes15 de material de formación de espuma. Los conductos se
muestran como de lados paralelos, aunque se pueden requerir diseños
diferentes de conducto de acuerdo con diferentes condiciones de
aspiración, por ejemplo como se muestra en la Figura 8. La Figura 8
muestra también una capa de tela 20 inmediatamente por debajo de la
capa 9 de aluminio. Esta tela 20 proporciona refuerzo para los
paneles sujetos a que se ande sobre ellos, etc. Se puede usar una
combinación de los conductos 13 y de la espuma porosa 10 del ejemplo
de la Figura 8 para obtener la aspiración requerida para un panel de
flujo laminar híbrido.
La Figura 9 muestra un avión 21 de acuerdo con el
invento. El avión tiene un plano aerodinámico de sustentación en la
forma de un ala 22 de acuerdo con el invento, y un fuselaje 23
también de acuerdo con el invento. En un borde 24 de ataque del ala
están fijados unos estratificados de material compuesto que tienen
una segunda capa metálica perforada con un conducto de conducto de
paso de fluido en la tercera capa para efectuar flujo laminar
híbrido de aire sobre el ala.
Las ventajas previstas para un estratificado de
material compuesto de acuerdo con el invento son las siguientes:
i) Se puede necesitar una primera capa más
delgada de material compuesto reforzado con fibra para una
resistencia mecánica residual determinada de diseño, después de un
impacto, debido al efecto protector de las capas segunda y tercera
sobre la primera capa. Por tanto, puede obtenerse un ahorro en la
masa total del estratificado, lo cual podría dar lugar
similarmente a un estratificado más barato en su totalidad, debido a
la reducción en la capa, generalmente más cara, de material
compuesto reforzado con fibra.
ii) Detección sustancialmente más sencilla
de puntos de impacto, debido a la aparición de muescas en las capas
segunda y tercera.
iii) Reparaciones no estructurales
relativamente sencillas a las capas segunda y tercera para daños
menores.
iv) Una reducción o eliminación de
reparaciones estructurales difíciles a la primera capa
subyacente.
v) Menores daños por impacto de relámpagos a
la primera capa de material compuesto reforzado con fibra, debido a
que la segunda capa metálica se mantiene fuera de la primera
capa.
vi) Provisión más sencilla y potencialmente
más barata para detección de daños a la primera capa mediante la
colocación de fibras ópticas sobre la primera capa en lugar de
dentro de ella. Esto probablemente conducirá a menores problemas
de tratamiento y a la eliminación de áreas ricas en resina dentro de
la primera capa alrededor de las fibras ópticas más gruesas. En la
técnica anterior, estas áreas están asociadas con fibras ópticas
empotradas en dicho material compuesto reforzado con fibra.
vii) La entrada de humedad asociada con
daño en la tercera capa sería susceptible de establecimiento de
correspondencia usando termografía.
viii) Donde la tercera capa sea un material
de espuma, se puede esperar que resulte una disminución de
resonancia del panel.
ix) La segunda capa del estratificado se
puede pintar, y es posible que no sean aplicables los reglamentos de
ciertas industrias como la industria aeronáutica que impiden el uso
de desprendedores químicos de pintura debido al riesgo de la
degradación de la matriz. En muchos casos, la prohibición del uso de
desprendedores de pintura conduce a una acumulación de pintura en la
superficie, lo que a su vez conduce al riesgo de agrietamiento de la
pintura y puede también causar un aumento inaceptable de peso en la
estructura.
x) La segunda capa del estratificado, por sí
misma o combinada con la tercera capa, puede proporcionar una
barrera térmica, contra incendio y/o ablación.
xi) El estratificado del invento se puede
usar para aportar amortiguación estructural y/o acústica debido, al
menos en parte, a las propiedades amortiguadoras de la tercera capa
absorbente de energía de impacto.
Con referencia a las Figuras 7A y 7B, se muestra
una herramienta 16 de molde que tiene una superficie 17 de
herramienta. Un conjunto 18 de moldeo comprende una primera capa 1
de material compuesto reforzado con fibra, una segunda capa 2 de
hoja de aluminio, una tercera capa 3 de adhesivo espumable, una capa
7 de esterilla de fibra de aramida tejida, y una capa adicional 8
de esterilla de fibra de aramida que actúan como capas de refuerzo
dentro de la espuma. Situadas en la superficie más alta 8 de la
primera capa 1 hay unas fibras ópticas 5 para indicar los daños.
La tercera capa 3 de adhesivo espumable está
todavía sin curar.
En la Figura 7B, el conjunto 18 de moldeo se ha
colocado contra la superficie 17 de herramienta, y la temperatura
dentro de la herramienta de molde se ha elevado hasta una
temperatura en la que se cure el material espumable 3. Se observará
que la hoja de aluminio se ha conformado ahora a la forma de la
superficie 17 de herramienta. La formación de espuma del material
espumable tiene lugar ahora durante el curado de la misma, que
fuerza a la hoja de aluminio a establecer un contacto íntimo con la
superficie de herramienta, con lo que se consiguen la forma y el
acabado superficial deseados de una superficie exterior 19 del
componente acabado.
Las ventajas previstas para el método son las
siguientes:
1. Las restricciones al espesor de las
capas segunda y tercera que se aplican a un procedimiento de moldeo
de una sola etapa no se aplicarán al método del invento.
2. Los detectores de daños, por ejemplo los
detectores de daños de fibra óptica, se pueden fijar fácilmente a
una superficie exterior del material compuesto reforzado con fibra
antes de la adición a la misma de la tercera capa. Como la
superficie exterior del material compuesto reforzado con fibra ya no
actúa como la superficie exterior del estratificado, la adición de
detectores de daños no afectará al acabado superficial del laminado
en su totalidad.
3. Como las capas segunda y tercera se pueden
formar sobre la primera capa a temperaturas tan bajas como 100
grados centígrados, o incluso más bajas, con desarrollo de resina
para el material de formación de espuma, el material compuesto
reforzado con fibra no resultará afectado por el procedimiento de
moldeo para las capas segunda y tercera. Además, se pueden usar
materiales de molde relativamente baratos para moldear las capas
segunda y tercera, tales como madera contrachapada.
4. Debido a la adición de las capas segunda y
tercera al material compuesto reforzado con fibra, ya no será
necesario agobiarse con la tolerancia de estructuras bobinadas de
filamento del material compuesto cuando se usen para este fin.
Además, las herramientas de molde más caras para formar el material
compuesto reforzado con fibra a una temperatura más alta ya no
necesitan fabricarse con dichas tolerancias tan estrechas, y resulta
más sencillo el control dimensional de la superficie aerodinámica
para el estratificado a las temperaturas menores de formación para
las capas segunda y tercera.
5. El método es adecuado para la
fabricación del material compuesto reforzado con fibra mediante
moldeo con transferencia de resina, bobinado de filamentos, o
procedimiento similar.
6. Para estructuras de gran tamaño en las
que se requieran altas presiones de formación para la primera capa,
éstas se obvian para las etapas de formación de las capas segunda y
tercera del estratificado.
Claims (13)
1. Uso de un panel que comprende un
estratificado de material compuesto, caracterizado por
incluir
una primera capa (1) de material compuesto
reforzado con fibra, cuya primera capa proporciona resistencia
mecánica estructural para dicho estratificado de material
compuesto,
una segunda capa metálica exterior (2) de espesor
desde 0,01 mm hasta 1,0 mm que forma un revestimiento protector,
cuya segunda capa metálica tiene una propiedad de deformación
plástica por impacto, y
una tercera capa (3) de material absorbente de
energía de impacto Interpuesta entre las capas primera y segunda (1,
2), cuya tercera capa de material absorbente de energía de impacto
tiene una propiedad de absorción de energía cuando se deforma, de
tal manera que cuando se experimenta el impacto a dicha segunda
capa, dichas segunda y tercera capas combinadas proporcionan una
indicación plenamente visible de dicho impacto y de la gravedad de
dicho impacto, y proporcionan protección a la primera capa mediante
la absorción de energía del impacto en dicha tercera capa, en un
revestimiento de avión, caracterizado porque el panel se
sitúa de tal manera que la primera capa no está expuesta y la
segunda capa está expuesta,
2. Uso de un panel como el reivindicado en la
reivindicación 1, en el que la tercera capa (3) comprende un
adhesivo de formación de espuma in situ.
3. Uso de un panel como el reivindicado en
la reivindicación 1, en el que la tercera capa (3) comprende una
resina rellena de microglobos.
4. Uso de un panel como el reivindicado en la
reivindicación 1, en el que la tercera capa (3) comprende un
material en el que se ha formado previamente espuma.
5. Uso de un panel como en cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, en el que la tercera capa (3) incluye
fibras (4) de refuerzo dispersas en la misma.
6. Uso de un panel como en cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, cuyo panel incluye una capa de fibras
(5) detectoras de daños situadas dentro de la tercera capa adyacente
a la primera capa.
7. Uso de un panel como en cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 6, cuyo panel incluye al menos un conducto de
paso para fluido definido a través de la tercera capa (10).
8. Uso de un panel como el reivindicado en la
reivindicación 7, en el que la capa metálica (9) está perforada para
situar el al menos un conducto de paso para fluido en la tercera
capa (10) en comunicación con el exterior del estratificado.
9. Uso de un panel como el reivindicado en
las reivindicaciones 7 u 8, en el que el al menos un conducto de
paso para fluido está definido a través de una espuma (10) de celda
abierta de la tercera capa.
10. Uso de un panel como el reivindicado en la
reivindicación 9, en el que el al menos un conducto de paso para
fluido definido a través de la espuma (10) de celda abierta está
parcialmente limitado por una capa impermeable (12) situada en una
posición intermedia dentro de la tercera capa.
11. Uso de un panel como el reivindicado en
una cualquiera de las reivindicaciones 7 a 10, en el que el al menos
un conducto de paso para fluido está definido por canales (13)
formados entre tiras adyacentes (14, 15) de adhesivo de la tercera
capa.
12. Uso de un panel como el reivindicado en
cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el panel
comprende un plano aerodinámico de sustentación (22).
13. Uso de un panel como el reivindicado en
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, en el que el panel
comprende un fuselaje (23) de avión.
Applications Claiming Priority (2)
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