ES2331969T3 - Procedimiento para la fabricacion de un componente estructural de material compuesto de fibras curvado de forma tridimensional. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento para la fabricación de un componente estructural de material compuesto de fibras curvado de forma tridimensional, que presenta una sección transversal de perfil de viga sometida a flexión predeterminada con al menos una zona de alma y al menos una zona de cabeza que sigue a la misma con fibras a 0º, que comprende las siguientes etapas: a) proporcionar una esterilla de fibras de base, plana, que puede drapearse en al menos un plano; b) disponer una banda de esterilla de fibras unidireccional con fibras a 0º sobre una zona parcial de la esterilla de fibras proporcionada, que se sitúa en el componente estructural de material compuesto de fibras que va a fabricarse en la al menos una zona de cabeza; c) fijar la banda de esterilla de fibras sobre la esterilla de fibras de base mediante cosido mediante al menos una primera costura de fijación para configurar una tira de esterilla de fibras plana preconfeccionada, que dispone de una zona de tira de cabeza que contiene la banda de esterilla de fibras unidireccional y una zona de tira de alma libre de la banda de esterilla de fibras unidireccional; d) proporcionar la tira de esterilla de fibras plana preconfeccionada en un plano de trabajo; e) drapear la tira de esterilla de fibras preconfeccionada según el contorno deseado del componente estructural de material compuesto de fibras curvado de forma tridimensional que va a fabricarse, acodándose la zona de tira de cabeza de la tira de esterilla de fibras con respecto a la zona de tira de alma partiendo del plano de trabajo y curvándose sólo de manera uniaxial alrededor de al menos un eje de curvatura, que se extiende perpendicular a las fibras a 0º y paralelo al plano de banda de la banda de esterilla de fibras unidireccional; y la zona de tira de alma de la tira de esterilla de fibras esencialmente se drapea sólo en el plano de trabajo y con esto se distorsiona su disposición de fibras; y f) coser la tira de esterilla de fibras preconfeccionada sobre un material de soporte drapeado en al menos un plano mediante al menos una segunda costura de fijación, que se coloca en una zona de transición entre la zona de tira de cabeza y la zona de tira de alma sólo en la zona de tira de alma, de modo que se forma una primera preforma de esterilla de fibras secundaria estabilizada, curvada de forma tridimensional, adaptada al componente estructural de material compuesto de fibras que va a fabricarse.
Description
Procedimiento para la fabricación de un
componente estructural de material compuesto de fibras curvado de
forma tridimensional.
La invención se refiere a un procedimiento para
la fabricación de un componente estructural de material compuesto
de fibras curvado de forma tridimensional. Tales componentes
estructurales de material compuesto de fibras se emplean por
ejemplo como largueros o cuadernas, es decir, componentes portantes
de un ala de avión. El larguero en forma de viga tiene la función
de absorber las fuerzas transversales y momentos de flexión que
resultan de las fuerzas del aire y de inercia. Los largueros se
emplean por ejemplo también en palas de rotor, por ejemplo de
instalaciones de energía eólica y helicópteros. Además, los
largueros, especialmente los largueros formados a partir de
componentes estructurales de material compuesto de fibras, también
se aplican en estabilizadores de avión.
Los largueros de este tipo están compuestos por
regla general esencialmente por dos componentes que tienen
diferentes funciones. Las denominadas cabezas absorben las fuerzas
normales de los momentos de flexión. El alma de cizalladura que une
las cabezas absorbe las fuerzas transversales y conduce el empuje
entre las cabezas.
En aviones con un modo de construcción en
plástico, en los que los largueros están construidos a partir de
material compuesto de fibras, las cabezas se fabrican a partir de
una capa unidireccional (de forma abreviada, capa UD). El alma de
cizalladura está compuesta a partir de un tejido o esterilla a por
ejemplo 45º, por ejemplo el denominado AWV45. Capa unidireccional
es la denominación para una capa de un material compuesto de
plástico de fibras, en la que todas las fibras están orientadas en
una única dirección y se denomina por tanto también esterilla de
fibras a 0º, es decir, las fibras están orientadas en la dirección
longitudinal de la banda. Las fibras se toman a este respecto
idealmente distribuidas de manera paralela y homogénea. La capa
unidireccional es transversalmente isótropa.
A partir de capas unidireccionales pueden
construirse todos los materiales semiacabados de fibras utilizados
en materiales compuestos de plástico de fibras, por ejemplo tejidos,
materiales no tejidos, esterillas multiaxiales.
Un tejido representa un material compuesto
cruzado que está constituido por dos capas UD giradas 90º una
respecto a la otra.
En largueros de ala se conoce como componente
estructural de material compuesto de fibras utilizar la capa
unidireccional como cabeza que absorbe las fuerzas normales de los
momentos de flexión. Además de la esterilla unidireccional para las
cabezas, el componente estructural de material compuesto de fibras
contiene el alma de cizalladura, que está formada por un tejido o
una esterilla, produciéndose en el caso de un tejido mediante el
entretejido una ondulación de las fibras, que puede llevar a una
disminución de la resistencia a la presión paralela a las fibras.
En una esterilla, que se mantiene unida mediante un cosido de tipo
papel o bandera, las fibras se sitúan idealmente de manera paralela
y estirada.
El documento US 2004/079838 da a conocer un
procedimiento para la fabricación de largueros de ala.
Para fabricar una preforma con forma
tridimensional de un componente estructural de material compuesto de
fibras curvado se conoce fabricar, basándose en materiales
semiacabados disponibles, es decir, fibras secas, o dado el caso
preimpregnadas, agrupadas para formar determinadas esterillas,
mediante la técnica de cosido, piezas individuales preformadas con
la forma final, es decir, en cada caso piezas individuales
preformadas tridimensionales, que en el espacio tridimensional son
estables con respecto a la forma. Estas piezas individuales
preformadas se cosen para obtener preformas tridimensionales. La
operación de cosido es a este respecto tridimensional.
El documento WO 02/42044 da a conocer un
procedimiento de la técnica de la confección para la fabricación de
componentes de plásticos reforzados con fibras con un alma y
opcionalmente un reborde y/o un pie utilizando recortes textiles
como material de partida.
De manera alternativa puede emplearse un
denominado preformado de puntal, mediante el que sin embargo es
difícil la introducción de bandas unidireccionales en las
cabezas.
El objetivo de la invención es prever un
procedimiento para la fabricación de un componente estructural de
material compuesto de fibras curvado de forma tridimensional, por
ejemplo una cuaderna o un larguero en la construcción de aviones o
helicópteros, que posibilita llevar, con un esfuerzo de fabricación
reducido, las fibras unidireccionales y las esterillas de fibras a
una forma tridimensional, en la que está garantizada la orientación
de fibras deseada en las respectivas zonas.
Este objetivo se soluciona mediante un
procedimiento con las características de la reivindicación 1. Formas
de realización preferidas se indican en las reivindicaciones
dependientes.
El aspecto esencial de la invención consiste en
fabricar, modificando el orden de cosido, es decir, un cosido
controlado de esterillas de fibras de base que están adaptadas a las
fuerzas que van a absorberse mediante las zonas individuales del
componente estructural de material compuesto de fibras, de manera
plana, en primer lugar una tira de esterilla de fibras
preconfeccionada con zonas de partes de esterilla de fibras de
diferente orientación, incluyendo tiras de fibras unidireccionales
y por ejemplo orientaciones de fibras en un intervalo de \pm45º a
\pm60º. Esta tira de esterilla de fibras preconfeccionada se
drapea entonces de forma tridimensional según el contorno deseado
del componente estructural de material compuesto de fibras que va a
fabricarse, de modo que una parte de la tira de esterilla de fibras
preconfeccionada se acoda con respecto a otra zona de la tira de
esterilla de fibras desde el plano de trabajo, preferiblemente se
curva de manera uniaxial alrededor de un eje de curvatura, que se
extiende preferiblemente perpendicular a las fibras unidireccionales
y paralelo al plano de banda de la fibra unidireccional. En esta
forma drapeada de forma tridimensional se cose la tira de esterilla
de fibras preconfeccionada sobre un material de soporte para
configurar una primera preforma de esterilla de fibras secundaria
estabilizada.
Es especialmente preferible, para el empleo en
la construcción de aviones, para la configuración de componentes
estructurales de material compuesto de fibras, por ejemplo
componentes estructurales de material compuesto de fibras que
forman largueros, que la esterilla de fibras de base tenga una
orientación de fibras que se sitúa en el intervalo de \pm30º a
\pm65º, preferiblemente en el intervalo de \pm45º a \pm60º, y
de manera especialmente preferible tiene una orientación de fibras
de \pm45º.
Según una forma de realización especialmente
preferida se drapea la tira de esterilla de fibras preconfeccionada
de modo que la tira de esterilla de fibras a 0º unidireccional
forma, en la preforma de esterilla de fibras secundaria, parte de
un elemento de cabeza de una posterior sección transversal de viga
sometida a flexión del componente estructural de material compuesto
de fibras que va a fabricarse.
A este respecto se parte preferiblemente de la
tira de esterilla de fibras a 0º para la fabricación y drapeado de
la tira de esterilla de fibras preconfeccionada, es decir, esta zona
se coloca en la primera etapa de cosido de manera plana y en la
etapa del cosido sobre un soporte según la forma deseada. La
esterilla de fibras de base con otra orientación de las fibras se
distorsiona de manera correspondiente, preferiblemente en el plano,
de modo que sigue la forma preestablecida por la banda UD.
Según una forma de realización especialmente
preferida, especialmente para configurar un larguero en C como
componente estructural de material compuesto de fibras se realizan
las etapas a) a f) una segunda vez, concretamente para la formación
de al menos una segunda preforma de esterilla de fibras secundaria,
teniendo tanto la primera como la segunda preforma de esterilla de
fibras secundaria esencialmente forma de L. La segunda preforma de
esterilla de fibras secundaria se inserta con la primera preforma de
esterilla de fibras secundaria como segunda capa a modo de
imbricación en la primera preforma de esterilla de fibras secundaria
y se une con la misma mediante cosido. A este respecto se insertan
las preformas de esterilla de fibras secundaria preferiblemente a
modo de imbricación una en la otra, drapeándose una preforma de
esterilla de fibras secundaria fabricada con una tira de base, que
está reducida en anchura con respecto a la otra tira de base de la
otra preforma de esterilla de fibras secundaria, de modo que se
solapan y uniéndose mediante cosido, de este modo preferiblemente
las respectivas tiras de base se solapan al menos parcialmente.
Preferiblemente, en una etapa adicional se
impregnan las preformas de esterilla de fibras secundarias de manera
conjunta, es decir, en el estado unido con la preforma de esterilla
de fibras, con una resina endurecible y se endurece la resina.
Según una forma de realización preferida puede
retirarse a este respecto el material de soporte antes de la
impregnación con resina. De manera alternativa el material de
soporte puede impregnarse igualmente con resina.
En la operación del cosido de la tira de
esterilla de fibras preconfeccionada sobre un material de soporte
para fabricar una preforma de esterilla de fibras curvada de forma
tridimensional se solicita preferiblemente la tira de esterilla de
fibras preconfeccionada, que corresponde a la zona de tira de alma,
con empuje y giro simultáneo, de modo que en la operación de cosido
se consigue una distorsión de la orientación de las fibras y se
consiguen la forma espacial tridimensional así como la curvatura
deseada. Para ello puede facilitarse la operación de costura
preferiblemente utilizando una plantilla en un plano. En la
plantilla están dibujadas a este respecto las líneas de costura,
que llevan a una distorsión de la esterilla multidireccional, que
forma por ejemplo el alma, con la esterilla unidireccional.
A continuación se describe mediante un ejemplo
de un larguero en C la fabricación de un componente estructural de
material compuesto de fibras con una preforma de esterilla de fibras
según la invención.
A este respecto deben formarse las zonas de
cabeza del larguero en C a partir de una banda unidireccional (con
denominadas fibras a 0º), mientras que la zona de alma se fabrica a
partir de una esterilla de fibras de base, o dado el caso un
tejido, que puede drapearse en un plano. La esterilla de fibras de
base es preferiblemente una esterilla de fibras a 45º, es decir, un
material de banda, cuyas fibras discurren en un ángulo de + o -45º
con respecto a la dirección longitudinal de la banda. Pueden
utilizarse otras esterillas de fibras de base con otra orientación
de fibras.
Tras el recorte de la esterilla de fibras de
base y de la banda unidireccional se coloca la banda unidireccional
sobre o junto a la esterilla de fibras de base. A este respecto la
banda de esterilla de fibras unidireccional no se coloca
necesariamente sobre o junto a toda la esterilla de fibras de base,
sino que también puede extenderse sólo por una zona parcial de esta
esterilla de fibras de base. Por otro lado, la banda de esterilla de
fibras unidireccional también puede extenderse en caso necesario
por toda la longitud de la esterilla de fibras de base.
A continuación se fija la banda de esterilla de
fibras unidireccional sobre la esterilla de fibras de base. Esto se
realiza de manera plana, es decir, en un plano, sin que sean
necesarias piezas conformadas que orienten la banda de esterilla de
fibras unidireccional y la esterilla de fibras de base de forma
tridimensional una respecto a la otra. Por ejemplo, la banda de
esterilla de fibras puede fijarse en la esterilla de fibras de base
con costuras de fijación que discurren de manera transversal a la
dirección de las fibras de la banda de esterilla de fibras
unidireccional. De este modo se produce una tira de esterilla de
fibras preconfeccionada plana que tiene una zona de tira de cabeza
que contiene la banda de esterilla de fibras unidireccional y una
zona de tira de alma libre de la banda de esterilla de fibras
unidireccional, que en el ejemplo presenta una orientación de
fibras de \pm45º. Esta combinación de banda de esterilla de fibras
con fibras a 0º y banda de esterilla de fibras con una orientación
de fibras adaptada a las cargas que se esperan más tarde, se
proporciona en el plano de trabajo, por ejemplo la mesa de coser.
También para esta operación de cosido una plantilla sobre la mesa o
un control automático en el plano puede preestablecer la posición de
las costuras. Las partes de banda no deben distorsionarse a este
respecto.
A continuación se drapea la disposición con
parte de orientación de fibras a 0º y a \pm45º según el contorno
del larguero o cuaderna y se cose sobre un material de soporte que
es lo suficientemente estable con respecto a la forma.
Preferiblemente se acoda a este respecto la banda unidireccional
alrededor de un eje, que esencialmente es paralelo a la orientación
de las fibras de la banda unidireccional, partiendo del plano de
trabajo, de modo que mediante la banda unidireccional se forman las
cabezas del larguero (brazos opuestos de la C). En cambio, la zona
de tira de alma, que está formada a partir de tiras de esterilla de
fibras de base, permanece en el plano de trabajo, distorsionándose
sin embargo mediante el drapeado tridimensional de la zona de cabeza
(sin distorsionar la misma) la disposición de fibras de la
esterilla de fibras de base con una orientación diferente de la
unidireccional en el plano. Para ello se prevén, en la operación de
drapeado y en la posterior operación de cosido con un material de
soporte, preferiblemente un empuje y un giro simultáneo, que lleva
a la distorsión del material de fibras unidireccional con respecto a
la tira de esterilla de fibras de base. Esta operación de cosido
también puede estar automatizada o utilizar plantillas planas.
Esta tira de esterilla de fibras drapeada en
forma de L se drapea sobre un material de soporte estable con
respecto a la forma y se estabiliza mediante una segunda costura de
fijación, de modo que se forma una primera preforma de esterilla de
fibras secundaria curvada de forma tridimensional, adaptada al
componente estructural de material compuesto de fibras que va a
fabricarse, concretamente el larguero, especialmente una forma de L
compuesta por una cabeza y al menos una parte del alma de
cizalladura. Durante el cosido con el material de soporte se coloca
la costura de fijación en una zona de transición entre la zona de
tira de cabeza y la zona de tira de alma sólo en la zona de tira de
alma, de modo que se fija la distorsión de la zona de tira de alma
con respecto a su orientación de fibras. El material de soporte
sirve principalmente para fijar la distorsión de la zona de tira de
alma, de modo que también puede estar previsto sólo en esta
zona.
A continuación se fabrica del mismo modo una
segunda preforma de esterilla de fibras secundaria, que igualmente
tiene forma de L y forma una cabeza y una parte del alma de
cizalladura.
Las dos preformas de esterilla de fibras
secundarias se unen entre sí para obtener una preforma de fibras,
solapándose sus respectivas zonas de alma al menos parcialmente e
introduciéndose a modo de imbricación la una en la otra. Esta
disposición se fija mediante costuras adicionales. La disposición
resultante se impregna a continuación con una resina endurecible,
siendo estable con respecto a la forma tanto debido a las
operaciones de cosido como debido al material de soporte, de modo
que también tras el endurecido de la resina se mantiene la forma
deseada del componente estructural de material compuesto de fibras.
Según la estabilidad de la disposición cosida, el material de
soporte también puede retirarse antes de la impregnación con
resina.
El procedimiento según la invención con las
etapas de cosido en el plano de trabajo y el enderezamiento
posterior entre bandas de esterilla de fibras unidireccionales y
una esterilla de fibras de base plana también puede utilizarse para
otros componentes estructurales de material compuesto de fibras o
largueros, por ejemplo largueros en I o largueros de caja,
realizándose entonces de manera correspondiente la conexión entre la
esterilla unidireccional y multidireccional.
En la operación de fijación por cosido se cose
preferiblemente a lo largo de un trazado gráfico en papel de la
costura pretendida en desarrollo, sobre el que está dibujado el
contorno. Para el guiado de la parte de banda unidireccional, la
banda unidireccional, que está fijada en el alma, puede guiarse en
el cabezal de costura, de modo que el drapeado de la esterilla
multidireccional se realiza automáticamente en el plano.
Claims (8)
1. Procedimiento para la fabricación de un
componente estructural de material compuesto de fibras curvado de
forma tridimensional, que presenta una sección transversal de perfil
de viga sometida a flexión predeterminada con al menos una zona de
alma y al menos una zona de cabeza que sigue a la misma con fibras a
0º, que comprende las siguientes etapas:
a) proporcionar una esterilla de fibras de base,
plana, que puede drapearse en al menos un plano;
b) disponer una banda de esterilla de fibras
unidireccional con fibras a 0º sobre una zona parcial de la
esterilla de fibras proporcionada, que se sitúa en el componente
estructural de material compuesto de fibras que va a fabricarse en
la al menos una zona de cabeza;
c) fijar la banda de esterilla de fibras sobre
la esterilla de fibras de base mediante cosido mediante al menos
una primera costura de fijación para configurar una tira de
esterilla de fibras plana preconfeccionada, que dispone de una zona
de tira de cabeza que contiene la banda de esterilla de fibras
unidireccional y una zona de tira de alma libre de la banda de
esterilla de fibras unidireccional;
d) proporcionar la tira de esterilla de fibras
plana preconfeccionada en un plano de trabajo;
e) drapear la tira de esterilla de fibras
preconfeccionada según el contorno deseado del componente
estructural de material compuesto de fibras curvado de forma
tridimensional que va a fabricarse, acodándose la zona de tira de
cabeza de la tira de esterilla de fibras con respecto a la zona de
tira de alma partiendo del plano de trabajo y curvándose sólo de
manera uniaxial alrededor de al menos un eje de curvatura, que se
extiende perpendicular a las fibras a 0º y paralelo al plano de
banda de la banda de esterilla de fibras unidireccional; y la zona
de tira de alma de la tira de esterilla de fibras esencialmente se
drapea sólo en el plano de trabajo y con esto se distorsiona su
disposición de fibras; y
f) coser la tira de esterilla de fibras
preconfeccionada sobre un material de soporte drapeado en al menos
un plano mediante al menos una segunda costura de fijación, que se
coloca en una zona de transición entre la zona de tira de cabeza y
la zona de tira de alma sólo en la zona de tira de alma, de modo que
se forma una primera preforma de esterilla de fibras secundaria
estabilizada, curvada de forma tridimensional, adaptada al
componente estructural de material compuesto de fibras que va a
fabricarse.
2. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque la esterilla de fibras de base
proporcionada en la etapa a) tiene una orientación de fibras que se
sitúa en un intervalo de \pm30º a \pm65º, especialmente en un
intervalo de \pm45º a \pm60º, de manera aún más preferible a
\pm45º.
3. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2,
caracterizado porque en la etapa e) la tira de esterilla de
fibras a 0º sirve como referencia para el drapeado y la fijación de
la tira de esterilla de fibras preconfeccionada.
4. Procedimiento según una de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque las etapas
a) a f) se realizan de nuevo para formar una segunda preforma de
esterilla de fibras secundaria y la segunda preforma de esterilla
de fibras secundaria se inserta como segunda capa a modo de
imbricación en la primera preforma de esterilla de fibras
secundaria y se une con la misma mediante costura para formar una
preforma de fibras.
5. Procedimiento según la reivindicación 4,
caracterizado porque la primera preforma de esterilla de
fibras secundaria y la segunda preforma de esterilla de fibras
secundaria tienen en cada caso forma de L y las zonas de tira de
alma libres de la banda de esterilla de fibras unidireccional de la
primera y de la segunda preforma de esterilla de fibras secundaria
se unen entre sí para formar una preforma de fibras de modo que la
preforma de fibras tiene una
forma de C.
forma de C.
6. Procedimiento según una de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la preforma
de esterilla de fibras secundaria o la preforma de fibras se
impregnan en una etapa g) con una resina endurecible y la resina se
endurece.
7. Procedimiento según la reivindicación 6,
caracterizado porque el material de soporte se retira antes
de la
etapa g) de la preforma de fibras y/o de la preforma de esterilla de fibras secundaria.
etapa g) de la preforma de fibras y/o de la preforma de esterilla de fibras secundaria.
8. Procedimiento según la reivindicación 6,
caracterizado porque el material de soporte se impregna con
resina en la etapa g) junto con la preforma de esterilla de fibras
secundaria y/o la preforma de fibras.
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