ES2338084A1

ES2338084A1 - Metodo de fabricacion de un panel de geometria compleja en material compuesto preimpregnado.

Info

Publication number: ES2338084A1
Application number: ES200803085A
Authority: ES
Inventors: Desiderio Sanchez-Brunete Alvarez
Original assignee: Airbus Operations SL
Current assignee: Airbus Operations SL
Priority date: 2008-10-30
Filing date: 2008-10-30
Publication date: 2010-05-03
Anticipated expiration: 2028-10-30
Also published as: BRPI0920231A2; ES2338084B1; EP2357075A1; CA2741486A1; US20100108246A1; WO2010049566A1; CN102282006A; CA2741486C; CN102282006B; EP2357075A4; EP2357075B1

Abstract

Método de fabricación de un panel de geometría compleja en material compuesto preimpregnado. El método comprende: una primera etapa en la que se extienden las capas del preimpregnado sobre un molde que tiene unas cavidades correspondientes a los relieves (3) del panel de geometría compleja (1) a obtener, presentando el preimpregnado unas líneas de discontinuidad (12) en las capas del preimpregnado en un entorno de los relieves (3); una segunda etapa en la que el apilado (11) se conforma por aplicación de un ciclo de presión y temperatura; y una tercera etapa de acabado del panel a obtener que comprende el curado del preimpregnado.

Description

Método de fabricación de un panel de geometría compleja en material compuesto preimpregnado.

Campo de la invención

La presente invención se concibe para su aplicación en la industria aeronáutica y aerospacial en la que el peso de las piezas estructurales es un factor clave.

En concreto, la presente invención se considera adecuada para su aplicación a la fabricación de paneles estructurales de gran tamaño y paneles de contornos cerrados como cilindros o conos, por ejemplo secciones de fuselaje de. aeronaves del tipo de fuselaje ancho (WB, "Wide Body").

No se descarta el uso de la presente invención en otras industrias en las que puede interesar su aplicación por el peso de las piezas estructurales a obtener o por otras ventajas técnicas, como un experto en la materia podría deducir según se desprende de la descripción que se realiza en la presente memoria.

Objeto de la invención

El problema objetivo general que trata la presente invención es proporcionar un método de fabricación de paneles estructurales de geometría compleja y bajo peso asegurando que los paneles obtenidos tengan: máxima integridad mecánica y estructural y máxima precisión en términos de tolerancia dimensional.

En la presente invención, se entiende por "panel", una pieza con un espesor muy pequeño en comparación con la superficie a lo largo de la que se extiende, o superficie característica, pudiendo ser esta superficie característica de contorno abierto o cerrado (e.g. cilindros o conos se consideran superficies de contorno cerrado).

El bajo peso del panel a obtener así como su funcionalidad estructural requerida dirige la aplicación de la invención a paneles fabricados en material compuesto preimpregnado, tal como se expresa en el enunciado de esta memoria descriptiva.

El material preimpregnado consiste esencialmente en un conjunto de fibras de refuerzo impregnadas en una matriz de resina y agrupadas en capas extendiéndose de forma continua a lo largo de cada capa, unidireccionalmente o en tejido (trama y urdimbre). Convencionalmente, el preimpregnado se procesa extendiendo las capas, apilándolas sobre un molde que tiene una superficie sustancialmente lisa; el conjunto de capas apiladas de preimpregnado extendidas sobre el molde se denomina apilado. Una vez extendido el apilado en el molde, éste se compacta, usualmente mediante la técnica de vacío. Luego se procede a su curado en horno o autoclave por aplicación de un ciclo de curado en el que el apilado se somete a una temperatura y presión adecuados, y una vez concluido el ciclo de curado se separa del molde resultando la pieza o panel a obtener. El preimpregnado puede consistir en láminas, cintas o bandas, dando lugar a los distintos procesos conocidos de obtención de paneles en material compuesto preimpregnado denominados, respectivamente: laminado, encintado, o colocación de fibras. El laminado puede consistir en un tejido de características dimensionales de amplia variación; las cintas o bandas se suministran normalmente con las fibras extendiéndose unidireccionalmente, con un ancho entre unos pocos milímetros y varios centímetros. El preimpregnado se utiliza ampliamente en la técnica por su buen comportamiento mecánico, derivado de la rigidez que proporcionan las fibras al disponerse de forma continua a lo largo de cada capa. Así mismo, es posible obtener paneles con buen acabado superficial y buena tolerancia dimensional, propiedades heredadas de la exactitud superficial con la que es posible mecanizar el molde sobre el que se extiende el apilado.

De otro lado, tal como se expresa en el enunciado, la invención se refiere a paneles denominados "de geometría compleja", a diferencia de los procesos de fabricación de paneles en material compuesto preimpregnado convencionales mencionados. En general, por paneles de geometría compleja se entiende en la presente invención que son aquellos paneles que tienen una superficie característica de geometría compleja, siendo estas superficies las superficies que, sin ser necesariamente sustancialmente suaves, no son sustancialmente lisas. En particular, paneles que siguen superficies con relieves como ondulaciones, acanaladuras o embuticiones se consideran paneles de geometría compleja.

El que los paneles sean de geometría compleja, está motivado porque con la incorporación de unos relieves singulares en dichos paneles, como ondulaciones o acanaladuras, puede conseguirse el efecto técnico deseable de optimizar el comportamiento estructural o mecánico de un panel liso, por ejemplo eliminando el pandeo o en general aumentando la resistencia a los esfuerzos en la dirección normal a la superficie del panel, supliendo así la necesidad de la incorporación al panel liso de otros elementos de refuerzo ajenos al panel como larguerillos o rigidizadores, que es la solución que predomina en la actualidad. Esta solución de incorporar elementos de refuerzo auxiliares a un panel liso tiene el gran inconveniente de que su instalación es complicada, debido a la pluralidad de piezas auxiliares que requiere como remaches u otros elementos de unión, herrajes, etc., además de penalizar el peso de la estructura. Por tanto, con la integración de dichos relieves en la propia estructura constitutiva del panel de geometría compleja, se logran las ventajas técnicas de reducir el tiempo de fabricación del panel estructural, reducir su coste y reducir el peso de la estructura, mejorando el comportamiento mecánico y estructural del panel.

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La solución que aporta la presente invención se basa en el procesado convencional de material compuesto preimpregnado, que como se ha indicado anteriormente se efectúa sobre superficies de molde suficientemente lisas. En particular y sin limitación, la invención se concibe para la técnica en la que el preimpregnado se procesa automáticamente, a través de un cabezal que barre la superficie del molde extendiendo el material, este es el caso de los procesos conocidos en la técnica como de encintado automático ("automatic tape lay-up") o de: colocación de fibras ("fiber placement"). El procesado automático de preimpregnado aporta las ventajas adicionales frente al procesado manual de mejorar la cadencia de producción y reducir costes, al disminuir el tiempo de fabricación y reducir el material de desecho, así como proporcionar una mayor precisión, debido a la uniformidad de las presiones en la extensión del preimpregnado y la compactación del apilado.

Una posible solución técnica al problema de obtener paneles de geometría compleja en material compuesto preimpregnado consistiría en extender el preimpregnado en un molde que incorpore unos relieves (macho o hembra) en su superficie, de manera que el preimpregnado se extienda sobre toda la superficie incluyendo las caras de la superficie de los relieves, y dando lugar a un apilado que tuviera la forma final del panel. Sin embargo, actualmente dicha solución no es viable en el estado de la técnica para el procesado automático de preimpregnado, puesto que para poder extender automáticamente el preimpregnado sobre la superficie del molde se requiere que la superficie sea suficientemente lisa.

Teniendo en cuenta que es deseable obtener las ventajas que en la técnica actual aporta el procesado automático convencional de preimpregnado, la presente invención proporciona una solución técnica para obtener un panel de material compuesto preimpregnado de geometría compleja en la que es aplicable sin limitación dicho procesado automático convencional de preimpregnado.

Para lograr la solución propugnada, la invención se basa en la aplicación de las técnicas de conformado en caliente y prensado convencionales, de forma que los relieves, acanaladuras, ondulaciones, embuticiones, etc. del panel de geometría compleja se pueden conformar, a partir de un apilado liso de preimpregnado, una vez dispuesto sobre el molde, y con el empleo de un molde que tenga la forma apropiada con el negativo de la superficie del respectivo panel de geometría compleja a obtener.

Estado de la técnica anterior a la invención

Actualmente, en el campo de la invención se conocen procesos de fabricación de piezas estructurales en material compuesto por la técnica denominada de "moldeado por compresión". Esta técnica consiste en preparar una masa de fibras de refuerzo previamente cortadas e impregnadas en resina y después introducir dicha masa, que se denomina preforma, en un molde que se somete a una alta presión de compresión. Los distintos métodos existentes para obtener la preforma dan lugar a los diferentes tipos de proceso de moldeado por compresión conocidos en la técnica, que son:

-: Cuando la preforma se obtiene de la mezcla de fibra impregnadas cortadas.

-: Cuando la preforma se obtiene de la mezcla de la fibra cortada y la resina por separado en un mezclador. (Bulk Molding Compound, BMC).

-: Cuando la preforma se obtiene a partir de fibra cortada depositada entre dos membranas de resina. (Sheet Molding Compound, SMC).

El documento de patente US 5609805 recoge una realización de la técnica del moldeado por compresión referida.

En los procesos de moldeado por compresión, la característica esencial que hace posible producir la deformación de moldeado necesaria hasta que la preforma adquiere la forma final de la pieza, determinada por el contorno interior del molde, es la rigidez del material de la preforma, que es suficientemente pequeña, propiciado fundamentalmente por la elasticidad de la resina y por que las fibras se disponen revueltas y cortadas en su interior no coaccionando la deformación de la preforma, al poderse desplazar relativamente sin oposición en el interior de la resina durante el moldeado.

Por otra parte, se conocen procesos de fabricación de piezas en material compuesto preimpregnado por termoconformado o conformado en caliente y prensado. Estos procesos pueden aplicarse, como la presente invención, también a preimpregnados. En estos procesos una preforma de material compuesto preimpregnado se conforma directamente mediante la aplicación de calor y cierta presión que provoca la deformación del material contra un molde que tiene la forma del negativo de la superficie a obtener.

En el documento de patente US 47 86343 se recogen unas piezas de refuerzo estructural (larguerillos) que se fabrican por la técnica de termoconformado y prensado.

A diferencia de los procesos de moldeado por compresión, la característica esencial de los procesos de termoconformado y prensado que hace que sea posible producir la deformación de moldeado necesaria hasta que la preforma del preimpregnado adquiere la forma final de la pieza es que la preforma del preimpregnado se extiende en un área suficientemente pequeña y que el contorno de la preforma está abierto o libre de aplicación de presión de aprisionado durante el prensado de la preforma. Pero dicho método no permite su aplicación a preimpregnados cuyo tamaño sea suficientemente grande y/o la preforma permanezca aprisionada por un contorno exterior. Asimismo dicho método tampoco sería de aplicación a paneles de contorno cerrado como paneles cilíndricos o conos. La razón de estas limitaciones se debe a los siguientes dos factores: a la rigidez propia del material preimpregnado en la dirección de las fibras, que impediría la deformación del material en dichas direcciones hasta el límite de rotura si todo el contorno de la preforma estuviera cerrado o aprisionado; y a la adherencia relativa existente entre el preimpregnado y la superficie del molde, así como entre las distintas capas del preimpregnado que, al depender del área sobre la que se extiende el preimpregnado, para áreas suficientemente extensas el rozamiento impide la correcta conformación de la preforma. Por los factores anteriores, la aplicación de la técnica de termoconformado y prensado convencional directamente a paneles de geometría compleja no resulta ser satisfactoria. Es más, aunque la preforma fuera de tamaño suficientemente pequeño y tuviese un contorno abierto, tampoco sería posible obtener mediante esta técnica convencional determinadas piezas con formas suficientemente complejas, o paneles de geometría compleja, con precisión en términos de tolerancia dimensional, porque sería inevitable la aparición de arrugas y pliegues derivada del efecto de la distorsión de las capas del preimpregnado y de las fibras durante el conformado. Estos defectos en la tolerancia dimensional pueden acarrear otros defectos derivados en detrimento de la integridad mecánica y estructural de la pieza a obtener como por ejemplo vulnerabilidad a la delaminación del preimpregnado, al aumentar la probabilidad de aparición de huecos y puntos de concentración de esfuerzos como consecuencia.

Descripción de la invención

Como se describirá a continuación, las características de la presente invención determinan que el método propugnado, a diferencia de la técnica conocida, sea aplicable sin limitación a la obtención de paneles en material compuesto preimpregnado de tamaño suficientemente grande y a paneles de geometría compleja, teniendo relieves con formas más complejas que las que es posible obtener con la técnica actual. Además, el método permite la fabricación mediante el procesado automático de preimpregnado, utilizando las técnicas conocidas de "fiber placement" y "automatic tape lay-up", permitiendo una alta cadencia de producción y un bajo coste y asegurando que los paneles obtenidos tengan una máxima integridad mecánica y estructural así como una máxima precisión en términos de tolerancia dimensional.

El método comprende las siguientes etapas: una primera etapa, que se denomina "de apilado", una segunda etapa que se denomina "de conformado", y una tercera etapa, que se denomina "de acabado".

En la primera etapa, el preimpregnado se extiende sobre un molde dando lugar al apilado. A diferencia del molde convencional, el molde a utilizar en la presente invención presenta unas cavidades correspondientes al negativo de la geometría compleja del panel a obtener. Durante esta etapa, dichas cavidades pueden estar ocupadas parcial o totalmente por un elemento de relleno, para facilitar la aplicación del preimpregnado cuando sea necesario, de manera que el elemento de relleno proporcione una superficie de apoyo lisa auxiliar que enrase con la superficie del molde para la colocación de las distintas capas del apilado. Una vez que el apilado se ha extendido sobre el molde, se retiran dichos elementos de relleno de las cavidades del molde, en su caso.

Básicamente, lo característico del método de la presente invención, es que durante esta primera etapa, de apilado, el preimpregnado se extiende sobre el molde con al menos una discontinuidad o corte en las fibras de cada capa. La discontinuidad o corte de las fibras de cada capa define una línea de discontinuidad en las capas de preimpregnado, según los puntos extremos de las discontinuidades de las fibras. Así, se define como "tramo de capa de preimpregnado", la porción de capa de preimpregnado en la que las fibras del preimpregnado se extienden de forma continua, es decir sin discontinuidad, como en cada capa del preimpregnado procesado convencionalmente. Un tramo de capa de preimpregnado puede obtenerse mediante el corte de una capa de preimpregnado por la línea de discontinuidad. En particular, los tramos de capa de preimpregnado cuando la extensión del preimpregnado se realiza automáticamente, por encintado automático ("automatic tape lay up") o por colocación de fibras ("fiber placement"), se obtendrían directamente extendiendo las cintas o la bandas hasta la línea de discontinuidad, donde se corta la cinta o la banda automáticamente.

La segunda etapa, de conformado, consiste en la aplicación al apilado de la técnica de conformado en caliente y prensado. Para ello durante esta fase se ejecuta sobre el apilado un ciclo combinado de temperatura y presión, con o sin vacío, hasta conseguir que el apilado adquiera la forma del panel final a obtener. La existencia en el apilado de las líneas de discontinuidad, permite que durante esta segunda etapa de conformado, el apilado pueda deformarse localmente en un entorno del relieve, al posibilitarse el deslizamiento entre los tramos de capa adyacentes de preimpregnado del apilado, de otra manera imposible en paneles suficientemente grandes o paneles de contornos cerrados, merced a la acción de la presión y la temperatura, hasta llegar a adquirir la forma final del panel de geometría compleja a obtener.

Por último, la tercera etapa, de acabado, consiste en la realización de operaciones convencionales sobre el apilado que conllevan a la obtención del panel terminado con su constitución física final. Esta etapa incluye el curado de la resina del preimpregnado aplicando el ciclo de presión y temperatura correspondiente, el cocurado, el copegado del panel con otra pieza o panel fabricado en material compuesto, también en su caso, etc.

Por copegado se entiende la unión del panel de geometría compleja curado a una pieza como un panel liso con adhesivo. Dicha unión podría realizarse con otros medios convencionales como remachado.

Por cocurado se entiende el curado del conjunto del panel de geometría compleja con una pieza como un panel liso fabricada en material compuesto.

Para la ejecución de la presente invención se contemplan algunos aspectos técnicos que se exponen a continuación.

Un primer aspecto técnico sería la distribución de las líneas de discontinuidad. Este es un aspecto técnico a determinar dependiendo de la forma de los relieves del panel de geometría compleja a obtener y de la conformabilidad del preimpregnado. La conformabilidad se define como la facilidad de desplazamiento relativo entre capas, y depende en general de la adherencia del apilado al molde y de la adherencia entre las capas, que a su vez depende de la viscosidad de la resina del preimpregnado, de la temperatura y de la presión aplicada durante el conformado, así como del espesor del apilado.

Teniendo en cuenta lo anterior, la línea de discontinuidad de cada capa se distribuye en un entorno del apilado suficientemente próximo al relieve a obtener, tal que si la línea de discontinuidad se dispusiera fuera de dicho entorno, a una distancia suficientemente alejada de los relieves, la adherencia entre las capas del apilado, para los valores de presión y temperaturas fijados en el proceso, impediría el desplazamiento relativo entre los tramos de capa adyacentes del apilado y por tanto no sería posible el conformado del material.

A estos efectos, en relación con el proceso de fabricación propugnado, técnicamente podría deducirse dicho entorno suficientemente próximo del relieve considerando el estado tensional del apilado sometido a los esfuerzos de conformado que originan su deformación. En particular y sin limitación, podría considerarse como línea de contorno de dicho entorno suficientemente próximo, una línea isostática que bordeara el relieve a obtener y en la que la tensión principal debida a la aplicación del conformado bajo sus condiciones particulares fuera nula. Así mismo, la línea de discontinuidad de cada capa podría definirse a lo largo de una cualquiera de las líneas isostáticas paralelas a dicho contorno.

Lo anterior puede particularizarse directamente al caso de relieves "con forma de acanaladura". Estos relieves se definen como aquellos relieves que se obtienen a partir de secciones, en general con distinta forma (poligonal o curva), proyectados según una línea generatriz. En particular, relieves con forma de acanaladura serían los que se obtendrían de la proyección de una sección a lo largo de una línea directriz recta, que definiría una dirección directriz del relieve.

En el caso de los relieves con forma de acanaladura y según una dirección generatriz recta, de acuerdo con lo indicado anteriormente sobre la distribución de las líneas de discontinuidad, éstas se podrían definir según las rectas paralelas a dicha generatriz recta.

Un segundo aspecto técnico contemplado sería la orientación de las fibras de cada tramo de capa del apilado. Típicamente, en un preimpregnado las fibras se disponen alineadas a lo largo de distintas direcciones según cada capa del preimpregnado siguiendo una secuencia y con un desfase o inclinación relativa entre las fibras de las distintas capas, por ejemplo secuencias típicas de las fibras son de 0º, +60º, -60º, o de 0º, +45º, -45º, 90º; de esta manera se logra dotar al panel de propiedades optimizadas acorde al tipo y dirección de los esfuerzos a soportar.

En relación con este aspecto técnico y para el caso concreto de los relieves con forma de acanaladura según una dirección generatriz recta, se contempla una secuencia de apilado simétrica respecto a la dirección generatriz del relieve. Por "secuencia simétrica respecto a la dirección generatriz del relieve" se entiende que siempre que el apilado incluya fibras orientadas según una dirección determinada, el apilado incluya también fibras simétricas de las fibras anteriores, en las capas adyacentes, respecto a una dirección perpendicular a la dirección generatriz del relieve. Así, por ejemplo una secuencia de apilado de las capas son de 0º, +45º, -45º, 90º, sería simétrica respecto a la dirección generatriz del relieve si se dispusiera con las distintas capas orientadas formando 90º, -45º, 45º, 0º, respectivamente, con respecto a la dirección generatriz del relieve. La utilización de una secuencia simétrica favorecería la conformabilidad del apilado, al evitarse la distorsión entre capas o fibras.

Un tercer aspecto técnico de la invención, también relacionado con la orientación de las fibras del apilado, se deriva de una propiedad del apilado consistente en que la adherencia entre dos capas adyacentes del apilado durante el conformado es menor cuanto menor sea el desfase existente entre la dirección de sus fibras respectivas. De esta manera, también puede utilizarse esta propiedad en una ejecución de la invención para facilitar la conformabilidad del material, así como para posibilitar el desplazamiento agrupado controlado de varios tramos de capa durante el conformado.

Un cuarto aspecto técnico sería el distanciamiento entre las líneas de discontinuidad de las capas del preimpregnado. A este respecto, se contemplan las opciones de que las capas se extiendan durante el apilado tanto dejando cierta distancia entre las líneas de discontinuidad como sin dejar ninguna distancia o incluso llegando a solaparse entre sí los tramos de las capas adyacentes. De este modo, podrían obtenerse tanto apilados que, una vez conformados, resultan tener un solapamiento entre tramos de capa adyacentes, así como apilados que no presentan dicho solapamiento. Una u otra configuraciones podrían interesar en la práctica para mejorar el comportamiento mecánico requerido en el panel a obtener, particularmente por cuanto a que permite controlar la inercia de los relieves obtenidos. En relación con este aspecto técnico se define "distanciamiento entre las líneas de discontinuidad de los tramos de capa adyacentes" como la distancia existente entre dichas líneas de discontinuidad, con signo negativo o positivo según que los tramos de capas adyacentes estén respectivamente solapados, o no estén solapados.

Finalmente, respecto a la aplicación de la temperatura presión puede realizarse en un horno o en un autoclave según la magnitud de la presión requerida. La presión podría aplicarse mediante cualquier sistema conocido en la técnica como pueden ser rodillos de compactación, prensas con pisas y machos, atmósferas a presión con fluidos o gases, etc. Tanto la presión como la temperatura influyen en la viscosidad del material, cuya evolución es determinante en todo el proceso de fabricación, teniendo en cuenta que como se ha indicado anteriormente valores bajos de la viscosidad favorecen la conformabilidad, así como que refleja el estado de curado de la resina del preimpregnado.

Breve enunciado de las figuras

Para complementar la descripción de la invención y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de sus características, se acompaña a la presente memoria descriptiva las siguientes figuras:

Figura 1a.- Representa un ejemplo de panel de geometría compleja.

Figura 1b.- Muestra un detalle de un ejemplo de relieve con forma de acanaladura de un panel de geometría compleja.

Figura 1c.- Muestra un detalle de otro ejemplo de relieve (embutición) de un panel de geometría compleja.

Figura 2.- Representa la extensión de una banda de preimpregnado sobre un molde a través de un cabezal de una máquina de "fiber placement".

Figura 3.- Muestra una realización de un molde y representa el momento del proceso en el que se ha extendido el apilado sobre el molde, antes de iniciar el conformado del apilado.

Figura 4. - Muestra una realización de un molde y una prensa, y representa un momento del proceso durante el conformado del apilado.

Figura 5.- Muestra una vista en perspectiva de un molde para la obtención de relieves con forma de acanaladura y representa una distribución de las líneas de discontinuidad del apilado, así como una disposición de los respectivos tramos de capa del apilado con su respectiva secuencia.

Figura 6a.- Muestra una vista de la sección A-A' del molde de la fig. 5 y representa el apilado de la fig. 5 con sus respectivas líneas de discontinuidad, una vez dispuesto sobre el molde antes de ser conformado.

Figura 6b.- Muestra una vista de la sección A-A' del molde de la fig. 5 y representa el apilado de la fig. 5 con sus respectivas líneas de discontinuidad, una vez conformado.

Figura 7.- Muestra una vista en perspectiva de un molde para la obtención de un relieve con la forma de un cruce de relieves con forma de acanaladura y representa una distribución de las líneas de discontinuidad del apilado.

Figura 8a.- Representa distintos ejemplos de distribución de las líneas de discontinuidad de los distintos tramos de capa del apilado, una vez conformado el apilado. Estos ejemplos se refieren a apilados sin solapamiento entre capas una vez conformados.

Figura 8b.- Representa distintos ejemplos de distribución de las líneas de discontinuidad de las distintas capas del apilado, una vez conformado el apilado. Estos ejemplos se refieren a apilados con solapamiento entre los tramos de capa una vez conformados.

Figura 9.- Representa distintos ejemplos de formas de molde para la obtención de relieves con forma de acanaladura.

Figura 10.- Representa un relieve con forma de acanaladura en un panel terminado.

Figura 11a.- Representa las distintas etapas del método (I, II y III) aplicado a una realización en la que existe una única etapa de curado después del conformado. En el eje de abscisas se representa el tiempo del proceso y en el eje de ordenadas se representa la Temperatura (T), la viscosidad (\eta) y la presión (P).

Figura 11b.- Representa las distintas etapas del método (I, II y III) aplicado a una realización en la que existe una etapa de curado (III) que comprende un segundo ciclo de curado (usualmente conocido como postcurado). En el eje de abcisas se representa el tiempo del proceso y en el eje de ordenadas se representa la Temperatura (T), la viscosidad (\eta) y la presión (P).

Referencias

1:: Ejemplo de panel de geometría compleja.

2:: Zona lisa.

3:: Relieve.

4:: Contorno.

5:: Cabezal de una máquina de "fiber placement".

6:: Colimador.

7:: Rodillo de guiado.

8:: Cortador.

9:: Rodillo compactador.

10:: Banda de preimpregnado.

11:: Apilado de preimpregnado.

12:: Línea de discontinuidad.

13:: Molde.

14:: Pieza de relleno.

15:: Pieza hembra.

16:: Medios de acoplamiento de la pieza hembra.

17:: Prensa.

18:: Pisa.

19:: Macho de conformado.

20:: Vástago.

21:: Muelle.

22:: Válvula de vacío.

23:: Racor.

24:: Latiguillo.

25:: Toma de vacío.

26:: Primera capa o grupo de capas de apilado.

27:: Segunda capa o grupo de capas de apilado.

28:: Tercera capa o grupo de capas de apilado.

29:: Cuarta capa o grupo de capas de apilado.

30:: Panel terminado con relieve con forma de acanaladura.

31:: Parte del panel terminado consistente en una porción de panel liso copegada o cocurada.

Descripción de una forma de realización preferida

Las figuras 1a, 1b y 1c muestran un panel de geometría compleja (1), al que se refiere la presente invención. El panel de geometría compleja (1) comprende unos relieves (3), como acanaladuras (Fig. 1b) o embuticiones (Fig. 1c), con o sin zonas lisas (2). En dichas figuras 1a y 1b se ha representado genéricamente el contorno (4) de un entorno suficientemente próximo al relieve del panel de geometría compleja (1) a obtener dentro del cual se situarían las líneas de discontinuidad del apilado.

En la figura 2 puede verse como, en una realización preferida, la extensión del preimpregnado sobre el molde (13) durante la fase de apilado (I) se realiza mediante la técnica de "fiber placement". En la figura 2 se observa un cabezal (5) de una máquina de "fiber placement" durante la extensión del preimpregnado. El cabezal (5) consta simplificadamente de un colimador (6), que agrupa las fibras preimpregnadas en una banda, unos rodillos de guiado (7), un cortador (8) y un rodillo compactador (9). No se han representado otros elementos auxiliares como medios de control de tensión, termopares, etc. El cabezal barre la superficie del molde (13) extendiendo cada tramo de capa de preimpregnado, banda a banda (10), hasta una línea de discontinuidad (12), situada en el entorno del apilado suficientemente próximo al relieve (3) correspondiente, donde la banda es cortada por el cortador (8). Sucesivamente, se extienden de forma continua los distintos tramos de las capas entre/hasta o desde las correspondientes líneas de discontinuidad, dando lugar así al apilado (11).

En la figura 3 se representa el apilado (11) una vez extendido sobre el molde (13). El molde (13) consta de unas piezas hembra (15) que incluyen una cavidad con la forma del negativo del relieve del panel de geometría compleja (1) a obtener. En dicha cavidad puede alojarse un elemento de relleno (14) para facilitar el apilado (I). Las piezas hembra (15) presentan unos medios convencionales de acoplamiento (16) al molde. En la figura 3 también se observa esquemáticamente una realización de instalación para la aplicación de presión de vacío, con válvulas (22), racores (23) y latiguillos (24).

Durante la etapa de conformado (II) el apilado (11) de preimpregnado se deforma por aplicación de presión y temperatura hasta que adquiere la forma final. El conformado (II) se representa en la figura 4. En la realización que se muestra en esta figura 4, la aplicación de presión se efectúa mediante una prensa (17) que comprende elementos convencionales de prensado como un pisa (18) o un macho de conformado (19). Para la correcta aplicación de la presión requerida de conformado dichos elementos de prensado incorporan unos vástagos (20) que deslizan sometidos a la reacción de un muelle (21).

En la aplicación del método de la invención para la obtención de relieves con forma de acanaladura (30), las cavidades del molde (13) pueden tener distintas formas, tal como se muestra en la figura 9. Las figuras 5, 6a y 6b representa la ejecución del método de la invención aplicado a paneles con relieves con forma de acanaladura (30). Así, en la figura 5 se muestra un apilado de ocho capas, agrupadas en dos grupos (26) y (27) de cuatro capas cada uno. En la realización que se muestra en esta figura, las líneas de discontinuidad (12) coinciden para las tramos de capa del mismo grupo, de forma que en total hay dos líneas de discontinuidad en el apilado, que son paralelas a la dirección generatriz del relieve con forma de acanaladura, como puede observarse en la figura. Además en la realización preferida que se muestra en esta figura 5, la secuencia del apilado es simétrica, como se representa en las vistas de detalle de la figura. También puede observarse como cada uno de los dos grupos (26) y (27) en los que se agrupan las capas en la realización mostrada se empaquetan entre dos capas con las fibras orientadas según la dirección perpendicular a la dirección generatriz del relieve con forma de acanaladura.

En la figura 6a se representa el apilado de los dos grupos de capas (26) y (27), en una vista de la sección A-A' de la figura 5, donde puede apreciarse la distribución de las líneas de discontinuidad (12), en el momento de terminar la fase de apilado. En la figura 6b se representa el apilado una vez conformado.

Como puede observarse, en la realización que se muestra en las figuras 5, 6a y 6b, la distribución de las líneas de discontinuidad (12) es tal que tras el conformado (II) el apilado (11) resulta no tener capas adyacentes solapadas, sino que la discontinuidad presenta un distanciamiento con signo positivo. En otras realizaciones, como se observa en las figuras 8a y 8b, las líneas de discontinuidad (12) podrían ser tales que tras el conformado el distanciamiento entre las líneas de discontinuidad (12) de los distintos tramos de capa se reduzca al mínimo (fig. 8a), o incluso que las capas o grupos de capas adyacentes se solapen entre sí (distanciamiento con signo negativo) (fig. 8b).

La figura 7 representa, análogamente a la figura 5, la aplicación del método para la obtención de un relieve con la forma del cruce de relieves con forma de acanaladura.

Una vez realizado el conformado (II), sobre el apilado se efectúan las operaciones restantes hasta obtener el panel acabado (figura 10), etapa que se denomina de acabado (III). Además de terminar el ciclo de curado, en la fase de acabado (III), el panel terminado puede sufrir por ejemplo un cocurado (con un segundo ciclo de curado, usualmente conocido como postcurado) o un copegado de un panel liso (31).

Finalmente, en los gráficos de las figuras 11a y 11b se representan dos ciclos genéricos de temperatura (T) y presión (P) aplicados a la ejecución de la presente invención. Pueden observarse las distintas etapas de preformado (I), conformado (II) y acabado (III), según la temperatura y presión que se aplican en cada fase en función del tiempo, y representando la variación hipotética de la viscosidad (\eta) de la resina.

En relación con las gráficas de las figuras 11a y 11b, unos valores típicos para la ejecución de los respectivos ciclos de presión (P) y temperatura (T) del método representados, sin limitación, podrían ser: Ti=Temperatura ambiente; Pa=5 bar; Pb=Pc=10 bar; Ta=100ºC; Tb=Tc=200ºC.

Claims

1. Método de fabricación de un panel de geometría compleja en material compuesto preimpregnado, el preimpregnado comprendiendo al menos una capa que consiste en unas fibras de refuerzo que se extienden de forma continua a lo largo de la capa y una resina que impregna dichas fibras; el método caracterizado porque comprende las siguientes etapas:

- una primera etapa, de apilado (I), que comprende la extensión de unos tramos de capas de preimpregnado hasta la obtención de un apilado (11), sobre un molde (13) que tiene unas cavidades con una forma definida por los correspondientes relieves (3) del panel de geometría compleja (1) a obtener; las fibras de cada tramo de capa del preimpregnado extendiéndose de forma continua en el interior de dicho tramo de capa; los tramos de capa teniendo unos bordes, dichos bordes definiendo unas líneas de discontinuidad (12) situadas en el interior de un entorno (4) suficientemente próximo de los relieves (3);

- una segunda etapa, de conformado (II), que comprende la aplicación de un ciclo de temperatura y de presión al apilado (11) dispuesto sobre el molde (13) hasta que el apilado (11) adquiere la forma final con los relieves (3) del panel de geometría compleja (1) a obtener; siendo la presión aplicada seleccionada entre: una presión contra el apilado (11) y el molde (13), un vacío entre el apilado (11) y el molde (13), y combinación de ambos; y

- una tercera etapa, de acabado (III), que comprende la aplicación de un ciclo de temperatura y de presión al apilado (11) hasta curar la resina del preimpregnado.

2. Método de fabricación de un panel de geometría compleja en material compuesto preimpregnado, según la reivindicación 1, caracterizado porque la etapa de apilado (I) adicionalmente comprende: rellenar al menos una cavidad del molde (13) con una pieza de relleno (14); y posteriormente, una vez obtenido el apilado (11), una etapa seleccionada entre: retirar todas las piezas de relleno (14), y retirar alguna pieza de relleno (14) de sus correspondientes cavidades del molde (13).

3. Método de fabricación de un panel de geometría compleja en material compuesto preimpregnado, según la reivindicación 2, caracterizado porque las líneas de discontinuidad (12) situadas en el interior del entorno (4) suficientemente próximo de cada relieve (3) son paralelas entre sí.

4. Método de fabricación de un panel de geometría compleja en material compuesto preimpregnado, según la reivindicación 3, caracterizado porque el distanciamiento entre las líneas de discontinuidad (12) de tramos de capas adyacentes en la etapa de apilado, se selecciona entre positivo, negativo y nulo.

5. Método de fabricación de un panel de geometría compleja en material compuesto preimpregnado, según la reivindicación 4, caracterizado porque el distanciamiento entre las líneas de discontinuidad (12) de tramos de capas adyacentes existente al finalizar la etapa de conformado, se selecciona entre positivo, negativo y nulo.

6. Método de fabricación de un panel de geometría compleja en material compuesto preimpregnado, según la reivindicación 1-5, caracterizado porque el panel de geometría compleja (1) comprende un relieve (3) con forma de acanaladura.

7. Método de fabricación de un panel de geometría compleja en material compuesto preimpregnado, según la reivindicación 6, caracterizado porque al menos un relieve (3) con forma de acanaladura está definido por una dirección generatriz recta.

8. Método de fabricación de un panel de geometría compleja en material compuesto preimpregnado, según la reivindicación 7, caracterizado porque las líneas de discontinuidad (12) de cada tramo de capa del apilado (11), dentro del entorno (4) suficientemente próximo del relieve (3) con forma de acanaladura, son paralelas a la dirección generatriz del relieve.

9. Método de fabricación de un panel de geometría compleja en material compuesto preimpregnado, según la reivindicación 8, caracterizado porque los distintos tramos de capa del apilado (11) se extienden, dentro del entorno (4) suficientemente próximo del relieve (3), con una secuencia simétrica respecto a la dirección generatriz del relieve (3).

10. Método de fabricación de un panel de geometría compleja en material compuesto preimpregnado, según la reivindicación 1-5, caracterizado porque el apilado (11), dentro del entorno (4) suficientemente próximo de al menos un relieve (3), comprende una pluralidad de pares de tramos de capa en los que las fibras están orientadas según la misma dirección; incluyendo al menos un tramo de capa de preimpregnado intermedio entre los dos tramos de capa de cada par, estando orientadas las fibras de cada tramo de capa intermedio en una dirección seleccionada entre: la misma dirección que la de las fibras los pares de tramos de capa, y una dirección diferente que la de las fibras en dichos pares de tramos de capa.

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11. Método de fabricación de un panel de geometría compleja en material compuesto preimpregnado, según la reivindicación 9, caracterizado porque el apilado (11), dentro del entorno (4) suficientemente próximo del relieve (3), comprende una pluralidad de pares de tramos de capa en los que las fibras están orientadas según la misma dirección, siendo esta dirección perpendicular a la dirección generatriz del relieve (3) con forma de acanaladura; incluyendo al menos un tramo de capa de preimpregnado intermedio entre los dos tramos de capa de cada par, estando orientadas las fibras de cada tramo de capa intermedio en una dirección seleccionada entre: la misma dirección que la de las fibras los pares de tramos de capa, y una dirección diferente que la de las fibras en dichos pares de tramos de capa.

12. Método de fabricación de un panel de geometría compleja en material compuesto preimpregnado, según la reivindicación 1-5, caracterizado porque la extensión del preimpregnado en el apilado (I) se realiza con medios automáticos de extensión de preimpregnado seleccionados entre medios de encintado automático ("automatic tape lay up") y de colocación de fibras ("fiber placement"); la etapa de apilado (I) de extensión de cada tramo de cada capa de preimpregnado sobre el molde (13) comprendiendo los siguientes pasos: extender una primera cinta o banda (10) de preimpregnado, respectivamente, hasta una primera posición de la línea de discontinuidad (12), realizándose en dicha posición un corte de la cinta o de la banda (10), respectivamente; extender una segunda cinta o banda (10) en la misma capa, contactando un borde longitudinal de la primera cinta o banda (10) con el correspondiente borde longitudinal de la segunda cinta o banda (10), hasta una segunda posición de la línea de discontinuidad (12); repetir el paso anterior hasta completar la extensión de todo el tramo de capa.

13. Método de fabricación de un panel de geometría compleja en material compuesto preimpregnado, según la reivindicación 1-5, caracterizado porque la etapa de acabado (III) comprende la unión del panel de geometría compleja (1) curado a una pieza con medios de unión convencionales seleccionados entre adhesivo, remaches y una combinación de adhesivo y remaches.

14. Método de fabricación de un panel de geometría compleja en material compuesto preimpregnado, según la reivindicación 13, caracterizado porque la pieza consiste esencialmente en un panel seleccionado entre un panel liso y un panel de geometría compleja (1).

15. Método de fabricación de un panel de geometría compleja en material compuesto preimpregnado, según la reivindicación 1-5, caracterizado porque la etapa de acabado (III) comprende la unión del panel de geometría compleja (1) no curado a una pieza fabricada en material compuesto, realizándose posteriormente el curado del conjunto del panel de geometría compleja (1) con la pieza.

16. Método de fabricación de un panel de geometría compleja en material compuesto preimpregnado, según la reivindicación 15, caracterizado porque la pieza consiste esencialmente en un panel seleccionado entre un panel liso y un panel de geometría compleja (1).