ES2341828A1

ES2341828A1 - Dispositivo y procedimiento para la fabricacion de elementos de material compuesto.

Info

Publication number: ES2341828A1
Application number: ES200801934A
Authority: ES
Inventors: Jose Manuel Menendez Martin; Augusto Perez Pastor; Yolanda Miguez Charines
Original assignee: Airbus Espana SL
Current assignee: Airbus Operations SL
Priority date: 2008-06-27
Filing date: 2008-06-27
Publication date: 2010-06-28
Anticipated expiration: 2028-06-27
Also published as: WO2009156548A1; JP2011525865A; US20090320995A1; EP2327537A1; ES2341828B1; CN102105296A

Abstract

Dispositivo y procedimiento para la fabricación de elementos de material compuesto. La invención se refiere a un dispositivo para la fabricación de elementos tridimensionales tipo viga de material compuesto con fibras de refuerzo pre-impregnadas con resinas poliméricas, a partir de laminados (21, 22) encintados y precortados sin polimerizar, comprendiendo dicho dispositivo un cabezal (15) que comprende a su vez un tren de rodillos (17), pudiéndose desplazar dicho cabezal (15) longitudinalmente a lo largo de una bancada fija, de tal forma que, al moverse dicho cabezal (15), el tren de rodillos actúa sobre los laminados (21, 22) sin polimerizar, compactándolos y dándoles forma, conformando así en un solo golpe los laminados (21, 22) con su geometría final, de tal modo que dichos laminados (21, 22) quedan preparados para su integración posterior. La invención se refiere también a un procedimiento para la fabricación de elementos tridimensionales tipo viga de material compuesto.

Description

Dispositivo y procedimiento para la fabricación de elementos de material compuesto.

Campo de la invención

La presente invención se refiere a un dispositivo para la fabricación de elementos de material compuesto, en particular para aeronaves, así como a un procedimiento de fabricación de los citados elementos de material compuesto.

Antecedentes de la invención

La introducción intensiva de los materiales compuestos avanzados en estructuras primarias aeroespaciales se ha convertido en un procedimiento fundamental de optimización estructural, basado en el ahorro de peso y en la mejora de propiedades mecánicas, convirtiéndose así en uno de los objetivos prioritarios en el diseño y la fabricación de las nuevas generaciones de aeronaves.

Esta introducción intensiva de los materiales compuestos ha sido posible gracias al perfeccionamiento de las técnicas y de los aparatos de apilado y corte automático de laminados obtenidos a partir de láminas constituidas por fibras de refuerzo pre-impregnadas con resinas poliméricas. Sin embargo, la automatización de los procesos de fabricación se ha limitado casi exclusivamente a la obtención de grandes laminados bidimensionales (revestimientos de grandes superficies sustentadoras como las alas o los estabilizadores, o revestimientos del fuselaje), mientras que la fabricación e integración de elementos de refuerzo y rigidizadores propios de las configuraciones monolíticas de estas estructuras aeronáuticas (larguerillos y rigidizadores) siguen conservando un componente manual muy elevado.

Hasta ahora, la fabricación de larguerillos y rigidizadores de aeronaves se realizaba fundamentalmente mediante un proceso de encintado y corte análogo al de la fabricación de los revestimientos, comprendiendo una máquina de control numérico dotada de un cabezal que integra un carrete que alimenta el material pre-impregnado, un rodillo que deposita y compacta el material contra la mesa donde se apila el laminado, y una o varias cuchillas que cortan el material a la dimensión adecuada, obteniéndose de este modo un laminado bidimensional.

Los laminados bidimensionales obtenidos mediante el procedimiento anterior, aún sin polimerizar, se conforman en caliente con procedimientos similares a los de estampado en frío de metales para obtener elementos tridimensionales tipo viga, desarrollables o casi-desarrollables, con secciones abiertas en forma de L, J, C, etc. Estas secciones abiertas, solas o acopladas entre sí, dan lugar a elementos tipo viga con secciones en forma de T, I, etc.

Una alternativa a los procesos de convencionales de conformado es la pultrusión, que permite el conformado y la consolidación continua de los elementos tipo viga mediante un sistema consistente en: un juego de carretes que alimentan el sistema con la materia prima, en forma de cintas o láminas de material pre-impregnado, un tren de rodillos que apila, compacta y da forma de manera gradual y continua a la serie de cintas o láminas de materia prima sin polimerizar, y un sistema calefactor que consolida también de manera continua los laminados así formados dando lugar elementos tridimensionales tipo viga similares a los obtenidos mediante conformado convencional.

Sin embargo, la aplicación del proceso de pultrusión es excesivamente compleja para la obtención de larguerillos y rigidizadores con las configuraciones empleadas habitualmente en estructuras aeronáuticas: laminados de gran espesor, con espesores variables, curvaturas elevadas, con cambios de plano necesarios para su acoplamiento a revestimientos de espesor variable, etc.

La presente invención está orientada a la satisfacción de este inconveniente.

Sumario de la invención

La presente invención está orientada a un dispositivo para la fabricación de elementos tridimensionales tipo viga -larguerillos o rigidizadores- de material compuesto (que comprenden fibras de refuerzo pre-impregnadas con resinas poliméricas) a partir de laminados encintados y cortados previamente, aún sin polimerizar, situando estos laminados en unos útiles que servirán de soporte para el conformado, pudiendo ser estos útiles los útiles de curado de los larguerillos o rigidizadores, así como a un procedimiento para la fabricación de dichos elementos. El dispositivo según la invención comprende un dispositivo dotado de un cabezal móvil que comprende a su vez un tren de rodillos móvil para compactar y dar forma a los laminados sin polimerizar de los larguerillos o rigidizadores contra los citados útiles, dejando a los larguerillos o rigidizadores con su geometría final y preparados para su integración en el revestimiento de la aeronave.

El procedimiento según la invención permite el encintado y corte de los laminados sin polimerizar que darán lugar a los larguerillos y rigidizadores, con toda su complejidad, situando estos laminados en unos útiles que servirán de soporte para el conformado (que pueden ser los útiles de curado de los larguerillos o rigidizadores), comprendiendo la utilización de un tren de rodillos móvil para compactar y dar forma a los laminados de los larguerillos o rigidizadores contra los citados útiles.

Otras características y ventajas de la presente invención se desprenderán de la descripción detallada, presentada a continuación, de una realización ilustrativa de su objeto en relación con las figuras que se acompañan.

Descripción de las figuras

Las Figuras 1a, 1b y 1c muestran de forma esquemática los tres pasos del procedimiento empleado habitualmente para el conformado de larguerillos o rigidizadores de una aeronave.

Las Figuras 2a y 2b muestran de forma esquemática una vista frontal y lateral del dispositivo para la fabricación de elementos de material compuesto según una primera realización de la presente invención. Las Figuras 2c, 2d y 2e representan en sección los tres estados consecutivos de conformado de los laminados según el procedimiento de fabricación de elementos de material compuesto según una primera realización de la presente invención.

Las Figuras 3a, 3b y 3c representan esquemáticamente en tres pasos las operaciones del proceso de conformado de los laminados de material compuesto según una primera realización de la presente invención.

Las Figuras 4a y 4b representan en esquema, en planta y alzado, el elemento básico del cabezal móvil del dispositivo para la fabricación de elementos de material compuesto según una primera realización de la presente invención.

La Figura 5 representa en esquema en perspectiva caballera parte de la bancada fija del sistema de conformado de los laminados de material compuesto según una segunda realización de la presente invención.

La Figura 6 representa esquemáticamente en sección las etapas sucesivas del proceso de conformado de los laminados de material compuesto según una segunda realización de la presente invención.

La Figura 7 representa en esquema en perspectiva caballera parte de la bancada fija del sistema de conformado de los laminados de material compuesto según una tercera realización de la presente invención.

Las Figuras 8a y 8b representan en esquema, en planta y alzado, el elemento básico del cabezal móvil del dispositivo para la fabricación de elementos de material compuesto según una tercera realización de la presente invención.

La Figura 9 representa esquemáticamente en sección las etapas sucesivas del proceso de conformado de los laminados de material compuesto según una tercera realización de la presente invención.

La Figura 10 representa esquemática una posible implementación práctica del sistema de conformado de laminados de material compuesto según la primera, segunda o tercera realización de la presente invención.

Descripción detallada de la invención

La invención se enmarca en el campo de la fabricación de estructuras de material compuesto a partir del apilado de láminas constituidas por fibras de refuerzo con orientación definida pre-impregnadas con resinas poliméricas. La aplicación de un proceso de consolidación por presión y temperatura según la invención permite la compactación del material, eliminando el exceso de resina y volátiles, y su consolidación (por reticulación de la resina, si es termoestable, o por soldadura, si es termoplástico), dando lugar a un panel de elevadas prestaciones mecánicas.

Según se representa en las Figuras 1a-1c, las tres etapas esquemáticas del procedimiento empleado habitualmente para el conformado de larguerillos o rigidizadores, según la técnica conocida, son las que se describen a continuación.

En una primera etapa, según se observa en la Figura 1a, los laminados planos 1, 2, a partir de los cuales se obtendrá el larguerillo o rigidizador, estando dichos laminados 1 y 2 previamente apilados y cortados, se sitúan en unos módulos de conformado 3, 4, estando sujetas mediante unos pisas 5, 6 las zonas de los laminados 1, 2 que se corresponderán con los pies del larguerillo o rigidizador. Los módulos de conformado 3, 4 están a su vez situados sobre una mesa de vacío 7, consistente en una plancha perforada conectada a un sistema de vacío que permite realizar aspiración a través de ella. Sobre la mesa de vacío 7 se encuentra una campana 8 dotada de un sistema de calefacción y refrigeración 9 que permite calentar los laminados 1, 2 para facilitar su conformado, y una membrana elástica 10, preferiblemente de silicona, con capacidad para adaptarse a la geometría de los módulos de conformado 3, 4 situados sobre la masa de vacío 7.

En una segunda etapa, según se observa en la Figura 1b, la campana 8 desciende sobre la mesa de vacío 7, sellando los bordes de la membrana elástica 10 contra la mesa 7. Posteriormente se conecta el sistema calefactor 9, calentando así los laminados 1, 2 y disminuyendo de este modo la viscosidad de la resina, facilitando su fluencia, conectándose tras esta operación el sistema de vacío de la mesa 7. La membrana elástica 10, succionada por la mesa de vacío 7, se adapta entonces a la geometría del conjunto mesa 7-módulos de conformado 3, 4, arrastrando a los laminados 1, 2 en su deformación y conformándolos hasta su sección definitiva en L, 11, 12.

En una tercera etapa, según la Figura 1c, y una vez conformados los laminados 11, 12, se dejan enfriar (de forma natural, mediante ventilación forzada o por medio de algún mecanismo de refrigeración equivalente) sin retirar la membrana elástica 10 ni el vacío producido por la mesa 7, permitiendo así la estabilización de la sección obtenida para dichos laminados 11, 12. Una vez hecho esto, se retira el vacío y se retira la campana 8. A continuación, se unen los módulos de conformado 3, 4 uniendo a su vez los laminados 11, 12 con sección en L. Para permitir que los pies del larguerillo final conformado formen una superficie continua apta para su encolado, se añade un relleno 13 adaptado a la geometría cuasi-triangular contenida entre los pies del larguerillo 11, 12 y una línea recta apoyada en los mismos, obteniéndose así la sección final del larguerillo o rigidizador 14, que estará ya listo para integrarse en la piel del revestimiento.

Las Figuras 2a y 2b representan de forma esquemática el dispositivo para la fabricación de estructuras de material compuesto según una primera realización de la presente invención, comprendiendo un cabezal móvil 15 que se puede desplazar longitudinalmente a lo largo de una bancada fija formada por un soporte 33 sobre el que se apoyan dos módulos de conformado 19, 20 que pinzan juntos y en posición vertical dos laminados planos 21, 22. El cabezal móvil 15 comprende fundamentalmente un sistema calefactor 16 que permite calentar un tren de rodillos 17 y los dos laminados 21, 22 a conformar, así como un sistema de refrigeración 18 basado en la inyección de aire o gas frío, o de cualquier otro sistema equivalente que permita enfriar los laminados 21, 22 una vez conformados. Se representan además en las Figuras 2c, 2d y 2e tres secciones A-A', B-B' y C-C' de la Figura 2a que representan tres estados consecutivos de conformado de los laminados 21, 22.

Según se representa esquemáticamente en las Figuras 3a-3c, las operaciones del proceso de conformado de los laminados 21, 22 según una primera realización de la invención, se pueden separar en tres pasos o etapas: primera etapa de posición de laminados planos 21, 22 contra los módulos de conformado 19, 20 y cierre de módulos 19, 20 (Figura 3a); segunda etapa de conformado mediante tren de rodillos 17 (Figura 3b), y tercera etapa de colocación de relleno 13 y separación de módulos 19, 20 para la extracción del rigidizador/larguerillo (Figura 3c).

Según se desprende de la Figuras 4a y 4b, el tren de rodillos 17 del dispositivo de conformado según una primera realización de la invención, estando cada uno de los rodillos identificado en notación romana desde el I hasta el VII, siendo 7 el número de rodillos considerado más adecuado para conseguir un conformado gradual para un espesor de laminado medio, sin descartar la posibilidad de aumentar o reducir el número de rodillos en función de las particularidades de cada proceso, realiza el conformado progresivo de los laminados 21, 22 desde su sección plana original hasta su sección final en L.

Así, la invención propuesta tiene como objetivo simplificar el utillaje y las operaciones del proceso empleado habitualmente para el conformado de larguerillos o rigidizadores de material compuesto realizados con laminados pre-impregnados, y descrito en las Figuras 1a-1c, empleando un conformado en caliente y en un solo golpe de los laminados 21, 22 que constituirán el larguerillo final en T.

En vista de lo anterior, el objeto de la invención es un dispositivo que comprende un tren de rodillos 17 móvil para compactar y dar forma a los laminados 21, 22 sin polimerizar de los larguerillos o rigidizadores contra los módulos de conformado 19, 20 citados, dejando a los larguerillos o rigidizadores con su geometría final, y preparados para su integración en el revestimiento de la aeronave.

De este modo, el dispositivo y el procedimiento propuestos en una primera realización de la presente invención, y según se desprende de forma esquemática de las Figuras 2a-2e, permite reemplazar gran parte de los dispositivos empleados en el proceso convencional descrito en las Figuras 1a-1c. Así, en el procedimiento convencional era necesario utilizar una mesa de vacío 7, una campana móvil 8 dotada de un sistema de calefacción y refrigeración 9 y una membrana de silicona 10, todo ello de dimensiones algo mayores que las del larguerillo a conformar, mientras que en el procedimiento según la invención se precisa simplemente un cabezal móvil 15 de reducidas dimensiones que realiza el proceso de conformado de los laminados 21, 22 de manera progresiva.

Las operaciones del proceso de conformado según una primera realización de la invención, empleando el dispositivo de las Figuras 2a-2e, aparecen descritas de forma esquemática en las Figuras 3a, 3b y 3c, y se resumen en los siguientes pasos o etapas: en una primera etapa, Figura 3a, se sitúan los laminados planos 21, 22 contra los módulos de conformado 19, 20 y se cierran los citados módulos 19, 20; en una segunda etapa, Figura 3b, se aproxima el tren de rodillos 17 a uno de los extremos de los dos laminados 21, 22, iniciando el calentamiento y conformado de dicho extremo con el primer rodillo I contra los módulos de conformado 19, 20 (sección D-D' de la Figura 3b), mediante un movimiento longitudinal, continuándose calentando y conformando de manera progresiva y abriendo los laminados 21, 22 hasta que alcanzan la sección final en T (sección E-E' de la Figura 3b)n de tal forma que, una vez que todos los rodillos I a VII del tren de rodillos 17 han pasado por una sección, el sistema de refrigeración 18 situado al final del cabezal móvil 15 enfría los laminados 21, 22 para que estos mantengan la sección final alcanzada; finalmente, según una tercera etapa, Figura 3c, se procede a la colocación de relleno 23 y a la separación de módulos de conformado 19, 20 para la extracción del rigidizador/larguerillo en su forma final obtenida.

El proceso de conformado puede realizarse sobre los módulos de conformado 19, 20 que tienen únicamente esa función, según una primera realización de la invención, o bien directamente sobre los útiles de curado 24 (que posteriormente se emplean para el curado de la pieza) en forma de angular que aparecen esquematizados en la Figura 5, según una segunda realización de la invención, de manera que se ahorran varias operaciones en el proceso de fabricación del larguerillo (extracción del larguerillo de los útiles de conformado 19, 20 y transporte del larguerillo hasta los citados útiles de curado 24). La mecánica del proceso según la segunda realización de la invención es idéntica a la descrita para la primera realización, y aparece esquematizada en la Figura 6, en la cual se representa la variación de geometría de la sección del larguerillo a medida que actúa sobre la misma cada uno de los rodillos del tren de rodillos 17, designados con las letras A a G, pudiendo ser estos rodillos de sección variable, según la segunda realización de la invención.

Según una tercera realización de la invención, el proceso deberá admitir variaciones en la sección del larguerillo: uno de los requerimientos del dimensionado del larguerillos puede exigir la introducción de un laminado intermedio 23 en el alma del larguerillo. El proceso de conformado según esta tercera realización sería idéntico al anteriormente descrito, permitiendo la introducción de un espaciado 25 entre las dos mitades de los rodillos de conformado, adaptándose así el dispositivo de conformado a la geometría de la sección del larguerillo, según se desprende de las Figuras 7 y 8a-8b. El sistema permite así variaciones progresivas del espesor del laminado intermedio 23.

Según se desprende de la Figura 7, según una tercera realización de la invención, se permite el conformado de una sección de larguerillo diferente, en la que junto a los laminados planos 21, 22 se introduce un tercer laminado 23 que quedará embebido entre los laminados anteriores 21, 22, y que formará parte del alma del larguerillo. El tren de rodillos 17 que realiza el conformado progresivo de los laminados de la nueva sección descrita en la Figura 7, comprende un espaciado 25 entre las dos mitades de los rodillos, de ancho igual al ancho del laminado intermedio 23, para adaptar el proceso a la nueva sección requerida del larguerillo.

Finalmente, la Figura 9 representa de forma esquemática en sección los angulares de conformado y curado 24, según una tercera realización de la invención, ya cerrados. En dicha Figura se observa además los laminados 21, 22 y 23 en etapas sucesivas del proceso de conformado de la nueva sección de larguerillo con un laminado central 23 en el alma del mismo.

En las realizaciones que acabamos de describir pueden introducirse aquellas modificaciones comprendidas dentro del alcance definido por las siguientes reivindicaciones.

Claims

1. Dispositivo para la fabricación de elementos tridimensionales tipo viga de material compuesto con fibras de refuerzo pre-impregnadas con resinas poliméricas, a partir de laminados (21, 22) encintados y precortados sin polimerizar, caracterizado porque dicho dispositivo comprende un cabezal (15) que comprende a su vez un tren de rodillos (17), pudiéndose desplazar dicho cabezal (15) longitudinalmente a lo largo de una bancada fija, de tal forma que, al moverse dicho cabezal (15), el tren de rodillos actúa sobre los laminados (21, 22) sin polimerizar, compactándolos y dándoles forma, conformando así en un solo golpe los laminados (21, 22) con su geometría final, de tal modo que dichos laminados (21, 22) quedan preparados para su integración posterior.

2. Dispositivo para la fabricación de elementos tridimensionales tipo viga de material compuesto según la reivindicación 1 caracterizado porque el cabezal (15) comprende un sistema calefactor (16) que permite calentar el tren de rodillos (17) y los laminados (21, 22) a conformar.

3. Dispositivo para la fabricación de elementos tridimensionales tipo viga de material compuesto según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque el cabezal (15) comprende un sistema de refrigeración (18) que permite enfriar los laminados (21, 22) una vez conformados.

4. Dispositivo para la fabricación de elementos tridimensionales tipo viga de material compuesto según la reivindicación 3 caracterizado porque el sistema de refrigeración (18) está basado en la inyección de aire o gas frío.

5. Dispositivo para la fabricación de elementos tridimensionales tipo viga de material compuesto según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque los rodillos del tren de rodillos (17) son de sección variable.

6. Dispositivo para la fabricación de elementos tridimensionales tipo viga de material compuesto según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque el dispositivo comprende dos módulos de conformado (19, 20) contra los cuales actúa el cabezal (15) para conformar los laminados (21, 22).

7. Dispositivo para la fabricación de elementos tridimensionales tipo viga de material compuesto según cualquiera de las reivindicaciones 1-5 caracterizado porque el conformado de los laminados (21, 22) se hace directamente sobre unos útiles de curado (24), que posteriormente se emplean para el curado de los citados elementos tridimensionales.

8. Dispositivo para la fabricación de elementos tridimensionales tipo viga de material compuesto según cualquiera de las reivindicaciones 1-5 caracterizado porque junto a los laminados (21, 22) se introduce un tercer laminado (23) que queda embebido entre los anteriores (21, 22), de tal forma que el tren de rodillos (17) que realiza el conformado progresivo de los laminados (21, 22) comprende un espaciado (25) entre las dos mitades de los rodillos, de ancho igual al ancho del laminado intermedio (23), para adaptar así el proceso a la nueva sección requerida.

9. Dispositivo para la fabricación de elementos tridimensionales tipo viga de material compuesto según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los elementos tridimensionales son larguerillos o rigidizadores de estructura aeronáuticas en forma de T.

10. Procedimiento para la fabricación de elementos tridimensionales tipo viga de material compuesto con fibras de refuerzo pre-impregnadas con resinas poliméricas, a partir de laminados (21, 22) encintados y precortados sin polimerizar, según el dispositivo de la reivindicación 1 caracterizado porque comprende las siguientes etapas:

a): colocación de los laminados (21, 22) sobre unos dispositivos de conformado y posterior cierre de los citados dispositivos;

b): aproximación del tren de rodillos (17) a uno de los extremos de los laminados (21, 22), comenzando el conformado de dicho extremo con el primer rodillo, continuándose el conformado de manera progresiva hasta que todos los rodillos del tren de rodillos (17) hayan pasado por una sección y la hayan conformado en su forma final;

c): estabilización de la forma final de los laminados (21, 22) obtenidos, y

d): separación de los dispositivos de conformado para la extracción de los elementos tridimensionales en su forma final obtenida.

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11. Procedimiento para la fabricación de elementos tridimensionales tipo viga de material compuesto según la reivindicación 10 caracterizado porque los dispositivos de conformado son dos módulos de conformado (19, 20) contra los cuales actúa el tren de rodillos (17) del cabezal (15) para conformar los laminados (21, 22).

12. Procedimiento para la fabricación de elementos tridimensionales tipo viga de material compuesto según la reivindicación 10 caracterizado porque los dispositivos de conformado son los propios útiles de curado (24), que posteriormente se emplean para el curado de los citados elementos tridimensionales.

13. Procedimiento para la fabricación de elementos tridimensionales tipo viga de material compuesto según la reivindicación 10 caracterizado porque el proceso de conformado comprende además la introducción de un espaciado (25) entre las dos mitades de los rodillos de conformado, de tal forma que se permitan variaciones progresivas del espesor de un laminado intermedio (23) que quedará embebido entre los laminados (21, 22).

14. Procedimiento para la fabricación de elementos tridimensionales tipo viga de material compuesto según cualquiera de las reivindicaciones 10-13 caracterizado porque los elementos tridimensionales son larguerillos o rigidizadores de estructura aeronáuticas en forma de T.