ES2351178T3 - Dispositivo estructural para mejorar la resistencia de una estructura a las dilataciones por temperatura. - Google Patents

Dispositivo estructural para mejorar la resistencia de una estructura a las dilataciones por temperatura. Download PDF

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ES2351178T3 ES08167184T ES08167184T ES2351178T3 ES 2351178 T3 ES2351178 T3 ES 2351178T3 ES 08167184 T ES08167184 T ES 08167184T ES 08167184 T ES08167184 T ES 08167184T ES 2351178 T3 ES2351178 T3 ES 2351178T3
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Abstract

Estructura de ensamblaje para panel estructural que comprende: - un panel (21) rígido sensiblemente plano; - al menos una pieza (1) de fijación monobloque, realizada mediante moldeo, encolada al panel (21), comprendiendo la pieza (1) de fijación: o al menos una primera cara plana, denominada "pala" (3, 3'), que comprende: - una cavidad (7, 7') que puede alojar una cola (20, 20') y; - rebordes (4, 4') destinados a retener la cola alrededor de la cavidad y al menos una abertura; o una barra (2) solidaria con la primera cara plana, caracterizada porque: o los materiales de la pieza (1) de fijación y del panel (21) son de material compuesto; o y porque la barra (2) comprende una pieza (6) insertada metálica cuyo coeficiente de dilatación es superior al del material de la pieza (1) de fijación, colocándose la pieza (6) de inserción metálica en el molde durante el moldeo de la pieza de fijación (1).

Description

La presente invención se refiere al campo de los dispositivos de ensamblaje de paneles, cuya superficie es de materiales compuestos a base de fibras de carbono, a partir de piezas de fijación denominadas también herrajes estructurales de fijación. Más en particular, el dispositivo según la invención se refiere al campo del ensamblaje de estructuras de satélite, para aplicaciones espaciales, en las que las temperaturas, en los límites de [-50 ˚C, +80 ˚C], imponen dilataciones térmicas de las estructuras.
En la actualidad, las estructuras de los satélites destinados a permanecer en el espacio están compuestas por paneles de tipo sándwich, cuyas planchas generalmente son de carbono. Con el fin de ensamblar estos paneles, unas piezas de fijación están destinadas a unir y fijar los paneles entre sí. Estos paneles se ensamblan, generalmente, formando un cajón o una estructura compartimentada que pueda alojar una carga útil.
Por ejemplo, una solución conocida se realiza a partir de una pieza de fijación de aluminio que comprende dos caras planas paralelas entre las que se inserta un panel de material compuesto a base de fibras de carbono y a continuación se encola. La pieza de fijación puede conectarse a continuación a otra pieza de fijación mediante una unión roscada, por ejemplo.
Las condiciones en el espacio, teniendo en cuenta las misiones, imponen a las estructuras de los satélites variaciones de temperatura importantes. Generalmente se considera que el intervalo [-50 ˚C, +80 ˚C] es aplicable a la mayoría de las misiones de satélites geoestacionarios de telecomunicación.
En caso de este tipo de variaciones de temperatura, los materiales de las estructuras experimentan dilataciones y generan esfuerzos de resistencia en las juntas de las estructuras ensambladas y, más en particular, en las juntas de cola que separan un panel de una pieza de fijación. Al ser los materiales diferentes, les coeficientes de dilatación, del orden de 2·10-6 K-1 para el carbono y del orden de 20·10-6 K-1 para el aluminio, también son diferentes y provocan una cizalladura importante en la cola en frío y calor.
En estas condiciones, se considera que la disminución de la resistencia de las estructuras en las piezas de fijación puede aproximarse a un 40% a -50 ˚C con respecto al ambiente, teniendo en cuenta la diferencia de los coeficientes de dilatación térmica del aluminio y del carbono.
Además, los satélites actuales son cada vez más polivalentes y las misiones pueden ser diversas y diversificadas, por lo que se tiende a considerar un intervalo más amplio de temperaturas para la estructura de los satélites. Al ser el intervalo de temperatura que ha de tenerse en cuenta cada vez más amplio, se incrementan los potenciales peligros de rotura de
las estructuras.
En relación con este tipo de aplicación, en la práctica, una pieza de fijación se encola generalmente a un panel a partir de al menos una superficie plana previamente mecanizada para hacer la pieza de fijación solidaria con el panel. Los paneles se hacen solidarios entre sí cuando las piezas de fijación los unen de dos en dos.
Uno de los inconvenientes de un dispositivo de este tipo radica en el hecho de que los materiales que tienen coeficientes de dilatación diferentes encolados entre sí experimentan esfuerzos importantes esencialmente soportados por las juntas de cola a altas y bajas temperaturas.
Un riesgo que se corre es la rotura prematura de la junta de cola, siendo la rotura una consecuencia de una dilatación de los materiales provocada por las numerosas variaciones de temperatura en un intervalo grande.
En estas condiciones, para paliar el peligro de rotura, el refuerzo de las piezas de fijación implica numerosas dificultades de realización.
Una solución conocida para resolver en parte este último inconveniente es la utilización de herrajes estructurales de fijación de titanio cuyo coeficiente de dilatación es más cercano al del carbono que el del aluminio.
En cambio, esta solución presenta los inconvenientes de ser costosa, de dificultar el mecanizado de la pieza y de requerir un tratamiento de las superficies, lo que resulta incómodo.
Otra solución conocida consiste en sustituir los herrajes estructurales de fijación metálicos por bloques de carbono estratificados encolados por calor durante la polimerización de las planchas sobre el panel.
Esta solución presenta nuevos inconvenientes. Especialmente, la fluencia importante del carbono en el sentido perpendicular al de las fibras, particularmente bajo calor, y la dificultad de realizar una unión roscada de dos paneles complican la fabricación de los dispositivos de unión y de los paneles. Por otro lado, esta solución obliga a establecer las definiciones detalladas del ensamblaje de los paneles muy pronto en el procedimiento de fabricación.
La patente estadounidense US-A-3 192 671 describe una estructura de ensamblaje para panel estructural, que comprende todas las características del preámbulo de la reivindicación 1.
Un objetivo de la invención es solucionar estos inconvenientes. El dispositivo según la invención permite, por un lado, disponer de una pieza de fijación moldeada y realizada en el mismo material o similar al del panel, especialmente fibra de carbono, cuyo coeficiente de dilatación es reducido, y disponer en la pieza moldeada una pieza de inserción metálica que permite soportar el paso de cargas mecánicas entre los paneles de la estructura. Esta solución presenta la ventaja de obtener un modo de realización de ensamblajes roscados y de transferir la carga soportada por las juntas de cola a la pieza de inserción metálica incluida en el herraje de fibras o haces de fibras de carbono.
Ventajosamente, la estructura de ensamblaje para panel estructural comprende:
•
un panel rígido sensiblemente plano;
•
al menos una pieza de fijación monobloque, realizada mediante moldeo, encolada al panel, comprendiendo la pieza de fijación:
o al menos una primera cara plana, denominada “pala”, que comprende:
�
una cavidad que puede alojar una cola y;
�
rebordes destinados a retener la cola alrededor de la cavidad y al menos una abertura;
o una barra solidaria con la primera cara plana.
Según la invención tal como se define en la reivindicación 1 independiente de producto, la estructura de ensamblaje para panel estructural está caracterizada porque:
o los materiales de la pieza de fijación y del panel son de material compuesto;
o y porque la barra comprende una pieza de inserción metálica cuyo coeficiente de dilatación es superior al del material de la pieza de fijación, colocándose la pieza de inserción metálica en el molde durante el moldeo de la pieza de fijación.
Ventajosamente, la pieza de fijación está compuesta por haces de fibras de carbono preimpregnadas con una resina termoendurecible.
Ventajosamente, la pieza de inserción metálica comprende un collar en el interior de la barra que impide la extracción de la pieza de inserción.
Ventajosamente, la pieza de inserción metálica comprende dos partes sensiblemente cilíndricas, siendo la parte de mayor diámetro el collar.
Ventajosamente, la pieza de inserción metálica es de aluminio.
Ventajosamente, el eje de la pieza de inserción metálica se sitúa en el plano de la pala de la pieza de fijación.
Ventajosamente, la estructura comprende una segunda pala paralela a la primera pala y que tiene las mismas características, siendo las dos palas solidarias con la barra, correspondiendo la distancia entre las dos palas sensiblemente al grosor del panel, formando la pieza de fijación un asiento.
Ventajosamente, las palas comprenden, cada una, al menos tres aberturas, de las que una puede servir para insertar la cola en la cavidad de las palas y siendo las otras dos orificios
de colocación.
Según la invención tal como se define en la reivindicación 9 independiente de procedimiento, el procedimiento de realización de una estructura de ensamblaje para panel estructural comprende:
•
una primera etapa de compresión por calor de fibras de carbono impregnadas con una resina termoendurecible en un molde que comprende una pieza de inserción metálica, denominándose la pieza así moldeada pieza de fijación y comprendiendo:
o una primera parte formada por al menos una primera cara plana, denominada pala, que comprende una cavidad y al menos un orificio que atraviesa la pala;
o una segunda parte formada por una barra solidaria con la primera cara plana que comprende la pieza de inserción metálica cuyo coeficiente de dilatación es superior al del material compuesto;
•
una segunda etapa de aterrajado de la pieza de inserción metálica para roscar la barra de la pieza de fijación;
•
una tercera etapa de encolado de la primera cara plana de la pieza de fijación a un
panel estructural cuyas planchas son de carbono.
Ventajosamente, la primera etapa se realiza a una temperatura próxima a 120 ˚C.
Ventajosamente, la primera etapa comprende la realización mediante moldeo de otros dos orificios que atraviesan la pala que permiten colocar la pieza de fijación en el panel, comprendiendo este último puntos de marcado, denominándose los orificios “orificios de colocación”.
Ventajosamente, el sentido de aterrajado de la pieza de inserción metálica es en el plano de las palas y en un eje paralelo al sentido de inserción del panel en la pieza de fijación. Ventajosamente, una etapa de realización de puntos de marcado en la plancha del panel comprende el mecanizado de orificios en las planchas. Ventajosamente, la tercera etapa se realiza mediante la introducción de una cola en la cavidad de al menos una pala mediante un orificio que atraviesa la pala. Otras características y ventajas de la invención se pondrán de manifiesto con ayuda de la descripción siguiente, realizada en relación con los dibujos adjuntos que representan:
•
la figura 1A representa una vista 3D de un modo de realización de una pieza de fijación de la invención;
•
la figura 1B representa una vista en sección de un modo de realización de una pieza de fijación de la invención;
•
la figura 2 representa una vista en sección del ensamblaje de una pieza de fijación y
de un panel y de la junta de cola;
•
la figura 3 representa la pieza de fijación y la pieza de inserción adecuada para actuar conjuntamente con un tornillo;
•
la figura 4 representa un ejemplo esquemático de 5 paneles ensamblados y las piezas de fijación que los fijan entre sí.
La figura 1A representa un caso de realización de un medio esencial de la invención representado por la pieza 1 de fijación. Ésta se moldea mediante compresión por calor en un material compuesto tal como haces de fibras de carbono preimpregnadas con una resina termoendurecible. La resina puede ser, por ejemplo, resina epoxídica. Para ello, se realiza un molde para la pieza de fijación.
En adelante en la descripción se distinguen dos partes funcionales diferentes de la pieza 1 de fijación monobloque. La primera constituye la barra 2 que permite fijar la pieza 1 de fijación a otra pieza de fijación por medio de un tornillo, por ejemplo, y la segunda está compuesta, en el caso de realización de la figura 1, por dos caras 3, 3’ paralelas, también denominadas “palas” en el vocabulario técnico. Éstas últimas especialmente permiten alojar un panel plano cuyo grosor es sensiblemente igual a la separación entre las dos caras.
El moldeo de la pieza de fijación se realiza a una temperatura próxima a 120 ˚C que ablanda el material a base de carbono y le permite adoptar la forma del molde.
La cocción tiene lugar durante un tiempo cercano a 5 minutos. El molde comprende partes sobresalientes que permiten realizar orificios 5, 5’ en las palas 3, 3’ de la pieza 1 de fijación. Los orificios 5, 5’ están previstos para la infiltración de una cola en las superficies internas de la pieza 1 de fijación.
La figura 1B representa una vista en sección de la pieza 1 de fijación. La invención permite moldear la pieza 1 de fijación insertando en la misma durante el moldeo una pieza 6 de inserción metálica. La pieza 6 de inserción metálica puede ser, ventajosamente, de aluminio y se compone de una primera parte 6’ cilíndrica y de una segunda parte que forma un collar 6”, siendo las dos partes solidarias. El collar 6” permite mantener la pieza de inserción en el interior de la pieza 1 de fijación en caso de transmisiones de esfuerzos axiales.
En su utilización final, la pieza de inserción está prevista para aterrajarse con el fin de permitir fijar una fijación axial por medio de un tornillo, por ejemplo.
En un caso de realización preferente, el collar 6” también puede ser de forma cilíndrica y concéntrico respecto a la primera parte 6’ cilíndrica.
La pieza de inserción metálica se coloca ventajosamente de tal manera que el eje de la primera parte 6’ cilíndrica de la pieza 6 de inserción está en el plano de las palas 3, 3’, siendo el eje de la pieza de inserción paralelo a la dirección de inserción de la pieza de fijación en un panel. Con el fin de optimizar la distribución de las cargas, la pieza de inserción metálica puede
centrarse en la cara externa de la barra.
Una ventaja, durante el moldeo de la pieza de fijación en el momento de la compresión por calor a una temperatura próxima a 120 ˚C, es que la pieza de inserción metálica dilatada permite introducir en el momento del enfriamiento un pequeño juego entre la pieza de inserción metálica y la pieza de fijación. Este juego permite, en caso de dilataciones en un entorno a temperaturas comprendidas en el intervalo [-50 ˚C, +80 ˚C], no introducir esfuerzos adicionales a la pieza de fijación debidos a la dilatación térmica de la pieza de inserción metálica.
Por otro lado, las palas 3, 3’ internas de la pieza 1 comprenden, cada una, una cavidad 7, 7’. Esta cavidad 7, 7’ permite alojar la cola en el momento de su introducción por los orificios 5, 5’ cuando se inserta el panel entre las palas 3, 3’.
La figura 2 representa un dispositivo estructural según la invención que comprende la pieza 1 de fijación, un panel 21, comprendiendo éste una plancha superior y una plancha inferior, y una cola 20, 20’ insertada por los orificios 5, 5’. El panel 21 se inserta entre las dos palas 3, 3’ de la pieza 1 de fijación. La cola se inyecta por los orificios 5, 5’ y queda recogida en las cavidades 7, 7’.
El panel 21 se mantiene entonces en la pieza 1 mediante adhesión de las caras de la pieza 1 de fijación y las planchas del panel.
Un ejemplo de panel estructural para satélite según la invención puede estar compuesto por dos planchas de carbono exteriores destinadas a encolarse a las caras internas de la pieza 1 de fijación y por una estructura de nido de abeja en el interior del panel.
La figura 3 representa la pieza 1 de fijación así como la pieza 6 de inserción en la barra
2. La pieza 6 de inserción en su mecanizado final se aterraja y presenta un roscado 30 adecuado para alojar un tornillo 31.
La principal ventaja de un dispositivo de este tipo consiste en la reducción de los esfuerzos sobre la junta de cola dados los coeficientes de dilatación sensiblemente similares de las planchas de carbono de los paneles y de las piezas de fijación compuestas por haces de fibras de carbono impregnadas con una resina termoendurecible.
Una ventaja de esta solución radica en la simplificación del procedimiento de encolado debido a la geometría de la pieza de fijación. Por otro lado, las superficies destinadas a encolarse de la pieza de fijación no requieren un tratamiento específico antes del encolado. Además, los costes de fabricación son bajos con respecto a la realización de piezas de fijación de titanio.
Otra ventaja es la adecuada resistencia de la unión roscada axial soportada por la pieza de inserción, al estar ésta colocada y mantenida en la pieza de fijación desde el moldeo. La figura 4 representa un ejemplo de ensamblaje de 5 paneles 46, 47, 48, 49, 50
estructurales que se mantienen juntos mediante piezas de fijación, tal como las descritas anteriormente, fijadas entre sí y que forman fijaciones 40, 41, 42, 43, 44, 45 dobles axiales. Este ejemplo se ilustra, a título indicativo, con el fin de ilustrar un caso de ensamblaje de varios paneles estructurales.
5 Otro modo de realización del dispositivo estructural según la invención es obtener una pieza moldeada que sólo comprende una cara, es decir que comprende una sola pala. El principio de encolado entre la pala de la pieza de fijación y la plancha del panel sigue siendo el mismo que el descrito anteriormente.
Otro modo de realización consiste en disponer de palas de la pieza 1 de fijación que 10 comprenden varios agujeros u orificios. Por ejemplo, el moldeo de la pieza 1 de fijación permite insertar, a partir del molde, tres orificios en cada una de las palas.
En este modo de realización, en cada una de las palas de la pieza 1 de fijación, un orificio está previsto para la inserción de la cola en la cavidad y los otros dos orificios permiten colocar las palas en el panel por medio de marcados previamente situados en el panel.
15 Ventajosamente, los marcados pueden ser orificios con objeto de realizar un control de colocación de las palas sobre las planchas del panel insertando un eje en los orificios de cada una de las palas.
En este último caso, los orificios, respectivamente de las palas y las planchas, pueden superponerse y mantenerse mediante una pieza de inserción cilíndrica axial durante el 20 encolado de la pieza de fijación y del panel y retirarse a continuación, por ejemplo.
La estructura según la invención no se limita al ámbito de aplicación de [-50˚, +80˚], sino que puede resistir ventajosamente más allá de estos límites, especialmente en un intervalo más amplio de temperaturas que va de -180˚ a +200˚.

Claims (14)

  1. REIVINDICACIONES
    1. Estructura de ensamblaje para panel estructural que comprende:
    •
    un panel (21) rígido sensiblemente plano;
    •
    al menos una pieza (1) de fijación monobloque, realizada mediante moldeo, encolada al panel (21), comprendiendo la pieza (1) de fijación:
    o al menos una primera cara plana, denominada “pala” (3, 3’), que comprende:
    �
    una cavidad (7, 7’) que puede alojar una cola (20, 20’) y;
    �
    rebordes (4, 4’) destinados a retener la cola alrededor de la cavidad y al menos una abertura;
    o una barra (2) solidaria con la primera cara plana, caracterizada porque:
    o los materiales de la pieza (1) de fijación y del panel (21) son de material compuesto;
    o y porque la barra (2) comprende una pieza (6) insertada metálica cuyo coeficiente de dilatación es superior al del material de la pieza (1) de fijación, colocándose la pieza (6) de inserción metálica en el molde durante el moldeo de la pieza de fijación (1).
  2. 2.
    Estructura según la reivindicación 1, caracterizada porque la pieza (1) de fijación está compuesta por haces de fibras de carbono preimpregnadas con una resina termoendurecible.
  3. 3.
    Estructura según una de las reivindicaciones 1 a 2, caracterizada porque la pieza (6) de inserción metálica comprende un cuello en el interior de la barra (2) que impide la extracción de la pieza de inserción.
  4. 4.
    Estructura según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizada porque la pieza (6) de inserción metálica comprende dos partes sensiblemente cilíndricas, siendo la parte de mayor diámetro el cuello.
  5. 5.
    Estructura según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizada porque la pieza (6) de inserción metálica es de aluminio.
  6. 6.
    Estructura según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizada porque el eje de la pieza (6) de inserción metálica está en el plano de la pala (3, 3’) de la pieza (1) de fijación.
  7. 7.
    Estructura según una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizada porque comprende una segunda pala paralela a la primera pala (3, 3’) y con las mismas características, siendo las dos palas solidarias con la barra (2), correspondiendo la distancia entre las dos palas sensiblemente al grosor del panel, formando la pieza (1) de fijación un asiento.
  8. 8.
    Estructura según la reivindicación 7, caracterizada porque las palas comprenden, cada una, al menos tres aberturas, de las que una puede servir para insertar la cola (20, 20’) en la cavidad (7, 7’) de las palas y siendo las otras dos orificios de colocación.
  9. 9.
    Procedimiento de realización de una estructura de ensamblaje para panel estructural, caracterizado porque comprende:
    •
    una primera etapa de compresión por calor de fibras de carbono impregnadas con una resina termoendurecible en un molde que comprende una pieza (6) de inserción metálica, denominándose la pieza así moldeada pieza (1) de fijación y comprendiendo:
    o una primera parte formada por al menos una primera cara plana, denominada pala (3, 3’), que comprende una cavidad (7, 7’) y al menos un orificio que atraviesa la pala;
    o una segunda parte formada por una barra (2) solidaria con la primera cara plana que comprende la pieza (6) de inserción metálica cuyo coeficiente de dilatación es superior al del material compuesto;
    •
    una segunda etapa de aterrajado de la pieza (6) de inserción metálica para roscar la barra (2) de la pieza (1) de fijación;
    •
    una tercera etapa de encolado de la primera cara plana de la pieza (1) de fijación a un panel estructural cuyas planchas son de carbono.
  10. 10.
    Procedimiento de realización de una estructura según la reivindicación 9, caracterizada porque la primera etapa se realiza a una temperatura próxima a 120 ˚C.
  11. 11.
    Procedimiento de realización de una estructura según la reivindicación 9, caracterizada porque la primera etapa comprende la realización mediante moldeo de otros dos orificios que atraviesan la pala que permiten colocar la pieza (1) de fijación en el panel, comprendiendo este último puntos de marcado, denominándose los orificios “orificios de colocación”.
  12. 12.
    Procedimiento de realización de una estructura según la reivindicación 9, caracterizado porque el sentido de aterrajado de la pieza (6) de inserción metálica es en el plano de las palas y en un eje paralelo al sentido de inserción del panel en la pieza (1) de fijación.
  13. 13.
    Procedimiento de realización de una estructura según la reivindicación 9, caracterizado porque una etapa de realización de puntos de marcado en la plancha del panel comprende el mecanizado de orificios en las planchas.
  14. 14.
    Procedimiento de realización de una estructura según la reivindicación 9, caracterizado porque la tercera etapa se realiza mediante la introducción de una cola (20, 20’) en la cavidad (7, 7’) de al menos una pala por un orificio que atraviesa la pala.
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