ES2539312B1

ES2539312B1 - Procedimiento de fabricación automatizado de preformas de cuadernas y rigidizadores de materiales compuestos

Info

Publication number: ES2539312B1
Application number: ES201301116A
Authority: ES
Inventors: Jorge COMENDEIRO LINDIN
Original assignee: IND DELTAVIGO S L; INDUSTRIAS DELTAVIGO SL
Current assignee: IND DELTAVIGO S L; INDUSTRIAS DELTAVIGO SL
Priority date: 2013-11-29
Filing date: 2013-11-29
Publication date: 2016-05-10
Anticipated expiration: 2033-11-29
Also published as: WO2015079081A1; ES2539312A1

Abstract

Procedimiento de fabricación automatizado de preformas de cuadernas y rigidizadores de materiales compuestos.#El procedimiento permite fabricar preformas de cuadernas y rigidizadores, tales como cuadernas de fuselaje, de estructuras aeronáuticas y similares, a base de materiales compuestos como pueden ser fibra de carbono, de vidrio, etc., de manera que las preformas obtenidas son impregnadas tras su conformación mediante resina, dentro o sobre un útil, para obtener unos rigidizadores de elevada resistencia, ligeros y con cualquier configuración para su adaptación a la estructura en la que se apliquen. Dichas preformas se obtienen a partir de rollos del material correspondiente, seccionando de dicho rollo patrones de acuerdo con las dimensiones definitivas a conseguir, de manera que de esos patrones y mediante procesos de presión, vacío y calor, se obtienen, sobre un útil de conformación, las preformas definitivas, que pueden ser reforzadas en cualquier parte o zona de las mismas.

Description

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PROCEDIMIENTO DE FABRICACION AUTOMATIZADO DE PREFORMAS DE CUADERNAS Y RIGIDIZADORES DE MATERIALES COMPUESTOS

DESCRIPCION

OBJETO DE LA INVENCION

La presente invention se refiere a un procedimiento para la fabrication de preformas de cuadernas y rigidizadores de materiales compuestos (tales como cuadernas de fuselaje) de estructuras aeronauticas o cualquier otro tipo de estructura que requiera ser reforzada con este tipo de rigidizadores. Estas preformas seran posteriormente impregnadas con resina dentro o sobre un util, mediante cualquier proceso de impregnation, genericamente llamados procesos de LRI (Liquid Resin Infusion) o en particular mediante procesos de RTM (Resin Transfer Moulding).

El objeto de la invention es el de efectuar el proceso de forma automatizada / robotizada, con un elevado rendimiento en lo que a productividad y calidad se refiere. El mismo procedimiento puede ser realizado de forma manual siguiendo los mismos pasos que se describen en esta invention y que forman parte de ella.

ANTECEDENTES DE LA INVENCION

En el sector aeronautico y aeroespacial, las estructuras han de ser lo mas ligeras posible cumpliendo con los requerimientos mecanicos y de seguridad establecidos, de forma que se maximice la carga util a transporter y minimicen el consumo de combustible.

Actualmente, muchas estructuras se fabrican con materiales compuestos, principalmente de fibra de carbono, ya que ofrece ventajas importantes en peso, respecto a disenos que utilizan materiales metalicos.

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Configuraciones actuales de cuadernas de fuselaje, fabricadas con dry fabrics (tejidos secos que posteriormente se impregnan con resina), se fabrican de dos formas diferentes:

1. - Empleo de patrones de tejido, cortados de un rollo de material de formato estandar, que luego se curvan en su piano para obtener un patron curvo que se adapte a la curvatura de la cuaderna.

Los procesos actuaJes de fabrication con patrones de tejido, presentan una baja fiabilidad en el posicionado de las capas, ya que se limitan a deformar el laminado completo sin garantizar el posicionado de las mismas y sin ningun control sobre las capas intemas. Esto provoca, ademas, que no puedan introducirse refuerzos locales en direction transversal, lo que obliga a que se diserie la pieza con refuerzos completos en toda la section en zonas en las que solo seria necesario reforzar una zona local, incrementando asi el peso de la estructura.

2. - Otra forma es fabricarlas partiendo de mechas de cinta unidirectional, que se colocan en piano o sobre un utiJ curvo, siguiendo Ja orientation teorica Jocai. Estos procesos (Dry Fibre Placement, braiding, Stiring, Tailored Fibre Placement), desde un punto de vista industrial presentan el inconveniente de ser procesos poco eficientes en terminos de productividad, son costosos e implican tiempos recurrentes de fabrication largos (muy baja eficiencia en cuanto a Kg de material colocado por hora).

DESCRIPCION DE LA INVENCION

El procedimiento aqui descrito es un proceso de fabrication automatizado de preformas que incluye otros subprocesos muy eficientes en terminos de productividad, empleando patrones

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de tejido como materia prima.

Ademas, permite utilizar cualquier concepto de patron, desde patrones rectangulares a patrones optimizados.

En cualquier caso, en la fabrication de cuadernas de fuselaje, un patron de tejido a los que aqui se hace referenda, puede tener una anchura de hasta 400 mm cuando las mechas usadas actualmente para este tipo de ptezas son inferiores a los 10 mm. Esto da una idea de la diferencia clara, en terminos de productividad, entre los procesos convencionales y el procedimiento que se reivindica en la presente solicitud, como se expondra con posterioridad.

En el procedimiento de la invencion se parte del rollo de tejido, del que se cortan unos patrones segun exija el diseiio de la pieza, para posteriormente posicionarlos de forma automatizada y de forma independiente o en paquetes de varias capas, asegurando la repetitividad en la colocacion de todas las capas y permitiendo introducir refuerzos locales de cualquier tipo y en cualquier posicion de la preforma.

00EI alcance de la presente invencion se limita a la obtencidn de preformas que permitan obtener cuadernas o rigidizadores con una seccion transversal en forma de “L”, “C”, “H”, ”Z”, “J” , “T” o “ £“. _EI proceso permite ademas fabricar cuadernas o rigidizadores que no tengan el alma plana para el caso de la seccion en “H”. Igualmente se aplica al resto de secciones.

Ni el proceso previo de obtencion de los patrones pianos, ni el proceso de impregnation son objeto de la presente invencion.

El procedimiento automatizado de conformado de patrones aqui descrito, permite posicionar patrones en su posicion de forma muy precisa y repetitiva sobre un util de conformado, sobre el que se pliegan estos patrones para adaptarlos a la forma de la seccion requerida, y realizar el apilado completo de todas las capas definidas en el diseno, directamente sobre el util, creando una preforma rigida.

Este proceso de colocacion automatizada de los patrones, permite controlar el conformado

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de cada capa evitando arrugas y ondulaciones, ademas de permitir la colocation de refuerzos locales tanto longitudinales como transversales en el interior del laminado, creando preformas con espesores y secciones no constantes. Al no tener que deformar un laminado completo, no hay limitation de espesor, ya que se puede ir apilando capa a capa o en paquetes de varias capas, hasta conseguir cualquier espesor que pueda exigir el diseno de la pieza.

La invention de la fabrication automatizada de las preformas implica tambien una repetitividad de las piezas durante su fabrication en sene, consiguiendo controlar su calidad tanto interna como externa y en particular se logra una excelente repetitividad en el comportamiento del Spring Back, efecto que siempre ocurre debido a los procesos termicos que se requieren para la polimerizacion de la resina, despues del proceso de impregnation.

De forma mas concreta, el procedimiento de la invention comprende las siguientes fases operativas:

PASO 1. Corte de tejido unidirectional.

Partiendo del rollo de material suministrado, se corta en tiras de la anchura exigida por la pieza a fabricar, y se almacena en rollos de esta anchura.

PASO 2. Corte de patrones de tejido.

Partiendo del rollo de material suministrado, se cortan los patrones requeridos segun la orientation definida por el diseno de la pieza.

PASO 3. Almacenaje de patrones de tejido (en caso de necesidad).

Se colocan en piano y sin deformar, todos los patrones cortados siguiendo el orden inverso al definido por el apilado de diseno de la pieza, y se almacenan en bandejas con un cajeado que fije el contorno del patron para evitar errores. De este modo, el operario tendra accesible en la bandeja las capas en el orden en que deberan apilarse en la pieza (el patron superior sera el primero que se tenga que apilar).

PASO 4. Embolsado de patrones de tejido (en caso de necesidad).

Se introduce la bandeja con el apilado piano, en una bolsa de plastico y se cierra

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hermeticamente, de forma que el material quede protegido de la contamination del ambiente hasta que se vaya a proceder a la fabrication de la preforma.

PASO 5. Deformation de patrones de tejido segun su contorno.

Utilizando los patrones almacenados, se posicionan en una plantilla, con un cajeado que define el contomo de la cuaderna con todas sus superficies desplegadas. Se ajusta el contorno del patron al cajeado de la plantilla curva plana.

Para preformas con alma plana, la plantilla sera una placa plana con un cajeado que defina el contorno, mientras que para preformas con alma no plana, la plantilla debe copiar la superficie del alma, y sobre ella definir el contomo de la pieza desplegada.

PASO 6. Transferencia del patron al util de conformado.

Mediante un sistema de transferencia, se coge el patron que se encuentra posicionado en la bandeja curva plana, y se transporta hasta la posicion en la que debe colocarse en el util de conformado.

PASO 7. Fijation del patron en su posicion nominal.

Se fija la posicion del patron mediante vacio u otro sistema de sujecion antes de retirar el sistema de transferencia. Ademas, para la segunda capa y siguientes, el sistema de transferencia aplica calor localmente para fundir el binder del material, y pegar esa capa con la anterior, impidiendo cualquier desplazamiento del patron antes de su conformado.

PASO 8. Conformado con sistema de compactacion y aplicacion de calor.

Con el patron en su posicion nominal, se pliegan todas las superficies distintas a la de transferencia, adaptando totalmente el patron al util de conformado.

Para esto, se utiliza un material elastico que se ajusta al util mediante vacio y/o presion superior y posteriormente se le aplica calor al patron, fundiendo el binder para que quede adherida a la capa anterior si esta existe.

PASO 9. Posicionado y pegado automatico de cinta o tejido unidireccional.

Mediante un dispositivo de posicionado automatico, se posicionan patrones de tejido unidireccional en las zonas en las que lo exija el diseno de la pieza. El mismo dispositivo

ademas, aplica calor al patron, fundiendo el binder para que quede adherida a la capa

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anterior si esta existe. Este sistema de posicionamiento puede tambien ser manual si va convenientemente guiado.

PASO 10. Conformado de ia preforma completa.

Repetir los pasos 5-9 hasta crear la preforma con la configuration definida por diseno.

El orden de los patrones de tejido ya esta definido en las bandejas creadas en el paso 3. La operation del dispositivo automatico de instalacion del tejido unidireccional se ordena segun las exigencias del piano.

Una vez creadas las preformas, se introduciran en un util donde se impregnara con resina y se llevara a cabo el ciclo de polimerizacion de dicha resina para obtener la pieza de material compuesto final. Para esto, se pueden combinar varias preformas, para crear piezas con secciones distintas.

DESCRIPCION DE LOS DIBUJOS

Para complementar la descripcion que seguidamente se va a realizar y con objeto de ayudar a una mejor comprension de las caracteristicas del invento, se acompana la presente memoria descriptiva, formando parte integrante de ia misma, un juego de dibujos en donde con caracter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:

La figura 1.- Muestra la geometria de las piezas a las que es aplicable ia invention, incluyendo como ejemplo de piezas el de rigidizadores rectos, que son un caso particular del procedimiento aqui descrito.

La figura 2.- Muestra el detalle de un ejemplo de pieza con alma no plana.

La figura 3.- Muestra los rollos de tejido unidireccional a la anchura requerida. Este tipo de tejido suele ser empleado en los rigidizadores para reforzar localmente alguna parte del mismo, normalmente las faldillas, tal como se muestra en la figura 13.

La figura 4.-Muestra la disposition de los patrones cortados del rollo de tejido. Estos patrones seran los que se usaran para construir la preforma.

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La figura 5.- Muestra la colocacion de los patrones en la bandeja, segun el apilado definido en el piano de la pieza.

La figura 6.- Muestra la bandeja con el material apilado, embolsada para su almacenaje (en caso de necesidad), conservando el material libre de contamination.

La figura 7.- Muestra un patron adaptado dentro de una plantilla con el contomo requerido.

La figura 8.- Muestra el sistema automatizado de transferencia de patrones, en su posicion inicial, donde coge el patron de tejido de la plantilla plana que define su contomo. Esta transferencia podria tambien realizarse de forma manual con las referencias adecuadas.

La figura 9.- Muestra el sistema automatizado de transferencia de patrones, en su posicion final, donde posiciona el patron adaptado a su contomo, en su posicion nominal del util de conformado en caliente. Esta transferencia podria tambien realizarse de forma manual con las referencias adecuadas.

La figura 10.- Muestra una seccion del util de conformado en caliente en el momento en que se fija el patron al util. Esta fijacion puede realizarse utilizando un sistema de vacio en el util o utilizando cualquier otro sistema, lo cual fija el patron al mismo. Esta fijacion debe realizarse antes de que el sistema de transferencia suelte el mismo.

La figura 11.- Muestra una vista esquematica y una seccion del sistema de compactacion por vacio, con un marco que sella un material elastico alrededor del util de conformado en caliente. La compactacion puede tambien llevarse a cabo utilizando presion hidrostatica o mecanica desde la parte superior del material elastico.

La figura 12- Muestra una seccion una vez realizada la compactacion del material sobre el util de conformado en caliente.

La figura 13.- Muestra el posicionado de los refuerzos de tejido unidireccional en las faldillas del rigidizador (las zonas del rigidizador que han sido conformadas).

La figura 14.- Muestra en ejemplo de la combination de una preforma en “C” y una en “L”

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para introducirla posteriormente en un util de inyeccion y crear una cuaderna con section en “C” rigidizada en el alma (se entiende por alma a la zona horizontal de la pieza.

REALIZACION PREFERENTE DE LA INVENCION

A la vista de las comentadas figuras, pueden verse distintas configuraciones de piezas o preformas (1) que han de obtenerse de acuerdo con el procedimiento de la invention, procedimiento que por otra parte se basa en realizar primeramente una preparation de los materiales para la obtencion de las propias preformas (1) representadas en las figuras 1 y 2, para lo cual se parte de un rollo (2) de material suministrado, como puede ser fibra de carbono, tal y como se representa en la figura 3, de cuyo rollo se cortan patrones (4) requeridos segun la orientation definida por el diseno de la pieza a obtener, de manera que los patrones de tejido obtenidos (4) se colocan en piano y sin deformar, como se representa en la figura 4, siguiendo el orden inverso al definido por el apilado de diseno de la pieza, almacenandose en una bandeja (5) con un cajeado (6) que fija el contomo del patron, para evitar err ores, tal y como se representa en las figuras 4 y 5, efectuandose seguidamente un embolsado de la bandeja (5) con el patron (8) dispuesto sobre el cajeado (6),de manera que el apilado piano con la bandeja se introduce en la bolsa de plastico (7), cerrandose este hermeticamente para que el material quede protegido de la contamination del ambiente hasta que se vaya a proceder a la fabrication de la propia preforma.

En un paso o fase posterior se lleva a cabo la deformation del patron que define el cajeado (6), tal y como se indica en la figura 7, con la conformation de la cuaderna rigidizadora a obtener, de manera tal que ese patron o cajeado (6) curvado, como se representa en la figura 7, con la curvatura ya definitiva, es transferido, mediante un sistema automatizado (9), desde su bandeja (5) hasta el correspondiente util de conformado (10), tal y como se representa en la figura 10, donde el patron de fibra de carbono se dispone sobre ese util de conformado (10), por medio del sistema automatizado de transferencia (9), efectuandose posteriormente la fijacion de dicho patron en su position nominal, mediante vacio u otro sistema, antes de retirar el sistema de transferencia (9) anteriormente comentado, todo ello tal y como se representa en la figura 10, donde el patron (6) se fija mediante vacio u otro sistema, antes de retirar el llamado sistema de transferencia (9), que a su vez aplicara calor para fundir el binder del material y pegar esa capa con la anterior, impidiendo cualquier

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desplazamiento del patron antes de su conformado, de manera tal que en el siguiente paso, con el patron en su posicion nominal, se pliega en superficies distintas a la de transferencia, adaptando totalmente el patrbn al util de conformado (10), utilizando para ello un material elastico (11) que se ajusta al comentado util de conformado (10), mediante vacio y/o presion, aplicando a continuation calor al patron, participando en esta operation una lamina separadora (12), que se ve claramente en linea de trazos en la figura 11.

En el siguiente paso se lleva a cabo el posicionado y pegado automatico de tejido o cinta unidireccional, como se deja ver en las figuras, de manera que posteriormente se repiten los pasos desde la deformation del patron hasta el conformado mediante compactacion y aplicacion de calor, asi como el plegado automatico, para crear la preforma con la conformation definitiva (6’) representada en la figura 12, obtenida logicamente a partir del patron o cajeado (6) anteriormente referido, aplicando vacio, de manera tal que una vez creada la preforma (6’), se introducen en un util donde se impregnara con resina y se llevara a cabo un ciclo de polimerizacion de dicha resina, para obtener la pieza de material compuesto final, tal y como se representa en la figura 13, para asi obtener preformas con distintas secciones, como se muestra en la figura 14, donde se pueden combinar preformas (6’, 6” 6”’) que logicamente corresponde a las piezas o preformas (1) representadas en las figuras 1 y 2.

Aunque el proceso se ha descrito de acuerdo con un metodo automatizado, tambien pueden realizarse los distintos pasos de forma manual, pero con la coordination adecuada entre los diferentes elementos que conforman el proceso, permitiendo conformar preformas de forma independiente o en paquetes sin necesidad de tener que conformar el laminado completo de una vez, lo que permite colocar los patrones con precision.

Ademas, el procedimiento descrito permite asegurar la repetitividad y fiabilidad de la configuration de las preformas obtenidas, durante la fabrication en serie de las mismas, consiguiendo controlar la correction de spring back, permitiendo ademas controlar el conformado de cada capa evitando arrugas y ondulaciones.

Decir que segun el procedimiento es posible colocar refuerzos locales (11), tal y como se representa en la figura 13, creando preformas con espesores y secciones no constantes, y cuyos refuerzos locales pueden ser tanto longitudinales como transversales y de forma precisa en el interior del laminado.

Por ultimo decir que las preformas obtenidas pueden conseguirse con radios de curvatura mucho menores que con los sistemas o procedimientos tradicionales, no teniendo limitation de espesor - al no tener que deformar un laminado completo.

Desde el punto de vista de material empleado, aunque se ha dicho que preferentemente sera fibra de carbono, pueden ser tambien materiales a base de fibras de vidrio, fibras ceramicas o fibras de aramida, e incluso tejidos hibridos, siendo su aplicacion independiente del gramaje del tejido o de su textura (tejidos pianos, saten o twill).

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RE1VINDICAC10NES

1Procedimiento de fabrication automatizado de preformas de cuademas y rigidizadores de materiales compuestos, aplicable en la fabrication de, por ejemplo, cuademas de fuselaje de estructuras aeronauticas o de cualquier tipo de estructura que requiera ser reforzada con rigidizadores que se constituyen mediante las preformas obtenidas a partir de un rollo (2) de un material apropiado, como puede ser fibra de carbono, fibra de vidrio o similar, caracterizado porque:

- a partir de dicho rollo de material (2) se cortan patrones (4) que se disponen en pianos sobre una bandeja (5), afectada esta de un cajeado (6);

- disposition en el orden apropiado de los patrones (4) sobre el cajeado (6) de la bandeja (5) para obtener un patron (8);

- embolsado en una bolsa (7) de la bandeja (5) con el patron (8) sobre el cajeado (6), efectuandose el cierre hermetico de dicha bolsa (7);

- deformation del patron que se define a partir del cajeado (6) para conseguir el contorno curvo y requerido de acuerdo al rigidizador definitivo a obtener;

- transferencia mediante un sistema mecanico (9) del patron a un util (10) mediante el que se realiza la conformation para obtener la preforma definitiva (6’);

- fijacion del patron en su position sobre el util de conformado (10), estableciendo un vacio previo a la retirada del sistema de transferencia automatica (9);

- aplicacion de calor y sistema de compactacion utilizandose un material elastico (11) con la participation de una lamina separadora (12), llevando a cabo una adaptation total del patron al util de conformado (10) para obtener la preforma definitiva;

- posicionado y pegado automatico de cinta tejida unidirectional sobre la preforma (6’) obtenida.

2 - Procedimiento de fabrication automatizado de preformas de cuademas y rigidizadores de materiales compuestos, segun revindication 1, caracterizado porque opcionalmente las distintas fases o pasos del procedimiento se realizan manualmente.
3.- Procedimiento de fabrication automatizado de preformas de cuademas y rigidizadores de materiales compuestos, segun reivindicaciones anteriores, caracterizado porque

opcionalmente es susceptible de aplicarse refuerzos de tejido (11), tanto en sentido longitudinal como en sentido transversal, e incluso en zonas en las que se dispone la preforma definitiva (6’).

5 4.- Procedimiento de fabrication automatizado de preformas de cuademas y rigidizadores

de materiales compuestos segun reivindicaciones anteriores, caracterizado porque las preformas tienen distintas configuraciones, tanto rectas como curvas, y distintas secciones obtenidas como preformas definitivas o combinadas entre ellas.