ES2560660T3 - Procedimiento y útiles para la fabricación de cuadernas de material compuesto - Google Patents

Procedimiento y útiles para la fabricación de cuadernas de material compuesto Download PDF

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Abstract

Procedimiento para fabricar cuadernas de material compuesto parafuselajes aeronáuticos mediante la aplicación de la técnica RTM ados preformas con sección en forma de C y L, que se fabrican utilizando dos útiles (21, 55) en las siguientes etapas: Proporcionar el material; Conformar laminados planos (41) de forma rectangular; Conformar laminados de sección angular recta (51) sobre una parte de sección angular recta del primer útil (21) colocando unamembrana de conformado (55) y aplicando un ciclo de temperatura yvacío; Conformar las preformas en forma de C (11) y L (13) sobreun segundo útil curvo (55), deformando sobre él dichos laminadosde sección angular recta (51) y aplicando un ciclo de temperatura y vacío. La invención también se refiere a dichos útiles (21, 55).

Description

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DESCRIPCION
Procedimiento y utiles para la fabricacion de cuadernas de material compuesto Campo de la invencion
La presente invencion se refiere a un procedimiento y a un util para la fabricacion de cuadernas de fuselajes aeronauticos en materiales compuestos mediante la tecnica RTM (resin transfer moulding) y en particular a los pasos de ese procedimiento en los que se fabrican las preformas que entran al paso final de inyeccion de resina.
Antecedentes de la invencion
En la industria aeronautica la relacion resistencia-peso es un aspecto primordial, motivo por el cual se ha pasado de utilizar estructuras metalicas a estructuras fabricadas u optimizadas con materiales compuestos.
En el proceso de optimizacion de todo tipo de estructuras aeronauticas, se busca reducir el peso al maximo y de integrar el mayor numero de piezas para reducir tanto la duracion del proceso de montaje como la manipulacion de elementos menores.
En la tecnica conocida, la fabricacion de las cuadernas se realiza a base de estructuras metalicas mecanizadas o estructuras de chapa metalica conformada reforzando la parte que mas carga soporta con piezas mecanizadas. En el caso de chapa conformada, se obtiene la seccion que se utiliza normalmente en dos trozos: por un lado se fabrica la Z, y por otro, se fabrican los angulares o babettes que se remachan a la seccion anterior (ver Figura 1a).
Este proceso tiene el inconveniente de que se requieren grandes tiempos de montaje y el peso resultante es superior al obtenido al realizar la misma seccion de forma integrada.
El documento US 2004074587 A1, que puede considerarse como el documento de la tecnica anterior mas proximo, se refiere a un proceso tecnico concebido para modelar preformas textiles para la fabricacion de componentes de construccion de plastico reforzados con fibras que preve el uso de un enlace y, opcionalmente, de una brida y/o una base utilizando piezas en bruto textiles como material de partida, e, inicialmente, por lo menos dos capas de las piezas en bruto textiles estan dispuestas una frente a otra, sujetas, y se someten a un primer proceso de costura, y se forma una preforma con la arquitectura del producto que se va a fabricar, y posteriormente la preforma se infiltra con resina con el fin de realizar el componente de construccion de plastico. Tambien se refiere a un modulo de tension para la realizacion de una brida en una preforma textil y a un soporte de material de costura que recibe una preforma textil para aplicar los pasos referidos.
La presente invencion tiene por objeto proporcionar un procedimiento y un util que resuelvan los inconvenientes de la tecnica anterior.
Sumario de la invencion
La presente invencion propone un procedimiento para fabricar cuadernas de material compuesto para fuselajes aeronauticos mediante la aplicacion de la tecnica RTM a dos preformas con seccion en forma de C y L, caracterizado porque dichas preformas se fabrican, utilizando un primer y un segundo util, en las siguientes etapas:
- Proporcionar el tejido para las preformas en telas cortadas segun patrones prefijados.
- Conformar laminados planos de forma rectangular colocando capas de telas sobre un primer util en posiciones y numero predeterminados y aplicando presion y temperatura para que las telas queden pegadas entre ellas, solo localmente, es decir, no en toda su superficie sino solo en una franja longitudinal donde van los refuerzos de cinta unidireccional.
- Conformar laminados de seccion angular recta a partir de segmentos de dichos laminados planos de dimensiones predeterminadas, obtenidos mediante cortado, sobre una parte de seccion angular recta del primer util disponiendo sobre su cara superior la parte destinada a faldilla de las preformas con seccion en forma de C o L, sujetando un borde longitudinal sobre el util y dejando libre el resto; colocando sobre el util una membrana de conformado y aplicando un ciclo de temperatura y vacfo.
- Conformar las preformas en forma de C y L sobre un segundo util curvo deformando sobre el dichos laminados de seccion angular recta, incluyendo dicha deformacion en el caso de las preformas en forma de C el doblado de la segunda faldilla, y aplicando un ciclo de temperatura y vacfo.
La presente invencion tambien se refiere a los dos utiles mencionados.
El primero esta formado por un modulo central y dos modulos laterales que se unen para realizar el laminado de las preformas, asf como para realizar la union longitudinal de los patrones, mediante solapes, y se separan para llevar a cabo la etapa de conformacion de laminados de seccion angular recta y unos cabezales calefactores para llevar a cabo la aplicacion de presion y temperatura de la etapa conformar los laminados planos.
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El modulo central dispone de elementos calefactores, tomas de vacfo y un pisador con un actuador neumatico dispuesto sobre el modulo central para la conformacion de los laminados de seccion angular recta.
El segundo util comprende un modulo macho curvo con cajeados para posicionar la faldilla y faldillas, respectivamente, de los laminados con forma de L o C y una pluralidad de tiras elasticas para sujetarlos laminados durante su conformacion.
Mediante el procedimiento de la presente invencion se facilita la fabricacion de preformas de cuadernas que posteriormente seran inyectadas en el proceso de RTM con las siguientes ventajas:
- Se fabrican cuadernas de geometrfas complicadas e integradas, cumpliendo con el objetivo buscado en toda estructura.
- Se solventa el problema del acabado superficial solo por una cara anadiendole una alta precision dimensional sin existir estriccion de radios, pues no se utiliza el autoclave.
- Se mejora el control de espesores (alcanzando tolerancias < 0,2 mm), sean cual sean estos, y consiguiendo por lo tanto, un buen ajuste entre la faldilla exterior de las cuadernas con el revestimiento y el larguerillo.
- El proceso es repetitivo con cortos tiempos de ciclos de curado, lo cual reduce la duracion del proceso de fabricacion.
Otras caracterfsticas y ventajas de la presente invencion se desprenderan de la descripcion detallada que sigue de una realizacion ilustrativa de su objeto en relacion con las figuras que le acompanan.
Descripcion de las figuras
La Figura 1a muestra una seccion de una cuaderna fabricada en metalico y la Figura 1b muestra una seccion de una cuaderna en material compuesto fabricada mediante el procedimiento objeto de la presente invencion.
La figura 2a es una vista en perspectiva del primer util utilizado en el procedimiento objeto de la presente invencion.
La figura 2b muestra esquematicamente los componentes del primer util utilizado en el procedimiento objeto de la presente invencion.
La Figura 3 muestra esquematicamente los distintos pasos de la etapa de conformado de laminados planos del procedimiento objeto de la presente invencion.
La Figura 4 muestra esquematicamente los cortes dados al laminado plano para obtener los laminados con las dimensiones requeridas por los preformas con seccion en forma de C y L.
La Figura 5 muestra esquematicamente los distintos pasos de la etapa de conformado de laminados de seccion angular recta del procedimiento objeto de la presente invencion.
La Figura 6 muestra esquematicamente los distintos pasos de la etapa de conformado de las preformas con seccion en forma de C y L.
La Figura 7 muestra vistas esquematicas en seccion del segundo util utilizado en el procedimiento objeto de la presente invencion.
Las Figuras 8 y 9 muestran vistas esquematicas en seccion del modulo central del primer util.
Descripcion detallada de la invencion
Se describe a continuacion una realizacion del procedimiento segun la invencion para fabricar las preformas de las cuadernas de fuselajes aeronauticos en materiales compuestos.
La seccion a fabricar esta formada por una C 11, y por un angular en forma de L 13, constituidos de tejido y reforzados con cinta unidireccional en la faldilla interior 15 para aumentar el momento de inercia, y, por consiguiente, la rigidez. Con esta invencion se consiguen obtener cuadernas de hasta 8 metros de longitud con radios de curvatura de hasta 250 mm.
La realizacion del procedimiento comienza con el aprovisionamiento del material necesario para la fabricacion de los laminados; los patrones obtenidos del proceso de corte son fabricados agrupados por geometrfas, de forma que la maquina de corte trabaja de una sola vez obteniendo todos los patrones que se requieren de cada una de ellas. Mediante este proceso no es necesaria una identificacion de cada una de las partes y solo es necesario ir tomando el numero de piezas requeridas de cada geometrfa para fabricar el laminado.
Por su parte, se proporciona el util de laminados 21 de las preformas en C y L (en cada caso de las dimensiones apropiadas), acoplando los modulos laterales 23 al modulo central 25. Se fijan las regletas longitudinales 27
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posicionadas sobre los modulos laterales 23 de la zona donde se realice el laminado (cualquiera de los dos modulos laterales 23 es apto para ello).
Para empezar el laminado 41, se retira el pisa 29 de la parte superior del util 21. A continuacion se colocan los patrones rectangulares de telas 30 a +/-45°, entre el modulo central 25 y las regletas 27 del modulo lateral 23 elegido para la fabricacion, realizando solapes longitudinales entre patron y patron. Las medidas de las dimensiones del contorno, asf como las marcas de decalajes, corte y solapes de las capas involucradas en el mismo, son mostradas mediante proyectores laser. Para hacer la integracion de los refuerzos y solapar las telas 30 hasta obtener la longitud total del tramo de cuaderna, se aplica presion y temperatura con un cabezal calefactor 31 desplazable sobre gufas laterales a la mesa 33. El descenso del cabezal calefactor 31 sobre el laminado 41, se realiza por medio de un accionamiento neumatico controlable manualmente. El calefactor podra girar +45°,+90°,-90°,-45° alrededor del eje Z para poder pegar los refuerzos de la cinta unidireccional o los solapes, segun corresponda. Una vez terminado el laminado 41, se debe cortar por los lugares marcados identificando con lapiz blanco cada una de las partes resultantes y sus ejes de simetrfa, de esta forma queda claro que de un unico laminado 41, se fabrican cuatro cuadernas a la vez 43, 45, 47, 49.
El conformado recto de las preformas en C y L se lleva a cabo en el util de laminado 21 siguiendo los pasos representados en la Figura 5. En primer lugar se colocara una pelfcula separadora 53 para que no se pegue el laminado de partida 51 (con las dimensiones requeridas para formar la preforma en C o en L en cuestion) a la membrana de conformado 55 y no se contamine el material. A continuacion se coloca el pisa 29 que va sujetado de una manera rapida a traves de un actuador neumatico a un resalte del modulo central 25, cuyo voladizo solapa tan solo una franja longitudinal de 10 mm de laminado 41 y presiona esta suficientemente para que no sea arrastrada por la membrana de conformado 55. Puesto que el laminado 51 lleva refuerzos longitudinales de espesor variable en la zona a calentar, el pisa 29 debe ser discontinuo para acoplarse a las distintas alturas. Una vez colocado el pisa 29, se retiran los modulos laterales 23 con cuidado de no arrastrar el laminado 41 generado anteriormente y se coloca el marco con la membrana de conformado 55. Esta membrana elastica de silicona es deformada por vacfo soportando unas temperaturas de 120°C como temperatura de trabajo y elongaciones del orden del 400%. A continuacion, con todo ya montado se procedera a ejecutar el programa de hot-forming (temperatura + vacfo). La temperatura es aplicada a traves del util de conformado 21. El modulo central 25, lleva embebidas resistencias electricas 61 para calentar el laminado 51. Estas resistencias calientan durante el conformado la zona horizontal donde se apoya el laminado 51 y 5 mm (como maximo) la zona vertical. Para evitar que se caliente la zona vertical, se coloca en el util en esta zona, un material 63 de FV que hace de aislante termico. La temperatura a alcanzar de forma local es de 100°C (con una tolerancia de ±5°C) durante 20 minutos como referencia. El vacfo se realiza a traves de la mesa 33 del util 21, fabricada en forma de panel de abeja de aluminio y las tomas de vacfo son colocadas bajo el modulo central 25, que dispone de un cajeado longitudinal con derivaciones transversales 67.
Para la realizacion del segundo ciclo de conformado, se emplea el util de conformado curvo 56 para las preformas en C y en L. Los laminados 51 de seccion angular recta obtenidos en la etapa anterior son colocados sobre el util de conformado 56 correspondiente a las preformas en C en L, deformandolos manualmente, para ir acoplandolos al modulo macho 57 sin aparicion de arrugas, ubicando en primer lugar las faldillas conformadas en la etapa anterior en los cajeados 59 y luego adaptando el resto del laminado al util, lo que, en el caso de las preformas en C, supone que ademas de la deformacion curva hay que proceder a la deformacion necesaria para conformar la otra faldilla sirviendose al efecto del cajeado 60.
A continuacion, se coloca una pelfcula separadora por encima de las preformas, dando los cortes necesarios con objeto de acoplarlo perfectamente, y todo ello se sujeta con tiras elasticas 71 con unos clips de cierre 73, evitando la aparicion de arrugas en los radios y el alma. Se posicionaran termopares de control en cada una de las preformas, en la mitad de las faldillas conformadas en el primer ciclo de conformado recto, introduciendose en ella unos 5mm. Por ultimo, se introducira el util 56, formado por chapa de aluminio 75 sobre una chapa base 77 tambien de aluminio, en la Maquina de Hot-Forming (ciclos de temperatura + vacfo).
Una vez conformadas las preformas, se cortaran las partes sobrantes.
Si es necesario en el montaje acoplar la faldilla exterior de la cuaderna a un soporte plano, como puede ser el revestimiento, se pueden fabricar suplemento en forma de cunas ubicados en las cuadernas acoplandolos a las faldillas mediante la aplicacion de calor con plancha.
Con esto, quedan listas las preformas necesarias para la realizacion de una cuaderna de seccion totalmente integrada mediante un proceso conocido de inyeccion RTM.
En la realizacion preferente que acabamos de describir pueden introducirse aquellas modificaciones comprendidas dentro del alcance definido por las siguientes reivindicaciones.

Claims (4)

  1. 5
    10
    15
    20
    25
    REIVINDICACIONES
    1. Procedimiento para fabricar cuadernas de material compuesto para fuselajes aeronauticos mediante la aplicacion de la tecnica RTM a dos preformas con seccion en forma de C y L, caracterizado porque dichas preformas se fabrican, utilizando un primer (21) y un segundo util (56), en las siguientes etapas:
    a) Proporcionar el tejido para las preformas en telas (30) cortadas segun patrones prefijados;
    b) Conformar laminados planos (41) de forma rectangular colocando dichas capas de telas (30) sobre un primer util (21), en posiciones y numero predeterminados y aplicando presion y temperatura para que las telas (30) queden pegadas entre ellas en zonas locales;
    c) Conformar laminados de seccion angular recta (51) a partir de segmentos de dichos laminados planos (41) de dimensiones predeterminadas, obtenidos mediante cortado, sobre una parte de seccion angular recta del primer util (21) disponiendo sobre su cara superior la parte destinada a faldilla de las preformas con seccion en forma de C o L, sujetando su borde longitudinal sobre el primer util (21) y dejando libre el resto, colocando sobre el primer util (21) una membrana de conformado (55) y aplicando un ciclo de temperatura y vacfo;
    d) Conformar las preformas en forma de C (11) y L (13) sobre un segundo util curvo (56), deformando sobre el dichos laminados de seccion angular recta (51), incluyendo dicha deformacion en el caso de las preformas con seccion en forma de C el doblado de la segunda faldilla, y aplicando un ciclo de temperatura y vacfo.
  2. 2. Procedimiento para fabricar cuadernas de material compuesto para fuselajes aeronauticos segun la reivindicacion 1 caracterizado porque los patrones prefijados para las telas (30) incluyen patrones rectangulares a +/- 45° y cintas unidireccionales de refuerzo para una faldilla.
  3. 3. Util (21) para llevar a cabo las etapas b) y c) del procedimiento objeto de las reivindicaciones 1-2, que comprende un modulo central (25) y dos modulos laterales (23), que se unen para llevar a cabo la etapa b) y se separan para llevar a cabo la etapa c) y unos cabezales calefactores (31) para llevar a cabo la aplicacion de presion y temperatura de la etapa b), disponiendo el modulo central (25) de elementos calefactores (61) en su interior, de tomas de vacfo para la ejecucion de la etapa c) y de un pisador (29) con un actuador neumatico dispuesto sobre el modulo central (25) para sujetar los laminados (51) durante la etapa c).
  4. 4. Util (56) para llevar a cabo la etapa d) del procedimiento objeto de las reivindicaciones 1-2, que comprende un modulo macho curvo (57) con cajeados (59, 60) para posicionar la faldilla y faldillas, respectivamente, de los laminados (51) con forma de L o C y una pluralidad de tiras elasticas (71) para sujetar los laminados durante su conformacion.
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