ES2586211T3 - Vástago de material compuesto y método de fabricación - Google Patents

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ES2586211T3 ES11382391.8T ES11382391T ES2586211T3 ES 2586211 T3 ES2586211 T3 ES 2586211T3 ES 11382391 T ES11382391 T ES 11382391T ES 2586211 T3 ES2586211 T3 ES 2586211T3
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Abstract

Vástago de material compuesto para mantener separados dos elementos una distancia determinada, soportando las cargas entre ellos, en el que el vástago comprende: - dos cuerpos huecos, un cuerpo exterior (1) y un cuerpo interior (2), pudiendo cada uno de los dos cuerpos resistir las cargas, proporcionando una carga de doble recorrido, - dos extremos de vástago (3), uno en cada extremo de la estructura constituida por los dos cuerpos (1, 2), - siendo el diámetro interior del cuerpo interior sustancialmente mayor en el centro de la estructura que en los bordes, caracterizado porque: - los dos cuerpos están hechos de una estructura de material compuesto, y - entre los dos cuerpos el vástago comprende un material conductor (4), preferiblemente al menos una capa de lámina de cobre.

Description

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DESCRIPCION
Vastago de material compuesto y metodo de fabrication Campo de la invencion
La presente invencion describe vastagos de material compuesto, el metodo de fabricacion de los mismos y la herramienta implicada en este proceso. La invencion pertenece al campo de las estructuras plasticas reforzadas por fibra a fin de mantener dos elementos separados una distancia determinada soportando las cargas entre ellos.
Antecedentes de la invencion
Los vastagos son estructuras utilizadas habitualmente por ingenieros para mantener separados dos elementos una distancia determinada (fija o variable) soportando las cargas entre ellos. Los vastagos y montantes metalicos son los elementos principales de muchos disenos: soportan elementos estructurales o de sistema y garantizan una distribution uniforme de cargas en las estructuras. Normalmente, las estructuras conectadas estan equipadas con cojinetes de bolas para evitar la transmision de cargas de momentos.
Como ejemplo, solo en el Airbus A380 se utilizan mas de 300 vastagos diferentes. De estos, son de importancia relevante los vastagos que conectan los conectores de las puertas del tren de aterrizaje principal (MLGD) a la estructura de fuselaje. Al ser estas puertas estructuras criticas, la trayectoria de conexion, incluyendo las puertas, estan sujetas a requisitos de seguridad adicionales. Ademas, las cargas soportadas de los vastagos son las cargas ticlicas de cada apertura/cierre de la puerta en cada operation de aterrizaje y despegue, y por tanto las cargas de fatiga son criticas. Ademas, las MLGD y la carena ventral se identifican como de alto riesgo de rayos. Esto incluye todas las partes o ensamblajes conductores que forman el revestimiento o las superficies externas del avion. Por este motivo, las puertas deben estar electricamente puestas a tierra a la estructura principal. Como la conexion de las puertas con el fuselaje es a traves de los conectores y los vastagos, los vastagos deben poder transferir la corriente requerida. Actualmente esto se hace a traves de puentes de conexion de cobre, unidos a los vastagos por medio de abrazaderas metalicas.
El principal problema tecnico es que los vastagos actuales son muy pesados para los fines descritos. Ademas, hay un problema por resolver en lo que respecta al metodo de fabricacion que actualmente se realiza enroscando mutuamente el conjunto de dos cuerpos metalicos una vez que se han fabricado independientemente.
El documento FR2883939a1 describe un vastago de material compuesto para mantener dos elementos separados a una distancia determinada, llevando las cargas entre ellos, en donde el vastago comprende: dos cuerpos huecos, un cuerpo exterior y un cuerpo interior, cada uno de los cuerpos capaces de soportar las cargas, proporcionando una carga de doble trayectoria,
dos extremos de vastago, uno en cada extremo de la estructura comprendida por los dos
cuerpos
el diametro interior del cuerpo interior es mas grande en substancialmente el centro de la estructura en los extremos.
Description de la invencion
Los objetivos de la invencion se logran por medio de un vastago de material compuesto para mantener separados dos elementos una distancia determinada segun la reivindicacion 1, y un metodo de fabricacion de una fase para obtener una estructura de vastago hueco segun la reivindicacion 13. Las realizaciones particulares de la invencion se definen en las reivindicaciones dependientes.
Sin limitar el alcance de uso de la invencion a aviones y generalizando a cualquier otro uso que requiera dos elementos separados una distancia determinada soportando las cargas entre ellos, tales como ferrocarriles, instalaciones industriales, etc., la presente invencion presenta en un primer aspecto un vastago de material compuesto, en el que el vastago comprende:
• dos cuerpos huecos, un cuerpo exterior y un cuerpo interior, pudiendo cada uno de los dos cuerpos resistir las cargas, proporcionando una carga de doble recorrido;
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Estos dos cuerpos huecos, uno dentro del otro, proporcionan un diseno a prueba de fallos para la estructura entera con el fin de cumplir el requisito de tener un recorrido de doble carga por si uno de los cuerpos falla al resistir las cargas debido a corrosion, fatiga o danos accidentales;
• dos extremos de vastago, uno en cada extremo de la estructura constituida por los dos cuerpos; Los vastagos estan disenados con la capacidad de reglaje adecuada para absorber la tolerancia de posicion de los puntos de acoplamiento mutuo en los dos elementos unidos por los mismos. Estos vastagos deben poder ajustarse facilmente en longitud varios miKmetros dependiendo del uso que se haga de ellos por medio de dos extremos ajustables;
• siendo el diametro interior del cuerpo interior sustancialmente mayor en el centro de la estructura que en los bordes;
El concepto de vastago presentado, es una estructura hueca, con un diametro interior mayor en el centro (para proporcionar inercia suficiente) que en los bordes. caracterizado porque:
• los dos cuerpos estan hechos de una estructura de material compuesto,
Con el fin de lograr vastagos mas ligeros, la invention sustituye la estructura metalica existente por una estructura de material compuesto. Los materiales compuestos de plastico reforzado con fibra normalmente se realizan a partir de dos o mas materiales distintos en realizaciones diferentes: fibras de baja densidad y alta resistencia (tales como vidrio, carbono y aramida) incrustadas en una matriz polimerica. La matriz tiene la funcion de proporcionar la transmision de esfuerzos entre las fibras individuales, manteniendo la estabilidad dimensional de la estructura y protegiendo las fibras frente a influencias ambientales, mientras las fibras son los componentes que soportan la carga. Los materiales compuestos de fibras largas son altamente anisotropicos, teniendo propiedades diferentes en direcciones diferentes. Los materiales compuestos estan hechos de varias capas, comprendiendo cada una de ellas los componentes fibra y matriz. Estas capas comprenden fibras largas que discurren unas paralelas a otras, y por lo tanto la propia capa es una vez mas altamente anisotropica. Estas capas individuales se unen entre si mientras se incrustan en la matriz y se curan, por ejemplo en un horno. Debido a que la orientation, el material y el tipo de las capas pueden diferir unas de otras, es posible adaptar la orientacion de las fibras (capa) para una fuerza/rigidez optimas en las realizaciones preferidas. El rendimiento de la rigidez y la fuerza de un material compuesto de fibra esta en gran medida determinado por la election del material de fibra y la orientacion de las capas, por ejemplo desde un laminado unidireccional (todas las fibras siguen la misma orientacion) hasta un laminado casi isotropico (la misma cantidad de fibras discurren en cada direction). Se requiere un analisis detallado para garantizar que los beneficios de rendimiento completo de estos materiales se incorporan a cualquier diseno estructural de los vastagos. Cuanto mas dominante sea la carga en una unica direccion, mas apropiado sera el material compuesto para el vastago;
• y entre los dos cuerpos el vastago comprende un material conductor, preferiblemente al menos una capa de lamina de cobre.
Con el fin de cumplir el requisito de que la energia electrica debe conducirse por la estructura de fibra tan eficazmente como por estructuras construidas de metal, se proporciona al vastago un buen recorrido de retorno de corriente electrica por medio de un material conductor en realizaciones diferentes, tal como capa(s) de lamina de cobre.
En un segundo aspecto, la invencion presenta un metodo de fabricacion de una fase para obtener una estructura de vastago hueco, comprendiendo el metodo las siguientes etapas:
• enrollar filamentos de un cuerpo interior sobre un mandril;
El enrollado de filamentos es una tecnica de fabricacion para fabricar materiales compuestos, habitualmente en forma de estructuras cilmdricas. El proceso implica enrollar filamentos bajo cantidades variables de tension sobre un molde macho o mandril. El proceso general de enrollado de filamentos que se puede aplicar incluye la rotation de un mandril mientras un carro o una maquina de enrollado de filamentos se mueve horizontalmente, depositando fibras en el patron deseado. Se requiere conocer el orden de magnitud de la estructuras, y tener una idea aproximada del numero de capas, orientacion, propiedades de material requeridas, etc., denominado secuencia de apilamiento. La primera etapa del metodo de fabricacion incluye enrollar un material compuesto sobre un mandril o una herramienta con el fin de construir el cuerpo interior del vastago de material compuesto. El material compuesto esta conformado por filamentos;
• colocar entre el cuerpo interior y el exterior un material conductor, preferiblemente al menos una capa de lamina de cobre;
Una vez que se ha depositado el laminado interior del cuerpo interior, se aplica una lamina de cobre que cubre el laminado interior entero. Este material conductor proporciona la conductividad electrica requerida del vastago de material compuesto final;
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• enrollar filamentos de un cuerpo exterior sobre el cuerpo interior;
Con la maquina de enrollado de filamentos en el proceso general de enrollado de filamentos, las fibras del laminado exterior se depositan alrededor del laminado interior y la lamina de cobre siguiendo las direcciones definidas de la secuencia de apilamiento para el cuerpo exterior. Un material compuesto conformado por filamentos se enrolla sobre la estructura resultante de las etapas anteriores;
• enrollar una cinta termocontrafble sobre los dos cuerpos;
Una vez que ambos cuerpos y el material conductor depositado en medio se han enrollado sobre el mandril o la herramienta, una cinta termocontrafole se enrolla sobre la estructura entera para proporcionar la presion requerida;
• y curar en un horno la estructura resultante;
Todos los elementos obtenidos de las etapas anteriores se colocan en un horno para el curado. El vastago final que incluye ambos cuerpos exterior e interior se cura en una sola etapa y por lo tanto el metodo se denomina “de una fase” comparado con tecnicas anteriores en las que el cuerpo exterior y el cuerpo interior se construyen por separado y se fijan entre si posteriormente.
Todas las caracteristicas descritas en esta memoria descriptiva (incluyendo las reivindicaciones, description y dibujos) y/o todas las etapas del metodo descrito pueden combinarse en cualquier combination, con la exception de combinaciones de tales caracteristicas y/o etapas mutuamente excluyentes.
Descripcion de los dibujos
Estas y otras caracteristicas y ventajas de la invention se entenderan claramente en vista de la descripcion detallada de la invencion que resulta evidente a partir de una realization preferida de la invencion, dada solo como un ejemplo y sin limitarse a la misma, con referencia a los dibujos.
Figura 1 En esta figura se representa un ejemplo de un vastago segun la tecnica del estado de la
tecnica en una vista en perspectiva.
Figura 2 En esta figura se representa un ejemplo de un vastago segun una realizacion de la invencion en una vista en perspectiva. En esta realizacion el vastago se muestra con los extremos de vastago unidos.
Figura 3 Esta figura muestra una realizacion de la invencion con las inserciones en el cuerpo exterior en una vista en section. En esta vista los extremos de vastago se han retirado y se representan los dos cuerpos, el material conductor y las inserciones metalicas.
Figura 4 En esta figura se muestra una vista detallada de la realizacion anterior con lenguetas de conexion electrica.
Figura 5 En esta figura se muestra una vista detallada de la seccion A de la figura 3 de la realizacion anterior de la invencion.
Figura 6 En esta figura se muestra otra vista de una realizacion de la invencion y vistas detalladas diferentes;
la figura 6A muestra una vista lateral de una realizacion del vastago de la invencion sin los extremos de vastago;
la figura 6B muestra una vista en seccion transversal del corte BB en la figura 6A;
la figura 6C muestra una vista en seccion transversal del corte CC en la figura 6A;
la figura 6D muestra una vista en seccion transversal del corte DD en la figura 6A.
Figura 7 En esta figura se muestra aun otra vista parcial de una realizacion de la invencion con un extremo de vastago unido al vastago.
Figura 8 Esta figura muestra una realizacion de la herramienta usada en el proceso de fabrication.
La figura 8A muestra una vista en despiece ordenado en perspectiva de la herramienta entera;
la figura 8B muestra una vista lateral en la que pueden distinguirse partes diferentes de la herramienta
ensamblada.
Figura 9 Esta figura muestra el proceso de desensamblaje de los elementos de la herramienta a partir de una vista en seccion transversal del vastago.
La figura 9A muestra una vista en seccion transversal del principio del proceso con todas las partes de corona ensambladas;
la figura 9B muestra una vista en seccion transversal de la primera parte de corona desensamblada de las otras.
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Figura 10 Esta figura muestra el conjunto herramienta-vastago en el momento de fabricar el vastago en una vista en seccion transversal del vastago.
Figura 11 Esta figura es la vista detallada de la parte E de la figura 10.
Descripcion detallada de la invencion
Una vez que se ha expuesto el objeto de la invencion, a continuation en el presente documento se describen realizaciones no limitativas espetificas.
En la figura 1 se representa un ejemplo de un vastago segun el estado de la tecnica en una vista en perspectiva. El vastago es metalico y los cuerpos exterior e interior se fabrican independientemente y despues se ensamblan. En este caso los extremos de vastago estan unidos al vastago.
En una realization preferida de la invencion, dado que el vastago debe ser electricamente conductor, las inserciones metalicas exteriores (5) proporcionan lenguetas integradas (6) para conectar con puentes de conexion conductores (no se muestran en las figuras), preferiblemente hechos de cobre. Estas lenguetas (6) se utilizan para conducir la electricidad al lado externo de la estructura entera. En la figura 2 se muestra una vista en perspectiva de la estructura entera segun la presente invencion en la que las diferentes partes funcionales son: cuerpo exterior (1) del vastago, extremos de vastago (3) en esta realizacion con lengueta de orificio doble en un lado del vastago y lengueta de orifico unico en el otro lado del vastago y lenguetas (6) integradas con las inserciones metalicas exteriores (5) que no se muestran en esta figura.
En otra realizacion preferida de la invencion se fabrica un vastago de material compuesto caracterizado porque el ensamblaje entre el cuerpo exterior (1), el cuerpo interior (2) y los extremos de vastago (3) es de rosca doble, y el vastago comprende inserciones metalicas exteriores (5) que estan en contacto con el material conductor (4) (en el caso de las realizaciones preferidas de la invencion, lamina(s) de cobre). Estas inserciones metalicas exteriores (5) se aplican sobre la lamina de cobre (4) y se utilizan para conectar los extremos de vastago (3), proporcionando la capacidad de reglaje adecuada. El correcto alineamiento entre las roscas del cuerpo interior (2) y las inserciones metalicas exteriores (5) debe garantizarse, de modo que los extremos de vastago (3) puedan enroscarse en las mismas al mismo tiempo. Por otra parte, el reglaje en longitud debe ajustarse rotando el cuerpo del vastago, lo que hace que ambos extremos de vastago se enrosquen o desenrosquen simultaneamente (concepto de tensor de tornillo). Esto significa que incluso si la geometria de las inserciones metalicas (5) en ambos extremos de vastago (3) es la misma, en un extremo de vastago (3) la insertion metalica (5) debe tener una rosca a derechas y en el otro debe tener una rosca a izquierdas.
En una realizacion mas preferida, el cuerpo interior (2) comprende inserciones metalicas interiores (7). Las inserciones metalicas interiores (7) y las inserciones metalicas exteriores (5) son independientes entre si con el fin de proporcionar recorrido de carga independiente completo. Las inserciones metalicas interiores (7) estan disenadas con una inclination con el fin de reducir las tensiones maximas mediante biselado y son mas largas que las inserciones metalicas exteriores (5) para permitir que los extremos de vastago (3) se enrosquen y desenrosquen correctamente durante el reglaje. En las figuras 3, 4 y 5 se ven vistas detalladas diferentes del vastago con inserciones metalicas interiores (7) e inserciones metalicas exteriores (5) con lenguetas integradas (6), en las que se distinguen partes diferentes: cuerpo exterior (1) del vastago, cuerpo interior del vastago (2), lamina de cobre (4), la insercion metalica exterior (5), la lengueta integrada (6) en la insercion metalica exterior (5) y la insercion metalica interior (7). En estas figuras los extremos de vastago se han retirado y se representan los dos cuerpos (1,2), el material conductor (4) y las inserciones metalicas (5, 7).
A las inserciones metalicas exteriores (5) y a las inserciones metalicas interiores (7) se les da forma en otra realizacion de la invencion para evitar el efecto de extraccion/traccion. Las inserciones metalicas (5, 7) estan hechas en una realizacion preferida de titanio por la compatibilidad del material para evitar problemas de corrosion. Uno de los requisitos es que tenga buen rendimiento de corrosion, y, por ejemplo, la combination CFRP-Ti (titanio-plastico reforzado con fibra de carbono) es la mejor en cuanto a corrosion galvanica debido al potencial similar y por tanto al par galvanico reducido. Esta forma proporciona un grosor adicional de los cuerpos (1,2) en el area de las inserciones.
El vastago de la invencion tiene, en realizaciones diferentes, los extremos de vastago (3) o bien metalicos o bien hechos de material compuesto.
En la figura 6 las partes diferentes se ven en diferentes vistas en seccion transversal detalladas (AA, BB, CC) del mismo vastago sin los extremos de vastago (3). La figura 6B muestra una vista en seccion transversal del corte BB en la figura 6A. En esta figura, que representa el centro del vastago, solo pueden verse el cuerpo exterior (1), el material conductor (4) y el cuerpo interior (2). La figura 6C muestra una vista en seccion transversal del corte CC en la figura 6A. En esta figura pueden verse el
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cuerpo exterior (1), el cuerpo interior (2), el material conductor (4) y la insertion metalica interior (7). Puede verse tambien que el diametro interior del cuerpo interior (2) es sustancialmente mayor en el centro de la estructura (a traves de la lmea BB) que en los bordes (a traves de la lmea CC). La figura 6D muestra una vista en section transversal del corte DD en la figura 6A. En esta figura solo puede verse el cuerpo exterior (1), el material conductor (4), y la insercion metalica exterior (5). Esto es porque en esta realization, el cuerpo interior (2) no alcanza el extremo del cuerpo exterior (1), lo que tambien puede entenderse mejor en la vista de la figura 5.
En la figura 7 se ve una vista parcial detallada de una realizacion de la invention con las lenguetas integradas (6) y los extremos de vastago (3) incluidos. En esta figura se muestra una realizacion con el extremo de vastago (3) con una lengueta de agujero unico.
En una realizacion incluso mas preferida de la invencion, la estructura de material compuesto comprende un laminado casi isotropico. El comportamiento de la rigidez y la fuerza de un material compuesto de fibra esta en gran medida determinado por la election del material de fibra y la orientation de las capas, desde un laminado unidireccional (todas las fibras siguen la misma orientacion) hasta a un laminado casi isotropico (la misma cantidad de fibras discurren en cada direction). Antes de que pueda comenzar la fabrication, se requiere conocer el orden de magnitud de las estructuras, el numero de capas, orientacion (o secuencia de apilamiento), propiedades de material requeridas, etc. Por este motivo, se realiza un dimensionamiento previo. Puesto que todos los calculos son analrticos, y no hay calculo de modelo de elementos finitos (FEM), tanto el dimensionamiento previo como el dimensionamiento se realizan teniendo en cuenta solo la parte central del cuerpo del vastago (excluyendo el area de transition entre el diametro maximo y el area roscada), y aproximandolo a un cilindro homogeneo. El modulo de Young de un laminado de CFRP puede estimarse considerando solo el porcentaje de capas en la direccion de 0° (es decir en la direccion longitudinal del vastago): E * <p0 ■ Ei con
• E : Modulo de Young del cuerpo.
• E || : Modulo de Young de una unica capa (CFRP) paralela a la direccion de la fibra.
• <P° : % de capas que siguen la direccion de 0° del laminado.
Para esta realizacion, un calculo de dimensionamiento previo se realiza considerando una
orientacion enfocada a la carga de = 60% qe |as fibras que siguen 0° (es decir la direccion longitudinal del vastago). Teniendo en cuenta el tipo del material que se utiliza en esta realizacion, el
laminado de CFRP, el modulo de Young del laminado es E 60%F =109200,00 MPa. Como se
utilizan las inserciones metalicas (5, 7) en este calculo, el radio interior considerado es un 15% mayor con el fin de proporcionar espacio para estas inserciones. Con estas suposiciones, se necesitan 19 capas (11 de ellas a 0°) para el laminado exterior, es decir, el laminado para el cuerpo exterior (1), y se necesitan 29 capas (17 de ellas a 0°) para el laminado interior, es decir, el laminado para el cuerpo interior (2). Estos grosores, llevan a un peso de 1051,9 g. Y esto significa un ahorro de peso del 46% con respecto al diseno metalico previo del estado de la tecnica. Este resultado es mucho mas ventajoso, y muestra el beneficio de realizar una configuration optimizada e implementar la mayor parte de las propiedades de las fibras.
En una nueva realizacion de la invencion, con la estimation aproximada de los calculos de dimensionado previo, se realiza un calculo mas detallado. El nuevo radio interior (RiI) del cuerpo interior (2) tiene en cuenta el grosor y la geometria de la insercion.
RiI = ROins = 29,91 mm.
Asimismo, entre los dos laminados, el cuerpo exterior (1) y el cuerpo interior (2), hay dos capas de lamina de cobre (4) para proporcionar continuidad electrica entre los dos extremos de vastago (3). Estas capas en esta realizacion tienen un grosor total de tc = 76 pm.
Como se ha explicado, el enfoque de considerar el modulo de Young del laminado de CFRP se utiliza en el dimensionamiento previo, considerado solo por el porcentaje de capas en la direccion de 0°,
E <pO ■ E\ con el fin de mejorar los calculos, ahora se utiliza la teoria del laminado clasica para un material anisotropico, y la ley de Hooke de un material compuesto multicapa. A partir del dimensionamiento previo, los resultados muestran que se prefieren 19 capas y al menos 11 a 0° para el cuerpo exterior (1), y 29 capas con al menos 17 a 0° para el cuerpo interior (2). Aplicando la teoria del laminado mencionada a estos laminados, se consiguen valores mas altos del modulo de Young tanto para el cuerpo interior (2) como para el cuerpo exterior (1) que los valores predichos por el enfoque de
dimensionamiento previo (E * <pO • E\\ = 60%F|| = 109,2 GPa). Por este motivo, para el cuerpo interior (2) en este ejemplo se reduce el numero de capas a 27, porque hay espacio para la optimization.
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Hay muchas maneras de disponer las capas para obtener un laminado con el numero deseado de las mismas. Con el fin de determinar la secuencia de apilamiento optima, para optimizar el laminado, y teniendo en cuenta los requisitos del diseno limitado, se consideran las siguientes reglas de apilamiento:
Regla 1, simetria: la secuencia de apilamiento debe ser simetrica alrededor del eje neutro. Para cada capa en direction + 0i a una distancia Zi del plano medio, existe una capa en direction + 0i a una distancia - Zi, siendo 0i el angulo respecto a Z, la direccion principal de carga. Si no es posible una simetria perfecta, la “asimetria” debe mantenerse lo mas cerca posible del plano medio.
Regla 2, equilibrado: El laminado debe estar equilibrado: para cada capa en direccion + 0i existe una capa en direccion - 0i. Si el equilibrado perfecto no es posible, el “desequilibrado” debe mantenerse lo mas cerca posible del plano medio.
Regla 3, porcentaje de orientacion de las capas: para partes del laminado macizas el porcentaje de las capas depositadas en cada direccion debe estar comprendido entre el 8% y el 67%.
Regla 4, capas externas: las capas externas no deben estar en la direccion de la carga principal. Se recomienda utilizar una pareja 457135° para las capas externas del laminado. Sin embargo, en ciertas aplicaciones, se utiliza una capa externa a 90°.
Regla 5, distribution uniforme de la orientacion de las capas: las capas con la misma orientacion deben estar distribuidas uniformemente por toda la secuencia de apilamiento para minimizar efectos de acoplamiento y garantizar una distribucion de esfuerzos homogenea por todo el laminado.
Regla 6, agrupamiento maximo: El maximo numero de capas agrupadas entre si en la misma direccion esta limitado. Este numero maximo depende del grosor de las capas, utilizando el menor de: nmax. = 4 capas o tmax = 1,0 mm. Sin embargo se recomienda un maximo de tres capas. En casos en los que el laminado es especialmente grueso, y de acuerdo con el esfuerzo y la fabrication, nmax puede incrementarse.
Regla 7, Mejorar el comportamiento de pandeo: En el caso de cargas de compresion, situar capas en la direccion de 0° lo mas lejos posible de la lmea de simetria incrementa el pandeo permisible.
Se toman estas secuencias de apilamiento que verifican las reglas previas: [90/0/0/0/45/135/0/0/0/135/45/0/0/90/0/0/135/45/0/0/0/45/135/0/0/0/90] para el laminado interior del cuerpo interior (2) y [45/135/0/0/90/0/0/90/0/0/0/90/0/0/90/0/0/135/45] para el laminado exterior del cuerpo exterior (1).
En una realization mas preferida de la invention, para incrementar el efecto de un recorrido de carga independiente, una capa de peKcula de protection (no se muestra en las figuras) puede utilizarse tambien entre el cuerpo interior (2) y la lamina de cobre (4). Esta peKcula de proteccion no se ha considerado en el dimensionamiento.
La lamina de cobre (4) debe estar en contacto con las inserciones metalicas exteriores (5), para proporcionar la continuidad electrica entre las mismas. Con el fin de garantizar la conductividad correcta entre ellas, una resina epoxidica densamente cargada especial rellena de microparriculas altamente conductivas, como Kembond Epoxy SE-002 producida por Kemtron Ltd., se utiliza en otra realizacion de la invencion. Este tipo de resinas estan ya disponibles en el mercado y se ha probado su conductividad electrica. La lamina de cobre (4) puede depositarse seca y despues se aplica la resina, o simplemente esta impregnada previamente sobre la misma.
Finalmente, para ir un paso mas alla en la optimization, en una ultima realizacion, se propone usar un material mejor y elegir el parametro geometrico mas conveniente para el dimensionamiento. Como se el vastago descrito esta probado, se usa el diametro exterior actual como entrada. Para el material, se considera una combination de fibra de modulo elevado tal como M46JB-6000 de Toray Industries Inc. y una resina tipica tal como HexFIow® RTM6-2 de Hexcel Corporation. Aplicando la regla de mezclas, (asumiendo un contenido en volumen de fibra de = 60%) se obtiene un modulo de Young para la
unica capa de £l = 262,76 GPa y un modulo de Young para el laminado de E = <P® ’ £|| =
157656,00 MPa. Suponiendo que el grosor de la unica capa de este material es t = 0,2 mm, se prefieren 12 capas (7 de ellas a 0°) para el laminado exterior del cuerpo exterior (1), y se necesitan 16 capas (10 de ellas a 0°) para el laminado interior del cuerpo interior (2). Con estos grosores y la densidad proporcionada por la regla de mezclas, el peso de la estructura es de 674,4 g, solo un 41% del peso de la estructura metalica original. Con este vastago se obtiene un valor excelente de ahorro de peso del 59%.
Otro aspecto de la invencion es proporcionar un metodo de fabricacion de una fase. Una realizacion de este metodo comprende una etapa adicional, antes de colocar el material conductor (4), de colocar una peKcula de proteccion sobre el cuerpo interior (2), siendo la peKcula de proteccion tal como se ha explicado anteriormente.
5
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15
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35
40
45
Aun otro aspecto de la invention proporciona una herramienta para la fabrication de los vastagos descritos. Una realization particular de esta herramienta comprende al menos dos espigas con el fin de facilitar la transferencia del movimiento de la maquina al mandril central (8). La figura 8 muestra una realizacion de la herramienta en la que se distinguen partes diferentes: mandril central (8), partes de corona (9), manguitos roscados (10), herramientas de extremo (11). La figura 8A muestra una vista en despiece ordenado en perspectiva de la herramienta entera. La figura 8B muestra una vista lateral en la que pueden distinguirse partes diferentes de la herramienta ensamblada. En esta figura, cuando el enrollado se realiza sobre la herramienta, las partes de corona hacen que el enrollado sea mas ancho en el centro del vastago interior que en los bordes.
Para mostrar un ejemplo de como se extraen las partes de corona (9) de la estructura entera una vez que el vastago se ha curado en el horno, se muestra en la figura 9 la primera parte del proceso cuando se desensambla una parte de corona (9). La figura 9 muestra el proceso de desensamblaje de los elementos de la herramienta a partir de una vista en section transversal del vastago. Con el fin de facilitar el desensamblaje y el desmoldeo, un agente de desmoldeo puede utilizarse en una realizacion durante el ensamblaje. Con el mismo fin, el mandril central (8) no debe ser cilmdrico sino conico, y de algun modo debe definirse claramente el lado desde el que deben desensamblarse las partes (un diseno a prueba de manipulaciones inexpertas). Este concepto conico impedira la instalacion de las inserciones metalicas incorrectas (5, 7) (inserciones con el sentido del roscado incorrecto) en el lado incorrecto del vastago. La figura 9A muestra una vista en seccion transversal del comienzo del proceso con todas las partes de corona (9) ensambladas, pero con el mandril central (8) retirado. La figura 9B muestra una vista en seccion transversal de la primera parte de corona (9) desensamblandose de las demas. En estas vistas en seccion transversal, se muestran el cuerpo exterior (1), el cuerpo interior (2), el material conductor (4), y una lengueta integrada (6).
Ademas, en otra realizacion, el mandril central (8) esta dotado de al menos una ranura (8.1) y al menos una de las partes de corona (9) esta dotada de al menos un saliente (9.1) que se ajusta en la ranura
(8.1) , de modo que la rotation del mandril central (8) se transmite a esa parte de corona (9) y esa parte de corona (9) empuja todas las demas partes de corona sin salientes (9.1). En otra realizacion preferida, el mandril central (8) esta dotado de muchas ranuras ligeramente conicas (8.1) como partes de corona (9), distribuidas uniformemente, y cada parte de corona (9) esta dotada de un saliente ligeramente conico
(9.1) que se ajusta en una ranura (8.1). Este concepto de ranura (8.1) y saliente (9.1) permite la transmision del movimiento rotacional del mandril central (8) a las partes de corona (9), mientras que la forma conica tanto de las ranuras (8.1) como de los salientes (9.1) permite el ensamblaje previo apropiado de la herramienta impidiendo que se caigan las partes de corona (9) en la position mas baja, pero permitiendo la retirada del mandril central (8) deslizandolo a lo largo de la direction paralela a la direction de la herramienta.
Finalmente las figuras 10 y 11 muestran un ejemplo de como la herramienta para fabricar el vastago se coloca en la estructura entera formando el conjunto herramienta-vastago. Una vez que el vastago se ha curado en el horno, este conjunto entero de la herramienta se desensambla del vastago acabado. La figura 10 muestra el conjunto herramienta-vastago en el momento de fabricar el vastago en una vista en seccion transversal del vastago. La figura 11 es la vista detallada de la parte E de la figura 10. En este detalle el diametro interior del cuerpo interior (2) es mayor en el centro que en los bordes, pero en esta realizacion la insertion metalica interior (7) se coloca justo encima del comienzo de las partes de corona (9). Tambien puede verse que en esta realizacion, los manguitos roscados (10) de la herramienta son huecos y las herramientas de extremo (11) se situan dentro de los manguitos roscados (10).

Claims (14)

  1. 5
    10
    15
    20
    25
    30
    35
    40
    45
    50
    55
    Reivindicaciones
    1. Vastago de material compuesto para mantener separados dos elementos una distancia determinada, soportando las cargas entre ellos, en el que el vastago comprende:
    • dos cuerpos huecos, un cuerpo exterior (1) y un cuerpo interior (2), pudiendo cada uno de los dos cuerpos resistir las cargas, proporcionando una carga de doble recorrido,
    • dos extremos de vastago (3), uno en cada extremo de la estructura constituida por los dos cuerpos (1,2),
    • siendo el diametro interior del cuerpo interior sustancialmente mayor en el centro de la estructura que en los bordes,
    caracterizado porque:
    • los dos cuerpos estan hechos de una estructura de material compuesto, y
    • entre los dos cuerpos el vastago comprende un material conductor (4), preferiblemente al menos una capa de lamina de cobre.
  2. 2. Vastago segun la reivindicacion 1, caracterizado porque el ensamblaje entre los cuerpos (1,2) y sus extremos (3) es de rosca doble, en el que
    • el vastago comprende inserciones metalicas exteriores (5) en el cuerpo exterior, y
    • las inserciones metalicas exteriores (5) estan en contacto con el material conductor (4).
  3. 3. Vastago segun la reivindicacion 2, caracterizado porque las inserciones metalicas exteriores (5) proporcionan lenguetas integradas (6) para conectar con puentes de conexion conductores, preferiblemente hechos de cobre.
  4. 4. Vastago segun una cualquiera de las reivindicaciones 2 a 3, en el que el cuerpo interior (2) comprende inserciones metalicas interiores (7).
  5. 5. Vastago segun una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque los extremos de vastago (3) son metalicos o estan hechos de material compuesto.
  6. 6. Vastago segun una cualquiera de las reivindicaciones 2 a 5, caracterizado porque las inserciones metalicas (5, 7) se conforman para evitar el efecto de extraccion/traccion y estan hechas preferiblemente de titanio, y la estructura de material compuesto de los cuerpos (1, 2) comprende al menos un grosor adicional en el area de las inserciones.
  7. 7. Vastago segun una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque la estructura de material compuesto comprende un laminado casi isotropico.
  8. 8. Vastago segun una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, que comprende ademas una capa de peKcula de liberation entre el cuerpo interior y el material conductor.
  9. 9. Vastago segun una cualquiera de las reivindicaciones 2 a 8, que comprende una resina epoxidica densamente cargada especial rellena de micropartfculas altamente conductivas, preferiblemente Kembond Epoxy SE-002, para establecer contacto entre el material conductor (4) y las inserciones metalicas exteriores (5).
  10. 10. Vastago segun una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque la estructura de material compuesto comprende un laminado con el 60% de las fibras siguiendo una orientation de 0° y el cuerpo exterior comprende 19 capas.
  11. 11. Vastago segun la reivindicacion 10, caracterizado porque el laminado casi isotropico para el cuerpo exterior comprende 19 capas, y el laminado casi isotropico para el cuerpo interior comprende 27 capas.
  12. 12. Vastago segun una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque la estructura de material compuesto comprende una fibra de modulo elevado que proporciona a la estructura entera un modulo de Young de 157656,00 MPa, estando el vastago constituido por 12 capas para el cuerpo exterior (1) y 16 capas para el cuerpo interior (2).
  13. 13. Metodo de fabrication de una fase para obtener una estructura de vastago hueco, comprendiendo el metodo las siguientes etapas:
    • enrollar filamentos de un cuerpo interior (2) sobre un mandril,
    • colocar entre el cuerpo interior (2) y el cuerpo exterior (1) un material conductor (4), preferiblemente al menos una capa de lamina de cobre,
    • enrollar filamentos de un cuerpo exterior (1) sobre el cuerpo interior (2),
    • enrollar una cinta termocontraible sobre los dos cuerpos (1,2), y
    • curar en un horno la estructura resultante.
  14. 14. Metodo segun la reivindicacion 13, comprendiendo el metodo ademas una etapa adicional, antes de colocar el material conductor (4), de colocar una peKcula de protection sobre el laminado del cuerpo interior (2).
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