ES2603853T3 - Membrana para la fabricación de piezas compuestas - Google Patents

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ES2603853T3 ES08012344.1T ES08012344T ES2603853T3 ES 2603853 T3 ES2603853 T3 ES 2603853T3 ES 08012344 T ES08012344 T ES 08012344T ES 2603853 T3 ES2603853 T3 ES 2603853T3
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Abstract

Un sistema de fabricación (200) para la laminación de una pluralidad de láminas de fibra (210) que comprende: una herramienta (202) que tiene una superficie de moldeo (204); una membrana que tiene una parte de superficie exterior (470) configurada para mirar a la lámina de compuesto sobre la superficie de moldeo, teniendo la parte de superficie exterior una textura irregular; y una capa de separación (230) dispuesta para actuar como separador entre las láminas de fibra y la membrana.

Description

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DESCRIPCION
Membrana para la fabricacion de piezas compuestas Campo tecnico
La siguiente descripcion se refiere en general a la fabricacion de piezas compuestas y, mas particularmente, a un sistema para la laminacion de materiales de resina reforzada con fibra sobre herramientas hembra.
Antecedentes
Los materiales de resina reforzada con fibra, o “materiales compuestos” como son conocidos comunmente, ofrecen un cierto numero de ventajas sobre los materiales metalicos convencionales incluyendo la elevada relacion resistencia a peso y la buena resistencia a la corrosion. Los materiales compuestos convencionales incluyen tipicamente vidrio, carbon o fibras de poliaramida en configuraciones tejidas y/o no tejidas. En la etapa de material en bruto, las fibras se pueden impregnar previamente con resina o mantener secas. Si estan secas, las fibras se pueden infundir con resina despues de depositadas sobre una superficie del molde. Se puede aplicar calor y/o presion a las fibras impregnadas con resina sobre la superficie del molde para curar la resina y endurecer el laminado con la forma del molde. El calor y la presion se pueden aplicar con un horno, una autoclave, una herramienta de formacion plana o contorneada calentada o una combinacion de metodos incluyendo el uso de una bolsa de vacm.
Se puede dar forma a las piezas compuestas de la manera anterior tanto con herramientas macho como hembra. Con la herramienta macho, las laminas de fibras se aplican a una superficie del molde exterior que forma una lmea de moldeado interior de la pieza. La adicion de laminas a la disposicion sobre la herramienta macho incrementa el grosor de la pieza y cambia la lmea de moldeado exterior, pero la lmea del moldeado interior permanece sin cambios. A la inversa, con herramientas hembra, las laminas de fibras se aplican a una superficie de molde interior que forma una lmea de moldeado exterior de la pieza. La adicion de laminas a la disposicion sobre la herramienta hembra incrementa el grosor de la pieza y cambia la lmea de moldeado interior, pero la lmea del moldeado exterior permanece sin cambios.
Las herramientas hembras son deseables cuando la superficie de adaptacion se situa en el exterior de una pieza debido a que las herramientas hembra permiten que la lmea de moldeado exterior (es decir, la superficie exterior) se ajuste de modo controlado. Las herramientas hembras (tambien conocidas como “herramientas de lmea de moldeado exterior”) son tambien deseables cuando se realizan piezas multiples que tienen las mismas dimensiones externas pero diferentes grosores. Los fuselajes de los aviones, por ejemplo, tienen frecuentemente multiples marcos con la misma dimension externa pero diferentes grosores. En esta situacion, todos los marcos se pueden realizar con una unica herramienta hembra debido a que la herramienta permite que el grosor se vane sin cambiar las dimensiones externas. Si un crecimiento futuro de la aeronave requiere un engrosamiento adicional de los marcos, esto se puede conseguir sin cambiar las herramientas. Por el contrario, si se usara una herramienta macho, se requerina una herramienta separada para cada grosor de marco diferente.
Un problema que surge cuando se fabrican piezas compuestas con herramientas hembra, sin embargo, es que las laminas de fibra tienden a puentear y/o a arrugarse a traves del radio sobre la superficie del molde. La figura 1, por ejemplo, ilustra una vista del extremo de la seccion transversal del material de fibra 110 dispuesto sobre una parte de una herramienta hembra 102 de acuerdo con la tecnica anterior. La herramienta hembra 102 incluye una superficie de moldeo interior 104 que tiene una primera zona lateral 103 separada de una segunda zona 105 por una zona de radio 106. Se situa una bolsa de vacfo 120 sobre el material de fibra 110 y se evacua para comprimir el material de la fibra 110 contra la superficie del molde 104. Cuando la bolsa de vacm 120 esta siendo vaciada, la presion del aire exterior presiona el material de la fibra 110 firmemente contra las zonas laterales 103 y 105, resistiendo el movimiento del material de la fibra 110 en el interior de la zona del radio 106. Esta resistencia hace que el material de la fibra 110 se puentee a traves de la zona del radio 106, reduciendo de ese modo la densidad de la fibra en esta zona. La reduccion de la densidad de la fibra en esta zona puede comprometer la integridad estructural de la pieza acabada.
El documento FR 2771 332 describe una disposicion de moldeo que tiene un molde ngido exterior, un molde de nucleo plegable y un molde de conformado interior ngido.
El documento US 4416 170 describe un metodo para la produccion de la membrana de acero en donde una membrana de acero para la formacion de paneles de madera se chorrea con arena para poner rugosa la cara de contacto.
Sumario
De acuerdo con un aspecto de la presente invencion se proporciona en ella un sistema de fabricacion de acuerdo con las reivindicaciones adjuntas. Una membrana configurada de acuerdo con un aspecto de la invencion incluye
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una parte base situada entre una primera y una segunda partes de esquina. El termino “membrana” se usa a todo lo largo de la presente descripcion para referirse ampliamente a un dispositivo o pieza de material configurado para aplicar presion en la laminacion. La parte base de la membrana tiene una forma curvada cuando esta en un estado relajado, pero se mueve a una forma mas plana cuando se somete a una presion durante la laminacion. El aplanado de la parte base en esta forma hace que la segunda y la primera partes de esquina se muevan hacia el exterior y separandose de la parte base.
Un sistema para la fabricacion de un laminado incluye una herramienta que tenga una superficie de moldeo configurada para soportar el laminado. La superficie de moldeo puede incluir una zona lateral situada entre una primera y una segunda zonas de transicion. El sistema puede incluir adicionalmente una membrana configurada para aplicar presion al laminado sobre la superficie de moldeo. La membrana puede incluir una parte base curvada situada entre una primera y una segunda partes de esquina. La presion de la parte base de la membrana hacia la zona lateral de la superficie de moldeo hace que la parte base se aplane y dirija a la primera y a la segunda partes de esquina hacia el exterior hacia la primera y segunda zonas de transicion, respectivamente, de la superficie de moldeo.
Breve descripcion de los dibujos
La Figura 1 es una vista del extremo de la seccion transversal de un sistema de la tecnica anterior para la laminacion de material de fibra sobre una herramienta hembra.
La Figura 2 es una vista isometrica en despiece de un sistema para la laminacion de material sobre una herramienta hembra, esta realizacion no es parte de la presente invencion.
Las Figuras 3A-3D incluyen vistas isometricas y del extremo de la seccion transversal que ilustran varias etapas en un metodo para la fabricacion de una pieza laminada. Esta realizacion no es parte de la presente invencion.
La Figura 4 son vistas isometricas de la membrana para aplicar presion en la laminacion de acuerdo con una realizacion de la invencion
Descripcion detallada
La siguiente descripcion describe aparatos, sistemas y varios metodos para la fabricacion de piezas compuestas. Ciertos detalles se exponen en la descripcion a continuacion y en las Figuras 2A-3 para ayudar a comprender la invencion, pero no es parte de la presente invencion. No se exponen sin embargo otros detalles que describen estructuras y sistemas bien conocidos, asociados frecuentemente con piezas compuestas y la fabricacion de piezas compuestas, para evitar oscurecer innecesariamente la descripcion de las varias realizaciones de la invencion.
Muchos de los detalles, dimensiones, angulos y otras caractensticas mostradas en las figuras son meramente ilustrativos de realizaciones particulares de la invencion. En consecuencia, otras realizaciones pueden tener otros detalles, dimensiones, angulos y caractensticas sin separarse del alcance de la presente invencion. Ademas, se pueden poner en practica realizaciones adicionales sin varios de los detalles descritos a continuacion.
En las figuras, los numeros de referencia identicos identifican elementos identicos o al menos similares en general. Para facilitar la explicacion de cualquier elemento particular, la cifra o las cifras mas significativas de cualquier numero de referencia se refieren a la figura en la que ese elemento se introduce en primer lugar. Por ejemplo, el elemento 230 se introduce y se explica en primer lugar con referencia a la Figura 2.
La Figura 2 es una vista isometrica en despiece de un sistema de fabricacion 200 para la laminacion de una pluralidad de laminas de fibra 210. En un aspecto de esta realizacion, el sistema de fabricacion 200 incluye una herramienta hembra 202 que tiene una superficie de moldeo 204 configurada para soportar las laminas de fibra 210 durante la laminacion. La superficie de moldeo 204 puede incluir una primera zona lateral 203 separada de una segunda zona lateral 205 por una primera zona de transicion 206a, y una tercera zona lateral 207 separada de la segunda zona lateral 205 por una segunda zona de transicion 206b. En la realizacion ilustrada, las zonas de transicion 206 incluyen superficies que definen un radio interno. En otras realizaciones, sin embargo, las zonas de transicion 206 pueden tener otras formas sin separarse del alcance de la presente invencion. Tales formas pueden incluir, por ejemplo, superficies biseladas, superficies parcialmente biseladas y superficies curvadas que tienen componentes elfpticos, ovales y otros curvados.
En otro aspecto de esta realizacion, el sistema de fabricacion 200 puede incluir ademas una capa de separacion 230, un medio o medios de circulacion 240 y una membrana 250. La capa de separacion 230 actua como separador entre las laminas de fibra 210 y el medio de circulacion 240. Varios materiales conocidos en la tecnica son adecuados para esta finalidad, incluyendo materiales que no se mezclan con epoxis y otras resinas tales como el etileno propileno fluorado (FEP), polietileno de alta densidad (PE) y nailon.
El medio de circulacion 240 puede tener una textura superficial irregular que facilite la difusion de la resina a traves de las laminas de fibra 210 cuando se apilan las laminas entre la membrana 250 y la superficie del molde 204. En una realizacion, por ejemplo, el medio de circulacion 240 puede incluir una pluralidad de ranuras formadas sobre una superficie exterior. En otra realizacion, el medio de circulacion puede incluir una pluralidad de crestas dispuestas en
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una rejilla u otro patron. En realizaciones adicionales, el medio de circulacion 240 se puede formar a partir de tramas, mallas, tejidos y otros materiales perforados. Estas realizaciones de un medio de circulacion 240 se pueden fabricar a partir de varios materiales incluyendo polipropileno, polietileno, nailon, poliester, termoplasticos y polivinilo de cloruro.
La membrana 250 es una herramienta de ayuda que tiene una parte base 253 situada entre una primera parte de esquina 252a y una segunda parte de esquina 252b. En la realizacion ilustrada, la parte base 253 incluye una parte de tela curvada o combada que se extiende entre las dos partes de esquina 252. En otras realizaciones, la membrana 250 puede tener otras formas, incluyendo otras formas mas lineales. Por ejemplo, en otra realizacion la parte base 253 puede tener una forma de V invertida, o una forma de V parcialmente invertida.
La parte base 253 se configura para ser colocada proxima a la segunda zona lateral 205 de la superficie del molde 204. La primera parte de esquina 252a se configura para situarse proxima a la primera zona de transicion 206a de la superficie del molde 204 y la segunda parte de esquina 252b se configura para estar proxima a la segunda zona de transicion 206b. Una vez que se ha colocado la membrana 250 sobre la herramienta 202 en la forma precedente, se puede colocar la capa de sellado 220 sobre la herramienta 250 y vaciarla. Como se explica con mas detalle a continuacion, la presion resultante aplana la parte base 253 contra las laminas de fibra 2l0 y presiona las laminas contra la superficie del molde 204. En otras realizaciones, se pueden usar otros tipos de presion, por ejemplo, presion mecanica y/o manual para aplanar la parte base 253 contra las laminas de fibra 210.
La membrana 250 se puede fabricar de cualquier numero de materiales adecuados que se flexionen bajo presion externa. Tales materiales pueden incluir materiales que se comporten elasticamente a traves de un intervalo de flexiones. En una realizacion, por ejemplo, la membrana 250 se puede formar a partir de chapas metalicas, tales como acero inoxidable. En otra realizacion, la membrana 250 se puede formar a partir de materiales termoplasticos usando un proceso de moldeado por rotacion, un proceso de formacion en vacfo y/u otros procesos conocidos. Una ventaja del uso de materiales termoplasticos es que se forman muy facilmente y son relativamente baratos. Como resultado, la membrana 250 se puede desechar despues de un unico uso sin incurrir en costes significativos.
El sistema de fabricacion 200 se puede usar para laminar laminas de fibra que esten inicialmente secas o impregnadas previamente con resina. Si las laminas de fibra 210 estan secas inicialmente, entonces el sistema de fabricacion 200 puede incluir un sistema de infusion de resina 260 para infundir las laminas 210 con resina despues de que las laminas 210 se hayan dispuesto sobre la superficie del molde 204 en, por ejemplo, una “preforma”. En esta realizacion, el sistema de infusion de la resina 210 puede incluir un deposito de relleno de resina 262 y un deposito de drenaje de resina 264 (mostrados esquematicamente en la Figura 2 y no a escala). Como se describe con mayor detalle a continuacion, la resina desde el deposito de llenado 262 fluye al interior de las laminas 210 por medio de un canal de difusion de entrada perforado 266 situado hacia un lado de la herramienta hembra 202. La resina en exceso fluye a continuacion afuera de las laminas 210 y al deposito de drenaje 264 por medio de un canal de difusion de salida perforado 268 situado hacia un lado opuesto de la herramienta hembra 202.
Las Figuras 3Ay 3B son vistas isometricas y las Figuras 3C y 3D son vistas del extremo de la seccion transversal, que ilustran varias etapas de un metodo para la fabricacion de una pieza compuesta con el sistema de fabricacion 200 descrito anteriormente con referencia a la Figura 2. Con referencia primero a la Figura 3A, esta vista muestra las laminas de fibra 210 despues de que se hayan dispuesto sobre la superficie del molde 204 de la herramienta hembra 202. En la Figura 3B, la capa de separacion 230 se tiende sobre las laminas de fibra 210 y el medio de circulacion 240 se tiende a su vez sobre la capa de separacion 230. A continuacion, se situa la membrana 250 sobre el medio de circulacion 240 de modo que la parte base 253 se situe proxima a la segunda zona lateral 205 de la superficie del molde 204 y la primera y segunda zonas de esquina 252a y 252b se situen proximas a la primera y segunda zonas de transicion 206a y 206b, respectivamente. Con referencia a continuacion a la Figura 3C, la capa de sellado 220 se tiende sobre la membrana 250 y se sella alrededor del exterior de la herramienta 202 usando un metodo adecuado conocido en la tecnica. A continuacion, el espacio bajo la capa de sellado 220 se evacua para comprimir la membrana 250 contra las laminas de fibra 210.
La Figura 3D ilustra el sistema de fabricacion 200 despues de que se haya evacuado la capa de sellado 220. Como se muestra, la presion externa resultante hace que la parte base 253 de la membrana 250 flexione hacia abajo comprimiendo las laminas de fibra 210 contra la segunda zona lateral 205 de la superficie del molde 204. La flexion de la parte base 253 hacia abajo en esta forma impulsa a las partes de esquina 252 exteriormente hacia las zonas de transicion correspondientes 206 de la superficie del molde 204. Las partes de esquina 252 presionan las laminas de fibra 210 al interior de las zonas de transicion 206 con suficiente fuerza para impedir que la fibra puentee y/o se arrugue en estas areas. Por ello, el uso de la membrana 250 en la forma precedente puede ayudar a asegurar que la pieza acabada tenga una densidad de fibra/resina suficiente en las zonas de transicion.
Como se ha mencionado anteriormente, el sistema de fabricacion 200 se puede usar en un cierto numero de diferentes realizaciones para laminar tanto laminas de fibra impregnadas previamente como laminas de fibra que estan secas inicialmente. Si se usan laminas impregnadas previamente, entonces no hay necesidad de infundir las laminas con resina despues de que se hayan compactado contra la superficie del molde 204 como se ha descrito anteriormente. En tales realizaciones, las laminas de fibra 210 se pueden curar despues del compactado mediante la
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aplicacion de calor y/o presion en un horno o autoclave adecuado.
Alternativamente, las laminas de fibra 210 estan inicialmente secas, a continuacion se puede infundir la resina en las laminas en la etapa de preformacion usando un numero de metodos diferentes. En un metodo, por ejemplo, las laminas de fibra 210 se comprimen primero contra la superficie del molde 204 como se ha descrito anteriormente con referencia a las Figuras 3A-3D. A continuacion, se cierra una valvula 260 y se vada el deposito de drenaje de resina 264 hasta una primera presion Pi de, por ejemplo, desde aproximadamente 0 kPa (0 psia) hasta aproximadamente 13,79 kPa (2 psia). El deposito de llenado de resina 262 se mantiene a una segunda presion P2 de, por ejemplo, aproximadamente la presion ambiente, esto es, aproximadamente 101,35 kPa (14,7 psia). Se abre entonces la valvula 260 y la presion diferencial entre el deposito de drenaje 264 y el deposito de llenado 262 hace que la resina fluya desde el deposito de llenado 262 al interior de las laminas de fibra comprimidas 210 (es decir, dentro de la “preforma”) por medio del canal de difusion de entrada 266. Despues de que la resina se haya difundido a traves de las laminas de fibra 210, fluye al interior del deposito de drenaje 264 a traves del canal de difusion de salida 268.
Una desventaja potencial de hacer fluir la resina dentro de las laminas de fibra 210 en la forma precedente es que la presion de la resina en las laminas 210 tiende a igualarse con la presion externa una vez que las laminas 210 estan saturadas. Como resultado, solamente la presion externa puede ser insuficiente para comprimir adecuadamente las laminas de fibra 210 durante el curado. Una forma de evitar este problema es usar un dispositivo mecanico suplementario (no mostrado) para aplicar una fuerza externa a la membrana 250 despues de la infusion de resina y durante el curado. Otro enfoque es volver a evacuar la capa de sellado 220 despues del proceso de infusion de la resina.
Otro procedimiento mas para evitar el problema de igualacion de la presion descrito anteriormente es mantener el deposito de llenado de resina 262 a una presion de vacfo parcial durante el proceso de difusion de la resina, en lugar de dejar que llegue a la presion ambiente. Por ejemplo, en una realizacion, el deposito de llenado 262 se puede mantener a una presion de vacfo parcial de aproximadamente media atmosfera, por ejemplo, aproximadamente 48,26 kPa (7 psia) mientras que el deposito de drenaje de resina 264 se puede evacuar inicialmente a, por ejemplo, desde aproximadamente 0 kPa (0 psia) a aproximadamente 13,79 kPa (2 psia). En esta forma, las laminas de fibra 210 tendran una presion externa neta de aproximadamente 48,26 kPa (7 psia) ejercida sobre ellas despues del proceso de fusion de la resina y durante el curado.
Las diversas presiones del deposito de llenado y de drenaje descritas anteriormente se proporcionan a modo de ejemplo. En otras realizaciones, una o mas de estas presiones y/o una o mas de los diferenciales de presion resultantes, pueden diferir de los descritos anteriormente sin separarse del alcance de la presente invencion.
Los metodos adecuados para infundir los pliegues de fibra con resina se describen en detalle en la Solicitud de Patente de Estados Unidos pendiente junto con la presente N° de Serie 10/465.725, titulada “Controlled Atmospheric Pressure Resin Infusion”, presentada el 28 de mayo de 2003 como la solicitud PCT, PCT/US03/16794.
Ademas, varios dispositivos mecanicos, neumaticos y/o hidraulicos para la aplicacion de presion a las laminas de material durante la laminacion se describen en la Solicitud de Patente de Estados Unidos pendiente junto con la presente N° de Serie [Archivo del Representante N° 03004.8141 US00], titulada “Methods and Systems for Manufacturing Composite Parts with Female Tools”, presentada el 26 de julio de 2004.
La Figura 4 es una vista isometrica de una membrana 450 configurada de acuerdo con una realizacion de la invencion. Varios aspectos de la membrana 450 pueden ser al menos en general similares en estructura y funcion a la membrana 250 descrita anteriormente con referencia a las Figuras 2-3D. En un aspecto de esta realizacion particular, sin embargo, la membrana 450 incluye una parte exterior 470 que tiene una textura superficial irregular (es decir, no suave). Por ejemplo, en la realizacion ilustrada, la parte exterior 470 incluye una pluralidad de crestas 472 dispuestas en un patron de rejillas. En otra realizacion, la parte exterior 470 puede incluir una pluralidad de ranuras dispuestas en un patron de rejilla u otro. En realizaciones adicionales, la parte exterior 470 puede incluir otras caractensticas que le den una textura superficial irregular. Tales caractensticas pueden incluir, por ejemplo, bultos, canales, picos, nervaduras, perforaciones, etc.
Una caractenstica de la membrana 450 es que las crestas 472 pueden facilitar la difusion de la resina a traves de las laminas de fibra comprimidas en una forma similar al medio de circulacion 240 descrito anteriormente con referencia a la Figura 2. Una ventaja de esta caractenstica es que el medio de circulacion 240 se puede omitir cuando se lamina con la membrana 450 en ciertas realizaciones. La omision del medio de circulacion puede reducir el coste y simplificar el proceso de fabricacion.
A partir de lo precedente, se apreciara que se han descrito en el presente documento realizaciones espedficas de la invencion con propositos de ilustracion, pero que se pueden realizar varias modificaciones sin desviarse del alcance de la invencion. Por ejemplo, se pueden combinar o eliminar aspectos de la invencion descritos en el contexto de realizaciones particulares en otras realizaciones. Adicionalmente, aunque se han descrito ventajas asociadas con ciertas realizaciones de la invencion en el contexto de esas realizaciones, otras realizaciones pueden exhibir tambien tales ventajas y ninguna realizacion tiene necesariamente que exhibir tales ventajas para caer dentro del
alcance de la invencion. En consecuencia, la invencion no esta limitada, excepto por las reivindicaciones adjuntas.

Claims (3)

  1. REIVINDICACIONES
    1. Un sistema de fabricacion (200) para la laminacion de una pluralidad de laminas de fibra (210) que comprende:
    5 una herramienta (202) que tiene una superficie de moldeo (204);
    una membrana que tiene una parte de superficie exterior (470) configurada para mirar a la lamina de compuesto
    sobre la superficie de moldeo, teniendo la parte de superficie exterior una textura irregular; y
    una capa de separacion (230) dispuesta para actuar como separador entre las laminas de fibra y la membrana.
    10 2. El sistema de la reivindicacion 1 en el que la parte de superficie exterior de la membrana incluye una pluralidad de
    ranuras.
  2. 3. El sistema de la reivindicacion 1 en el que la parte de superficie exterior de la membrana incluye una pluralidad de crestas (472).
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  3. 4. El sistema de la reivindicacion 1, en el que la membrana comprende adicionalmente una parte de base no plana, en el que la parte de superficie exterior se forma sobre la parte de base no plana.
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