ES2608817T3 - Método de fabricación de largueros conformados de material compuesto - Google Patents

Método de fabricación de largueros conformados de material compuesto Download PDF

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Abstract

Un método para rigidizar un panel de material compuesto (150) con un larguero (300), comprendiendo el método: determinar la ubicación y separación de largueros sobre un panel de material compuesto s rigidizar; situar el panel de material compuesto sobre una herramienta en línea con el molde exterior (200); colocar sobre el panel de material compuesto, en posiciones a separaciones determinadas, mandriles conformados (120) que conforman una forma de los largueros a formar; preparar disposiciones de material compuesto para conformarse en largueros, donde las disposiciones son láminas de cinta; colocar una disposición preparada de material compuesto sobre cada uno de los mandriles; encerrar al menos el panel de material compuesto y disponer los mandriles cubiertos con una bolsa de vacío; consolidar los largueros al panel de material compuesto bajo calor y presión sin utilizar ninguna lámina de recubrimiento o paneles de recubrimiento para ayudar al co-curado de los largueros al panel de material compuesto; y producir un panel de material compuesto reforzado donde cada uno de los largueros comprende un par de lados (304) del larguero que se extienden cada uno desde una parte superior (302) del larguero hasta una pata (308) del larguero, extendiéndose cada lado (304) y (302) del larguero hasta la pata (308) del larguero.

Description

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DESCRIPCION
Metodo de fabricacion de largueros conformados de material compuesto Campo de la invencion
Las realizaciones descritas en la presente memoria se refieren, en general, a la fabricacion de largueros de aeronaves, y mas particularmente se refieren a la fabricacion de largueros conformados de material compuesto.
Antecedentes
Las aeronaves incluyen, por lo general, un fuselaje, que se puede considerar como un esqueleto subyacente, al que se unen paneles superficiales para formar una superficie exterior aerodinamica lisa. Las alas incluyen tambien estructura subyacente cubierta con paneles superficiales. Normalmente, los paneles superficiales son ligeros y finos para minimizar el peso de la aeronave y aumentar su carga util y alcance. Dado que los paneles superficiales son finos son, por lo general, flexibles y requieren rigidizacion para evitar movimientos, flexiones y vibraciones indeseables durante el vuelo.
Los largueros de sombrero se han utilizados durante decadas en la industria aeroespacial para reforzar las secciones de fuselaje metalicas y las capas superficiales de ala de metal en aeronaves tanto comerciales como militares. Estos largueros se forman de un panel metalico fino con angulos agudos que resultan en una forma trapezoidal. Se utilizan tecnicas de conformacion de metal relativamente simples para doblar el metal a los angulos agudos requeridos para esta forma. Estas tecnicas de conformacion de metal incluyen la conformacion en plegadora o laminacion del metal en la forma del larguero de sombrero. Estas tecnicas permiten la produccion de largueros de sombrero con curvas angulares ajustadas y constantes y patas rectas o planas. En la Figura 1, por ejemplo, un larguero de sombrerero 10 se fija a un panel superficial 20 del fuselaje mediante una serie de sujeciones 25 (dos mostradas) que se fijan a intervalos a lo largo de la pata 16 del larguero de sombrero 10. El larguero de sombrero 10 es trapezoidal con una superficie superior plana 12 y lados inclinados 14 que forman un angulo con respecto a las patas 16, que estan sustancialmente alineadas con la superficie superior plana 12. La interseccion entre los lados 14 y las patas 16 puede caracterizarse como afilada, apretada o con un radio pequeno de curvatura.
Los materiales compuestos que incluyen una matriz de resina y una carga han encontrado una aplicacion creciente en la industria aeroespacial debido a su peso relativamente ligero y propiedades ffsicas favorables. Por lo general, las cargas pueden ser de refuerzo o sin refuerzo en naturaleza y pueden estar en una variedad de formas, por ejemplo, polvos, partfculas, cintas de fibras de fibras unidireccionales, telas tejidas y similares. Las resinas son materiales polimericos organicos que pueden incluir, por ejemplo, las resinas epoxi utilizadas habitualmente.
Puesto que los materiales compuestos (por ejemplo, fibra de carbono y resina de matriz epoxi) se han hecho mas frecuentes en la industria para paneles superficiales del fuselaje y de las alas, los largueros de sombrero siguen siendo populares por una variedad de razones. Por ejemplo, si bien los largueros de sombrero se pueden fabricar de una sola pila de material, otras formas menos comunes tales como refuerzos en forma de I, en forma de J o en forma de T requieren la combinacion de multiples pilas y cargas radiales.
Como los largueros que han pasado de materiales metalicos a materiales compuestos, la modificacion de la forma de los largueros de patas rectas y curvas cerradas de los largueros de sombrero no era una alta prioridad. Esto se debe en gran medida a que el rendimiento estructural de las formas de sombreros tradicionales se entiende bien y debido a que al crear herramientas en las que se pueden curar sombreros de material compuesto, las formas rectas o planas con detalles de radio relativamente pequenos son mas faciles de fabricar.
Los largueros de sombrero de material compuesto se utilizan ahora ampliamente en ciertas aeronaves de transporte comerciales. Un ejemplo de un proceso para la fijacion de largueros de material compuesto a una seccion de fuselaje se ilustra en la Figura 2. Un larguero de sombrero 10 descansa sobre la capa superficial del fuselaje que esta soportada por una lamina de recubrimiento semirngida 35. El interior del larguero de sombrero hueco 10 tiene una camara de aire de caucho hinchable36 y el exterior del larguero de sombrero 10 se cubre por una lmea de molde interior (IML). La camara de aire 36 se hincha mientras la herramienta IML proporciona presion externa sobre el larguero de sombrero 10. Por tanto, el larguero de sombrero 10 se consolida a la capa superficial 20 del fuselaje por la presion de la herramienta IML 30 (y la camara de aire 36) y el curado de la resina, mientras que la lamina de recubrimiento 35 controla el contorno de la capa superficial 20 del fuselaje.
Este metodo de fabricacion de IML requiere un rendimiento impecable de diversas etapas. Por ejemplo, el material compuesto se debe situar con precision en las cavidades de la herramienta IML para evitar huecos por encima o por debajo del relleno. Las camaras de aire deben hincharse durante el curado para aplicar presion de compactacion y curado. La lamina de recubrimiento debe ser lo suficientemente flexible como para tener en cuenta las variaciones en el espesor del material y/o la mala colocacion de las capas mientras que al mismo tiempo es suficientemente ngida para crear una superficie aerodinamica lisa.
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Un proceso de curado de OML (lmea de molde exterior) se muestra en la Figura 3. Estos paneles de recubrimiento 42, formados como los largueros de sombrero 10, ayudan a forzar el material compuesto en el radio durante el ciclo de curado y a alisar las irregularidades. Por tanto, la capa superficial 20 del fuselaje esta soportada por una herramienta en lmea con el molde exterior (OML) 32 y el larguero de sombrero 10 descansa sobre el fuselaje 20, con una camara de aire 36 en su interior. Un panel de recubrimiento 42 que se ajusta a la forma exterior del larguero de sombrero 10 descansa sobre el larguero 10. Una bolsa 40 envuelve al menos el panel de recubrimiento 42 y la superficie superior de la capa superficial 20 del fuselaje. Se introduce un vado en la bolsa 40 mientras que la camara de aire 36 se hincha y se aplica presion a traves de la herramienta de IML 32 para consolidar el larguero sombrero 10 al fuselaje a medida que la resina se cura para fijar la capa superficial de material compuesto del fuselaje al larguero de material compuesto 10. Este metodo de co-curado asistido por paneles de recubrimiento requiere la fabricacion y uso de cientos de herramientas maestras y recubrimientos de diseno unico, de alto mantenimiento asociados lo que impone una carga de costes significativa.
Por consiguiente, es deseable desarrollar metodos de fabricacion de largueros de material compuesto que simplifiquen los procesos y reduzcan los costes. Ademas, es deseable que los largueros de material compuesto tengan radios grandes para facilitar la conformacion del larguero fuera de una preforma de material compuesto. Ademas, las formas de los largueros deben actuar igual o mejor estructuralmente (por ejemplo, resistir el pandeo de las columnas y la flexion de cuatro puntos) que los sombreros de forma trapezoidal tradicionales cuando se fabrican con materiales compuestos. Ademas, existe la necesidad de metodos para fabricar largueros de material compuesto que tengan radios de curvatura lisos y suaves (mas grandes) cerca de la base de los largueros y que eliminen la necesidad de utilizar laminas de recubrimiento para ayudar al co-curado del larguero al panel. Adicionalmente, otros aspectos y caractensticas deseables de los largueros de material compuesto se pondran de manifiesto a partir de la siguiente descripcion detallada y de las reivindicaciones adjuntas, tomadas junto con los dibujos adjuntos y el campo tecnico y antecedentes anteriores.
El documento US 2006/0226287 describe un panel estructural para una aeronave. El panel comprende largueros de material compuesto compuestos fijados a una capa superficial de material compuesta. En una disposicion, los largueros tienen una seccion transversal generalmente en forma de sombrero con una superficie exterior que se curva suavemente. El documento WO2005/105402 describe un panel de aeronave formado por el co-curado de largueros de material compuesto a una capa superficial de material compuesto. Los largueros tienen una seccion transversal trapezoidal con bordes rectos que carecen de curvatura. Un mandril plegable que contiene un conjunto de tiras se proporciona dentro del larguero durante el conformado. Despues del curado, las tiras se extraen secuencialmente del mandril y se retira el mandril. El documento GB 1.522.432 se refiere a un elemento rigidizado con fibra de vidrio que despues de la laminacion presenta una forma hueca. Se utiliza un material elastico como un nucleo que se reduce en tamano cuando se somete a esfuerzos de traccion permitiendo de este modo que sea retirado de la parte interior de la estructura de fibra de vidrio endurecida.
Breve sumario
La presente invencion proporciona un metodo para rigidizar un panel de material compuesto con un larguero de acuerdo con la reivindicacion 1.
Breve descripcion de los dibujos
A continuacion se describiran diversas realizaciones en relacion con las siguientes figuras del dibujo, que no estan a escala y que pueden ser de naturaleza esquematica, en las que los numeros iguales designan elementos similares y
la Figura 1 es una vista en perspectiva de un larguero de sombrero de la tecnica anterior fijado a un panel superficial de la aeronave;
la Figura 2 es una vista esquematica de extremo que representa una tecnica anterior dentro de la lmea de molde que se dispone utilizando una camara de aire hinchable y una lamina de recubrimiento;
la Figura 3 es una vista esquematica de extremo de una lmea de molde exterior de la tecnica anterior que se dispone utilizando un panel de recubrimiento y una camara de aire interior;
la Figura 4 es una vista esquematica de una realizacion ejemplar de una disposicion utilizando una herramienta
de OML para fabricar un larguero conformado de material compuesto;
las Figuras 5-9 ilustran formas de larguero de material compuesto en una vista de extremo; y
la Figura 10 ilustra una realizacion ejemplar de un metodo para fabricar un panel rigidizado.
Descripcion detallada
Los ejemplos proporcionan estructura y consolidacion de larguero mejoradas con un panel a rigidizar. Al reconfigurar la forma del larguero de manera que se eliminen los radios estrechos, las realizaciones proporcionan una forma lisa con una curvatura de radio grande donde los lados del larguero se unen en las patas del larguero. Los lados del larguero pueden tener un punto de inflexion que es un punto de transicion suave. El material compuesto utilizado para formar el larguero se adapta naturalmente para conformar la forma lisa. El contorno es suficientemente suave y gradual (es decir, sin transiciones agudas ni radios estrechos) de modo que permite el uso de capas de cinta en
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lugar de tejido, lo que resulta en un ahorro de peso significativo. La integridad estructural se mantiene sin afectar el rendimiento del larguero.
Por lo general, en algunos de los ejemplos los largueros tienen lados que incluyen una zona intermedia que a su vez incluye un punto de inflexion donde la curvatura del lado del larguero transiciona suavemente de una curva convexa a una curva concava o de una curva concava a una curva convexa. El termino "suave" en relacion con la curvatura del larguero significa la transicion de una lmea recta a una curva en un punto tangente a la curva o de una curva a otra curva en un punto tangente mutuo. El termino "continuo" en lo que respecta a las curvas, significa que no hay discontinuidades en la curvatura lisa y sin curvas o curvas agudas. La zona intermedia se puede situar a lo largo del lado del larguero cerca del centro del larguero (con referencia a la altura del larguero) o cerca del extremo inferior o del extremo superior del lado del larguero. Las realizaciones ejemplares de los largueros son simetricas a cada lado de una lmea central vertical, como se muestra en las Figuras 5-9, por ejemplo, y como se describe a continuacion.
Las realizaciones ejemplares permiten que el tejido se adapte para conformarse a traves de su trayectoria natural basandose en su propia flexibilidad inherente. Esto simplifica el proceso de fabricacion. La cinta o tejido se aplica sobre un mandril de curado conformado sin necesidad de una operacion de preformacion del larguero, como se requiere para los radios estrechos del larguero de sombrero trapezoidal tradicional. El mandril de curado utilizado con estos largueros conformado especial se puede seleccionar a partir de una variedad de materiales y puede incluir, por ejemplo, un mandril de un material desprendible (es decir, espuma de baja densidad que elimina la necesidad de camaras de aire de hinchado), una camara de aire hinchable, o un mandril solido o hueco extrafble. Los mandriles de espuma se pueden seleccionar basandose en las propiedades de rendimiento espedficas tales como atenuacion acustica, retardacion de llama y capacidad de transporte de carga estructural. Mediante el aumento de la capacidad de transporte de carga del larguero mediante una conformacion unica, se puede reducir el area de la seccion transversal y se pueden conseguir ahorros en el peso
La Figura 4 es una realizacion ejemplar de una disposicion 100 que incluye una herramienta de OML 200 que soporta la parte inferior de un panel superficial 150 de la aeronave, tal como un panel de fuselaje o de ala. Un mandril o camara de aire hinchable 120 descansa sobre la superficie superior del panel superficial 150 de la aeronave y capas mixtas flexibles 110 se adaptan sobre el mandril o camara de aire 120. Una bolsa de vado 130 envuelve al menos el mandril o camara de aire envuelta en capas 120 para aplicar presion para presionar las capas 110 al mandril o camara de aire 120 cuando se introduce un vado en la bolsa 130. Debido a las curvas suaves y lisas formadas por el drapeado de las capas 110, la realizacion ejemplar no tiene angulos agudos o estrechos y tiene un punto de inflexion 102 a lo largo de los lados del larguero que se formara cuando las capas 110 se curen. Cuando las capas 110 se consolidan al panel superficial 150 de la aeronave mediante la presion y co-curado de las capas 110 y el panel superficial 150, el larguero 300 formado (Figura 6) a partir de las capas 110 se curva suavemente y las patas 308 del larguero se extienden desde los Lados 304 del larguero 300 en una curva lisa desprovista de vueltas agudas, "torceduras" o angulos estrechos. El larguero 300 se puede caracterizar como parabolico o en forma de campana.
La "zona de fijacion" de un larguero de material compuesto a un panel superficial significa la zona mas interior (en relacion con el larguero) donde el larguero se fija al panel, que tambien se conoce como la brida. Las realizaciones ejemplares presentadas aqrn que tienen una curvatura suave, de radio amplio y continua desde el lado del larguero hasta la pata del larguero para minimizar o eliminar cualquier rotura de capa potencial, separacion de un cuerpo principal de carga (por ejemplo, tejido o cinta) y minimizando tambien el exceso de acumulacion de resina.
Otras formas de larguero de material compuesto que se pueden utilizar con la presente invencion se ilustran en las Figuras 5-9. Otras formas son, por supuesto, tambien posibles.
En la Figura 5, el larguero 300 tiene una forma sustancialmente parabolica y tiene una parte superior redondeada 302 curvada hacia abajo a los lados 304 en una curva convexa. Los lados 304 transicionan de la parte superior redondeada 302 en los puntos tangentes 305 a la curvatura de la parte superior 302 y despues descienden en lmea recta antes de una transicion en el punto tangente de una curva de amplio radio 306 hasta las patas 308 del larguero.
El larguero 310 mostrado en la Figura 6 tiene una parte superior sustancialmente plana 312 con curvas redondeadas 313 que conducen a los lados 314 que se extienden suavemente hacia abajo, sustancialmente verticalmente. Cada uno de los lados 314 en este ejemplo forma un punto de inflexion 315. Los extremos inferiores de los lados 314 se curvan a traves de una vuelta de radio grande 318 y se extienden hasta las patas 316.
El larguero 320 mostrado en la Figura 7 puede caracterizarse como sustancialmente en forma de campana y tiene tambien una parte superior 322 sustancialmente plana con extremos redondeados 325 que se extienden a los lados 324 que se extienden hacia abajo y se curvan a traves de una vuelta de radio grande 328 hasta las patas 326. Como se indica, los lados 324 se pueden extender hacia abajo a un angulo de 90° con respecto a y a un angulo que puede estar comprendido entre aproximadamente 90° y aproximadamente 45°.
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El larguero 340 mostrado en la Figura 8 tiene una parte superior redondeada 342 y es sustancialmente parabolico o con forma de campana. La parte superior redondeada 342 se extiende suavemente en una curvatura convexa hacia los lados 344 que se extienden hacia afuera a medida que se extienden hacia abajo. Los lados 344 se extienden despues a traves de una curva de angulo amplio 345 para formar las patas346. El angulo a, como se indica, puede variar de aproximadamente 35 a aproximadamente 65°.
0024El larguero 350 que se muestra en Figura 9 tiene una parte superior redondeada 352 y es sustancialmente parabolico o con forma de campana y tiene una forma general mas redonda con lados rectos mas cortos que el larguero 340 de la Figura 8. La parte superior redondeada 352 se extiende suavemente en una curvatura convexa hasta los lados 354 que se extienden hacia fuera a medida que se extienden hacia abajo. Los lados 354 se extienden despues a traves de una curva de angulo amplio 355 para formar las patas 356. El angulo a, como se indica, pueden variar de aproximadamente 35 a aproximadamente 65°.
A partir de los ejemplos anteriores, es evidente que muchas formas de larguero de material compuesto se pueden utilizar con la presente invencion, siempre que estas formas incluyan una transicion lisa, de radio amplio desde los lados del larguero hasta las patas del larguero y tambien de la parte superior del larguero a los lados del larguero lo que minimiza o elimina el potencial de acumulacion excesiva de resina en el punto de transicion, separacion de las fibras, delaminacion, arrugas de la fibra, ondulacion o marcado (ondulacion en el plano) y porosidad en la resina matriz.
Debido a que los largueros tienen formas lisas (al menos donde los lados del larguero se unen en las patas del larguero y se unen en la parte superior del larguero), es posible utilizar capas de cinta con estas realizaciones en lugar de preimpregnados de tejido. Las capas de cinta tienen cada capa de la cinta en un solo plano. La orientacion de las capas en la cinta permite el uso de una serie de cintas optimamente orientadas para formar los largueros. El uso de capas de cinta reduce los costes de material y ofrece posibilidades de reduccion de peso.
La Figura 10 ilustra una realizacion ejemplar de un metodo 400 de fabricacion de largueros conformados de material compuesto. Por supuesto, tambien se pueden utilizar otros metodos. En este caso, se utiliza una herramienta de OML. En el proceso 410, se realiza una determinacion de la separacion y ubicacion de los largueros sobre el panel de la capa superficial, el ala, el fuselaje u otro componente para reforzarse con largueros. Una vez que se ha hecho una determinacion, el componente se coloca sobre la herramienta de OML, en el proceso 420. Las camaras de aire o mandriles en la forma del larguero se colocan despues en el componente en posiciones e intervalos predeterminados, en el proceso 430. Una cinta se prepara despues en el proceso 440. La formacion de cinta puede tener una serie de capas apiladas orientadas y la cinta se puede preimpregnar con una resina adecuada, tal como resina epoxi. La disposicion de la cinta se coloca sobre la camara de aire o mandril, en el proceso 450. En este punto, el conjunto del componente, camara de aire o mandril y la disposicion de cinta se empaqueta dentro de una bolsa de vacfo, en el proceso 460. Un vacfo se introduce en la bolsa, y la disposicion de cinta se consolida al componente, en el proceso 470. La temperatura normal puede ser aproximadamente 177 °C (350 °F) para una matriz de resina epoxi normal, y la presion puede ser de aproximadamente 85 psi (586.000 Pa). Otras condiciones de temperatura y presion pueden aplicarse a otras resinas. Por lo general, pero no necesariamente, la resina del panel y del larguero es la misma. Por consiguiente, durante la consolidacion, la resina del larguero y la resina del panel se curan o "co-curan" simultaneamente. Esto facilita la formacion de una fuerte union entre el larguero y el panel, a medida que la resina fluye y se consolida en una matriz en la zona de fijacion incluye cargas tanto del panel como del larguero. Despues de la consolidacion, la bolsa se retira, en el proceso 480. El larguero se consolida ahora con el componente. En el proceso ejemplar, la cinta flexible envuelta forma un larguero suavemente curvado minimizando asf la posibilidad de problemas estructurales en el larguero. El larguero esta libre de curvas de radio estrecho o curvas abruptas y tiene curvas suaves, continuas y de radio amplio. Ademas, no se requiere el uso de paneles de recubrimiento ni de laminas de recubrimiento.

Claims (1)

  1. REIVINDICACIONES
    1. Un metodo para rigidizar un panel de material compuesto (150) con un larguero (300), comprendiendo el metodo:
    5 determinar la ubicacion y separacion de largueros sobre un panel de material compuesto s rigidizar; situar el panel de material compuesto sobre una herramienta en lmea con el molde exterior (200); colocar sobre el panel de material compuesto, en posiciones a separaciones determinadas, mandriles conformados (120) que conforman una forma de los largueros a formar;
    preparar disposiciones de material compuesto para conformarse en largueros, donde las disposiciones son 10 laminas de cinta;
    colocar una disposicion preparada de material compuesto sobre cada uno de los mandriles; encerrar al menos el panel de material compuesto y disponer los mandriles cubiertos con una bolsa de vado; consolidar los largueros al panel de material compuesto bajo calor y presion sin utilizar ninguna lamina de recubrimiento o paneles de recubrimiento para ayudar al co-curado de los largueros al panel de material 15 compuesto; y
    producir un panel de material compuesto reforzado donde cada uno de los largueros comprende un par de lados (304) del larguero que se extienden cada uno desde una parte superior (302) del larguero hasta una pata (308) del larguero, extendiendose cada lado (304) y (302) del larguero hasta la pata (308) del larguero.
    20 2. El metodo de la reivindicacion 1, donde los mandriles comprenden espuma, materiales desprendibles, espuma de
    baja densidad o camaras de aire de cacho hinchables.
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