ES2628957T3 - Recubrimiento acústico sin costuras - Google Patents

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ES2628957T3
ES2628957T3 ES11710008.1T ES11710008T ES2628957T3 ES 2628957 T3 ES2628957 T3 ES 2628957T3 ES 11710008 T ES11710008 T ES 11710008T ES 2628957 T3 ES2628957 T3 ES 2628957T3
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ES
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ES11710008.1T
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Armando Vavalle
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GKN Aerospace Services Ltd
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GKN Aerospace Services Ltd
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Abstract

Un método de perforación de una lámina exterior (8) de un panel acústico de material compuesto con un patrón de distribución de perforación predeterminado, comprendiendo dicho panel una capa exterior sin costuras, una lámina de recubrimiento impermeable (9) y una capa de absorción de sonido (10) dispuesta entre las mismas, comprendiendo el método las etapas de: A - alinear un aparato de perforación en relación con la lámina exterior sin costuras en una primera posición de perforación; B - activar el aparato de perforación para formar al menos una perforación a través de la lámina exterior; C - mover el panel acústico y el aparato de perforación el uno en relación con el otro una cantidad predeterminada para alinear el aparato de perforación con una posición de perforación posterior; y D - repetir las etapas B y C hasta que se consiga la distribución de perforación deseada, y en el que las penetraciones se extienden dentro de la capa de absorción de sonido hasta una profundidad máxima correspondiente a la posición de un tabique (14), donde una cola de tabique (17) se extiende hacia la capa de recubrimiento o a una profundidad máxima correspondiente a la posición de la cola de tabique donde el tabique se extiende hacia la capa exterior, y las perforaciones están dispuestas para coincidir con al menos una pared (13) de las celdas (12) de la capa de absorción de sonido que define un límite entre las celdas adyacentes.

Description

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DESCRIPCION
Recubrimiento acustico sin costuras Campo de la divulgacion
La presente divulgacion se refiere espedficamente a una disposicion de recubrimiento acustico, pero no exclusivamente, para su uso en unos motores de turbina de gas o turboventiladores del tipo montado en aeronaves comerciales o similares. La divulgacion se extiende a un metodo de fabricacion del mismo.
Antecedentes
Los niveles de ruido generados por las aeronaves comerciales modernas durante el despegue y el aterrizaje son de gran importancia para los operadores de aeronaves. Con el fin de reducir (atenuar) el ruido emitido por los motores de aeronave, los conductos de admision de aire de los motores de turbina de gas o turboventiladores estan, en general, provistos de unos recubrimientos acusticos en las superficies interiores del motor que estan configurados para atenuar el ruido generado por el motor en funcionamiento.
Se conocen diversos disenos de un panel de atenuacion de ruido en la tecnica. En general, los paneles comprenden una capa perforada que define parte de los conductos de admision del motor y una capa no perforada adicional que define la pieza posterior del panel. Una capa de panal, tal como la fabricada por la empresa Hexcel, esta localizada entre las dos capas. De este modo, puede atenuarse el ruido mediante la capa de panal ya que se permite que el aire entre en el panal a traves del panel perforado.
Estos paneles acusticos existentes han dado lugar a mejoras significativas en los niveles de ruido de las aeronaves. Sin embargo, con los aumentos deseados en el ahorro de combustible de los operadores de aeronaves el peso adicional conocido de los paneles acusticos, anadido a los motores de la aeronave presenta sus propios problemas. Una solucion para reducir el peso es emplear un material mas ligero tal como materiales compuestos. El paso a la fabricacion de paneles acusticos usando materiales compuestos puede mitigar los problemas de peso adicionales de los paneles acusticos. Sin embargo, aumenta considerablemente el coste y la complejidad de la fabricacion de paneles acusticos debido a la naturaleza de la fabricacion de piezas de material compuesto.
La presente divulgacion pretende abordar los problemas asociados con la tecnica anterior en terminos de peso al tiempo que proporciona un panel acustico mejorado en coste de fabricacion mmimo. Esto puede reducir el consumo de combustible del motor y minimizar el uso de energfa en la fabricacion.
El documento EP1767325 desvela un metodo y un aparato para fabricar una estructura de material compuesto tubular. El documento FR 2927271 desvela un metodo para dividir una pieza acustica de una barquilla.
Sumario de la divulgacion
Una primera ensenanza de la divulgacion esta dirigida a un metodo de fabricacion de un panel acustico de material compuesto que comprende una capa exterior permeable, una lamina de recubrimiento impermeable y una capa de absorcion de sonido dispuesta entre las mismas, comprendiendo el metodo las etapas de:
- disponer un material de material compuesto laminado para formar una capa exterior;
- polimerizar dicho laminado para formar una capa exterior sustancialmente continua a una primera presion de polimerizacion de aproximadamente la presion atmosferica o a una presion mayor que la presion atmosferica;
- disponer de una capa de absorcion de sonido sobre la capa exterior polimerizada;
- disponer un material compuesto laminado sobre la capa de absorcion de sonido para formar una capa de recubrimiento;
- polimerizar el panel acustico de material compuesto a una segunda presion de polimerizacion; y
- perforar la capa exterior en una pluralidad de posiciones y a una profundidad predeterminada.
Las expresiones lamina exterior y capa exterior y lamina de recubrimiento y capa de recubrimiento se usaran indistintamente (y respectivamente) a traves de toda la descripcion.
La presente divulgacion se refiere espedficamente, pero no exclusivamente, a un panel acustico usado en el conducto de admision de aire, el carenado o similar de un motor de turbina de gas. En una aplicacion de este tipo, la propia lamina exterior define toda o una parte sustancial del conducto de admision de aire y, por lo tanto, se requiere que tenga una geometna precisa que corresponda a los requisitos de diseno aerodinamico de la admision del motor.
La presente divulgacion permite que un panel acustico se fabrique con precision, con una reduccion significativa en el peso y en irunimos costes de fabricacion. Esto proporciona ventajas significativas tanto al fabricante de la aeronave como al operador de la flota de aeronaves. Estas ventajas se tratan con mas detalle a continuacion.
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Como se ha indicado anteriormente, el metodo de fabricacion de acuerdo con la presente divulgacion implica un proceso de polimerizacion de dos etapas para formar el panel acustico. El inventor ha identificado que la division del proceso de polimerizacion en dos etapas discretas resulta en una sorprendente reduccion general en los costes de fabricacion.
La primera etapa de polimerizacion puede realizarse a una alta (por ejemplo, autoclave) o a una baja presion (atmosferica) en funcion de las temperaturas y las presiones necesarias para los materiales espedficos usados para el componente. Una polimerizacion de alta presion permite, en general, que se alcancen tolerancias geometricas mas pequenas, pero aumenta el coste de fabricacion. Por el contrario, la polimerizacion a baja presion reduce en general los costes de fabricacion, pero puede aumentar las tolerancias que pueden alcanzarse para el componente.
De acuerdo con la presente divulgacion la primera presion de polimerizacion y la segunda presion de polimerizacion pueden ser, ventajosamente, de manera aproximada la presion atmosferica para reducir el coste de la polimerizacion. Ventajosamente, la primera presion de polimerizacion puede estar entre aproximadamente 1 y 1,5 bar (15 psi a 20 psi). El inventor ha establecido que un pequeno aumento de la presion por encima de la presion atmosferica puede mejorar ventajosamente la curacion mientras que se controlan los costes de fabricacion de algunos materiales.
La segunda presion de polimerizacion puede ser, ventajosamente, la presion atmosferica para reducir el coste de la polimerizacion durante la segunda etapa. La segunda presion de polimerizacion puede estar entre aproximadamente 1 y 1,5 bar (15 psi a 20 psi).
Por lo tanto, las etapas de polimerizacion primera y segunda pueden realizarse ambas a presion atmosferica o a una presion de entre 1 y 1,5 bar. Esto reduce ventajosamente el coste de fabricacion y evita danos al material absorbente de sonido.
Por supuesto, se reconocera que los avances en materiales pueden permitir una etapa de polimerizacion de baja presion que se realiza mientras que se logran tolerancias geometricas ajustadas.
Un experto en la materia reconocera que la expresion alta presion pretende referirse a las condiciones de autoclave y que la expresion baja presion a las condiciones fuera de autoclave (OOA).
Como se ha expuesto anteriormente, la segunda y separada etapa de polimerizacion se realiza a presion ambiente, es decir, lo que se conoce en la tecnica como condiciones 'fuera de autoclave'. De este modo, puede reducirse el coste de fabricacion.
Las expresiones condiciones de autoclave y condiciones fuera de autoclave (OOA) son expresiones familiares para los expertos en la materia.
La presente divulgacion proporciona un metodo mas eficiente y economico de fabricacion de un panel acustico. El uso de un proceso de fabricacion en dos etapas que implica una primera etapa de polimerizacion (a una alta o baja presion) y a continuacion una segunda etapa de polimerizacion separada (a baja presion) es de hecho contraintuitivo.
En las tecnicas existentes, debido a los requisitos geometricos y a las tolerancias de la lamina exterior (que forma parte del conducto de flujo de aire en o dentro del motor) es ventajoso polimerizar la pieza bajo condiciones de autoclave. Debido a esto, y a minimizar el numero de etapas de fabricacion, todo el componente se cura (polimeriza) en una etapa para crear la pieza completa.
Sin embargo, el proceso de dos etapas de acuerdo con la presente divulgacion reduce en realidad ventajosamente el coste de fabricacion debido a que toda la cura no tiene lugar bajo condiciones de autoclave. Ademas, el curado bajo presiones reducidas evita ventajosamente el dano a la absorcion de sonido que puede producirse a altas presiones y temperaturas. La presente divulgacion tambien evita la necesidad de unas piezas reforzadas sobre o alrededor de la capa de panal que pueden necesitarse para evitar tal dano. Esto reduce aun mas el peso del componente.
Ademas, y como se trata en mas detalle a continuacion, dividiendo la cura en dos etapas discretas se permite una mayor flexibilidad en la seleccion de los materiales para las otras piezas que forman el panel acustico y evita el dano que puede provocarse bajo condiciones de autoclave.
Las referencias en la siguiente descripcion a 'disponer' de laminados, una capa de absorcion de sonido y, opcionalmente, un adhesivo se comprendera por un experto en la materia de la fabricacion de piezas de material compuesto.
La seleccion del propio material compuesto se realiza en funcion de los requisitos de rendimiento del panel dado. De acuerdo con la presente divulgacion, el material compuesto usado para la lamina exterior y de recubrimiento puede
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ser, por ejemplo, un material compuesto de matriz polimerica (PMC) que usa fibras de vidrio, aramida o hubridas como refuerzo. La expresion material compuesto pretende referirse a un material adecuado tal como fibras de carbono, fibras de aramida o fibras de vidrio o una combinacion adecuada de las mismas, tal como, por ejemplo, una combinacion de fibras de carbono y fibras de aramida. El material compuesto puede ser un material compuesto pre- impregnado unidireccional de acuerdo con la resistencia deseada del componente. Como alternativa, el material compuesto puede ser una tela tejida seca intercalada con resina.
El panel acustico esta formado ventajosamente por una lamina exterior permeable que permite que el aire (y por lo tanto el sonido) pase a su traves. La lamina exterior se forma como una forma en general cilmdrica o de 'barril' (por ejemplo, alrededor de un mandril) con el fin de permitir (en uso) un flujo sin obstaculos de aire en el motor y dirigir el aire hacia las paletas de compresor del motor. Por lo tanto, la lamina exterior tiene unos requisitos geometricos ajustados. La autoclave o polimerizacion a alta presion de la lamina exterior proporciona ventajosamente el control necesario de la geometna de la lamina exterior durante la etapa de fabricacion y, por lo tanto, la primera etapa de fabricacion puede comprender una polimerizacion a alta presion bajo condiciones de autoclave.
Como alternativa, usando resinas fuera de autoclave adecuadas, puede ser posible alcanzar las tolerancias geometricas necesarias bajo condiciones de fuera de autoclave o de polimerizacion de baja presion reduciendo de este modo potencialmente aun mas los costes.
La lamina de recubrimiento del panel acustico esta localizada dentro de la carcasa del motor y, en general, no se expone al flujo de aire o se requiere para actuar como un componente aerodinamico. De este modo, es posible formar la lamina o capa de recubrimiento a baja presion, por ejemplo, bajo condiciones fuera de autoclave.
Ademas, la division de las etapas de polimerizacion tambien permite ventajosamente que las tolerancias de los componentes individuales se comprueben con los requisitos a traves del proceso de fabricacion proporcionando de este modo la pieza optima. Por ejemplo, puede curarse la lamina exterior y a continuacion medirse antes de que se realice la siguiente etapa del metodo.
La capa de absorcion de sonido puede unirse a la capa exterior aplicando opcionalmente una capa adhesiva adicional a la capa exterior curada antes de que la capa de absorcion de sonido se disponga sobre la capa exterior. Esto mejora la union entre las dos capas si la resina es insuficiente para proporcionar la resistencia de union deseada.
Del mismo modo la capa de recubrimiento puede unirse opcionalmente a la capa de absorcion de sonido usando una capa de adhesivo adecuado antes de que se disponga sobre la capa de absorcion de sonido. Esto mejora la union entre las dos capas si la resina es insuficiente para proporcionar la resistencia de union deseada.
Las piezas de material compuesto que forman la lamina exterior y la lamina de recubrimiento pueden formarse usando tecnicas de disposicion convencionales conocidas en la tecnica de la fabricacion de piezas de material compuesto. Por ejemplo, las laminas respectivas pueden formarse disponiendo una serie de capas de fibra pre- impregnadas (resina) con un tejido alrededor de un mandril correspondiente a la forma deseada de la lamina exterior o de recubrimiento. Como alternativa, se puede enrollar una tira continua alrededor de un mandril plegable adecuado o similar, eliminando de este modo cualquier costura o borde del panel. La disposicion puede realizarse manualmente o como alternativa usando una maquina automatizada de colocacion de fibras.
Esta etapa de formacion evita la necesidad de un miembro de conexion que enlace dos extremos de un material de lamina entre sf para formar la forma de barril de la lamina exterior. El uso de un miembro de conexion, tal como una "cinta de envoltura" o placa, reduce significativamente la resistencia estructural de la pieza y la rigidez de la pieza. Tambien anade una etapa adicional al proceso de fabricacion.
Como se ha tratado anteriormente, una superficie continuamente uniforme para la lamina exterior reduce ventajosamente cualquier turbulencia del flujo de aire de la lamina que de otro modo podna provocarse por las uniones o similares sobre la superficie de la lamina exterior. Ademas, se ha descubierto tambien que una superficie continua mejora aun mas las propiedades de atenuacion de sonido del panel como se trata mas adelante.
En la formacion de la lamina exterior o a lamina de recubrimiento, el propio tejido o malla puede estar pre- impregnado con resina o como alternativa la resina puede aplicarse a las capas de laminado cuando se disponen las capas. A continuacion, la resina se polimeriza (tambien denominado como curacion) en las dos etapas que se exponen en el presente documento para formar la lamina exterior endurecida y la lamina de recubrimiento endurecida.
La lamina exterior y la lamina de recubrimiento pueden formarse ventajosamente de materiales diferentes con el fin de que los costes puedan reducirse y los materiales pueden optimizarse durante las condiciones de polimerizacion (curado) dadas ya que se emplearan de acuerdo con el metodo de fabricacion.
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La lamina exterior y la lamina de recubrimiento pueden ser de cualquier espesor adecuado. La lamina exterior puede ser, por ejemplo, mas gruesa que la lamina de recubrimiento con el fin de proporcionar el soporte estructural para el panel y permitir un acoplamiento conveniente de la pieza al motor. Como alternativa, la lamina de recubrimiento puede tener ventajosamente un espesor reducido para controlar el peso del panel, manteniendo al mismo tiempo las propiedades de sellado necesarias contra la cara distal de la capa de absorcion de sonido alejada de la lamina exterior.
La capa de absorcion de sonido localizada entre la lamina exterior y de recubrimiento puede ser cualquier capa adecuada en funcion de los criterios de aplicacion y de diseno para el panel acustico. La capa de absorcion de sonido esta formada, en general, por una pluralidad de cavidades o celdas discretas localizadas entre la lamina exterior y la lamina de recubrimiento. La capa de absorcion de sonido esta dispuesta de tal manera que se extiende como una capa uniforme y sustancialmente sin costuras que cubre toda la superficie de la lamina exterior. Es decir, la capa de absorcion de sonido esta dispuesta tambien en una forma de 'barril' y se forma de manera que sea sin costuras. De este modo, se optimiza la resistencia y se eliminan los huecos que de otro modo reducinan las propiedades de atenuacion de ruido generales del panel.
La capa puede estar formada, por ejemplo, de una espuma, o similares, dispuesta para atenuar el sonido que pasa al interior de la capa de absorcion de sonido a traves de la lamina exterior permeable. En una disposicion de este tipo, la capa de absorcion de sonido y las laminas, exterior y de recubrimiento, pueden estar en contacto directo entre sf para minimizar la anchura del panel.
Una espuma metalica, un panal de metal (tal como aluminio) o un panal de material compuesto pueden seleccionarse como la capa de absorcion de sonido de acuerdo con la resistencia de estructura deseada del panel. Puede seleccionarse una capa de material compuesto o metalico para aplicaciones que requieren un ancho de banda de frecuencia reducido en el que el recubrimiento acustico debe ser eficaz, es decir, para aplicaciones espedficas de motores.
La corrosion galvanica puede producirse cuando dos materiales de diferentes propiedades dielectricas se unen entre sf y se ha identificado que este es tambien el caso con los materiales compuestos. En consecuencia, puede anadirse una malla de vidrio adicional o similar que proporcione un aislamiento electrico a la pila de carbono antes de unir la capa exterior y/o de recubrimiento de carbono a la capa de absorcion de sonido metalica.
Ventajosamente, la capa de absorcion de sonido puede formarse como una capa de panal de material compuesto que define una pluralidad de celdas o cavidades discretas que se extienden entre la lamina exterior y la lamina de recubrimiento. La capa esta dispuesta para actuar como un resonador para la atenuacion acustica. Las capas de panal adecuadas estan disponibles a partir de proveedores como HEXCEL, con sede en Arizona.
El panal se tabica, es decir, una o mas capas de tabique porosas pueden estar localizadas dentro de cada una de las celdas de panal entre la lamina exterior y la lamina de recubrimiento. La configuracion espedfica de la localizacion del panal y del tabique dentro de la capa de absorcion de sonido se predeterminara en funcion de los requisitos de atenuacion del panel acustico dado. Las cavidades multicapa definidas por el tabique o los tabiques amplfan ventajosamente el intervalo de frecuencia de atenuacion. Por ejemplo, pueden usarse dos tabiques que definen tres cavidades. El uso de un tabique genera, en general, una penalizacion por peso para el mismo intervalo de frecuencias objetivo de atenuacion cuando se compara con una disposicion de capa unica (sin tabique). Tal como se ha descrito, la presente divulgacion proporciona un panel con una seccion transversal reducida y esto minimiza el peso total, permitiendo de este modo que se emplee un tabique sin una penalizacion por peso.
La capa de absorcion de sonido esta configurada preferentemente para corresponder a la curvatura de la lamina exterior polimerizada de tal manera que las paredes que definen las celdas adyacentes dentro de la capa de panal no se estiran o se pliegan cuando la capa esta establecida alrededor de la lamina exterior. Por ejemplo, el radio de curvatura de la cara externa (proxima a la capa de recubrimiento) de la capa de panal puede ser ventajosamente mayor que el de la cara interna (proxima a la lamina exterior) para adaptarse a la curvatura de la capa de absorcion de sonido. En efecto, las celdas de panal tienen una geometna ahusada.
El tabique esta dispuesto para dividir cada 'celda' del panal en al menos dos volumenes. Es decir, un primer volumen proximo a la lamina exterior y un segundo volumen proximo a la lamina de recubrimiento. El tabique se extiende, en general, perpendicularmente desde las paredes laterales de cada una de las celdas y esta acoplado a las paredes laterales de cada celda por medio de una pieza del material de tabique que se alinea con la pared de celda. En efecto, cada tabique tiene una parte de "reborde" que se extiende alrededor de su periferia que se alinea con las paredes de celda y puede acoplarse a las mismas.
Las celdas pueden comprender un canal de comunicacion que se extiende entre las celdas adyacentes en la parte de la celda proxima a la capa de recubrimiento. En efecto, el "panal" tiene celdas que estan ranuradas en una parte de la capa que se alinea con el segmento inferior del motor. Esto facilita el drenaje del agua o similar de las celdas, ya que el agua es capaz de escapar de las celdas localizadas en la parte inferior de la admision del motor.
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La parte de reborde que se alinea con las paredes de las celdas puede, o extenderse desde el tabique hacia la lamina exterior del panel acustico o hacia la lamina de recubrimiento del panel acustico. Una parte de reborde que se extiende hacia la lamina de recubrimiento, es decir, alejada de la lamina exterior, permite que el tabique se coloque mas cerca de la lamina exterior que lo que sena posible si el reborde se extendiese hacia la lamina exterior. Esto puede proporcionar mejoras de rendimiento de atenuacion, es decir, acusticas. A la inversa, si la parte de reborde se extiende alejandose de la lamina exterior y hacia la lamina de recubrimiento, esto permite una fabricacion mas conveniente de las celdas y, por lo tanto, de la capa de absorcion de sonido.
El metodo de acuerdo con una ensenanza de la divulgacion requiere que la permeabilidad de la lamina exterior se proporcione como una etapa final en el metodo de fabricacion.
El inventor ha identificado que la perforacion de la lamina exterior del panel al final del proceso y despues de una segunda etapa de polimerizacion (de un proceso de dos etapas) proporciona unas ventajas significativas sobre la tecnica, incluyendo las siguientes:
(i) las perforaciones que proporcionan la permeabilidad de la lamina exterior pueden localizarse con precision en el componente curvado final. La pre-perforacion de la lamina exterior antes de la formacion de la pieza no permite la colocacion precisa de las perforaciones en el panel acustico final (con respecto a las celdas de la capa de absorcion de sonido) durante la disposicion y el curado del panel;
(ii) las perforaciones pueden formarse con precision y uniformidad a traves de la lamina exterior. Pueden proporcionarse tolerancias ajustadas para el diametro y la uniformidad de los orificios que se forman a traves de la lamina exterior. Ademas, la perforacion de la lamina exterior en esta etapa permite que los orificios se formen convenientemente con precision en el angulo deseado, por ejemplo, perpendiculares a la superficie de la lamina exterior y las perforaciones individuales pueden formarse ventajosamente con bordes paralelos optimizando de este modo aun mas el rendimiento acustico;
(iii) cualquier adhesivo que pueda haberse aplicado durante el proceso de disposicion puede retirarse convenientemente durante el proceso de perforacion garantizando de este modo que todas las perforaciones esten abiertas con el fin de exponer la capa de panal;
(iv) puede considerarse cualquier deformacion durante las etapas de polimerizacion. Mas importante aun, se evita cualquier deformacion en forma de orificio debida a la formacion de una piel pre-perforada de la forma deseada que proporciona mejoras en el rendimiento acustico; y
(v) tambien puede considerarse cualquier inexactitud durante las etapas de disposicion para optimizar aun mas el rendimiento acustico.
Otra ventaja de la presente divulgacion es que permite que se evite el aplastamiento o un dano al nucleo de la capa de absorcion de sonido durante el curado. Espedficamente, puede evitarse la necesidad de introducir refuerzos tales como "angulos" que de otro modo aumentanan el peso de la pieza o "rampas", lo cual sena perjudicial para las propiedades de disipacion de sonido del panel. Los terminos "angulos" y "rampas" son conocidos en la tecnica.
Unos anillos adicionales (conocidos en la tecnica como angulos) con una seccion transversal en forma de Z pueden proporcionarse durante el curado de baja presion de la piel de recubrimiento. Pueden introducirse rampas/angulos en los bordes del nucleo para evitar el aplastamiento del nucleo local debido a la alta presion (normalmente en un proceso de autoclave) que actua a lo largo de una direccion normal al borde de la capa de panal (el panal tiene muy baja resistencia de compresion en el plano). Las rampas de nucleo no tratadas con pieles no perforadas, como un remedio, reducen la extension del tratamiento acustico. Las rampas de nucleo tratadas con piel perforada introducen un cambio repentino de impedancia acustica que puede no ser beneficiosa.
La permeabilidad deseada de la lamina exterior puede pre-determinarse para una aplicacion acustica y un motor dados. Esto puede ser a traves de la experimentacion o a traves del modelado acustico. Esta determinacion establece el tamano, la localizacion y la distribucion de las perforaciones en la lamina exterior para un diseno de motor dado.
Las perforaciones son aberturas que se extienden a traves de la anchura de la lamina exterior y pueden formarse de cualquier manera adecuada. Ventajosamente, las aberturas estan provistas de un penmetro liso y uniforme para evitar cualquier concentracion de tension en el material compuesto. Las perforaciones pueden ser, por ejemplo, orificios circulares o redondeados para permitir la fabricacion conveniente usando, por ejemplo, tecnicas de taladrar.
Como alternativa, puede emplearse un laser para realizar la ablacion del material compuesto y para exponer (y, opcionalmente, penetrar) la capa de absorcion de sonido. Por ejemplo, puede usarse un laser ultravioleta Excimer para formar las aberturas con un divisor de haz holografico. Una disposicion de este tipo permite ventajosamente que se aplique calor a una pequena localizacion para formar con precision las pequenas aberturas deseadas. Se reconocera que la potencia del laser espedfico dependera del material a traves del que se formaran las aberturas.
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Este tipo de laser de baja potencia evita ventajosamente el calor o un dano de contacto de la lamina exterior que puede producirse con una operacion de taladrar. Ventajosamente, un divisor de haz holografico hace posible formar una pluralidad de aberturas en un corto periodo de tiempo, reduciendo de este modo el tiempo de fabricacion y minimizando el uso de energfa en esta etapa de fabricacion.
Como alternativa, un solo husillo o mas ventajosamente un cabezal de taladrar de multiples husillos puede usarse para penetrar en la lamina exterior para proporcionar la permeabilidad deseada. De este modo, puede taladrarse simultaneamente una pluralidad de orificios a traves de la lamina exterior del panel terminado. El aparato de taladrar puede colocarse y controlarse por medio de un brazo robotico o similar para automatizar y optimizar los procesos. En una disposicion de este tipo, el panel terminado puede fijarse y el brazo robotico controlarse para localizar la broca(s) de taladro en la posicion correcta antes de taladrar.
Ventajosamente, el aparato de taladrar robotico o automatizado puede usarse junto con un segundo miembro movil dispuesto para soportar y hacer rotar el panel acustico polimerizado. El segundo elemento movil puede estar, por ejemplo, en la forma de una plataforma rotatoria horizontal sobre la que se coloca y se fija el panel.
A continuacion, puede emplearse un aparato de taladrar simplificado que comprende un miembro redprocamente movil que lleva una pluralidad de cabezales de taladrar. A continuacion, el aparato de taladrar puede disponerse para moverse en una direccion vertical proxima a la superficie de la lamina exterior localizada en la plataforma rotatoria con el fin de localizar las brocas de taladro antes de penetrar en la lamina exterior.
El aparato de taladrar puede comprender cualquier numero o distribucion de brocas de taladro. Las brocas de taladro pueden distribuirse en una disposicion lineal y pueden ser suficientes en numero para extenderse a traves de la anchura del panel y para proporcionar la densidad de orificios deseada. Una disposicion de este tipo puede aumentar ventajosamente la velocidad de fabricacion permitiendo que se forme una fila completa de perforaciones en un solo movimiento de taladrar del aparato de taladrar.
El aparato de taladrar y la plataforma movil de soporte de piezas de trabajo pueden estar dispuestos en configuraciones alternativas, en funcion de la resistencia estructural del panel formado y los parametros de taladrar deseados. Por ejemplo, el aparato de taladrar puede estar dispuesto para moverse en una direccion horizontal para localizar las brocas de taladro antes de taladrar y la pieza de trabajo puede estar dispuesta en una direccion vertical y moverse de tal manera que rote alrededor de un eje de rotacion horizontal.
El aparato de taladrar y la plataforma movil de soporte de piezas de trabajo pueden controlarse manualmente en un metodo escalonado de tal manera que se taladra una fila de orificios y a continuacion se hace rotar la pieza de trabajo el angulo de giro deseado antes de la perforacion de la fila posterior de orificios. Ventajosamente, la operacion de taladrar puede controlarse informaticamente con el fin de automatizar completamente el proceso, en cuyo caso un procesador de datos o similar estana configurado para controlar el movimiento del aparato de taladrar y para hacer rotar la pieza automaticamente a traves del angulo correspondiente a la zona de permeabilidad deseada de acuerdo con el diseno.
Como se ha tratado anteriormente el aparato de taladrar puede estar provisto de una unica fila lineal de cabezales de taladrar. La disposicion lineal puede comprender como alternativa una pluralidad de filas de cabezales de taladrar separadas y desplazadas de acuerdo con la distribucion deseada de las perforaciones. El numero de filas paralelas se determina de acuerdo con el radio del panel acustico y las tolerancias permitidas con respecto a la disposicion perpendicular de la broca de taladro a la superficie de la lamina exterior. Cuanto mayor es el radio del panel acustico, mas se aproxima la superficie a una superficie plana sobre un pequeno cambio angular.
Adicionalmente, o como alternativa, el aparato de taladrar puede estar provisto de una pluralidad de brazos o miembros de soporte de cabezales de taladrar, extendiendose cada uno radialmente desde un eje central del aparato de taladrar. A continuacion, el eje central del aparato de taladrar puede estar alineado con el eje central del panel acustico de tal manera que pueda realizarse un taladro simultaneo alrededor del panel.
Las perforaciones en el panel se crean mediante un movimiento angular relativo escalonado entre el aparato de taladrar y el panel acustico. En una disposicion, el aparato de taladrar puede estar dispuesto para moverse en relacion con el panel. Como alternativa, el panel acustico puede estar dispuesto para moverse en relacion con el aparato de taladrar para minimizar el coste del aparato de fabricacion.
Visto desde otra ensenanza, se proporciona un metodo de perforacion de una lamina exterior de un panel acustico de material compuesto con un patron de distribucion de perforacion predeterminado, comprendiendo dicho panel una lamina exterior sin costuras, una lamina de recubrimiento impermeable y una capa de absorcion de sonido dispuesta entre las mismas, comprendiendo el metodo las etapas de:
A - alinear un aparato de perforacion en relacion con una lamina exterior sin costuras en una primera posicion de perforacion;
B - activar el aparato de perforacion para formar al menos una perforacion a traves de la lamina exterior;
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C - mover el panel acustico y el aparato de perforacion el uno en relacion con el otro una cantidad predeterminada para alinear el aparato de perforacion con una posicion de perforacion posterior; y D - repetir las etapas B y C hasta que se consiga la distribucion de perforacion deseada.
De acuerdo con la primera ensenanza del metodo de fabricacion de la presente divulgacion, en la penultima etapa del metodo de fabricacion un panel acustico esta listo para perforarse.
Se apreciara que la lamina exterior que define la superficie interior del 'barril' del panel acustico es sustancialmente continua y lisa (es decir sin costuras), y por lo tanto no es posible determinar mediante una inspeccion visual de la lamina exterior como estan orientadas las celdas que forman la capa de absorcion de sonido en panal en relacion con la lamina exterior.
De la misma manera que la descrita haciendo referencia a otras ensenanzas de la divulgacion, el aparato de perforacion puede ser un cabezal de taladrar (que comprende una o mas brocas de taladro), un laser configurado para realizar la ablacion de una parte de la lamina exterior (que comprende opcionalmente un divisor de haz para crear una pluralidad de perforaciones) o cualquier otro medio adecuado para crear la perforacion(es) deseada.
En una disposicion en la que se emplea un divisor de haz junto con un laser, el propio divisor de haz puede estar dispuesto para moverse con respecto a la lamina exterior o, como alternativa, la lamina exterior puede estar dispuesta para moverse en relacion con el divisor de haz. En una disposicion de este tipo no sena necesario mover el laser en sf sino simplemente la disposicion optica usada para dirigir y dividir el haz de laser.
Con el fin de garantizar la alineacion exacta de las perforaciones con las celdas que forman la capa de panal, el panel curado debe colocarse cuidadosamente en relacion con el aparato o la herramienta de perforacion. Por lo tanto, el metodo puede comprender adicionalmente la etapa de colocar el aparato de perforacion con respecto a un punto de referencia definido desde el penmetro (o una pieza predeterminada) de la lamina exterior. Por lo tanto, esto permite que las perforaciones se coloquen exactamente de acuerdo con el patron de distribucion deseado.
El aparato de perforacion puede, como se ha descrito anteriormente, ser un aparato de taladrar o como alternativa un aparato de perforacion laser. En una disposicion que comprende un laser, puede emplearse adicionalmente un divisor de haz con el fin de que se puedan crear simultaneamente una pluralidad de perforaciones. En una disposicion de este tipo, el numero de movimientos relativos iterativos entre el laser y el panel acustico puede reducirse y por lo tanto esto acelera aun mas el proceso de fabricacion.
Una disposicion laser permite, ademas, que se cree un mayor intervalo de diametros de perforacion. Por ejemplo, el laser puede estar configurado para crear perforaciones que van desde 50 micrometros (micro perforaciones) a 1,6 mm (macro perforaciones) en funcion de la aplicacion.
O en una disposicion de perforacion laser o de taladro, las perforaciones pueden extenderse en la capa acustica variando las profundidades en funcion del rendimiento acustico deseado. Se reconocera que cuando la capa de absorcion de sonido no comprende un tabique, entonces la profundidad de penetracion puede limitarse al espesor de la lamina exterior y no estara limitada por la profundidad de la posicion del tabique. La profundidad maxima de penetracion para una capa de absorcion de sonido tabicada sera o la profundidad del tabique o, como alternativa, la profundidad del reborde del tabique, medida desde la lamina exterior.
Ventajosamente, el aparato de perforacion esta configurado para penetrar en la lamina exterior y ademas hasta una profundidad predeterminada que se extiende mas alla del espesor de la lamina exterior, es decir, en la capa de absorcion de sonido. Una disposicion en la que la etapa de perforacion esta adaptada deliberadamente para penetrar en la capa de absorcion de sonido tambien es contraintuitiva, no al menos debido al dano de penetrar en el tabique o en las paredes del panal que puede provocar a las propiedades de la capa de absorcion de sonido.
El inventor ha establecido que penetrar (es decir, taladrar o realizar una ablacion) en la capa de absorcion de sonido sorprendente y ventajosamente mejora el rendimiento acustico del panel mientras que simultaneamente permite altas velocidades de fabricacion. Esto es espedficamente ventajoso cuando se emplea una capa de panal como el material de absorcion de sonido.
Penetrar en la lamina exterior mas alla de su superficie interior (es decir, la superficie adyacente a la capa de absorcion de sonido) y en la capa de panal proporciona un numero de ventajas.
En primer lugar, la broca de taladro (o el laser) es capaz de penetrar y eliminar cualquier adhesivo o resina que de otro modo podna oscurecer (completa o parcialmente) la perforacion debido a su adhesion a la superficie interior de la lamina exterior. Esto optimiza la funcion de las perforaciones de acuerdo con los requisitos de diseno del panel, es decir, garantiza que el aire puede fluir a traves de las perforaciones a traves de toda la zona de la perforacion.
Ademas, preseleccionar la profundidad de penetracion con el fin de extenderse mas alla de la anchura de la lamina exterior significa que el taladro/laser puede extenderse dentro de la propia capa de panal. La profundidad de taladro
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mmima es la anchura de la lamina exterior y la profundidad de taladro maxima corresponde a la posicion del tabique o el reborde (tambien conocido como una cola) del tabique. Esto mantiene la integridad del tabique y sus propiedades acusticas.
La profundidad de penetracion predeterminada real entre el mmimo y el maximo descrito anteriormente se selecciona basandose en la construccion del panel espedfico y del rendimiento acustico deseado. Ventajosamente, la distribucion de la penetracion puede seleccionarse de tal manera que algunas de las perforaciones se alinean espedficamente con las paredes de celda de panal. En una disposicion de este tipo, una parte de la pared de celda de panal se elimina generando de este modo un conducto entre las celdas adyacentes. Se reconocera que esto es contraintuitivo, pero el inventor ha establecido que penetrando al menos algunas de las paredes de celda se mejora de esta manera el rendimiento acustico.
La presente invencion proporciona un metodo de acuerdo con la reivindicacion 1. El siguiente metodo de perforar un panel acustico, que no es parte de la invencion, desvela un panel que comprende una lamina exterior sustancialmente continua, una lamina de recubrimiento impermeable y una capa de absorcion de sonido de panal dispuesta entre las mismas, comprendiendo dicha capa una pluralidad de celdas discretas, comprendiendo el metodo las etapas de:
A - predeterminar una profundidad de perforacion h de acuerdo con: h = t + s
donde h es la profundidad de perforacion total de t es el espesor de la lamina exterior
s es la profundidad de perforacion en la capa de absorcion de sonido
B - predeterminar una separacion de perforacion y el patron de distribucion de la superficie de la lamina exterior;
C - alinear un aparato de perforacion con la lamina exterior;
D - perforar la lamina exterior a la profundidad de perforacion predeterminada h;
E - mover el panel acustico en relacion con el aparato de perforacion para alinear el aparato de perforacion con una posicion de perforacion posterior; y
F - repetir las etapas D y E hasta que se haya perforado una parte deseada de la lamina exterior.
En una disposicion donde la capa de absorcion de sonido es una unica cavidad de capa (es decir, sin un tabique) o una espuma metalica entonces la profundidad de perforacion en la capa de absorcion de sonido s esta preferentemente entre 0,5 y 1 mm.
En una disposicion donde la capa de absorcion de sonido es un tabique de doble capa unido en las paredes de panal de las celdas individuales (por ejemplo, un nucleo de doble capa del tipo fabricado por la empresa Hexcel), entonces la profundidad de perforacion en la capa de absorcion de sonido s esta preferentemente entre 0,5 y 5 mm.
Ventajosamente, puede permitirse la perforacion para alinearse con las partes de la lamina exterior directamente por encima de una pared de celda de panal. Por lo tanto, una parte de las paredes de las paredes de celda inmediatamente adyacentes a la lamina exterior sera eliminada cuando se crean las perforaciones. En efecto, la separacion de perforacion y el patron de distribucion se aplican de tal manera que una pluralidad de perforaciones se alinea con las paredes de celda de panal de tal manera que se elimina una parte de la pared que divide las celdas adyacentes. Se ha establecido que esto mejora el rendimiento acustico.
Como alternativa, puede disponerse el aparato de perforacion para aplicar la separacion predeterminada y el patron de perforaciones con independencia del punto de inicio del aparato de perforacion. Esto permite ventajosamente que la etapa de perforacion, por ejemplo, taladrando o por ablacion laser, se realice mucho mas rapidamente, ya que anula la necesidad de una alineacion cuidadosa y compleja del aparato de perforacion con el panel acustico. Se ha establecido que este metodo no solo aumenta la velocidad de fabricacion, sino que, ademas, al permitir que las penetraciones se extiendan dentro de las paredes de celda de panal cuando la penetracion pasa a alinearse con la pared de celda, en realidad puede mantenerse o incluso mejorarse el rendimiento acustico del panel.
La perforacion en una pluralidad de las paredes de celda de panal permite que unas ondas de sonido incidentales que pasan a traves de la perforacion pasen por dos celdas adyacentes en virtud de la eliminacion de la parte superior de la pared de celda de panal que separa las celdas adyacentes. Esta eliminacion de la parte superior de la pared de celda a una profundidad predeterminada mantiene el rendimiento de la capa de absorcion de sonido al tiempo que permite una rapida perforacion de la lamina exterior.
Ventajosamente, la separacion de perforacion y el patron pueden pre-determinarse con el fin de alinear al menos una perforacion con al menos una parte de pared de cada celda de la capa de absorcion de sonido. Por lo tanto, el rendimiento acustico puede mejorarse permitiendo que las ondas sonoras incidentales se desplacen entre cada una de las celdas.
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Se reconocera que la profundidad exacta de la penetracion dependera de las caractensticas de diseno del panel como un todo que incluye el tamano de la perforacion, la distribucion y la geometna de capa de panal (incluyendo, por supuesto, la localizacion y la permeabilidad del tabique). Esto se trata con mas detalle a continuacion.
Se reconocera, ademas, que aunque los terminos de proceso 'perforar' y 'taladrar' se han usado para referirse a la etapa de formacion de las penetraciones, pueden emplearse igualmente otros procesos alternativos.
Los aspectos particulares de la invencion se exponen en las reivindicaciones adjuntas.
Breve descripcion de los dibujos
Las realizaciones de la invencion se describiran ahora a modo de ejemplo solamente haciendo referencia a los dibujos adjuntos en los que:
la figura 1 muestra la disposicion general de un motor de turbo ventilador y un panel acustico;
la figura 2a muestra una seccion transversal del motor de la figura 1;
la figura 2b muestra una seccion transversal del barril que forma el panel acustico;
la figura 2c muestra una seccion transversal a traves del panel acustico mostrado en la figura 2a;
la figura 3 muestra la disposicion general de las celdas en una capa de absorcion de sonido de panal;
la figura 4 muestra una serie de celdas perforadas en detalle;
la figura 5 muestra una seccion transversal a traves de una disposicion de cura previa a la primera etapa; la figura 6 muestra una grafica de las condiciones de curado de autoclave; la figura 7 muestra una grafica de las condiciones fuera de autoclave;
la figura 8 muestra una seccion transversal a traves de una disposicion de cura previa a la segunda etapa; la figura 9 ilustra las ondas de ruido incidentales y las perforaciones;
la figura 10 ilustra los parametros de distribucion de perforaciones para los valores optimos mostrados en la tabla 1;
la figura 11 es una grafica que muestra la resistencia frente a la resistencia de flujo de tabique; la figura 12 muestra una plataforma de brazo y rotacion robotica para generar perforaciones.
Aunque la invencion es susceptible de diversas modificaciones y formas alternativas, se muestran unas realizaciones espedficas a modo de ejemplo en los dibujos y se describen en detalle en el presente documento. Sin embargo, debena entenderse que los dibujos y la descripcion detallada adjunta a la presente no estan destinados a limitar la invencion a la forma espedfica desvelada, sino mas bien la invencion esta para cubrir todas las modificaciones, equivalentes y alternativas que caigan dentro del alcance de la invencion reivindicada.
Descripcion detallada
La figura 1 muestra un motor de turboventilador 1 tfpico que comprende una carcasa de motor exterior 2 y un pilon 3 que conecta el motor al ala de la aeronave o al fuselaje (no mostrado).
El motor comprende un conducto de admision de aire 4 que se extiende en el motor y hacia las paletas del ventilador (no mostradas) del motor. Las paletas estan montadas en un eje giratorio 5 que puede verse en el centro del conducto de admision 4.
La rotacion de las paletas del ventilador provoca niveles elevados de ruido indeseables que se emiten desde la parte delantera del motor. En consecuencia, y como se ilustra en la figura 1, con el fin de reducir la salida de ruido del motor se dispone un recubrimiento acustico 6 dentro de la admision de aire corriente arriba de las paletas del ventilador. El ruido emitido a partir de las paletas en una direccion hacia delante, que de otro modo se reflejanan desde las superficies del conducto, puede por lo tanto atenuarse por el recubrimiento 6.
Puede observarse a partir de la figura 1, que la forma del recubrimiento se corresponde con el conducto de admision del motor, pero puede describirse, en general, como una forma de 'barril' o de cilindro.
La figura 2A muestra una vista en seccion transversal de la parte delantera del motor mostrado en la figura 1. La disposicion general del panel acustico o recubrimiento se muestra con mas detalle en la figura 2B como se trata mas adelante.
Los terminos recubrimiento y panel se usaran indistintamente en todo el resto de la descripcion.
Volviendo a la figura 2A, el conducto de admision se muestra en seccion transversal lo que permite que el aire fluya en el motor, a lo largo de las superficies definidas por el panel acustico y hacia las paletas del ventilador (no mostrado). Puede verse que el recubrimiento acustico se extiende desde una primera posicion corriente arriba 7' localizada hacia la parte delantera del motor hasta una segunda posicion 7" localizada proxima a las paletas del ventilador. El recubrimiento acustico esta dispuesto entre las dos posiciones 7'-7" para seguir el contorno de los conductos de admision. En efecto, esto forma un barril que se asienta en la parte delantera del motor y que define
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un Kmite del conducto de flujo de aire en el motor. El recubrimiento se extiende de manera uniforme alrededor de la circunferencia del conducto y es sin costuras, es decir, el recubrimiento es un unico componente en general cilmdrico que tiene una superficie sustancialmente continua.
El metodo de acuerdo con la presente invencion (como se describe mas adelante) permite que el recubrimiento sea sin costuras lo que mejora significativamente las propiedades de atenuacion de ruido (en particular a altas velocidades del ventilador) y, ademas, las caractensticas aerodinamicas del componente (una reduccion en la friccion).
La figura 2A ilustra tambien la seccion transversal del propio recubrimiento que se muestra en mas detalle en la figura 2C.
La figura 2B muestra una vista parcial en seccion transversal a traves de A-A', mostrada en la figura 2A, de todo el panel acustico visto desde el extremo de admision del motor. El arbol central del motor 5 puede verse en el centro del motor. La lamina exterior 8 define la periferia exterior del conducto de admision de aire del motor 1. Moviendose a traves del espesor del panel desde la lamina exterior 8, se muestra la capa de panal de absorcion de sonido 10 y a continuacion la lamina de recubrimiento impermeable 9.
Las secciones de corte mostradas por el signo de referencia B en la figura 2B, corresponden a la seccion transversal a traves de A-A'. El resto de la vista representa la vista frontal del panel como se ve desde la parte delantera del motor e ilustra la barquilla que normalmente define el borde de ataque de la admision del motor.
Las partes B en la figura 2B ilustran el panal posterior 10 y el tabique 14 que divide cada una de las celdas de panal 12.
Haciendo referencia a la figura 2C, el recubrimiento comprende una primera lamina exterior 8, una lamina de recubrimiento 9 y una capa de absorcion de sonido 10. La figura 2C es una seccion transversal de la parte de la pared de panel en un drculo en la figura 2B y muestra la vista a traves de una fila de celdas que forman la capa de absorcion de sonido con mas detalle.
La lamina exterior 8 esta formada de una capa impermeable de material compuesto de acuerdo con las etapas de fabricacion tratadas en detalle a continuacion. Como se muestra en la figura 2C, una pluralidad de perforaciones 11.1, 11.2, 11.3, 11.4 y 11.5 estan formadas a traves de la lamina exterior 8. Las lmeas discontinuas (—) indican el perfil de la superficie antes de la perforacion.
La capa de absorcion de sonido 10 esta formada de un panel acustico de panal como el fabricado por Hexcel Corporation bajo la marca Acousti-CapTM. Las capas de absorcion de sonido de panal de este tipo se conocen bien en la tecnica.
La capa de panal 10 comprende una serie de camaras 12 que estan divididas por unas paredes de celda que, cuando se ensambla el panel, se extienden entre la lamina exterior 8 y la lamina de recubrimiento 9. La disposicion general de una capa de absorcion de sonido de este tipo se muestra, por ejemplo, en la figura 3.
Cada celda 12 se divide en 2 sub-celdas (o volumenes) por un tabique permeable 14 como se muestra en las figuras 2B y 2C. Las celdas y geometnas de tabique estan optimizadas para la aplicacion del motor dado, es decir, el volumen de las celdas, la profundidad y la porosidad del tabique y la posicion del tabique en relacion con la lamina exterior y de recubrimiento. Como se muestra en la figura 2C, el tabique 14 de cada celda esta unido a las paredes laterales 13 de la celda. Las celdas se mantienen juntas con un adhesivo 15 adecuado como es normal en la tecnica de la fabricacion de capas de panal de este tipo.
La figura 2C tambien muestra la separacion de perforacion entre los orificios adyacentes 11.1, 11.2 y asf sucesivamente. La separacion de perforacion esta predefinida en funcion de los requisitos acusticos espedficos de un panel dado y una aplicacion dada. La separacion se determina basandose en un numero de factores que incluyen el tamano del orificio (diametro) y el POA (porcentaje de superficie abierta) que es el porcentaje total del panel que se ha taladrado. De acuerdo con la presente invencion, este valor puede variar ventajosamente entre un 1 % y un 35 %.
Como se muestra tambien en la figura 2C, las perforaciones 11.1, 11.3 y 11.4 se alinean con la cavidad de la celda 12, es decir, los lfmites de la perforacion (el orificio taladrado o al que se ha realizado la ablacion) estan dentro de los lfmites definidos por las paredes de celda 13. A la inversa, las perforaciones 11.2 y 11.5 puede verse que se alinean con las paredes de celda 13 de las celdas 12. Esto se tratara con mas detalle a continuacion en relacion con la etapa de perforacion.
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De acuerdo con la invencion, el panel acustico se fabrica usando las siguientes etapas:
En primer lugar, la lamina exterior se dispone usando un material compuesto adecuado. Este puede ser, por ejemplo, un ligamento tafetan o un tejido de sarga 5 de 2x2 arnes 5 de saten, es decir, una matriz polimerica termoestable curada de baja o alta presion.
La tela de material compuesto se dispone alrededor de un mandril, que corresponde a la forma deseada de la lamina exterior, usando tecnicas convencionales. Esto puede ser, por ejemplo, disponiendo el material compuesto como un bobinado helicoidal y superpuesto alrededor del mandril plegable.
La polimerizacion (como se trata mas adelante) alrededor de un mandril plegable permite que se retire el mandril una vez que la pieza ha polimerizado con el fin de liberar la lamina exterior. Como es bien conocido por los expertos en la materia, la polimerizacion hace que la resina fluya a traves del material de tejido y se endurezca creando de este modo la pieza de material compuesto en la forma deseada.
El mandril puede plegarse permitiendo que el mandril se retire de la pieza o, como alternativa, no plegarse. En tal caso, el mandril puede estar ahusado axialmente lo que permite la extraccion de la pieza de trabajo del mandril.
La disposicion y la polimerizacion del mandril resultan en una lamina exterior con una superficie sustancialmente continua y lisa, es decir, la superficie esta vada de cualquier empalme o hueco en su superficie lo que requiere una union adicional en forma de una cinta o placa de envoltura. Ademas, el uso de un material compuesto proporciona una pieza de alta rigidez con el mmimo peso.
De acuerdo con la presente invencion la polimerizacion se realiza en dos etapas separadas y discretas del proceso de fabricacion. Estas se describiran a continuacion.
Etapa 1 - Formacion y polimerizacion de la lamina exterior.
Antes de la polimerizacion (curado), la lamina exterior se dispone y se embolsa primero de acuerdo con las tecnicas de fabricacion convencionales del material compuesto. Estos terminos se conocen por los expertos en la materia.
La figura 5 muestra una parte, en seccion transversal, de la lamina exterior antes del curado. En primer lugar, se aplica una pelfcula o agente de liberacion (501) al molde de mandril, es decir, a la herramienta de moldeo. A continuacion, se aplica una tela encerada (502) seguida por la pila laminada pre-impregnada de material compuesto (503) que forma la forma de la lamina exterior. Una tela encerada adicional (504) se aplica al laminado (503) seguida de una pelfcula de liberacion (505) y una capa de ventilacion (506). Como puede verse en la figura 5 la capa de ventilacion (505) se extiende hasta el respiradero de borde (508) del mandril para permitir que los componentes volatiles salgan de la cavidad con la bolsa. Finalmente, una bolsa de vado de nylon (507) se coloca sobre toda la disposicion que esta acoplada para hacerse el vado y sellarse (509).
Una vez que la pila de material compuesto se ha dispuesto para definir la forma deseada de la lamina exterior y la disposicion y el mandril se han embolsado, puede curarse la lamina exterior.
La primera etapa de curacion o polimerizacion puede tener lugar a una presion alta, es decir, bajo condiciones de autoclave o, como alternativa, a presion ambiente bajo condiciones 'fuera de autoclave'. La seleccion dependera de los materiales compuestos usados y de las tolerancias deseadas para el diseno dado.
Opcion A - Curado termico (polimerizacion) bajo condiciones de autoclave.
Las condiciones de autoclave requieren presiones y temperaturas elevadas y esto resulta en un aumento significativo en el coste unitario de fabricacion de un componente. La figura 6 muestra un tiempo de curado tfpico para una lamina exterior. El vado indica el vado que se aplica a la bolsa de vado de nylon (507) mostrada en la figura 5 y el eje vertical muestra el perfil de temperatura y tiempo para el curado de la lamina exterior. El curado se realiza entre 85 y 100 psi.
Opcion B - Curado termico (polimerizacion) bajo condiciones fuera de autoclave.
El curado de autoclave se consigue usando un horno que funciona en condiciones ambientales, que es la presion atmosferica. Se reconocera que esto puede reducir el coste unitario de la fabricacion de la lamina exterior. La figura 7 muestra el perfil de temperatura de curado para la lamina exterior bajo condiciones fuera de autoclave.
Una vez que la lamina exterior se ha curado (y opcionalmente recortado), puede tener lugar la segunda etapa de curado. De nuevo, el componente debe disponerse y embolsarse antes de la segunda etapa de curado. Esto se ilustra en la figura 8.
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La figura 8 muestra la lamina exterior curada (801) formada en la primera etapa de curado que se localiza contra el mandril (812). Este mandril, de hecho, corresponded al mandril usado para la primera etapa de curado.
La capa de absorcion de sonido (803) que se muestra en la figura 8, es una capa de panal que esta dispuesta contra la superficie de la lamina exterior. Esta puede estar pre-impregnada con resina o la resina puede aplicarse antes de su disposicion. Las dimensiones de panal y la curvatura se pre-determinan basandose en las dimensiones espedficas del motor y los requisitos acusticos del panel. La capa (803) esta dispuesta alrededor de la circunferencia del 'barril' de lamina exterior y esta dispuesta de manera que los extremos de la capa que se extiende alrededor del barril se apoyan uno con otro de tal manera que la capa de absorcion de sonido tambien es continua, es decir, sin costuras.
La figura 8 muestra un adhesivo de pelfcula opcional (802) aplicado a la lamina exterior para unir la capa de absorcion de sonido (803) a la lamina exterior. Cada una de las capas mostradas en la figura 8 se extiende alrededor del perfil de 'barril' de la lamina exterior.
Una capa adhesiva adicional opcional (804) se aplica al lado opuesto de la capa de absorcion de sonido de tal manera que la capa de recubrimiento puede unirse a la capa de absorcion de sonido (803).
A continuacion, la lamina de recubrimiento se define disponiendo una serie de laminados de material compuesto (formando una pila) en la capa de absorcion de sonido de panal para cubrir, por ejemplo, los extremos abiertos de las cavidades mostradas en la figura 2C. Los laminados pueden pre-impregnarse con resina para la siguiente etapa de curado o la resina puede aplicarse por separado.
Esta pila de material compuesto pre-impregnado define la capa de recubrimiento (805) y esta localizada en la parte superior del adhesivo posterior (804). La capa de recubrimiento puede disponerse helicoidalmente alrededor de la otra superficie de la capa de absorcion de sonido.
Una cinta de material compuesto pre-curado (808) se localiza ventajosamente en el extremo de la capa de absorcion de sonido y esta dispuesta para proteger el borde del material absorbente de sonido una vez que la pieza se cura finalmente. Esta esta unida al lado/borde de la capa de absorcion de sonido con una capa adhesiva adicional (807). Por lo tanto, una vez curada la capa de absorcion de sonido se encapsula entre la capa exterior, la capa de recubrimiento y dos tiras de extremo opuestas (de las que solamente se muestra una en la figura 8).
Una capa de ventilacion (810) se localiza de nuevo sobre la disposicion para permitir que los componentes volatiles se liberen durante el ciclo de curado. Finalmente, se dispone una bolsa de vado (811) para encerrar la disposicion antes del curado.
Un ciclo de curado tal como se establece en la figura 7, se usa para proporcionar la segunda etapa de curado. La polimerizacion en la segunda etapa se realiza a presion ambiente, debido a que esto evita que la capa de panal fragil (que es en sf misma un material compuesto) se dane bajo condiciones de alta presion y temperatura. De este modo, la integridad estructural de la pieza puede mantenerse.
Debena reconocerse que las capas adhesivas se describen en el presente documento como opcionales debido a que algunas resinas empleadas en la fabricacion de componentes de material compuesto se uniran suficientemente sin la necesidad de un adhesivo adicional. Sin embargo, el uso de un adhesivo mejora la union entre las capas.
El metodo de polimerizacion de dos etapas de acuerdo con la presente invencion, permite que la lamina exterior se fabrique a muy altas tolerancias geometricas, mientras que el resto del panel puede polimerizarse bajo presiones mas bajas. Esto evita danos en el panel mientras que todavfa mantiene la geometna necesaria de la lamina de recubrimiento. El metodo tambien reduce el numero de ciclos de alta presion y tambien el tamano de la autoclave que pudiese necesitarse para curar la pieza. Todavfa mas adicionalmente, el metodo permite que la geometna de la pieza se compruebe en una etapa intermedia antes de aplicarse la capa de absorcion de sonido y la capa de recubrimiento.
Una vez que la polimerizacion en dos etapas se ha completado, entonces el panel acustico puede perforarse de acuerdo con la permeabilidad disenada de la lamina exterior. Una tecnica de taladro o de ablacion por laser pueden usarse para crear las perforaciones a traves de la lamina exterior para un patron predeterminado despues del proceso de curado en dos etapas. A continuacion, se describe un ejemplo de taladro para formar las perforaciones, aunque podna usarse igualmente la ablacion por laser.
La figura 4 muestra las perforaciones 11.1 y 11.2 que penetran en la lamina exterior. Las perforaciones se extienden a una profundidad d como se muestra en la figura 4. Puede observarse que taladrar a la profundidad d en la posicion 11.1 simplemente alinea la broca de taladro con la cavidad de la celda 11, es decir, la broca de taladro no entra en contacto con las paredes de celda 13.1 o 13.2. Sin embargo, en la posicion 11.2 la broca de taladro se alinea con la pared de celda 13.2 y a medida que se realiza la accion de taladrar la parte superior de la pared de celda 13.2 se
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taladra. Por lo tanto, una superficie superior 16 de la pared de celda 13.2 se expone y se forma una abertura que conecta las dos celdas adyacentes.
Como puede verse en la figura 4, los lfmites de la profundidad de taladro d estan en un irunimo, el espesor de la lamina exterior f y en un maximo, la distancia g entre la lamina exterior y el lfmite superior del reborde o cola de conexion 17, donde:
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La profundidad de taladro (la profundidad de perforacion) h se determina de acuerdo con:
h = t + s
donde
h es la profundidad de perforacion total t es el espesor de la capa exterior
s es la profundidad de perforacion en la capa de absorcion de sonido
Adicionalmente h debe ser menor que g para evitar danos al reborde o cola del tabique como se muestra en la figura 4. Por lo tanto, el requisito adicional de:
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debe satisfacerse.
En una disposicion donde la capa de absorcion de sonido es un tabique de doble capa unido en las paredes de panal de las celdas individuales (por ejemplo, un nucleo de doble capa de Hexcel), entonces la profundidad de perforacion en la capa de absorcion de sonido s esta preferentemente entre 0,5 y 5 mm.
Durante la etapa de taladrar, el proceso de fabricar las perforaciones se realiza a traves de la superficie de la lamina exterior en el intervalo predeterminado como se muestra por c en la figura 4. De acuerdo con la presente invencion, el intervalo de perforacion c puede ajustarse independientemente de la geometna de la celda usando el principio de una profundidad de taladro predeterminada d como se ha tratado anteriormente. Esto permite ventajosamente que la separacion de perforacion se seleccione independientemente del material de la capa de absorcion de sonido y tambien permite que la operacion de taladrar se realice mas rapidamente, debido a que no hay necesidad de intentar alinear cada orificio taladrado 11.1, 11.2 con la celda correspondiente 12.1 o 12.2.
En una realizacion, la separacion de las perforaciones puede seleccionarse espedficamente para alinearse con las paredes de celda de tal manera que una pluralidad de paredes de celda pueden taladrarse o realizarse una ablacion para permitir que las ondas sonoras incidentales se desplacen entre las celdas adyacentes.
El uso de la metodologfa de perforacion de acuerdo con la presente invencion sorprendente y ventajosamente mejora las propiedades de atenuacion del panel acustico. Esto se ilustra en la figura 9.
La figura 9 muestra una parte ampliada de la lamina exterior perforada en la posicion 11.2 de la figura 4. Como se muestra en la figura 9, la perforacion o penetracion taladrada 11.2 se alinea con la pared de celda 13.2 y se ha taladrado a una profundidad total D. Un par de ondas de sonido incidentales tambien se ilustra mediante las referencias Y y Z. Puede observarse que la eliminacion de la parte superior de la pared de celda permite que la onda de sonido Y entre en la celda 12.1 y que la onda de sonido Z entre en la celda 12.2. Esto ha permitido darse cuenta que permitir que las ondas de sonido incidentales entren en el orificio taladrado 11.2 para desplazarse de este modo, mejora ventajosamente el rendimiento acustico y la atenuacion del panel. Esto es contraintuitivo, debido a que implica danar activamente las paredes de celda.
Se ha establecido que un diseno optimo para un panel acustico de acuerdo con la invencion reduce significativamente la salida de ruido de banda ancha y tonal del motor mientras que al mismo tiempo se minimiza el peso. Los parametros optimos se seleccionan a partir de intervalos espedficos para las superficies abiertas de la capa exterior (es decir, la permeabilidad del panel), la profundidad del tabique, las propiedades de resistencia al flujo DC de tabique y el espesor y la geometna de panal.
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Los parametros optimos para un diseno de nucleo de panal delgado y grueso se exponen en la tabla siguiente, haciendo referencia a la figura 10:
Sfmbolo de referencia (vease la figura 6)
Descripcion del parametro Valor del diseno delgado Valor del diseno grueso
H
Espesor del nucleo (mm) 17 a 30 30 a 50
A
Intercepcion de resistencia de flujo DC de tabique (CgsRayl) 60 a 95 40 a 80
B
Pendiente de resistencia de flujo DC de tabique (CgsRayl/cm-1) 0,07 a 0,5 0,07 a 0,5
O
Diametro de orificio (mm) 0,8 a 1,6 0,8 a 1,6
X
Espesor de la lamina exterior (mm) 0,5 a 1,2 1,2 a 5
a
Patron de orificios escalonados (grados) 30 a 70 30 a 70
Hs
Profundidad de tabique (mm) 2 a 8 2 a 25
La figura 11 muestra una grafica que ilustra los parametros de diseno indicados en la tabla anterior.
La figura 12 muestra un brazo robotico de seis ejes (121) y una plataforma horizontal de rotacion (122). Esto en efecto proporciona un 7° eje al aparato de perforacion.
Se muestra un cabezal de perforacion (123) que puede ser un cabezal de taladro de multiples husillos, por ejemplo, para penetrar en la lamina exterior. En una disposicion alternativa, el cabezal de perforacion de multiples husillos puede reemplazarse con un laser y un divisor de haz opcional para permitir que se formen multiples perforaciones.
El panel acustico curado (124) se muestra localizado y fijado a la plataforma horizontal (122).
El brazo robotico (121) y la plataforma (124) estan ambos controlados por un dispositivo informatico (no mostrado) que esta pre-programado con las coordenadas del panel y la profundidad y la distribucion deseadas de las perforaciones para el diseno de panel dado. Durante el funcionamiento, el brazo robotico localiza el cabezal de perforacion en la proximidad de la superficie de la capa exterior y mueve el cabezal de taladro en la capa exterior para crear una pluralidad de perforaciones. El cabezal de taladro se retira y la plataforma horizontal (122) hace rotar el panel (124) escalonadamente una cantidad predeterminada correspondiente a la distribucion de perforacion alrededor de la capa exterior del panel. La etapa de perforacion se repite a continuacion y el panel rota de nuevo hasta que toda la superficie del panel sin costuras se ha provisto de las perforaciones deseadas.
A continuacion, el panel acustico puede retirarse y las etapas de fabricacion se han completado.
Se reconocera que las diversas disposiciones y caractensticas de las realizaciones y aspectos de las invenciones descritas en el presente documento pueden combinarse convenientemente. Por ejemplo, las diversas caractensticas de formacion de perforacion pueden aplicarse a cualquiera de las realizaciones o aspectos, mientras que se logra la misma ventaja tecnica respectiva.

Claims (10)

  1. 5
    10
    15
    20
    25
    30
    35
    40
    45
    REIVINDICACIONES
    1. Un metodo de perforacion de una lamina exterior (8) de un panel acustico de material compuesto con un patron de distribucion de perforacion predeterminado, comprendiendo dicho panel una capa exterior sin costuras, una lamina de recubrimiento impermeable (9) y una capa de absorcion de sonido (10) dispuesta entre las mismas, comprendiendo el metodo las etapas de:
    A - alinear un aparato de perforacion en relacion con la lamina exterior sin costuras en una primera posicion de perforacion;
    B - activar el aparato de perforacion para formar al menos una perforacion a traves de la lamina exterior;
    C - mover el panel acustico y el aparato de perforacion el uno en relacion con el otro una cantidad predeterminada para alinear el aparato de perforacion con una posicion de perforacion posterior; y D - repetir las etapas B y C hasta que se consiga la distribucion de perforacion deseada, y en el que
    las penetraciones se extienden dentro de la capa de absorcion de sonido hasta una profundidad maxima correspondiente a la posicion de un tabique (14), donde una cola de tabique (17) se extiende hacia la capa de recubrimiento o a una profundidad maxima correspondiente a la posicion de la cola de tabique donde el tabique se extiende hacia la capa exterior, y
    las perforaciones estan dispuestas para coincidir con al menos una pared (13) de las celdas (12) de la capa de absorcion de sonido que define un lfmite entre las celdas adyacentes.
  2. 2. Un metodo de acuerdo con cualquier reivindicacion anterior, en el que la capa de absorcion de sonido esta formada por una pluralidad de cavidades o celdas discretas en una disposicion de panal.
  3. 3. Un metodo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 o 2, en el que la capa de absorcion de sonido esta formada por una espuma metalica o una estructura de panal de aluminio.
  4. 4. Un metodo de acuerdo con cualquier reivindicacion anterior, en el que una capa electricamente aislante esta dispuesta entre la capa exterior y la capa de absorcion de sonido y/o entre la capa de absorcion de sonido y la capa de recubrimiento.
  5. 5. Un metodo de acuerdo con cualquier reivindicacion anterior, en el que las perforaciones se forman por medio de un cabezal de taladro que comprende una pluralidad de husillos portabrocas.
  6. 6. Un metodo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en el que las perforaciones se forman por medio de un laser adaptado para realizar la ablacion del material usado para formar la capa exterior.
  7. 7. Un metodo de acuerdo con la reivindicacion 6, en el que el laser comprende ademas un divisor de haz adaptado para permitir multiples perforaciones que se forman simultaneamente.
  8. 8. Un metodo de acuerdo con cualquier reivindicacion anterior, en el que la capa exterior se mueve con respecto al aparato de perforacion por medio de un miembro rotatorio dispuesto para recibir y fijar el panel acustico a la misma.
  9. 9. Un metodo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 6 a 8, en el que las perforaciones vanan en diametro de 50 micrometres a 1,6 mm.
  10. 10. Un metodo de acuerdo con cualquier reivindicacion anterior, en el que la lamina exterior comprende un porcentaje de superficie abierta de entre un 1 y un 35 %.
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