ES2674659T3 - Método para fabricar una caja de torsión aeronáutica, caja de torsión y herramienta para fabricar una caja de torsión aeronáutica - Google Patents
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Abstract
Método para fabricar una estructura de base (8) de una caja de torsión aeronáutica (1) para una aeronave (11), caracterizado porque comprende las etapas de: a.- proporcionar al menos un revestimiento fresco (3), al menos un larguerillo fresco (4), al menos un larguero delantero fresco (5) y un larguero trasero fresco (6), y al menos una costilla (2) hecha de fibra seca o de material preimpregnado,b.- colocar el al menos un revestimiento fresco (3), el al menos un larguerillo fresco (4), el almenos un larguero delantero fresco (5) y el almenos un largiero trasero fresco (6), y la al menos una costilla (2) con al menos una capa de adhesivo en sus bordes (26), en una herramienta de curado en una configuración correspondiente a la de una estructura de base (8), c.-someter la estructura de base (8) a un único ciclo de curado, obteniendo una estructura de base curada (8).
Description
Método para fabricar una caja de torsión aeronáutica, caja de torsión y herramienta para fabricar una caja de torsión aeronáutica
5 La presente invención pertenece al campo de las estructuras de aeronave y, más particularmente, al campo de métodos para fabricar cajas de torsión.
Los aviones se han construido en su mayoría o en su totalidad a partir de componentes metálicos que proporcionan un buen rendimiento en términos de comportamiento mecánico pero, como inconveniente, también proporcionan
10 demasiado peso.
Con el aumento de la competencia entre las aerolíneas, los fabricantes de fuselajes buscan nuevas maneras de mejorar los rendimientos específicos, lo que significa aumentar o mantener las características estructurales y disminuir el peso frente a construcciones metálicas.
Una de las soluciones más importantes es el uso de polímeros reforzados con fibra de material compuesto (CFRP)
15 para partes estructurales importantes, consiguiendo ahorros de peso y costes de funcionamiento importantes. La primera aeronave con una composición de CFRP grande es el Airbus 320, con más del 20%.
En resumen, se ha demostrado que los materiales compuestos satisfacen los siguientes requisitos:
-Ahorros de peso.
-Son económicos.
20 -Cumplen con el requisito estructural en las condiciones de la aeronave.
-Relación coste/peso beneficioso.
La estructura principal para las superficies de sustentación de aeronaves consiste en un borde de ataque, una caja de torsión, un borde de salida, una unión raíz y una punta. La caja de torsión consiste en diversos elementos estructurales: revestimientos superior e inferior rigidizados mediante larguerillos por un lado, y largueros y costillas 25 por otro lado. Normalmente, los elementos estructurales que forman la caja de torsión se fabrican de manera separada y se unen con la ayuda de un equipamiento complejo para conseguir las tolerancias necesarias, que se dan mediante los requisitos aerodinámicos, de ensamblaje y estructurales. Actualmente, y particularmente en la industria aeronáutica, se usan ampliamente materiales compuestos con una matriz orgánica y fibras continuas, especialmente CFRP (plástico reforzado con fibra de carbono), en una gran variedad de elementos estructurales.
30 Por ejemplo, todos los elementos que forman una caja de torsión, enumerados anteriormente (costillas, larguerillos, largueros y revestimientos) pueden fabricarse usando CFRP. Normalmente, los diferentes componentes que comprenden una caja de torsión, se fabrican de manera separada y a continuación se ensamblan usando remaches u otro tipo de medios de unión.
Existen diversas patentes en lo que respecta a la integración de partes: la patente estadounidense n.º 6.320.118B1
35 (Adhesively bonded joints in carbon fibre composite structures), la patente estadounidense n.º 6.306.239B1 (Method of fabricating a stringer-stiffened shell structure using carbon reinforced composites), la patente estadounidense n.º
5.817.269 (Composite fabricating method and tooling to improve part consolidation), describiendo todas ellas 40 métodos de integración con un determinado grado.
Otra patente que describe un alto grado de integración es el documento EP2153979A1, (Integrated multispar torsion box composite material), que también propone un cambio en la disposición típica de una caja de torsión formada por revestimiento, larguerillos, larguero delantero y trasero y costillas. No obstante, este documento de patente se refiere a la integración de una caja de torsión de múltiples largueros, sin costillas.
45 Otra patente con respecto a la integración de piezas es WO 2008/020158, en la que se presenta un conjunto de herramientas que comprende, una herramienta de moldeo que comprende una superficie de moldeo y un rebaje de mandril en la superficie de moldeo, un primer mandril configurado para encajar en el rebaje de mandril y formar un primer componente y un segundo mandril configurados para encajar en el rebaje del mandril y formar un segundo componente que tiene una forma o tamaño diferente al primer componente. También se describe en esta patente un
50 método de fabricación de una pieza que comprende: disponer un conjunto de componentes en una o más herramientas de línea de molde interno, formar una capa alrededor de las herramientas de línea de molde interior, colocar un par de herramientas de línea de molde externo en lados opuestos de las herramientas internas de la línea de moldeo, moldear la pieza al comprimir la capa y los componentes entre las herramientas de la línea de molde
interior y exterior, y retirar las herramientas de la línea de molde interno de la pieza. Estas soluciones del estado de la técnica presentan los siguientes problemas técnicos: Los problemas técnicos relacionados con estructuras que usan remaches son, principalmente:
la adición de peso a las estructuras resultantes y 5 tiempo de ensamblaje mayor que el deseado.
Por otro lado, las estructuras integradas también tienen problemas tales como: que requieren un equipamiento muy complejo, que a veces provoca incluso que el proceso no sea rentable. Es deseable ahorrar más tiempo en la fabricación y el ensamblaje de diferentes partes de cajas de torsión,
especialmente las que comprenden costillas. 10 Existe la necesidad de una solución que proporcione un equilibrio entre ninguna integración y la integración total de modo que puedan resolverse los problemas mencionados. Es deseable tener estructuras para las que pueda minimizarse el número de remaches integrando diferentes componentes que forman la estructura en el menor número de ciclos de curado posible. A pesar de que, en el estado de la técnica, puedan encontrarse soluciones para ello, estas soluciones todavía no consiguen proporcionar el equipamiento apropiado en términos de complejidad. 15 En este documento se entiende el término “material compuesto” como cualquier tipo de material, por ejemplo CFRP
(polímeros reforzados con fibra de carbono), que comprende dos o más partes distinguibles físicamente y separables mecánicamente, no pudiendo disolverse las dos o más partes entre sí. En la presente descripción se definen los siguientes términos:
• Cocurado: el proceso de unir dos materiales laminados de material compuesto proporcionados en un
20 estado fresco por medio de un único ciclo de curado. La unión resultante está certificada para estructuras principales.
• Copegado: el proceso de unir un material laminado de material compuesto proporcionado en un estado fresco a un material laminado de material compuesto curado por medio de un ciclo de curado y la aplicación de un adhesivo a lo largo de la superficie de unión de los materiales laminados. La unión resultante está certificada para
25 estructuras principales.
- •
- Pegado: el proceso de unir dos partes curadas de material compuesto por medio de un material de adhesivo. No está certificada para unir estructuras principales.
- •
- Pegado mecánico: el proceso de unir dos partes por medio de medios de sujeción, tales como remaches o pernos. La unión resultante está certificada para estructuras principales.
30 Sumario de la invención La presente invención proporciona una solución mejorada para los problemas mencionados anteriormente, mediante un método para fabricar una estructura de base de una caja de torsión aeronáutica según la reivindicación 1, un método para fabricar una caja de torsión aeronáutica según la reivindicación 2, y un equipamiento según la reivindicación 5.
35 En un primer aspecto de la invención se proporciona un método para fabricar una estructura de base de una caja de
torsión aeronáutica para una aeronavede acuerdo a la reivindicación 1. La estructura de base para una caja de torsión aeronáutica según la invención comprende las partes descritas en la etapa a.-.
En la etapa b.-la configuración de una estructura de base es de tal manera que al menos un larguerillo y al menos 40 dos largueros se colocan en el revestimiento inferior y se unen al mismo a lo largo de sus rebordes.
En la etapa c.-las partes colocadas se someten a un ciclo de curado, por ejemplo en un autoclave. En un segundo aspecto de la invención se proporciona un método para fabricar una caja de torsión aeronáutica para una aeronave, caracterizado porque comprende las etapas de:
d1.-proporcionar una estructura curada fabricada según el primer aspecto de la invención, 45 d2.-proporcionar un revestimiento adicional, y d3.-unir el revestimiento adicional a la estructura curada.
El método según el segundo aspecto de la invención permite ensamblar una estructura obtenida con un método según el primer aspecto de la invención con un revestimiento adicional o superior, que puede comprender larguerillos, de tal manera que se fabrica y se ensambla una caja de torsión, que proporciona ventajosamente un equilibrio entre ninguna integración e integración total de modo que se solucionan los problemas mencionados del estado de la técnica.
El método permite tener estructuras para las que se necesita un número mínimo de remaches cuando se integran y se realiza un número mínimo de ciclos de curado.
El revestimiento superior se une mediante cualquier método de unión.
Las ventajas técnicas de un método para fabricar una caja de torsión según la invención son:
se reduce el número de ciclos de curado para obtener una caja de torsión con respecto al estado de la técnica,
se reduce el peso de la estructura completa puesto que se usa una cantidad reducida de remaches,
se reduce el tiempo de ensamblaje porque en lugar de fabricar piezas individuales tales como revestimiento inferior, costillas, larguerillos o larguerillos y sujetarlos entre sí mediante medios mecánicos tales como remaches, la caja de torsión se trata como dos partes separadas que se unen:
- 1.
- la primera parte es la estructura de base que se integra en la etapa c., eliminando por tanto la necesidad de medios de sujeción mecánicos, tales como remaches para todos los componentes que van a unirse, así como colocación de partes, medición de huelgos, vibraciones, etc.
- 2.
- La segunda parte es el revestimiento adicional, superior o inferior que se une posteriormente a la primera parte mediante cualquier método de unión.
En un tercer aspecto de la invención se proporciona un equipamiento para fabricar una estructura de base de una caja de torsión mediante un método según el primer aspecto de la invención, comprendiendo el equipamiento los elementos de la reivindicación 5.
Estas y otras características y ventajas de la invención se entenderán claramente en vista de la descripción detallada de la invención que resulta evidente a partir de una realización preferida de la invención, dada tan sólo como ejemplo y sin limitarse a la misma, con referencia a los dibujos.
Figura 1 Esta figura muestra un ejemplo de una aeronave (11) que comprende una superficie de sustentación (17).
Figura 2 Esta figura muestra un ejemplo de una superficie de sustentación (17) de una aeronave que tiene una caja de torsión convencional (1) en la que pueden distinguirse diferentes partes: larguero delantero (5), un larguero trasero (6), al menos una costilla (2), un revestimiento inferior (3) y al menos un larguerillo (4).
Figura 3 Esta figura muestra un ejemplo de preformas (12, 13, 14) para fabricar las costillas (2). Figura 4 Esta figura muestra un molde (27) para formar los largueros (5, 6). Figura 5 Esta figura muestra el equipamiento para fabricar una caja de torsión (1) y algunas partes de la
caja de torsión según la invención. Pueden distinguirse: módulos de base (18), larguero delantero (5) de la caja de torsión (1) que va a fabricarse, dos bloques (20) para las costillas (2), un elemento tipo cuña (21) para las costillas, una placa de chapa de prensado (22), una placa de base (23).
Figura 6 Esta figura muestra larguerillos (4) que se montan en las costillas (2) y módulos de base (18) que usan una bolsa de vacío (25) para la compactación durante el curado. Figura 7 Esta figura muestra una babette (24) usada para fabricar una caja de torsión (1) según la
invención. Figura 8 Esta figura muestra un diagrama que representa las etapas llevadas a cabo en un proceso para fabricar una caja de torsión (1) según la invención. Figura 9 Esta figura muestra la estructura de base (8) de una caja de torsión (1) fabricada con un método 5 según la invención. Figura 10 Esta figura muestra una parte de una sección transversal del equipamiento correspondiente a la ubicación de una costilla que comprende módulos de base (18), dos bloques (20) para las costillas (2), un elemento tipo cuña (21) para las costillas, una placa de chapa de prensado (22) y una placa de base (23). Se representa también una costilla en forma de “J” (2) y el revestimiento inferior (3) 10 Descripción detallada de la invención
Una vez que se ha explicado el objeto de la invención, a continuación en el presente documento se describirán realizaciones no limitativas específicas. Método para fabricar una estructura de base (8) de una caja de torsión aeronáutica (1): El proceso que se representa en la figura 8 muestra diversas etapas comprendidas en un método para fabricar una
15 estructura de base (8) de una caja de torsión aeronáutica (1) según la invención. Por tanto, se expone una
explicación en el presente documento como ejemplo particular. El método para fabricar una estructura de base (8) de una caja de torsión aeronáutica (1) para una aeronave (11) según la invención comprende las etapas de:
a.-proporcionar (81, 82, 83) al menos un revestimiento inferior fresco (3), al menos un larguerillo fresco (4), al
20 menos dos largueros frescos (5, 6), b.-colocar el revestimiento inferior fresco (3), el al menos un larguerillo fresco, los largueros frescos (5, 6) en una herramienta de curado en una configuración correspondiente a la de una estructura de base (8),
c.-someter la estructura (8) a un único ciclo de curado, obteniendo una estructura de base curada (8). ETAPA a.-Las partes proporcionadas (81, 82, 83) en la etapa a.-pueden fabricarse con cualquier método conocido
25 en el estado de la técnica antes de proporcionarse. En la figura 8, las referencias representan las etapas de: proporcionar (81) el revestimiento inferior fresco (3), proporcionar (82) los largueros frescos (5, 6), que pueden fabricarse usando un molde macho (27) como el
representado en la figura 4, proporcionar (83) los larguerillos frescos (4).
30 En una realización particular el método para fabricar una estructura de base (8) se realiza de tal manera que: en la etapa a.-se proporciona además (80) al menos una costilla (2) en la etapa b.-la al menos una costilla (2) se coloca junto con el resto de los elementos. Se usa un
adhesivo para colocar las costillas, colocándose el adhesivo en los bordes (26) de las costillas (2). El adhesivo en los bordes (26) de la costilla (2) permite unir la costilla (2) al resto de la estructura antes de someter
35 la estructura (8) a un único ciclo de curado. La ventaja de este ejemplo particular es que las costillas (2) se integran en la estructura durante el ciclo de curado de modo que se reduce el tiempo total de ensamblaje. Las costillas (2) que se proporcionan son rígidas. En la figura 8, la referencia 80 representa la etapa de proporcionar (80) la al menos una costilla (2). Realizando el método del ejemplo particular explicado anteriormente, se obtiene una estructura de base (8) tal como
40 se representa en la figura 9. La figura 9 representa una estructura de base (8) que comprende las partes: costillas (2), largueros delantero y trasero (5, 6), revestimiento inferior (3), larguerillos (4).
En un ejemplo particular, la costilla (2) es una costilla curada (2) hecha de fibra seca.
En un ejemplo particular, la costilla (2) es una costilla curada (2) hecha de material preimpregnado.
En este ejemplo particular, las costillas (2) se fabrican por ejemplo por medio de RTM (moldeado por transferencia de resina). En este proceso de fabricación se construyen preformas tal como se muestra en la figura 3:
5 Preforma 1 (12): forma de fibra seca en C
Preforma 2 (13): forma de fibra seca en Z
Preforma 3 (14): forma de fibra seca babette.
En un ejemplo particular, la costilla (2) está dotada (80) de una babette (24), tal como se muestra en la figura 7. La ventaja técnica es que la babette (24) permite compactar los larguerillos, preferiblemente larguerillos omega durante
10 el ciclo de curado.
En un método según la invención se usa una babette (24) en una forma particular adaptada para unir larguerillos, el revestimiento inferior y largueros. Las babettes (24) usadas en el estado de la técnica están adaptadas para integrar particularmente el revestimiento y los larguerillos, a diferencia con la babette (24) usada en la presente invención, que está adaptada adicionalmente para unir los largueros. Ventajosamente esto dota a la estructura (8) de una
15 buena compactación en zonas de unión.
La babette (24) que se usa en este ejemplo particular está conformada especialmente para cubrir larguerillos, revestimiento y largueros. Las babettes que se usan en el estado de la técnica cubren habitualmente el alma de la costilla y los larguerillos pero no los largueros. En la solución propuesta, la babette (24) está conformada con una parte de extensión para ser adecuada para integrar toda la costilla, larguerillos y largueros, tal como se muestra en
20 la figura 7, montándose las costillas (2) usando la babette (24) con una parte de extensión que cubre el borde completo (26).
La placa de chapa de prensado (22) es una lámina con el mismo tamaño y forma que la superficie aerodinámica sobre la que se sitúa. La placa de chapa de prensado (22) se sitúa en contacto inmediato durante el curado para transmitir presión normal y proporcionar una superficie lisa en la parte acabada.
25 Los módulos de base (18) y las costillas (2) están conformados para proporcionar ranuras (15) en las que se sitúan los larguerillos (4) antes del curado.
En una realización particular, los módulos de base (18) están hechos de acero.
Las costillas (2) son partes rígidas, entre los módulos de base (18).
Las etapas que se realizan en la fase de integración (85) con el equipamiento de la realización particular se 30 representan en la figura 8 y son:
- 1.
- montar (851) las costillas (2), el revestimiento inferior fresco (3), los largueros frescos (5, 6), los larguerillos frescos (4) que se han proporcionado (80, 81, 82, 83) previamente, correspondientes a las etapas a.-y b.de un método según la invención,
- 2.
- compactación (852) usando una bolsa de vacío (25),
35 3. curado (853), correspondiente a la etapa c.-del método según la invención,
- 4.
- desmoldeo (854),
- 5.
- compensación (855),
- 6.
- inspección y verificación (856).
Para montar (851) las costillas (2) los dos bloques (20) se sitúan en cada lado de las costillas (2) para realizar un
40 bloque que pueda manipularse fácilmente para encajar las costillas (2) en los espacios(19) entre los diferentes módulos (18). Los módulos se fabrican particularmente para garantizar la compactación durante el ciclo de curado y además para desarmarse fácilmente.
Se proporciona un sellador en los bordes (26) de las superficies o costillas (2) en los que se sitúa el adhesivo para evitar que el adhesivo fluya sin control
45 A continuación se monta el elemento tipo cuña (21) para las costillas (2) de modo que aplica una presión de compresión entre las costillas (2) y los módulos de base (18). Por tanto, Ventajosamente, esto permite evitar cualquier holgura durante el curado.
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Posteriormente se realiza la colocación de los largueros (5, 6). Los largueros (5, 6) están copegados a las costillas (2); por tanto se realiza la aplicación de película de adhesivo estructural en los bordes (26) de las costillas (2).
En una realización particular, los elementos tipo cuña (21) para las costillas (2) se dividen en partes separadas. Ventajosamente, esto permite garantizar el desmoldeo apropiado (854) de cada elemento tipo cuña (21).
En la figura 9 hay una representación de la estructura de base (8) de una caja de torsión (1) fabricada con un método para fabricar la estructura de base (8) de una caja de torsión (1) según la invención.
Tras situar los refuerzos mencionados (costillas (2), largueros (5, 6), y larguerillos (4)), se realiza la colocación del revestimiento inferior (3). El revestimiento inferior (3) se coloca en la parte superior del equipamiento, tal como se muestra en las figuras 5 y 10.
En una realización particular, todos los elementos de equipamiento están colocados mediante clavijas en una placa de base (23) para garantizar la colocación correcta de las costillas (2).
En una realización particular, todos los elementos de equipamiento se dotan de cierres o elementos metálicos para su transporte. Ventajosamente esto permite que todo el equipamiento se transporte fácilmente.
Después de colocar todas las partes, se realiza la etapa c.-del método de la presente invención, en la que la estructura de base (8) se somete a un único ciclo de curado (853). Posteriormente, tras el ciclo de curado (853), se desmoldea (854) la estructura de base curada (8) del equipamiento y se gira para colocar el revestimiento inferior (3) al revés.
La compactación (852) se lleva a cabo usando una bolsa de vacío (25). La bolsa de vacío (25) cubre todo el equipamiento con los elementos montados, y también se sitúa (25) en los larguerillos (4), tal como se muestra en la figura 6.
En una realización particular, los módulos de base están adaptados adicionalmente para alojar largueros intermedios comprendiendo ranuras para encajar los largueros intermedios en las ranuras para el curado.
Método para fabricar una caja de torsión aeronáutica (1):
El método para fabricar una caja de torsión aeronáutica (1) para una aeronave (11) según la invención comprende las etapas de:
d1.-proporcionar una estructura de base curada (8) fabricada según el método explicado anteriormente,
d2.-proporcionar un revestimiento superior reforzado con al menos un larguerillo, y
d3.-unir (86) el revestimiento superior a la estructura de base curada (8).
La unión en la etapa d3.-puede realizarse por medio de cualquier método de unión.
En una realización particular, la etapa d3.-se realiza copegando un revestimiento superior fresco a la estructura de base curada (8).
En una realización particular, la etapa d3.-se realiza remachando un revestimiento superior curado a la estructura de base curada (8).
Caja de torsión aeronáutica (1)
La invención también describe una caja de torsión aeronáutica (1) fabricada por medio de un método según la invención.
En una realización, al menos uno de los revestimientos (3) de la caja de torsión aeronáutica se rigidiza con una pluralidad de larguerillos (4) que se extienden todos ellos a lo largo del revestimiento y que tienen una sección transversal decreciente hacia el borde externo de revestimiento (10).
En una realización de la invención, la caja de torsión aeronáutica (1) comprende larguerillos (4) dispuestos de manera convergente. La ventaja técnica es que son necesarios incluso menos larguerillos para que la caja de torsión porte las mismas cargas impuestas que en el caso en el que sólo tengan una sección transversal decreciente.
Claims (5)
-
imagen1 REIVINDICACIONES1. Método para fabricar una estructura de base (8) de una caja de torsión aeronáutica (1) para una aeronave (11), caracterizado porque comprende las etapas de: a.-proporcionar 5 al menos un revestimiento fresco (3), al menos un larguerillo fresco (4), al menos un larguero delantero fresco (5) y un larguero trasero fresco (6), y al menos una costilla (2) hecha de fibra seca o de material preimpregnado,b.-colocar el al menos un revestimiento fresco (3), 10 el al menos un larguerillo fresco (4), el almenos un larguero delantero fresco (5) y el almenos un largiero trasero fresco (6), y la al menos una costilla (2) con al menos una capa de adhesivo en sus bordes (26), en una herramienta de curado en una configuración correspondiente a la de una estructura de base (8),c.-someter la estructura de base (8) a un único ciclo de curado, obteniendo una estructura de base curada 15 (8). - 2. Método para fabricar una caja de torsión aeronáutica (1) para una aeronave (11), caracterizado porque comprende las etapas de: d1.-fabricar una estructura de base curada (8) según la reivindicación 1,d2.-proporcionar un revestimiento adicional (7) reforzado con al menos un larguerillo, y 20 d3.-unir (86) el revestimiento adicional (7) a la estructura de base curada (8).
-
- 3.
- Método según la reivindicación 2, caracterizado porque la etapa d3.-comprende unir un revestimiento superior curado (7) a la estructura curada (8) por medio de remaches.
-
- 4.
- Método según la reivindicación 2, caracterizado porque la etapa d3.-comprende unir un revestimiento superior fresco (7) a la estructura curada (8) mediante un ciclo de curado adicional.
25 5. Equipamiento para fabricar una estructura de base (8) de una caja de torsión (1) mediante un método según la reivindicación 1 , comprendiendo el equipamiento: módulos de base (18) adaptados y dispuestoso para alojar al menos un larguerillo (4) por medio de al menos una ranura (15), y- o para alojar las costillas curadas (2) de la caja de torsión (1) dentro de espacios (19) entre los 30 diferentes módulos de base (18), una placa de chapa de prensado (22), al menos dos bloques (20) para montar al menos una costilla curada (2) dentro de un espacio (19), y
al menos un elemento tipo cuña (21) para aplicar una presión de compresión entre las costillas curadas (2) y los modulos de base (18).- 35 6. Equipamiento según la reivindicación 5, caracterizado porque además comprende una placa de base (23) en la cual los elementos de equipamiento están colocados mediante clavijas.
- 7. Equipamiento según una cualquiera de las reivindicaciones 5 a 6, en el que los módulos de base (18) están hechos de acero.8
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