ES2837950T3

ES2837950T3 - Relleno termoplástico preformado para estructura termoendurecible

Info

Publication number: ES2837950T3
Application number: ES14903502T
Authority: ES
Inventors: Gabriel Z Forston; Christopher G Harris; Joshua P Tyndall; Hyukbong Kwon; Carolyn Schmidt
Original assignee: Boeing Co
Current assignee: Boeing Co
Priority date: 2013-10-03
Filing date: 2014-06-23
Publication date: 2021-07-01
Anticipated expiration: 2034-06-23
Also published as: US10144203B2; PT3062989T; EP3062989B1; WO2016089340A2; US20180126711A1; US20150099096A1; EP3062989A2; US10875256B2; WO2016089340A3

Abstract

Un aparato que comprende: una primera capa (24A) termoendurecible que comprende un primer material fibroso embebido en una primera matriz termoendurecible; una segunda capa (24B) termoendurecible que comprende un segundo material fibroso embebido en una segunda matriz termoendurecible, estando acoplada la segunda capa termoendurecible a la primera capa termoendurecible para formar una junta, en donde se define una brecha (28) entre la primera capa termoendurecible y la segunda capa termoendurecible; y un relleno (26) termoplástico hecho de un material termoplástico, estando colocado el relleno termoplástico dentro de la brecha (28) y teniendo una forma y tamaño en sección transversal que corresponde con la forma y tamaño en sección transversal de la brecha (28).

Description

DESCRIPCIÓN

Relleno termoplástico preformado para estructura termoendurecible

Campo

Esta divulgación se refiere en general a estructuras complejas hechas de materiales termoendurecibles y, más particularmente, a la formación de capas adyacentes de juntas de materiales termoendurecibles.

Antecedentes

Hoy en día, muchas estructuras complejas, tales como aeroplanos, naves espaciales, automóviles y similares, están hechas de materiales compuestos. Los materiales compuestos típicamente incluyen materiales fibrosos embebidos en una matriz hecha de materiales termoendurecibles. Los materiales termoendurecibles sin curar se disponen de la manera deseada y luego se curan para endurecer la matriz. Al igual que las estructuras complejas hechas de materiales más tradicionales, tales como el metal, las estructuras complejas hechas de materiales compuestos incluyen un número significativamente grande de componentes interconectados. Los componentes interconectados de estructuras complejas están conectados entre sí en juntas. Las juntas de estructuras complejas convencionales se forman tradicionalmente utilizando sujetadores y soldaduras. Sin embargo, las juntas de algunas estructuras complejas formadas a partir de materiales compuestos se forman utilizando adhesivos y co-curado de materiales termoendurecibles.

Para mejorar las características de las juntas entre componentes fabricados con materiales compuestos, los componentes incorporan curvas en las juntas, que introducen brechas dentro de las juntas. A menudo, las brechas se rellenan con materiales termoendurecibles que curan concurrentemente con los materiales termoendurecibles que forman los componentes. Debido a que los materiales termoendurecibles no curados son flexibles y maleables, antes y durante el curado, mantener tales materiales en su lugar puede ser difícil. Además, después del curado, los rellenos de juntas termoendurecibles son susceptibles de agrietarse debido a cargas estáticas y de fatiga térmicas y mecánicas.

El documento WO2010144007, de acuerdo con su resumen, se refiere a un relleno radial compuesto para uso en una estructura (2) de aeronave, que comprende partes (7) de compuesto estructural ensambladas juntas para formar la estructura (2) de aeronave. El relleno (3) radial compuesto está dispuesto entre las secciones redondeadas (5', 5") de las partes (7) compuestas estructurales para rellenar una brecha (4) formada entre las partes (7) compuestas estructurales. El relleno (3) radial compuesto se hace estructural mediante una nanoestructura (23) dispuesta dentro del relleno (3) radial compuesto para el refuerzo de la interfaz entre el relleno (3) radial y la parte (7) compuesta estructural. También existe un método para producir una estructura de aeronave que comprende dicho relleno radial nano-reforzado.

El documento US5919543, de acuerdo con su resumen, se refiere a un método para formar largueros de ondas sinusoidales de material compuesto a partir de material compuesto. De acuerdo con el método, el larguero de onda sinusoidal está formado por pliegues de banda, pliegues de relleno, pliegues de separación y pliegues de tapa. Los bordes de los pliegues de la banda se cortan para formar una pluralidad de dientes que tienen diferentes configuraciones geométricas. Los pliegues de banda se forman primero con los contornos de onda sinusoidal de una herramienta que tiene la geometría de parte final deseada. Los dientes de los pliegues de banda se doblan entonces sobre los bordes de la herramienta para formar una porción de los rebordes de los canales en forma de U superior e inferior. Las porciones de los rebordes de los canales en forma de U no cubiertas por los dientes se forman utilizando pliegues de relleno que se engranan con los dientes para formar una capa de los rebordes del respectivo canal en forma de U superior o inferior. Los rebordes se refuerzan mediante el uso de pliegues separadores que se colocan entre los pliegues de relleno. Los canales en forma de U superior e inferior formados se unen entre sí de tal manera que sus respectivos rebordes estén alineados entre sí. Los rebajes triangulares entre los rebordes de los canales en forma de U superior e inferior unidos están rellenos con rellenos radiales que tienen una sección transversal triangular. Una vez que los rellenos radiales están en su lugar, se colocan los pliegues de tapa sobre los rellenos radiales y los rebordes para reforzar adicionalmente los rebordes. En la realización preferida, cada pliegue de banda tiene ocho configuraciones de dientes diferentes. Los dientes están configurados para doblarse sobre los bordes del contorno de onda sinusoidal y cubrir los bordes del contorno de onda sinusoidal para minimizar el solapamiento y las brechas entre los dientes doblados.

El documento EP2052846, de acuerdo con su resumen, se refiere al método de fabricación de una estructura (3) de material o compuesto que comprende una pluralidad de láminas (1, 2, 5) y un relleno (6) radial, en el que el relleno radial está adaptado para rellenar una brecha (4) formada al menos parcialmente por las láminas de la estructura de material compuesto. El relleno radial comprende un material plástico con una primera temperatura de curado (T1) y las láminas comprenden un material plástico con una segunda temperatura de curado (T2). El método incluye las etapas de disponer las láminas en la forma deseada, aplicar el material de relleno radial en la brecha, exponer las láminas y el material de relleno radial a la primera temperatura (T1), por lo que el material del relleno radial se cura, y expone las láminas y el relleno radial a la segunda temperatura (T2), la cual supera la primera temperatura (T1), por lo que el material de las láminas se cura. También se describe un relleno (6) radial para rellenar brechas (4) entre láminas (1, 2, 5) de una estructura (3) de material compuesto. El material del relleno radial tiene una temperatura de curado la cual está por debajo de la temperatura de curado de las láminas de la estructura de material compuesto.

Resumen

El asunto objeto de la presente solicitud ha sido desarrollado en respuesta al estado actual de la técnica, y en particular, en respuesta al problema de, y la necesidad de mitigar la formación de grietas en componentes de diversos sistemas, tales como aeronaves, que aún no se han resuelto por completo con las técnicas disponibles actualmente. Por consiguiente, el objeto de la presente solicitud se ha desarrollado para proporcionar un aparato, sistema y método para mitigar la formación de grietas en sistemas multicomponentes, tales como una aeronave, que supere al menos algunas de las deficiencias discutidas anteriormente de técnicas del arte anterior.

En resumen, se proporciona un aparato que comprende: una primera capa termoendurecible que comprende un primer material fibroso embebido en una primera matriz termoendurecible; una segunda capa termoendurecible que comprende un segundo material fibroso embebido en una segunda matriz termoendurecible, estando acoplada la segunda capa termoendurecible a la primera capa termoendurecible para formar una junta, en donde se define una brecha entre la primera capa termoendurecible y la segunda capa termoendurecible; y un relleno termoplástico hecho de un material termoplástico, estando colocado el relleno termoplástico dentro de la brecha y teniendo una forma y tamaño en sección transversal que se corresponden con la forma y tamaño en sección transversal de la brecha.

También se proporciona un método para hacer una unión para una estructura, que comprende: formar un relleno termoplástico hecho de un material termoplástico; aplicar una primera capa termoendurecible sin curar sobre el relleno termoplástico, comprendiendo la primera capa termoendurecible sin curar un primer material fibroso embebido en una primera matriz termoendurecible; aplicar una segunda capa termoendurecible sin curar sobre el relleno termoplástico y en contacto con la primera capa termoendurecible sin curar, comprendiendo la segunda capa termoendurecible sin curar un segundo material fibroso embebido en una segunda matriz termoendurecible; y mientras la primera y segunda capas termoendurecibles sin curar se aplican sobre el relleno termoplástico y mientras la segunda capa termoendurecible sin curar entra en contacto con la primera capa termoendurecible sin curar, curando la primera y segunda capas termoendurecibles sin curar y uniendo entre sí la primera capa termoendurecible, la segunda capa termoendurecible, y el relleno termoplástico; en el que la primera y segunda capas termoendurecibles sin curar se curan a una temperatura por debajo de la temperatura de fusión del material termoplástico.

De acuerdo con una realización, un aparato incluye una primera capa termoendurecible que incluye un primer material fibroso embebido en una primera matriz termoendurecible. El aparato también incluye una segunda capa termoendurecible que incluye un segundo material fibroso embebido en una segunda matriz termoendurecible. La segunda capa termoendurecible se acopla a la primera capa termoendurecible para formar una junta. Además, se define una brecha entre la primera capa termoendurecible y la segunda capa termoendurecible. El aparato también incluye un relleno termoplástico que está hecho de un material termoplástico. El relleno termoplástico se coloca dentro de la brecha.

En algunas implementaciones, el aparato también incluye una tercera capa termoendurecible que incluye un tercer material fibroso embebido en una tercera matriz termoendurecible. La tercera capa termoendurecible se acopla a la primera y segunda capas termoendurecibles para formar la junta. la brecha se define entre la primera, segunda y tercera capas termoendurecibles. la brecha puede tener una sección transversal de forma generalmente triangular y el relleno termoplástico puede tener una sección transversal de forma generalmente triangular que corresponde con la sección transversal de forma generalmente triangular de la brecha. La forma de la sección transversal de la brecha y el relleno termoplástico puede ser sustancialmente no simétricos.

De acuerdo con algunas implementaciones, el primer y segundo material fibroso incluye fibras de carbono. La primera y la segunda matrices termoendurecibles pueden incluir cada una un material entrecruzado curado. El material termoplástico puede ser un material no curable y no entrecruzable. Además, una temperatura de curado de cada una de las primera y segunda matrices puede ser menor que un punto de fusión del material termoplástico.

En ciertas implementaciones, la primera capa termoendurecible incluye una primera porción doblada que tiene un primer radio de curvatura. La primera parte doblada define la brecha. El relleno termoplástico incluye una primera superficie curvada que tiene un segundo radio de curvatura que se corresponde con el primer radio de curvatura. La segunda capa termoendurecible puede incluir una segunda porción doblada que tiene un tercer radio de curvatura. La segunda porción doblada puede definir la brecha y el relleno termoplástico puede incluir una segunda superficie curvada que tiene un cuarto radio de curvatura que se corresponde con el tercer radio de curvatura. Los primero, segundo, tercero y cuarto radios de curvatura pueden ser iguales. El primer y segundo radios de curvatura pueden ser iguales, y el tercer y cuarto radios de curvatura pueden ser iguales, donde el primer y segundo radios de curvatura son diferentes al tercero y cuarto radios de curvatura. El aparato también puede incluir una tercera capa termoendurecible que incluye un tercer material fibroso embebido en una tercera matriz termoendurecible. La tercera capa termoendurecible puede incluir una porción con planitud que define la brecha y el relleno termoplástico puede incluir una superficie plana que se corresponde con la porción con planitud de la tercera capa termoendurecible.

De acuerdo con aún otra realización, un método para hacer una junta para una estructura incluye formar un relleno termoplástico hecho de un material termoplástico. El método también incluye aplicar una primera capa termoendurecible sin curar sobre el relleno termoplástico, donde la primera capa termoendurecible sin curar incluye un primer material fibroso embebido en una primera matriz termoendurecible. Además, el método incluye aplicar una segunda capa termoendurecible sin curar sobre el relleno termoplástico y en contacto con la primera capa termoendurecible sin curar, donde la segunda capa termoendurecible sin curar incluye un segundo material fibroso embebido en una segunda matriz termoendurecible. Mientras que la primera y segunda capas termoendurecibles sin curar se aplican sobre el relleno termoplástico y mientras la segunda capa termoendurecible sin curar entra en contacto con la primera capa termoendurecible sin curar, el método incluye curar la primera y segunda capas termoendurecibles sin curar y unir la primera capa termoendurecible, la segunda capa termoendurecible y relleno termoplástico.

En algunas implementaciones del método, la primera y segunda capas termoendurecibles sin curar se curan a una temperatura por debajo de la temperatura de fusión del material termoplástico. El método puede incluir además aplicar una tercera capa termoendurecible sin curar sobre el relleno termoplástico, donde la tercera capa termoendurecible sin curar incluye un tercer material fibroso embebido en una tercera matriz termoendurecible. La formación del relleno termoplástico puede incluir moldear por compresión el material termoplástico. Alternativamente, la formación del relleno termoplástico puede incluir extrudir el material termoplástico.

En ciertas implementaciones del método, formar el relleno termoplástico incluye formar al menos una superficie cóncava en el relleno termoplástico. Aplicar la primera capa termoendurecible sin curar sobre el relleno termoplástico puede incluir doblar la primera capa termoendurecible sin curar a lo largo de al menos una superficie cóncava, y curar la primera capa termoendurecible sin curar puede incluir curar la primera capa termoendurecible sin curar mientras se dobla a lo largo de al menos una superficie cóncava.

De acuerdo con otra realización, una aeronave incluye una primera capa hecha de un material compuesto de fibra de carbono termoendurecible y una segunda capa hecha de un material compuesto de fibra de carbono termoendurecible. La segunda capa está acoplada a la primera capa para formar una junta y definir una brecha entre la primera y la segunda capa. La aeronave también incluye un relleno endurecido hecho de un material termoplástico colocado dentro de la brecha.

Los rasgos, estructuras, ventajas y/o características descritas de la materia objeto de la presente divulgación pueden combinarse de cualquier manera adecuada en una o más realizaciones y/o implementaciones. En la siguiente descripción, se proporcionan numerosos detalles específicos para impartir una comprensión profunda de las realizaciones de la materia objeto de la presente divulgación. Un experto en la técnica relevante reconocerá que la materia objeto de la presente divulgación puede practicarse sin una o más de los rasgos, detalles, componentes, materiales y/o métodos específicos de una realización o implementación particular. En otros casos, se pueden reconocer rasgos y ventajas adicionales en ciertas realizaciones y/o implementaciones que pueden no estar presentes en todas las realizaciones o implementaciones. Además, en algunos casos, las estructuras, materiales u operaciones bien conocidos no se muestran o describen en detalle para evitar oscurecer aspectos de la materia objeto de la presente divulgación. Las características y ventajas de la materia objeto de la presente divulgación se harán más evidentes a partir de la siguiente descripción y las reivindicaciones adjuntas, o pueden aprenderse mediante la práctica de la materia objeto como se establece de aquí en adelante.

Breve descripción de los dibujos

Con el fin de que las ventajas de la materia objeto se entiendan más fácilmente, se presentará una descripción más particular de la materia descrita objeto brevemente anteriormente con referencia a las realizaciones específicas que se ilustran en los dibujos adjuntos. Entendiendo que estos dibujos representan solo realizaciones típicas de la materia objeto y, por lo tanto, no deben considerarse como una limitación de su alcance, la materia objeto se describirá y explicará con especificidad y detalle adicionales mediante el uso de los dibujos, en los que:

La figura 1 es una vista en planta superior de una aeronave que muestra una vista detallada en sección transversal de una articulación de la aeronave de acuerdo con una realización;

La figura 2 es una vista en perspectiva en sección transversal de una articulación de una aeronave de acuerdo con una realización;

La figura 3 es una vista lateral en sección transversal de una junta de estructura compleja hecha de materiales compuestos de acuerdo con una realización;

La figura 4 es una vista lateral en sección transversal de una junta de estructura compleja hecha de materiales compuestos de acuerdo con otra realización;

La figura 5 es una vista lateral en sección transversal de una junta de estructura compleja hecha de materiales compuestos de acuerdo con aún otra realización; y

La figura 6 es un diagrama de flujo esquemático de un método para hacer una junta en una estructura compleja hecha de materiales compuestos de acuerdo con una realización.

Descripción detallada

La referencia a lo largo de esta especificación a "1 realización", "una realización" o lenguaje similar significa que un rasgo, estructura o característica particular descrita en relación con la realización se incluye en al menos una realización de la presente divulgación. Las apariencias de las expresiones "en 1 realización", "en una realización" y un lenguaje similar a lo largo de esta especificación pueden, pero no necesariamente, hacer referencia a la misma realización. De manera similar, el uso del término "implementación" significa una implementación que tiene un rasgo, estructura o característica particular descrita en relación con una o más realizaciones de la presente divulgación; sin embargo, en ausencia de una correlación expresa que indique otra cosa, se puede asociar una implementación con una o más realizaciones.

Con referencia a la Figura 1, se muestra una realización de una aeronave 10. La aeronave 10 puede ser cualquiera de diversas aeronaves, tales como aeronaves comerciales utilizadas para el transporte de pasajeros, aeronaves militares para operaciones militares, aeronaves personales y similares. Además, aunque en las realizaciones ilustradas se representa una aeronave, en otras realizaciones, se puede utilizar otra estructura compleja, tal como un vehículo (por ejemplo, helicóptero, barco, nave espacial, automóvil, etc.) o estructura compleja no móvil (por ejemplo, edificio, puente, maquinaria, etc.). Como se define en el presente documento, una estructura compleja incluye cualquier estructura de componentes múltiples en un estado completamente operativo para cumplir el propósito pretendido de la estructura.

La aeronave 10 representada incluye un cuerpo 12 (por ejemplo, fuselaje), un par de alas 14 acopladas a y que se extienden desde el cuerpo 12, un estabilizador 16 vertical acoplado al cuerpo y un par de estabilizadores 18 horizontales acoplados al cuerpo y/o al estabilizador vertical. La aeronave 10 puede ser cualquiera de diversos tipos de aeronave, tal como un aeroplano de pasajeros, un avión de combate, un helicóptero, una nave espacial y similares. Como se muestra, la aeronave 10 representa un aeroplano de pasajeros.

Generalmente, el cuerpo 12, las alas 14, el estabilizador vertical 16 y los estabilizadores 18 horizontales de la aeronave incluyen cada uno un armazón interno envuelto por una cubierta o revestimiento. La cubierta está acoplada al armazón para formar una carcasa exterior de la aeronave. Más comúnmente, la cubierta se acopla al armazón utilizando una pluralidad de sujetadores que se extienden a través de la cubierta y se acoplan al armazón. Para efectos de sellado, aislamiento, conducción eléctrica y/o estética, se pueden acoplar uno o más componentes adicionales al exterior de la cubierta. Por ejemplo, se pueden aplicar uno o más recubrimientos sobre la cubierta. Los recubrimientos pueden incluir uno o más de un recubrimiento sellante hecho de cualquiera de diversos materiales, tales como un material de aislamiento, material dieléctrico, un recubrimiento de pintura, un recubrimiento de material conductor o un recubrimiento embebido con componentes estructurales, tales como una malla o capa conductora.

Una o ambas de la cubierta y el armazón interno pueden estar hechos de una o más capas de un material de fibra compuesta o polímero reforzado con fibra. El material de fibra compuesta incluye una matriz termoendurecible curable, tal como una matriz a base de polímero, con fibras reforzadas, tales como fibras a base de carbono, fibras a base de vidrio y similares. Las capas de material de fibra compuesta se pueden acoplar entre sí para formar una junta. Generalmente, una junta en la cubierta o armazón de la aeronave 10 se forma poniendo adyacentes al menos dos capas de material de fibra compuesta sin curar y curando conjuntamente las dos capas aplicando calor a las capas. El calor aplicado a las capas tiene una temperatura superior a la temperatura de curado de la matriz termoendurecible para endurecer la matriz. El curado de la matriz termoendurecible del material de fibra compuesta induce reacciones químicas irreversibles que crean conexiones permanentes (por ejemplo, enlaces cruzados) entre las cadenas moleculares de la matriz. La formación de enlaces cruzados permanentes agrega una estructura tridimensional al material de fibra compuesta, así como aumenta la rigidez del material. Después del curado, la matriz termoendurecible de la fibra compuesta no puede volver al estado sin curar volviendo a fundir la matriz de la misma manera que un material termoplástico. En otras palabras, el curado de la matriz termoendurecible cambia permanentemente la estructura química de la matriz termoendurecible.

De acuerdo con una realización, como se muestra en la vista detallada de la Figura 1, la cubierta y/o el armazón interno de la aeronave 10 pueden incluir una junta 20 formada en el inter-acoplamiento de múltiples capas 22, 24A, 24B termoendurecibles (por ejemplo, láminas). Cada capa 22, 24A, 24B termoendurecible está hecha de fibras reforzadas o material fibroso embebido en una matriz termoendurecible. En ciertas implementaciones, mientras que las capas 22, 24A, 24B termoendurecibles están en un estado "preimpregnado" sin curar, están dispuestas en contacto entre sí y contra un relleno 26 termoplástico para formar la junta 20. Con las capas 22, 24A, 24B termoendurecibles sin curar dispuestas para formar la junta 20 alrededor del relleno 26 termoplástico, las capas termoendurecibles se curan en su lugar mediante la aplicación de calor a una temperatura de curado o por encima de ella asociada con la matriz termoendurecible. El curado de las capas 22, 24A, 24B termoendurecibles mientras están en contacto entre sí da como resultado que las matrices termoendurecibles de capas adyacentes se unan entre sí para acoplar fijamente las capas juntas.

Las capas 22, 24A, 24B termoendurecibles de la junta 20 pueden tener cualquiera de diversos espesores, composiciones y configuraciones. Por ejemplo, cada capa 22, 24A, 24B termoendurecible puede incluir múltiples subcapas de material de fibra compuesta con las fibras de cada capa orientadas de la misma manera o de una manera diferente. Además, las capas 22, 24A, 24B termoendurecibles pueden formar cualquiera de las diversas características estructurales de la aeronave 10. Por ejemplo, en una implementación, la capa 22 termoendurecible puede actuar como una capa exterior (por ejemplo, cubierta) de la aeronave 10, y las capas 24A, 24B termoendurecibles pueden actuar como capas interiores (por ejemplo, armazón) de la aeronave. En otras implementaciones, todas las capas 22, 24A, 24B termoendurecibles actúan como capas exteriores de la aeronave, o todas las capas termoendurecibles actúan como capas interiores de la aeronave.

En la realización ilustrada, la capa 22 termoendurecible incluye una porción 23 sustancialmente plana próxima a la junta 20. En contraste, las capas 24A, 24B termoendurecibles incluyen cada una una porción 38A, 38B, doblada respectivamente, y respectivas porciones 39A, 39B, 41A, 41 B planas que se extiende desde las respectivas porciones dobladas próximas a la junta 20. Más específicamente, la junta 20 se forma acoplando de manera fija las superficies 36A, 36B interiores de las correspondientes porciones 41A, 41 B planas de las capas 24A, 24B termoendurecibles, acoplando fijamente entre sí la superficie 36A interior de la parte 39A plana de la capa 24A termoendurecible y una superficie 32 interior de una sección de la porción 23 plana de la capa 22 termoendurecible, y acoplando fijamente entre sí la superficie 36B interior de la porción 39B plana de la capa 24B termoendurecible y la superficie 32 interior de otra sección de la porción 23 plana de la capa 22 termoendurecible. Las superficies 32, 36A, 36B interiores de las capas 22, 24A, 24B termoendurecibles se oponen a las superficies 30, 34A, 34B exteriores correspondientes de las capas termoendurecibles.

Cuando se forma la junta 20, se define una brecha 28 o espacio entre las superficies 36A, 36B interiores de las porciones 38A, 38B dobladas de las capas 24A, 24B termoendurecibles, y la superficie 32 interior de la porción 23 plana de la capa 22 termoendurecible 22. En consecuencia, la brecha 28 tiene una forma de sección transversal definida por las superficies 32, 36A, 36B interiores de las capas 22, 24A, 24B termoendurecibles. En la realización ilustrada de la Figura 1, la brecha 28 tiene una forma de sección transversal generalmente triangular. Las superficies 36A, 36B interiores de las porciones 38A, 38B dobladas están curvadas para tener cualquiera de los diversos radios de curvatura. Por consiguiente, los dos lados curvados de la brecha 28 pueden tener cualquiera de los diversos radios de curvatura correspondientes a los radios de curvatura de las superficies 36A, 36B interiores de las porciones 38A, 38B dobladas. En algunas implementaciones, tal como se muestra en la Figura 1, las porciones 38A, 38B dobladas se pueden doblar en el mismo grado de tal manera que los radios de curvatura de las superficies 36A, 36B interiores y los dos lados curvados de la brecha 28 sean los mismos. Por el contrario, en otras implementaciones, tal como se muestra en la junta 120 de la Figura 3, las porciones 138A, 138B dobladas pueden doblarse en diferentes grados de tal manera que los radios de curvatura de las superficies 140A, 140B curvadas y los dos lados curvados de la brecha 128, son diferentes. Por ejemplo, la porción 138B doblada de la capa 124B termoendurecible está doblada en un ángulo más agudo que la porción doblada 138A de la capa 124A termoendurecible de tal manera que el radio de curvatura de la superficie 140B curvada de la porción 138B doblada y el lado curvado asociado de la brecha 128 es menor que el radio de curvatura de la superficie 140A curvada de la porción 138A doblada, y el lado curvado asociado de la brecha.

El relleno 26 termoplástico de la junta 20 está ubicado o posicionado dentro de la brecha 128. En ciertas implementaciones, el relleno 26 termoplástico se ajusta estrechamente dentro de la brecha 128 y proporciona soporte a las capas 22, 24A, 24B termoendurecibles, lo que incrementa la resistencia general de la junta 20 y mejora la rigidez de la junta. Además, el relleno 26 termoplástico mitiga la formación de microgrietas y macrogrietas en las capas 22, 24A, 24B termoendurecibles.

El relleno 26 termoplástico está hecho de un material termoplástico. En contraste con el material termoendurecible de las capas termoendurecibles, el material termoplástico del relleno 26 se ablanda con la aplicación de calor y se endurece con la eliminación del calor. Además, a diferencia de los materiales termoendurecibles, la transformación de materiales termoplásticos entre un estado endurecido y un estado maleable implica solamente una transformación física, en oposición a la transformación química (por ejemplo, entrecruzamiento) de un material termoendurecible curado. Por lo tanto, la transformación de los materiales termoplásticos entre los estados endurecido y maleable es reversible. En algunas implementaciones, el material termoplástico del relleno 26 está embebido con materiales fibrosos.

Generalmente, un material termoplástico en un estado endurecido se vuelve maleable (por ejemplo, inestable) a la temperatura de fusión del material termoplástico. En algunas realizaciones, la temperatura de fusión del material termoplástico del relleno 26 es más alta que la temperatura de curado del material termoendurecible de las capas 22, 24A, 24B termoendurecibles. De acuerdo con algunas implementaciones, la temperatura de fusión del material termoplástico del relleno 26 es mayor que entre aproximadamente 232 °C (450 °F) y 399 °C (750 °F), y la temperatura de curado del material termoendurecible de las capas 22, 24A, 24B termoendurecibles está entre aproximadamente 149 °C (300 °F) y aproximadamente 204 °C (400 °F). En una implementación, la temperatura de fusión del material termoplástico es aproximadamente 377 °C (710 °F) y la temperatura de curado del material termoendurecible es aproximadamente 179 °C (355 °F). De acuerdo con algunas implementaciones, la relación entre la temperatura de fusión del material termoplástico y la temperatura de curado del material termoendurecible está entre aproximadamente 1.125 y aproximadamente 2.5. En una implementación específica, la relación entre la temperatura de fusión del material termoplástico y la temperatura de curado del material termoendurecible es aproximadamente 2.

Con referencia a las Figuras 1 y 2, el relleno 26 termoplástico tiene una forma y tamaño en sección transversal que se corresponden con la forma y tamaño en sección transversal de la brecha 28. Por consiguiente, en la realización ilustrada de la Figura 1, el relleno 26 termoplástico tiene una forma en sección transversal triangular generalmente con un lado 42 plano y dos lados 40A, 40B curvados (con las correspondientes superficies curvadas). El lado 42 plano se corresponde con la superficie 32 interior de la porción 23 plana de la capa 22 termoendurecible. Las superficies de los dos lados 40A, 40B curvados tienen cada una un radio de curvatura que se corresponde con el radio de curvatura de las respectivas superficies 36A, 36B interiores de las capas 24A, 24B termoendurecibles. En ciertas realizaciones, los radios de curvatura de los dos lados 40A, 40B curvados del relleno 26 son sustancialmente los mismos o simplemente menores que los radios de curvatura de las respectivas superficies 36A, 36B interiores de las capas 24A, 24B termoendurecibles. De esta manera, el relleno 26 termoplástico está configurado para acoplarse de manera anidada en las superficies 32, 36A, 36B interiores de las capas 22, 24A, 24B termoendurecibles. En algunas implementaciones, el relleno 26 termoplástico está configurado para crear un ajuste de interferencia entre las superficies 32, 36A, 36B interiores de las capas 22, 24A, 24B termoendurecibles y los lados 42, 40A, 40B del relleno.

Como se muestra en la Figura 2, la junta 20 y el relleno 26 termoplástico se extienden longitudinalmente a lo largo de las capas 22, 24A, 24B termoendurecibles. En consecuencia, la junta 20 y el relleno 26 termoplástico tienen cada uno una longitud que se extiende transversalmente con respecto a la sección transversal de la junta 20 y el relleno como se muestra en la Figura 1. En algunas realizaciones, la longitud del relleno 26 es aproximadamente igual a la longitud de la junta 20. Sin embargo, en otras realizaciones, el relleno 26 puede tener una longitud que es menor o mayor que la longitud de la junta 20. En la Figura 2, una longitud de las capas 22, 24A, 24B termoendurecibles está truncada para mostrar las formas en sección transversal de las capas termoendurecibles, así como para mostrar una vista en perspectiva del relleno 26 termoplástico.

El relleno 26 termoplástico se preforma antes del ensamblaje de la junta 20 basándose en el tamaño y la forma deseados de la brecha 28. En otras palabras, antes de que las capas 22, 24A, 24B termoendurecibles se junten y se curen alrededor del relleno 26 termoplástico, se determina el tamaño y la forma deseados de una brecha de la junta, y el relleno se fabrica de acuerdo con el tamaño y la forma deseados de la brecha de la junta. Por consiguiente, el relleno 26 se fabrica en un proceso de fabricación separado de los procesos de ensamblaje y curado de las capas 22, 24A, 24B termoendurecibles. El relleno 26 termoplástico se puede fabricar utilizando cualquiera de los diversos procesos de fabricación conocidos en la técnica que conducen a la fabricación de materiales termoplásticos. Por ejemplo, en una realización, el relleno 26 termoplástico se puede fabricar usando una técnica de moldeo por compresión continua, que incluye comprimir un material termoplástico (a menudo en pellas o capas direccionales variables de material compuesto unidireccional (por ejemplo, fibras compuestas preimpregnadas)) en un canal de molde por compresión calentado con una sección transversal dimensionada y conformada de acuerdo con el tamaño de la sección transversal deseada y la forma del relleno. En otras realizaciones, el relleno 26 termoplástico se fabrica usando una técnica de extrusión continua, que incluye empujar o halar del material termoplástico fundido a través de una matriz calentada que da forma al material en el tamaño y forma de relleno deseados. De acuerdo con algunas realizaciones, el relleno 26 termoplástico puede fabricarse usando técnicas de mecanizado mecanizando una pieza endurecida de material termoplástico. Por ejemplo, la junta 20 puede configurarse para definir una brecha 28 con un tamaño y/o forma en sección transversal no uniforme a lo largo de una longitud de la junta. Pueden usarse técnicas de mecanizado para fabricar un relleno 26 termoplástico que coincida con el tamaño y/o la forma en sección transversal no uniforme de la brecha 28 que puede ser menos práctico de lograr usando técnicas de extrusión o moldeo por compresión continua.

Se puede utilizar un relleno 26 termoplástico preformado como guía para colocar, soportar y orientar correctamente las capas termoendurecibles sin curar que forman la junta 20. Las capas o láminas termoendurecibles preimpregnadas sin curar son maleables y flexibles, mientras que el relleno 26 termoplástico preformado es duro y rígido. Por consiguiente, las capas 22, 24A, 24B termoendurecibles sin curar que forman la junta se pueden aplicar sobre o alrededor del relleno 26 termoplástico, el cual puede soportar y mantener la forma de las capas termoendurecibles sin curar antes y durante el proceso de curado de las capas.

De acuerdo con algunas realizaciones, la forma de la sección transversal de la brecha definida por la junta, y la forma de la sección transversal del relleno termoplástico, pueden no ser simétricas. Por ejemplo, como se muestra en la Figura 3, el radio de curvatura más pequeño de la porción 138B doblada de la capa 124B termoendurecible da como resultado que la superficie 140B curvada del relleno 126 termoplástico tenga un radio de curvatura más pequeño que la superficie 140A curvada. Debido a que los radios de curvatura de las superficies 140A, 140B curvadas del relleno 126 termoplástico son diferentes, la forma de la sección transversal del relleno 126 no es simétrica. Además, en algunas realizaciones, la porción 23 plana se puede reemplazar con una parte doblada similar a las porciones 38A, 38B dobladas. En consecuencia, la superficie 42 (por ejemplo, el lado plano) del relleno 26 termoplástico puede curvarse de una manera similar a los lados 40A, 40B curvados del relleno para igualar la curvatura de la porción doblada que reemplaza a la porción 23 plana en tales realizaciones.

Además, aunque las juntas mostradas en las realizaciones de las Figuras 1-3 se forman a partir de tres capas termoendurecibles, en otras realizaciones, la junta se puede formar a partir de dos o más de tres capas termoendurecibles. Por ejemplo, como se muestra en una configuración de refuerzo o larguero en U profunda de la Figura 4, cada una de las dos juntas 220 está formada por dos capas 222, 224 termoendurecibles. Cada junta 220 incluye un relleno 226A, 226B termoplástico respectivo ubicado dentro de un espacio entre las capas 222, 224 termoendurecibles. Cada relleno 226A, 226B termoplástico incluye superficies que se acoplan a las capas 222, 224 termoendurecibles, y una superficie 240A, 240B respectiva que se acopla a una capa 228 termoendurecible del núcleo colocada entre las capas 222, 224 termoendurecibles. En algunas implementaciones, la capa termoendurecible del núcleo colocada entre las capas termoendurecibles puede ser sólida como se muestra en la Figura 4, o en otras implementaciones, la capa termoendurecible del núcleo puede ser una capa relativamente delgada o capas de material termoendurecible con un núcleo hueco (por ejemplo, una pluralidad de pliegues internos envueltos). Todavía en ciertas implementaciones, no se usa la capa 228 termoendurecible del núcleo y las superficies 240A, 240B no se acoplan (por ejemplo, soportan) a las capas termoendurecibles. Además, como la capa 224 termoendurecible de la Figura 4, una sola capa termoendurecible puede formar múltiples juntas. Por ejemplo, como se muestra en una configuración de refuerzo en I de la Figura 5, cada una de las dos porciones dobladas de las capas 324A, 324B termoendurecibles duales define al menos parcialmente una de las dos brechas en las que se encuentra un relleno 342A, 342B termoplástico respectivo. Las brechas están definidas además por dos partes planas de las respectivas capas 322A, 322B termoendurecibles.

Aunque las juntas mostradas en las realizaciones de las Figuras 1-3 incluyen un relleno termoplástico con una forma en sección transversal generalmente triangular, en otras realizaciones, el relleno termoplástico puede tener una forma en sección transversal distinta a la triangular. Por ejemplo, algunas juntas pueden estar formadas por más de tres capas termoendurecibles de tal manera que la brecha de la junta y el relleno termoplástico asociado tengan una forma deen sección transversal poligonal con cuatro o más lados.

Con referencia a la Figura 6, y de acuerdo con una realización, un método 400 para hacer una junta en una estructura incluye determinar el tamaño y la forma de una brecha definida por una junta hecha de un material termoendurecible en 410. La etapa 410 se realiza antes de que de forme la junta, y se puede realizar durante la fase de diseño de la estructura. En algunas implementaciones, basadas en el diseño deseado de una estructura, y más específicamente, la configuración deseada de las capas termoendurecibles adyacentes de una junta, el tamaño y la forma resultantes de la brecha definida entre las capas pueden predecirse o estimarse. La predicción o estimación del tamaño y la forma de la brecha puede tener en cuenta una contracción prevista del material termoendurecible durante el curado. En algunas implementaciones, el material termoendurecible está diseñado para doblarse o redondearse en la junta de tal manera que la forma deseada de la brecha tenga lados redondeados. Por consiguiente, la determinación del tamaño y la forma de la brecha de unión de material termoendurecible en 410 puede incluir determinar el radio de curvatura deseado de los lados de la brecha de junta después del curado.

Después de determinar el tamaño y la forma de la brecha de la junta en 410, el método 400 incluye preformar un relleno termoplástico basado en el tamaño y la forma de la brecha de la junta del material termoendurecible en 420. Preformar el relleno termoplástico significa formar o hacer el relleno termoplástico antes de que se forme la junta. En algunas implementaciones, el relleno termoplástico está preformado en 420 para tener sustancialmente el mismo tamaño y forma que el tamaño y forma de la brecha de junta determinada en 410. Por lo tanto, el relleno termoplástico se puede preformar en 420 para tener una o más superficies cóncavas correspondientes a porciones dobladas del material termoendurecible. La preformación del relleno termoplástica en 420 puede incluir fundir y/o presurizar un material termoplástico en un estado maleable, y moldear el material termoplástico maleable en un tamaño y forma deseados usando un molde o matriz. El material termoplástico moldeado se deja entonces enfriar, lo que endurece el material en el tamaño y la forma deseados. En otras implementaciones, la preformación del relleno termoplástico en 420 incluye mecanizar una pieza dura o una pletina de material termoplástico en el tamaño y la forma deseados. Además, la preformación del relleno termoplástico en 420 puede incluir formar (por ejemplo, cortar) un material termoplástico que tenga una forma en sección transversal deseada en una longitud deseada.

Después de que se forma el relleno termoplástico en 420, el método 400 incluye colocar el material termoendurecible sin curar alrededor del relleno termoplástico preformado en 430. En ciertas implementaciones, la etapa 430 del método 400 incluye colocar o disponer el material termoendurecible no curado en la configuración deseada adyacente unos a otros sobre el relleno termoplástico preformado para formar la junta. La etapa 430 puede incluir colocar dos, tres o más capas de material termoendurecible sin curar alrededor del relleno termoplástico preformado. En algunas implementaciones, colocar el material termoendurecido sin curar alrededor del relleno termoplástico preformado puede incluir aplicar el material termoendurecible sin curar sobre el relleno termoplástico preformado de manera que el relleno soporte el material termoendurecible no curado en su lugar. El material termoendurecible puede ser un material compuesto (por ejemplo, material fibroso) con una matriz termoendurecible. Además, el material termoendurecible no curado puede ser una lámina de material compuesto preimpregnado y no curado.

Con el material termoendurecible sin curar colocado alrededor del relleno termoplástico preformado, el método 400 incluye curar térmicamente el material termoendurecible en 440, que simultáneamente une el material termoendurecible y el relleno termoplástico para formar una junta. Debido a las propiedades químicas del material termoendurecible, el curado del material termoendurecible en 440 fija o endurece permanentemente el material termoendurecible alrededor del relleno termoplástico preformado. El curado térmico del material termoendurecible en 440 incluye aplicar calor en o por encima de una temperatura de curado deseada al material termoendurecible. La temperatura de curado deseada está por debajo de la temperatura de fusión del material termoplástico que forma el relleno. Por lo tanto, curar térmicamente el material termoendurecible en 440 no funde ni desestabiliza el relleno termoplástico preformado.

En la descripción anterior, se pueden utilizar ciertos términos tales como "arriba", "abajo", "superior", "inferior", "horizontal", "vertical", "izquierda", "derecha", "encima", "debajo" y similares. Estos términos se utilizan, cuando corresponde, para proporcionar cierta claridad de descripción cuando se trata de relaciones relativas. Pero estos términos no pretenden implicar relaciones, posiciones y/u orientaciones absolutas. Por ejemplo, con respecto a un objeto, una superficie "superior" puede convertirse en una superficie "inferior" simplemente dándole la vuelta al objeto. Sin embargo, sigue siendo el mismo objeto. Además, los términos "que incluye", "que comprende", "que tiene" y variaciones de los mismos significan "que incluye pero no se limita a" a menos que se especifique expresamente ptra cosa. Una lista enumerada de ítems no implica que alguno o todos los elementos sean mutuamente excluyentes y/o mutuamente inclusivos, a menos que se especifique expresamente otra cosa. Los términos "un", "uno, una" y "el, la" también se refieren a "uno, una, o más" a menos que se especifique expresamente otra cosa. Además, el término "pluralidad" se puede definir como "al menos dos".

Además, los casos en esta especificación en los que un elemento está "acoplado" a otro elemento pueden incluir acoplamiento directo e indirecto. El acoplamiento directo se puede definir como un elemento acoplado a y en algún contacto con otro elemento. El acoplamiento indirecto se puede definir como el acoplamiento entre dos elementos que no están en contacto directo entre sí, pero que tienen uno o más elementos adicionales entre los elementos acoplados. Además, como se usa en el presente documento, asegurar un elemento a otro elemento puede incluir una sujeción directa y una sujeción indirecta. Además, como se usa en este documento, "adyacente" no significa necesariamente contacto. Por ejemplo, un elemento puede estar adyacente a otro elemento sin estar en contacto con ese elemento.

Como se usa en este documento, la expresión "al menos uno de", cuando se usa con una lista de ítems, significa que pueden usarse diferentes combinaciones de uno o más de los ítems listados y puede ser necesario solo uno de los ítems de la lista. El ítem puede ser un objeto, cosa o categoría en particular. En otras palabras, "al menos uno de" significa que se puede utilizar cualquier combinación de ítems o número de ítems de la lista, pero no todos los ítems de la lista pueden ser necesarios. Por ejemplo, "al menos uno del ítem A, el ítem B y el ítem C" puede significar el ítem A; ítems A e ítem B; ítem B; ítem A, ítem B e ítem C; o el ítem B y el ítem C. En algunos casos, "al menos uno del ítem A, el ítem B y el ítem C" puede significar, por ejemplo, sin limitación, dos del ítem A, uno del ítem B y diez del ítem C; cuatro del ítem B y siete del ítem C; o alguna otra combinación adecuada.

El presente material objeto puede materializarse en otras formas específicas sin apartarse de sus características esenciales. Las realizaciones descritas deben considerarse en todos los aspectos solo como ilustrativas y no restrictivas. El alcance de la invención, por lo tanto, está indicado por las reivindicaciones adjuntas más que por la descripción anterior.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un aparato que comprende:

una primera capa (24A) termoendurecible que comprende un primer material fibroso embebido en una primera matriz termoendurecible;

una segunda capa (24B) termoendurecible que comprende un segundo material fibroso embebido en una segunda matriz termoendurecible, estando acoplada la segunda capa termoendurecible a la primera capa termoendurecible para formar una junta, en donde se define una brecha (28) entre la primera capa termoendurecible y la segunda capa termoendurecible; y

un relleno (26) termoplástico hecho de un material termoplástico, estando colocado el relleno termoplástico dentro de la brecha (28) y teniendo una forma y tamaño en sección transversal que corresponde con la forma y tamaño en sección transversal de la brecha (28).

2. El aparato de la reivindicación 1, que comprende además una tercera capa (22) termoendurecible que comprende un tercer material fibroso embebido en una tercera matriz termoendurecible, estando acoplada la tercera capa termoendurecible a la primera (24A) y la segunda (24B) capas termoendurecible para formar la junta, en el que la brecha (28) está definida entre la primera, segunda y tercera (22) capas termoendurecibles, y en el que la brecha tiene una sección transversal de forma generalmente triangular y el relleno (26) termoplástico tiene una sección transversal en forma generalmente triangular que corresponde con la sección transversal en forma generalmente triangular de la brecha.

3. El aparato de cualquier reivindicación precedente, en el que el primer y segundo material fibroso comprenden fibras de carbono, y en el que la primera y la segunda matrices termoendurecibles comprenden cada una un material entrecruzado curado.

4. El aparato de cualquier reivindicación precedente, en el que el material termoplástico comprende un material no curable y no entrecruzable.

5. El aparato de cualquier reivindicación precedente, en el que la temperatura de curado de cada una de las primera y segunda matrices termoendurecibles es menor que el punto de fusión del material termoplástico.

6. El aparato de cualquier reivindicación precedente, en el que la primera capa (24A) termoendurecible comprende una primera porción doblada que tiene un primer radio de curvatura, definiendo la primera portión doblada la brecha (28), y en el que el relleno (26) termoplástico comprende una primera superficie curvada que tiene un segundo radio de curvatura que corresponde con el primer radio de curvatura, y en el que la segunda capa (24B) termoendurecible comprende una segunda porción doblada que tiene un tercer radio de curvatura, definiendo la segunda porción doblada la brecha y en el que el relleno termoplástico comprende una segunda superficie curvada que tiene un cuarto radio de curvatura que corresponde con el tercer radio de curvatura.

7. El aparato de la reivindicación 6, en el que el primer, segundo, tercer y cuarto radios de curvatura son iguales.

8. El aparato de la reivindicación 6, en el que el primer y segundo radios de curvatura son iguales, y el tercer y cuarto radios de curvatura son iguales, y en el que el primer y segundo radios de curvatura son diferentes del tercer y cuarto radios de curvatura.

9. El aparato de la reivindicación 6, que comprende además una tercera capa (22) termoendurecible que comprende un tercer material fibroso embebido en una tercera matriz termoendurecible, en el que la tercera capa termoendurecible comprende una porción plana que define el espacio (28), y donde el termoplástico el relleno (26) comprende una superficie plana que corresponde con la porción plana de la tercera capa termoendurecible.

10. El aparato de cualquier reivindicación precedente, en el que la forma de la sección transversal de la brecha (28) y el relleno (26) termoplástico es sustancialmente asimétrica.

11. Un método para hacer una junta para una estructura, que comprende:

formar un relleno (26) termoplástico hecho de un material termoplástico;

aplicar una primera capa (24A) termoendurecible sin curar sobre el relleno termoplástico, comprendiendo la primera capa termoendurecible sin curar un primer material fibroso embebido en una primera matriz termoendurecible; aplicar una segunda capa (24B) termoendurecible sin curar sobre el relleno termoplástico y en contacto con la primera capa termoendurecible sin curar, comprendiendo la segunda capa termoendurecible sin curar un segundo material fibroso embebido en una segunda matriz termoendurecible; y

mientras que la primera y segunda capas termoendurecibles sin curar se aplican sobre el relleno termoplástico y mientras la segunda capa termoendurecible sin curar entra en contacto con la primera capa termoendurecible sin curar, se cura la primera y segunda capas termoendurecibles sin curar y uniendo entre sí la primera capa termoendurecible, la segunda capa termoendurecible y el relleno termoplástico;

en el que la primera y segunda capas (24A, 24B) termoendurecibles sin curar se curan a una temperatura por debajo de la temperatura de fusión del material (26) termoplástico.

12. El método de la reivindicación 11, que comprende además aplicar una tercera capa termoendurecible sin curar (22) sobre el relleno (26) termoplástico, comprendiendo la tercera capa termoendurecible sin curar un tercer material fibroso embebido en una tercera matriz termoendurecible.

13. El método de cualquiera de las reivindicaciones 11 a 12, en el que la formación del relleno (26) termoplástico comprende moldear por compresión el material termoplástico o extrudir el material termoplástico.

14. El método de cualquiera de las reivindicaciones 11 a 13, en el que formar el relleno (26) termoplástico comprende formar al menos una superficie cóncava en el relleno termoplástico, y en el que aplicar la primera capa (24A) termoendurecible sin curar sobre el relleno termoplástico comprende doblar la primera capa termoendurecible sin curar a lo largo de la al menos una superficie cóncava, y el curado de la primera capa termoendurecible sin curar comprende curar la primera capa termoendurecible sin curar mientras se dobla a lo largo de la al menos una superficie cóncava.