ES2890680T3 - Procedimiento de ensamblaje mediante encolado de piezas, en particular piezas compuestas con refuerzos fibrosos - Google Patents

Abstract

Procedimiento de ensamblaje de dos piezas (10, 20, 50, 60, 70, 80), denominadas primera y segunda piezas, estando la primera pieza realizada de un material compuesto con refuerzo fibroso incrustado en una matriz termoendurecible o termoplástica, comprendiendo el procedimiento las etapas de: - obtención de la primera pieza (10, 20, 80) que comprende, sobre la totalidad o parte de una superficie exterior, una primera película termoplástica amorfa (13, 23, 83), - posicionamiento de la primera pieza y de la segunda pieza de manera tal que la primera película termoplástica amorfa (13, 23, 83) quede enfrentada a la segunda pieza, - introducción de una resina termoendurecible entre la primera película termoplástica amorfa (13, 23, 83) y la segunda pieza, - polimerización al menos parcial, de dicha resina termoendurecible.

Description

DESCRIPCIÓN

Procedimiento de ensamblaje mediante encolado de piezas, en particular piezas compuestas con refuerzos fibrosos Campo de la invención

La presente invención pertenece al campo del ensamblaje de piezas, en particular, hechas de material compuesto. Más concretamente, se refiere a un procedimiento de ensamblaje de piezas de material compuesto termoplástico y/o termoendurecible.

La invención resulta particularmente adecuada para la producción de piezas en el campo aeronáutico, tales como piezas estructurales, piezas de grandes dimensiones y/o de forma compleja.

Estado de la técnica

Los materiales compuestos con refuerzos fibrosos, ya sean termoplásticos o termoendurecibles, se utilizan en la actualidad de forma generalizada para la fabricación de piezas en muchos sectores industriales, tales como el campo aeronáutico o espacial, incluso para piezas estructurales, es decir, piezas que deben soportar fuerzas significativas durante su uso.

Un material compuesto está generalmente constituido por un refuerzo fibroso y de una matriz de resina termoplástica o termoendurecible, la combinación de los cuales permite obtener un complejo cuyas propiedades superan a las de los materiales de partida. De este modo, las piezas hechas de material compuesto presentan numerosas ventajas asociadas, en particular, a sus propiedades mecánicas de resistencia y rigidez, ligereza y facilidad de conformado.

Algunas piezas estructurales de aviones se producen a partir de piezas individuales que luego se ensamblan entre sí. Existen tres procedimientos de ensamblaje:

- el procedimiento de ensamblaje mecánico, en el que las piezas se perforan y ensamblan juntas utilizando elementos de fijación;

- el procedimiento de ensamblaje mediante encolado, que consiste en el ensamblaje de las piezas por polimerización de un adhesivo en la interfaz. Una vez polimerizada, la unión es irreversible;

- el procedimiento de ensamblaje mediante soldadura, que consiste en ensamblar las piezas ablandando o fundiendo la interfaz. El ablandamiento o la fusión de los materiales se logra mediante calentamiento. A diferencia de la polimerización, el ablandamiento o la fusión es reversible.

Por ejemplo, los paneles del fuselaje o de las alas están constituidos por el ensamblaje de un revestimiento y de rigidizadores encolados, que luego se ensamblan a las otras piezas estructurales, de tipo bastidor o nervaduras, utilizando elementos de fijación. Los dos procedimientos, ensamblaje mecánico y ensamblaje mediante encolado, se utilizan de forma generalizada en el campo aeronáutico y, a menudo, se combinan entre sí por razones de certificación de la resistencia mecánica de la unión encolada. El procedimiento de ensamblaje mediante soldadura sigue siendo muy poco utilizado para aplicaciones estructurales a pesar de que este procedimiento ha sido objeto de numerosos trabajos de desarrollo.

Para el ensamblaje de dos piezas de material compuesto termoendurecible con refuerzo fibroso, los expertos en la materia conocen bien las diferentes variantes del procedimiento de encolado. En particular, cabe mencionar:

- el procedimiento de encolado por co-cocción, comúnmente llamado "cocurado" (terminología anglosajona); consiste en el ensamblaje por polimerización de dos piezas no polimerizadas, realizándose la unión entre las dos piezas con o sin película adhesiva;

- el procedimiento de encolado por coencolado o "co-bonding" (terminología anglosajona); consiste en el ensamblaje por polimerización de una pieza no polimerizada con una pieza polimerizada, realizándose la unión entre las dos piezas con una película adhesiva;

- el procedimiento de encolado secundario o "secondary bonding" (terminología anglosajona); consiste en el ensamblaje mediante encolado de dos piezas polimerizadas, realizándose la unión entre las dos piezas con una película adhesiva.

Las películas adhesivas utilizadas son, preferiblemente, de tipo epoxi.

Los procedimientos antes mencionados se utilizan de forma generalizada para el ensamblaje estructural de piezas compuestas y, aunque son satisfactorios, cada uno de ellos presenta numerosos inconvenientes. Para el procedimiento de encolado por co-cocción, el principal inconveniente radica en la complejidad de implementación de piezas y utillajes. Para los procedimientos de encolado por coencolado y encolado secundario, los principales inconvenientes radican en la necesidad de efectuar operaciones de preparación de la superficie de las piezas antes de su ensamblaje y la sensibilidad de la resistencia mecánica de la unión encolada a la contaminación superficial antes del encolado.

En el caso del ensamblaje de dos piezas hechas de material compuesto termoplástico con refuerzo fibroso, el procedimiento de encolado no se emplea para aplicaciones estructurales debido, principalmente, a la insuficiente resistencia mecánica de la unión encolada, a menos que se realicen tratamientos superficiales complejos y costosos de las piezas termoplásticas, tales como, por ejemplo, un tratamiento superficial con plasma.

El procedimiento de soldadura se emplea para el ensamblaje estructural de piezas termoplásticas. Cabe citar, de forma no exhaustiva:

- el procedimiento de soldadura por co-consolidación,

- el procedimiento de soldadura por ultrasonidos,

- el procedimiento de soldadura por resistencia,

- el procedimiento de soldadura por fricción,

- el procedimiento de soldadura por inducción,

- el procedimiento de soldadura por ablandamiento de una película termoplástica amorfa en la superficie de cada una de las piezas termoplásticas, presentando dicha película termoplástica amorfa una temperatura de ablandamiento inferior a la temperatura de procesamiento del material termoplástico de las piezas que se van a ensamblar.

La soldadura puede ser estática, es decir, una soldadura simultánea de toda la interfaz entre las dos piezas que se van a ensamblar, o bien puede ser dinámica, es decir, una soldadura progresiva de la interfaz que se va a ensamblar. Estos procedimientos son muy conocidos por el experto en la materia.

En el caso del ensamblaje de una pieza termoplástica con una pieza termoendurecible, al igual que en el del ensamblaje de dos piezas termoplásticas, el encolado no se emplea para aplicaciones estructurales debido, principalmente, a la baja resistencia mecánica de la unión encolada y/o a la necesidad de un tratamiento superficial complejo de la pieza termoplástica.

Por su parte, el ensamblaje de una pieza termoplástica con una pieza termoendurecible puede realizarse indirectamente mediante un procedimiento de soldadura utilizando una película termoplástica amorfa colocada en la superficie de la pieza termoendurecible durante la polimerización de esta última. La unión con la pieza termoplástica se realiza mediante el procedimiento de soldadura por inducción, por ultrasonidos o por resistencia, con el fin de calentar la interfaz de forma muy local y no degradar la resina termoendurecible de la segunda pieza debido a un calentamiento excesivo. No obstante, este procedimiento de soldadura, se encuentra todavía en fase de desarrollo y no se emplea para aplicaciones estructurales.

Por consiguiente, existe la necesidad de proporcionar una solución que permita realizar encolados entre dos piezas hechas de material compuesto termoendurecible y/o termoplástico, que presente una buena resistencia mecánica y una fiabilidad de la unión encolada similar a la obtenida con el procedimiento de encolado por co-cocción, al tiempo que ofrezca una mayor facilidad de implementación con el fin de reducir costes y a la vez minimizar el empleo de operaciones de preparación de la superficie. También existe la necesidad de proporcionar una solución que permita encolados entre una pieza hecha de material compuesto termoendurecible o termoplástico y una pieza diferente, tal como un metal, una cerámica u otros materiales.

Exposición de la invención

La presente invención se refiere a un procedimiento de ensamblaje de dos piezas, denominadas primera y segunda piezas, estando la primera pieza realizada de un material compuesto con refuerzo fibroso incrustado en una matriz termoendurecible o termoplástica. El procedimiento comprende las etapas de:

- obtención de la primera pieza que comprende, sobre la totalidad o parte de una superficie exterior, una primera película termoplástica amorfa,

- posicionamiento de la primera pieza y de la segunda pieza de manera tal que la primera película termoplástica amorfa quede enfrentada a la segunda pieza,

- introducción de una resina termoendurecible entre la primera película termoplástica amorfa y la segunda pieza, - polimerización, al menos parcial, de dicha resina termoendurecible.

La resina termoplástica amorfa de las películas se selecciona, preferiblemente, en función de su solubilidad con la resina termoendurecible durante la fase de polimerización de la resina termoendurecible, actuando, por tanto, la resina termoendurecible como disolvente, y de la capacidad de interdifusión de los materiales termoendurecible y termoplástico para crear una interfase.

Aunque la resina termoplástica ya se haya interdifundido sobre la superficie en contacto con la primera pieza, durante la producción de dicha primera pieza, esta resina termoplástica puede interdifundirse de nuevo sobre la superficie opuesta en contacto con la resina termoendurecible durante la etapa de polimerización del conjunto.

Las cadenas poliméricas de la resina termoendurecible se entrelazan, pero sin llegar unirse, con las cadenas poliméricas de la película termoplástica amorfa, hasta que la resina termoendurecible se haya polimerizado por completo.

La unión obtenida entre las resinas termoendurecible y termoplástica es una unión polimerizada y, por tanto, irreversible, a diferencia de las uniones obtenidas mediante soldadura.

La unión polimerizada obtenida presenta una interfase y, en consecuencia, esta unión constituye una unión fuerte y con una buena resistencia mecánica.

El procedimiento de ensamblaje según la invención puede definirse, de este modo, como un procedimiento de encolado por co-cocción.

El procedimiento de ensamblaje según la invención permite, de manera muy ventajosa, ensamblar una pieza hecha de material compuesto termoendurecible, o una pieza hecha de material compuesto termoplástico, que comprende una película termoplástica amorfa en la superficie, con otra pieza hecha de material compuesto termoendurecible u otra pieza hecha de material compuesto termoplástico, o incluso con una pieza cualquiera.

En otras palabras, un procedimiento de este tipo permite, por tanto, ensamblar juntas piezas que normalmente no se ensamblan mediante encolado, tales como las piezas hechas de material compuesto termoplástico.

El procedimiento de ensamblaje según la invención permite, además, obviar las costosas y complejas operaciones de preparación de la superficie de las piezas, en particular, de las piezas hechas de material compuesto termoplástico.

El procedimiento de ensamblaje según la invención también permite realizar ensamblajes estructurales con piezas de grandes dimensiones y/o de geometría compleja, con independencia de los materiales que constituyan dichas piezas. Según realizaciones preferidas, la invención también reúne las siguientes características, implementadas por separado o en cada una de sus combinaciones técnicamente operativas.

En implementaciones preferidas, la etapa de introducción de la resina termoendurecible se lleva a cabo mediante la inserción, entre la primera película termoplástica amorfa y la segunda pieza, de una película adhesiva que comprende una resina termoendurecible.

En implementaciones preferidas, la resina termoendurecible se introduce por inyección. Estas realizaciones se prefieren, principalmente, cuando las piezas son de grandes dimensiones y/o de geometría compleja.

En implementaciones preferidas, el procedimiento de ensamblaje comprende una etapa de introducción de una tela permeable entre la primera película termoplástica amorfa y la segunda pieza, antes de la etapa de introducción de la resina termoendurecible. Estas realizaciones se prefieren principalmente cuando las piezas presentan una geometría compleja, para mantener una holgura suficiente entre las piezas. Este holgura también se conoce como entrehierro.

En ejemplos preferidos de implementación, la primera película termoplástica amorfa se selecciona de entre una polieterimida (PEI), una polietersulfona (PES), una polisulfona (PSU) y un fluoruro de polivinilideno (PVDF).

En ejemplos preferidos de implementación, la resina termoendurecible introducida es de tipo epoxi.

En implementaciones preferidas, cuando la primera pieza es una pieza que comprende, sobre la totalidad o parte de una superficie exterior, una primera película termoplástica amorfa y la segunda pieza es una pieza que comprende, sobre la totalidad o parte de una superficie exterior, una segunda película termoplástica amorfa, las dos piezas se posicionan de manera tal que la primera y la segunda películas termoplásticas amorfas quedan enfrentadas entre sí y la resina termoendurecible se introduce entre la primera y la segunda películas termoplásticas amorfas.

La invención también se refiere a un conjunto estructural obtenido de acuerdo con el procedimiento de ensamblaje en al menos una de sus implementaciones.

La invención también se refiere a un procedimiento de ensamblaje de un panel de tipo sándwich que comprende un material de núcleo entre dos revestimientos, denominados primer y segundo revestimiento. Cada revestimiento está realizado de un material compuesto con refuerzo fibroso incrustado en una matriz termoendurecible o termoplástica que comprende, sobre la totalidad o parte de una superficie exterior, una película termoplástica amorfa. El procedimiento comprende las etapas de:

- ensamblaje del primer revestimiento y el material de núcleo de acuerdo con el procedimiento de ensamblaje descrito anteriormente en al menos una de sus implementaciones, correspondiendo el primer revestimiento a la primera pieza y el material de núcleo a la segunda pieza,

- ensamblaje del segundo revestimiento y el material de núcleo de acuerdo con el procedimiento de ensamblaje descrito anteriormente en al menos una de sus implementaciones, correspondiendo el segundo revestimiento a la primera pieza y el material de núcleo a la segunda pieza.

De manera ventajosa, el procedimiento de ensamblaje del panel de tipo sándwich permite prescindir de las operaciones de preparación de la superficie previas al encolado. De este modo, es posible, a partir de este procedimiento, producir paneles de tipo sándwich con revestimientos hechos de material compuesto termoplástico.

Descripción de figuras

La invención se describirá ahora con más precisión en el contexto de realizaciones particulares, que de ninguna manera son limitantes, mostradas en las figuras 1 a 8, que ilustran:

La figura 1 ilustra de forma esquemática una etapa de drapeado de una pieza hecha de material compuesto termoendurecible o termoplástico y de una película termoplástica amorfa en la superficie.

La figura 2 ilustra de forma esquemática una etapa de polimerización o consolidación de la pieza de la figura 1, La figura 3 ilustra de forma esquemática una etapa de posicionamiento relativo entre sí de las dos piezas de la figura 1, durante un procedimiento de ensamblaje de dichas dos piezas.

La figura 4 ilustra de forma esquemática la etapa de polimerización de las dos piezas de la figura 3 durante un procedimiento de ensamblaje.

La figura 5 ilustra de forma esquemática el ensamblaje de las dos piezas al final de la etapa de polimerización, La figura 6 ilustra de forma esquemática una etapa de posicionamiento de la pieza de la figura 1 y de otra pieza que no comprende una película termoplástica amorfa, durante un procedimiento de ensamblaje de dichas dos piezas.

La figura 7 ilustra de forma esquemática una etapa de polimerización de la pieza de la figura 1 y de un material de núcleo con estructura celular para la producción de un panel de tipo sándwich.

La figura 8 ilustra de forma esquemática una etapa de polimerización de la pieza de la figura 1 y de un material de núcleo en forma de espuma para la producción de un panel de tipo sándwich

Descripción de una realización preferida

Los ejemplos de realización se describen de manera detallada en su aplicación al campo aeronáutico, en particular, para el caso de una pieza de avión. Esta selección no es limitante y puede extenderse a otros campos, en particular, al campo espacial o incluso al automovilístico.

El procedimiento de ensamblaje según la invención permite ensamblar dos piezas mediante encolado para formar un conjunto. Las piezas pueden ser idénticas o estar realizadas de materiales diferentes.

Al menos una de las dos piezas es una pieza hecha de material compuesto con refuerzo fibroso incrustado en una matriz termoplástica o termoendurecible.

En el resto de la descripción, se denominará pieza polimerizada 10 a la pieza hecha de material compuesto con refuerzo fibroso incrustado en una matriz termoendurecible. Se denominará pieza consolidada 20 a la pieza hecha de un material compuesto con refuerzo fibroso incrustado en una matriz termoplástica.

La pieza polimerizada 10 o consolidada 20 comprende, además, una película termoplástica amorfa 13, 23 sobre la totalidad o parte de una superficie exterior 12, 22.

En el resto de la descripción, se describirá, de manera no limitante, el ensamblaje de una pieza polimerizada 10 con una película termoplástica amorfa 13 y de una pieza consolidada 20 con una película termoplástica amorfa 23, tal como se ilustra en las figuras 3 a 5.

Para llevar a cabo el procedimiento de ensamblaje según la invención, un primer etapa consiste en obtener:

- una primera pieza que comprende, sobre la totalidad o parte de una superficie exterior, una primera película termoplástica amorfa,

- una segunda pieza que comprende, sobre la totalidad o parte de la superficie exterior, una segunda película termoplástica amorfa.

En el ejemplo no limitante, la primera pieza es una pieza polimerizada 10 y la segunda pieza es una pieza consolidada 20.

Este etapa puede consistir en la producción de cada pieza o en la selección de una pieza de entre piezas que hayan sido previamente producidas y almacenadas a la espera de su posterior utilización.

La producción de una u otra de las dos piezas es conocida como tal y se revisa a continuación.

Producción de una pieza polimerizada 10 con una película termoplástica amorfa 13

Un ejemplo de implementación de la producción de dicha pieza 10 se describe, con carácter no restrictivo, y se ilustra en las figuras 1 y 2. En una primera subetapa, se produce una preforma 110 preimpregnada.

La preforma 110 está definida de tal modo que la forma y el volumen se corresponden sustancialmente con la forma y las dimensiones de la pieza final que se va a producir.

La preforma 110 se produce, por ejemplo, en un molde, cuya forma y volumen se corresponden sustancialmente con la forma y las dimensiones de la pieza que se va a producir.

La preforma 110 se produce mediante un solo pliegue 111, o una superposición de al menos dos pliegues 111, de fibras preimpregnadas con una resina no polimerizada.

La naturaleza y las orientaciones de las fibras en lo(s) pliegue(s) se determinan según el tipo de tensiones mecánicas a las que se verá sometida la pieza, una vez producida.

Cuando la preforma 110 se produce mediante una superposición de pliegues 111, la determinación del número de pliegues y las orientaciones de las fibras en los pliegues sucesivos forma parte de técnicas de cálculo conocidas que no se describen aquí.

En un ejemplo de implementación, la preforma 110 comprende una superposición de fibras preimpregnadas, por ejemplo, láminas unidireccionales, hechas de carbono. La preforma también podría estar constituida, por ejemplo, por fibras de vidrio y/o fibras de Kevlar.

Lo(s) pliegue(s) 111 está(n) preimpregnado(s) con una resina de tipo termoendurecible, por ejemplo, una resina epoxi, de bismaleimida, fenólica o de éster de cianato.

En un ejemplo de implementación, lo(s) pliegue(s) está(n) impregnado(s) con una resina epoxi cuyo monómero base es principalmente de tipo DGEBA (diglicidil éter de bisfenol A), TGPAP (triglicidil paraminofenol) o TGMDA (tetraglicidil metilendianilina) y el agente endurecedor es de tipo amina, tal como diaminodifenil sulfona (DDS).

En una segunda subetapa, ilustrada en la figura 1, una capa 130 que comprende una resina termoplástica amorfa se deposita de forma local sobre la preforma 110.

En un ejemplo de implementación, la capa 130 está formada por un pliegue constituido por una resina termoplástica amorfa.

La capa 130 se deposita de forma local sobre la totalidad o parte de una superficie 120 de un pliegue exterior de la preforma 110, en un lugar en el que la pieza, una vez producida, está destinada a ser ensamblada con otra pieza, mediante encolado.

En otro ejemplo de implementación, la capa 130 se produce mediante pulverización de partículas finas de resina termoplástica amorfa sobre la totalidad o parte de la superficie de un pliegue exterior de la preforma.

Cualquiera que sea el ejemplo de implementación de la deposición de la capa, la resina termoplástica amorfa es, preferiblemente, una polieterimida (PEI), una polietersulfona (PES), una polisulfona (PSU), un fluoruro de polivinilideno (PVDF).

En una tercera subetapa, el conjunto preforma-capa se polimeriza. Se instala una bolsa de vacío y productos ambientales alrededor del conjunto preforma-capa.

La bolsa de vacío se sella por medios conocidos. A continuación, se aplica un vacío al conjunto preforma-capa, con el objetivo de compactar el conjunto preforma-capa, en particular, los pliegues. A continuación, el conjunto preformacapa se somete a un tratamiento térmico, a una temperatura, tiempo y presión determinados.

En el ejemplo preferido de la resina de tipo epoxi, la resina es una resina polimérica termoendurecible, cuya reticulación tiene lugar a una temperatura superior o igual a 110 °C.

La resina termoplástica se selecciona, en particular, en función de su carácter amorfo, de su solubilidad con la resina termoendurecible durante la fase de polimerización de la resina termoendurecible, actuando, por tanto, la resina termoendurecible como disolvente para el termoplástico amorfo, y de la capacidad de interdifusión de los materiales termoendurecible y termoplástico para crear una interfase. Esta interfase consiste en una transición gradual entre los dos materiales que puede llegar hasta el entrelazamiento de las cadenas poliméricas de los dos materiales (se habla, entonces, de redes semi-interpenetrantes). En esta zona, los dos materiales están íntimamente entretejidos, creándose así una fuerte unión entre los dos materiales. No hay continuidad de las cadenas poliméricas entre los dos materiales. En el ejemplo de implementación, la etapa de polimerización se lleva a cabo a una temperatura de 180 °C. La interdifusión se produce hasta una temperatura de aproximadamente 175 °C, tras lo cual la interfase se fija debido a la polimerización de la resina termoendurecible.

Durante la etapa de polimerización, la resina termoendurecible contenida en la preforma se extiende dentro de la misma llenando las zonas de vacío entre las fibras de diferentes pliegues. La capa en sí no se impregna con la resina termoendurecible de la preforma puesto que ya está impregnada con su propia resina termoplástica.

Durante el ciclo de polimerización, la viscosidad de las resinas de la capa y de la preforma disminuye con el aumento de la temperatura. A partir de una determinada temperatura, la resina termoendurecible se convierte en un disolvente para la resina termoplástica amorfa. Las cadenas poliméricas contenidas en la resina termoendurecible de la preforma migrarán a la capa y las cadenas poliméricas contenidas en la resina termoplástica de la capa migrarán a la preforma, tal como se ilustra con las flechas de la figura 2. Así pues, se produce la creación e interdifusión de las cadenas poliméricas de la resina termoendurecible de la preforma y de la resina termoplástica de la capa.

Al final de esta tercera subetapa, se desmoldea la primera pieza 10. La primera pieza 10 obtenida comprende una estructura 11, polimerizada, formada por un conjunto de fibras retenidas en una resina termoendurecible y que comprende, sobre la totalidad o parte de una superficie exterior 12, una primera película termoplástica amorfa 13. Tras eventuales operaciones de control de la salud del material, o de acabado como, por ejemplo, taladrado o mecanizado, la pieza polimerizada 10 obtenida es susceptible de ser ensamblada mediante encolado a otra pieza, tal como se ilustra en las figuras 3 a 5.

En un ejemplo de realización, láminas de fibras de carbono unidireccionales impregnadas con la resina epoxi termoendurecible M18 de la sociedad 'HEXCEL®, se apilan unas sobre otras con las orientaciones correctas de las fibras para formar un estratificado. Sobre la superficie de este estratificado se coloca una película termoplástica constituida por la resina PEI Ultem 1000 de SABIC®. El espesor de la película está comprendido entre 50 jm y 250 |jm. De manera ventajosa, si ha sido almacenada y manipulada en condiciones normales de limpieza, humedad y temperatura conocidas por el experto en la materia, la película de resina PEI no se somete a ninguna preparación superficial particular. A continuación, el conjunto se coloca bajo una bolsa de vacío con los productos ambientales conocidos por el experto en la materia para asegurar un buen drenaje del aire y una buena aplicación de la presión durante el ciclo de polimerización. Se puede utilizar una placa de alisado en la superficie de la pieza a fin de asegurar un buen estado de la superficie de la pieza final. El ciclo de polimerización aplicado se desarrolla a una temperatura de 180 °C durante dos horas bajo una presión de 7 bares. La resina PEI de la película presenta una buena compatibilidad con la resina M18. La solubilidad de la resina PEI con la resina epoxi termoendurecible M18 se produce a partir de una temperatura de aproximadamente 110 °C, convirtiéndose, por tanto, la resina epoxi termoendurecible M18 en un disolvente para la resina PEI. Se constata una buena interdifusión de los dos materiales hasta una temperatura de aproximadamente 175 °C. Tras la polimerización y el desmoldeo, la pieza final queda constituida por un estratificado carbono/epoxi M18 polimerizado, con una película termoplástica PEI en la superficie. La zona de interfase presenta un espesor de aproximadamente 50 pm.

Tras eventuales operaciones de control de la salud del material o de acabado como, por ejemplo, taladrado o mecanizado, la pieza polimerizada obtenida es susceptible de ser ensamblada mediante encolado a otra pieza. Producción de una pieza consolidada 20 con una película termoplástica amorfa. En el caso de la producción de una pieza consolidada 20 con una película termoplástica amorfa 23 en la totalidad o parte de su superficie exterior 22, las dos primeras subetapas son idénticas, con la diferencia de que la preforma 210, producida a partir de al menos un pliegue 211, está impregnada con una resina termoplástica. Las figuras 1 y 2 también pueden representar subetapas de producción de una pieza consolidada 20. Una capa 230, que comprende una resina termoplástica amorfa, se deposita de forma local, sobre la totalidad o parte de la superficie 220 de un pliegue exterior de la preforma 210, en un lugar en el que la pieza, una vez producida, está destinada a ser ensamblada a otra pieza, mediante encolado.

La resina termoplástica de la preforma 210 es, por ejemplo, una resina de polieteretercetona (PEEK), polietercetonacetona (PEKK), poliariletercetona (PAEK), polipropilensulfona (PPS). Todas estas resinas son resinas termoplásticas semicristalinas.

La resina termoplástica amorfa de la capa 230 se selecciona de manera tal que su temperatura de fusión sea sustancialmente igual a la temperatura de fusión de la resina termoplástica de la preforma y que presente una buena interdifusión de los materiales termoplástico y termoplástico amorfo a la temperatura de procesamiento de la resina termoplástica que constituye el estratificado. También se selecciona de manera tal que presente una buena solubilidad con la resina epoxi termoendurecible y una buena interdifusión durante la polimerización de la resina termoendurecible a lo largo de la operación de ensamblaje. En el ejemplo de la resina PEEK, la temperatura de procesamiento es de 400 °C.

La tercera subetapa es una etapa de consolidación.

Esta etapa de consolidación consiste en compactar la preforma 210 con la película termoplástica amorfa hasta la forma definitiva de la pieza sometiéndola a un ciclo de temperatura y presión determinadas.

La rigidización del conjunto se obtiene durante el enfriamiento bajo presión hasta la temperatura ambiente, a la que conserva las formas adquiridas durante la compactación.

Al final de esta subetapa, se desmoldea la pieza 20. La primera pieza 20 obtenida comprende una estructura 21, consolidada, formada por un conjunto de fibras retenidas en una resina termoplástica y que comprende, sobre la totalidad o parte de una superficie exterior 22, una primera película termoplástica amorfa 23. En un ejemplo de realización, láminas de fibras de carbono unidireccionales impregnadas con la resina termoplástica p Ee K de la sociedad VICTREX®, se apilan unas sobre otras con las orientaciones correctas de las fibras para formar un estratificado. Sobre la superficie de este estratificado, se coloca una película termoplástica constituida por la resina PEI Ultem 1000 de SABIC®. El espesor de la película está comprendido entre 50 pm y 250 pm. De manera ventajosa, si ha sido almacenada y manipulada en condiciones normales de limpieza, humedad y temperatura conocidas por el experto en la materia, la película de resina PEI no se somete a ninguna preparación superficial particular. A continuación, el conjunto se coloca bajo una bolsa de vacío con los productos ambientales conocidos por el experto en la materia para asegurar un buen drenaje del aire y una buena aplicación de la presión durante el ciclo de consolidación. Se puede utilizar una placa de alisado en la superficie de la pieza a fin de asegurar un buen estado de la superficie de la pieza final. El ciclo de consolidación aplicado se desarrolla a una temperatura de 400 °C durante 20 minutos en vacío simple. La resina de la película PEI presenta una buena compatibilidad con la resina PEEK. La fusión de la resina PEI se produce aproximadamente a 350 °C y la fusión de la resina PEEK se produce a 343 °C. Se obtiene una buena interdifusión de los dos materiales cuando ambos se encuentran en estado fundido. Tras el desmoldeo, la pieza final queda constituida por un estratificado carbono/PEEK consolidado, con una película termoplástica PEI en la superficie. La zona de interfase presenta un espesor de aproximadamente 50 pm.

Tras eventuales operaciones de control de la salud del material o de acabado como, por ejemplo, taladrado o mecanizado, la pieza consolidada obtenida es susceptible de ser ensamblada mediante encolado a otra pieza. En una segunda etapa del procedimiento de ensamblaje, la pieza consolidada 20 y la pieza polimerizada 10 se posicionan una respecto de la otra.

La pieza consolidada 20 y la pieza polimerizada 10 se posicionan de manera tal que la primera película termoplástica amorfa 13 de la pieza polimerizada 10 quede enfrentada a la segunda película termoplástica amorfa 23 de la pieza consolidada 20.

La zona en la que las dos películas termoplásticas amorfas 13, 23 se colocan enfrentadas entre sí se denomina zona de encolado.

A continuación, en una tercera etapa del procedimiento de ensamblaje, se introduce una resina termoendurecible entre la primera y la segunda películas termoplásticas amorfas 13, 23.

En una realización, la resina termoendurecible es inyectada. En un ejemplo de implementación, la pieza consolidada 20 y la pieza polimerizada 10 se colocan previamente en un compartimento herméticamente cerrado.

El compartimento herméticamente cerrado está delimitado, por ejemplo, por un conjunto molde-contra molde o molde-bolsa de vacío que rodea el conjunto preforma-tejido fibroso.

A continuación, se inyecta una resina termoendurecible en el compartimento herméticamente cerrado delimitado por el molde o la bolsa de vacío.

En un ejemplo de realización, la resina inyectada es una resina de tipo epoxi, por ejemplo, la resina HexFlow® RTM6 de HEXCEL®. De manera ventajosa, esta resina presenta una muy buena compatibilidad con la resina termoplástica PEI. En otras palabras, los dos materiales presentan una interdifusión muy buena durante el ciclo de polimerización de la resina RTM6.

Este modo de implementación se selecciona, preferentemente, cuando las piezas que se van a ensamblar son de grandes dimensiones y de geometría compleja.

En otra realización, tal como se ilustra en la figura 3, se intercala una película adhesiva 40 en la zona de encolado. Dicha película adhesiva está constituida por una resina termoendurecible. Dicha película adhesiva termoendurecible puede tener o no un soporte. Por "tener soporte" se entiende que la película adhesiva puede contener un tejido o una estera de fibras que permite manipular dicha película adhesiva y mantener un espesor mínimo de adhesivo durante el ensamblaje.

En un ejemplo de realización, la película adhesiva 40 está basada en una resina de tipo epoxi, por ejemplo, la película FM® 300 de CYTEC - SOLVAY Group®.

Este modo de implementación se selecciona, de preferencia, cuando las piezas no presentan una geometría compleja, es decir, cuando las piezas son sustancialmente planas o presentan un único radio de curvatura en la zona de encolado. Una pieza de este tipo puede ser, por ejemplo, un panel de fuselaje de avión que presenta un solo radio de curvatura y que es sustancialmente plano en su longitud.

Una implementación de este tipo permite simplificar el procedimiento de ensamblaje en comparación con el modo de implementación consistente en la introducción de la resina por inyección.

A continuación, la pieza polimerizada y la pieza consolidada 20 se ponen en contacto bajo presión en la zona de encolado y luego se confinan en un compartimento herméticamente cerrado para crear posteriormente las condiciones necesarias para la polimerización.

En una última etapa, se polimeriza el conjunto. Durante este etapa, la resina termoendurecible y la resina termoplástica de las películas termoplásticas amorfas 13, 23 de cada pieza 10, 20 se interdifunden en un intervalo de temperatura comprendido generalmente entre 110° y 175 °C, temperaturas próximas a la temperatura de polimerización de la resina termoendurecible. Esto es posible gracias al carácter reversible de las resinas termoplásticas. En efecto, la viscosidad de una resina termoplástica vuelve a disminuir cuando se somete a un nuevo ciclo de calentamiento. Así, aunque la resina termoplástica ya se haya interdifundido sobre la superficie en contacto con la pieza consolidada 20, o sobre la superficie en contacto con la pieza polimerizada 10, esta resina puede volver a disolverse e interdifundirse sobre la superficie opuesta en contacto con el adhesivo de resina termoendurecible siguiendo el mismo procedimiento descrito anteriormente. Cabe recordar que la selección de la resina termoplástica amorfa de las películas 13, 23 se realizó en función de su solubilidad con la resina termoendurecible introducida, durante la fase de polimerización de la resina termoendurecible, y de la capacidad de interdifusión de los materiales termoendurecible y termoplástico para crear una interfase.

También cabe volver a observar que, al ser la temperatura de fusión de la resina termoplástica de la pieza consolidada muy superior a la temperatura necesaria para la polimerización de la resina termoendurecible, solo la resina termoplástica de las películas termoplásticas amorfas de las piezas consolidadas se interdifundirá con la resina termoendurecible durante la polimerización.

Las cadenas poliméricas de la resina termoendurecible introducida y de las películas termoplásticas amorfas 13, 23, migrarán y se interdifundirán, de este modo, tal como se ilustra con las flechas en la figura 4.

En la zona de interfase, estas cadenas poliméricas de la resina termoendurecible introducida se mezclan y entrelazan con las cadenas poliméricas de las películas termoplásticas amorfas 13, 23 de la pieza polimerizada 10 y de la pieza consolidada 20, pero sin llegar a unirse entre sí, hasta que la zona de encolado se haya polimerizado por completo.

Se obtiene así una unión completamente polimerizada entre la pieza polimerizada 10 y la pieza consolidada 20, con la creación de una fuerte unión en las zonas de interfase entre dichas dos piezas.

Para acortar la etapa de polimerización y, por tanto, el tiempo necesario para producir el conjunto de las dos piezas 10, 20, se puede contemplar llevar a cabo una etapa de polimerización parcial en lugar de una polimerización total y luego completar la polimerización fuera del molde, por ejemplo, en un horno con otros conjuntos.

En un ejemplo de implementación, es posible contemplar una etapa de polimerización parcial, con tasas de polimerización de la resina termoendurecible del orden de 30 a 40 %.

Cuando las piezas son de grandes dimensiones y/o tienen una geometría compleja, el procedimiento de ensamblaje puede incluir, antes del etapa de introducción de la resina termoendurecible, una etapa de introducción de una tela permeable (no mostrada), en la zona de encolado, entre la primera y la segunda películas termoplásticas amorfas. En efecto, la fabricación de las piezas se realiza generalmente con tolerancias de planitud superficial. Así, durante el posicionamiento de dichas piezas enfrentadas entre sí, puede suceder que la holgura entre ellas, denominada entrehierro, no sea homogénea. De este modo, las dos piezas pueden tocarse en la zona de encolado.

En tal caso, para mantener un espesor mínimo de entrehierro y permitir que la resina circule en la zona de encolado durante su introducción, se introduce una tela permeable entre las dos películas termoplásticas amorfas sobre la totalidad o parte de la zona de encolado.

En un ejemplo de realización, la tela permeable es una tela marquisett o incluso una tela de gasa.

Aunque se ha descrito el procedimiento para el ensamblaje de una pieza polimerizada 10 y de una pieza consolidada 20 cada una de las cuales comprende una película termoplástica amorfa 13, 23, es evidente que el procedimiento de ensamblaje según la invención también permite ensamblar juntas:

- dos piezas polimerizadas 10 que comprenden, cada una, una película termoplástica amorfa 13, o

- dos piezas consolidadas 20 que comprenden, cada una, una película termoplástica amorfa 23.

Sea cual sea la variante, se aplican las mismas etapas.

Se obtienen las mismas ventajas que las de un procedimiento de encolado por co-cocción convencional, a saber: - ninguna preparación de la superficie de las piezas antes de su ensamblaje,

- unión insensible a la baja contaminación superficial antes de la unión,

- buena resistencia mecánica debido a las zonas de interfase que crean una fuerte unión entre la resina termoendurecible y la resina termoplástica amorfa de las películas. En un ejemplo de realización preferido, las dos piezas, polimerizada 10 y/o consolidada 20, que deben ser ensambladas se posicionan en un utillaje cerrado del tipo molde-bolsa de vacío, con sus respectivas películas termoplásticas enfrentadas. De manera ventajosa, las dos piezas 10, 20 se posicionan en el molde sin preparación de la superficie antes de ser colocadas en el molde. Se garantiza un espacio mínimo entre las dos piezas mediante la colocación, sobre la totalidad o parte de las interfaces, de una tela delgada que presenta una alta permeabilidad a la resina de inyección. La resina termoendurecible se inyecta en las interfaces utilizando el procedimiento RTM (Resin Transferí Moulding, terminología anglosajona, o procedimiento de moldeo por transferencia de resina). La resina RTM6 se inyecta a una temperatura inferior a 110 °C. Una vez finalizada la inyección, la polimerización tiene la lugar a 180 °C durante 2 horas. Una vez finalizado el ciclo de polimerización, se desmoldea el conjunto.

El procedimiento de ensamblaje según la invención también permite el ensamblaje de una primera pieza, polimerizada 10 o consolidada 20, que comprende una película termoplástica amorfa 13, 23 en la superficie, con una segunda pieza 50, 60, 70 que no comprende una película termoplástica amorfa en la superficie, tal como, por ejemplo, y de manera no limitante, una pieza polimerizada o parcialmente polimerizada, una preforma de fibra seca, una pieza consolidada o incluso una pieza metálica, tal como se ilustra en las figuras 6 a 8.

En este caso, durante la etapa de posicionamiento, tal como se ilustra en la figura 6, la pieza polimerizada 10 o consolidada 20 con una película termoplástica amorfa 13, 23 en la superficie se coloca enfrentada a la segunda pieza 50 sin película termoplástica amorfa en la superficie, en el lugar en el que debe realizarse el ensamblaje. La resina termoendurecible se introduce, preferiblemente, en forma de película adhesiva tal como se ha descrito anteriormente.

En el caso de un conjunto con una pieza 50 que se presenta en forma de preforma de fibra seca, la resina termoendurecible se introduce por inyección. La resina luego se extiende en la interfaz, pero también en la preforma seca.

La etapa de polimerización, total o parcial, es idéntica a la descrita anteriormente.

Durante la etapa de polimerización, en la interfaz del lado de la pieza polimerizada 10 o consolidada 20, los materiales de la película adhesiva termoendurecible y de la película termoplástica se difundirán durante la polimerización de la película adhesiva termoendurecible, tal como se ha descrito anteriormente. En la interfaz del lado de la segunda pieza 50, durante el ciclo de polimerización, la película adhesiva termoendurecible se distribuirá sobre la segunda pieza 50. El encolado es un encolado por cocurado (por ejemplo, una pieza parcialmente polimerizada o una preforma de fibra seca inyectada), o un colado por coencolado (por ejemplo, una pieza polimerizada o consolidada o metálica).

Un procedimiento de ensamblaje de este tipo (ensamblaje de una pieza polimerizada o consolidada que comprende una película termoplástica amorfa en la superficie con cualquier otra pieza que no comprende una película termoplástica amorfa en la superficie) es, de manera ventajosa, aplicable al ensamblaje de un panel de tipo sándwich.

Un panel de tipo sándwich de material compuesto comprende un material de núcleo encolado a dos revestimientos 80 hechos de material compuesto.

El material de núcleo puede ser, por ejemplo, de tipo estructura celular 60, por ejemplo, una estructura de tipo nido de abeja, denominada convencionalmente Nida, o de tipo espuma 70.

Cada revestimiento 80 puede estar realizado de un material compuesto con refuerzo fibroso incrustado en una matriz termoendurecible o termoplástica.

Un panel de tipo sándwich de este tipo puede ensamblarse fácilmente mediante el procedimiento de ensamblaje según la invención.

En este caso, cada revestimiento 80, ya sea consolidado o polimerizado, se produce de antemano con una película termoplástica amorfa 83 sobre la totalidad o parte de una superficie exterior 82, es decir, la que estará en contacto con el material de núcleo.

Las figuras 7 y 8 ilustran solo el ensamblaje entre un revestimiento 80 y el material de núcleo, siendo idéntico el ensamblaje del otro revestimiento al material de núcleo. La figura 7 ilustra el ensamblaje entre un revestimiento 80 y un material de núcleo con estructura celular 60. La figura 8 ilustra el ensamblaje entre un revestimiento 80 y un material de núcleo de tipo espuma 70.

A continuación, cada revestimiento 80 se posiciona de manera tal que cada película termoplástica amorfa 83 queda enfrentada al material de núcleo.

La resina se introduce, preferiblemente, entre cada película termoplástica amorfa 83 y el material de núcleo, en forma de una película adhesiva 40, con soporte o no, tal como se ha descrito anteriormente.

La etapa de polimerización, total o parcial, es idéntica a la descrita anteriormente.

Durante la etapa de polimerización, en cada interfaz del lado del revestimiento, los materiales de la película adhesiva termoendurecible y de la película termoplástica se difundirán durante la polimerización de la película adhesiva termoendurecible, tal como se ha descrito anteriormente.

En cada interfaz del lado de la espuma, durante el ciclo de polimerización, la película adhesiva termoendurecible se distribuirá sobre la totalidad o parte de una superficie exterior 71 de la espuma 70, tal como se ilustra en la figura 8. En cada interfaz del lado de Nida, durante el ciclo de polimerización, la película adhesiva termoendurecible se distribuirá sobre los extremos de las paredes verticales 61 de las células de la Nida, formando meniscos cuya concavidad está orientada hacia el revestimiento, tal como se ilustra en la figura. 7. El encolado es una encolado por coencolado. Para reducir el tiempo de ensamblaje, el ensamblaje de los dos revestimientos 80 sobre el material de núcleo se lleva a cabo, preferiblemente, de forma simultánea. A diferencia de los procedimientos de encolado existentes que requieren complejas y costosas operaciones de preparación de la superficie, en particular, para los revestimientos hechos de material compuesto termoplástico (tratamiento con plasma), el procedimiento según la invención permite, de manera ventajosa, prescindir de las operaciones de preparación superficial previas al encolado para producir panales de tipo sándwich con revestimientos hechos de material compuesto termoplástico.

La descripción anterior ilustra claramente que, a través de sus diversas características y sus ventajas, la presente invención consigue los objetivos pretendidos. En particular, proporciona un procedimiento para ensamblar juntas piezas de material compuesto termoplástico y/o piezas de material compuesto termoendurecible y/o cualesquiera piezas que presenten una buena resistencia mecánica de las uniones encoladas. De este modo, permite producir conjuntos estructurales con piezas de grandes dimensiones y/o de geometría compleja, con independencia de los materiales que las constituyen.

Claims (10)

REIVINDICACIONES

1. Procedimiento de ensamblaje de dos piezas (10, 20, 50, 60, 70, 80), denominadas primera y segunda piezas, estando la primera pieza realizada de un material compuesto con refuerzo fibroso incrustado en una matriz termoendurecible o termoplástica, comprendiendo el procedimiento las etapas de:

- obtención de la primera pieza (10, 20, 80) que comprende, sobre la totalidad o parte de una superficie exterior, una primera película termoplástica amorfa (13, 23, 83),

- posicionamiento de la primera pieza y de la segunda pieza de manera tal que la primera película termoplástica amorfa (13, 23, 83) quede enfrentada a la segunda pieza,

- introducción de una resina termoendurecible entre la primera película termoplástica amorfa (13, 23, 83) y la segunda pieza,

- polimerización al menos parcial, de dicha resina termoendurecible.

2. Procedimiento de ensamblaje según la reivindicación 1, en el que la etapa de introducción de la resina termoendurecible se lleva a cabo mediante la inserción, entre la primera película termoplástica amorfa (13, 23, 83) y la segunda pieza, de una película adhesiva (40) que comprende un resina termoendurecible.

3. Procedimiento de ensamblaje según la reivindicación 1, en el que la resina termoendurecible se introduce por inyección.

4. Procedimiento de ensamblaje según la reivindicación 3 que comprende una etapa de introducción de una tela permeable entre la primera película termoplástica amorfa (13, 23, 83) y la segunda pieza, antes de la etapa de introducción de la resina termoendurecible.

5. Procedimiento de ensamblaje según una de las reivindicaciones 1 a 4, en el que la primera película termoplástica amorfa se selecciona de entre una polieterimida (PEI), una polietersulfona (PES), una polisulfona (PSU) y un fluoruro de polivinilideno (PVDF).

6. Procedimiento de ensamblaje según una de las reivindicaciones 1 a 5, en el que la resina termoendurecible introducida es de tipo epoxi.

7. Procedimiento de ensamblaje según una de las reivindicaciones 1 a 6, en el que la primera pieza es una pieza (10, 20) que comprende, sobre la totalidad o parte de una superficie exterior, una primera película termoplástica amorfa y la segunda pieza es una pieza (10, 20) que comprende, sobre la totalidad o parte de una superficie exterior, una segunda película termoplástica amorfa, y en el que se posicionan las dos piezas de manera tal que la primera y la segunda películas termoplásticas amorfas quedan enfrentadas entre sí y la resina termoendurecible se introduce entre la primera y la segunda películas termoplásticas amorfas.

8. Conjunto estructural obtenido de acuerdo con el procedimiento de ensamblaje según una de las reivindicaciones 1 a 7.

9. Procedimiento de ensamblaje de un panel de tipo sándwich que comprende un material de núcleo (60, 70) entre dos revestimientos (80), denominados primer y segundo revestimiento, estando cada revestimiento (80) realizado de un material compuesto con refuerzo fibroso incrustado en una matriz termoendurecible o termoplástica que comprende, sobre la totalidad o parte de una superficie exterior, una película termoplástica amorfa, comprendiendo dicho procedimiento las etapas de:

- ensamblaje del primer revestimiento (80) y el material de núcleo (60, 70) de acuerdo con el procedimiento de ensamblaje según una de las reivindicaciones 1 a 6, correspondiendo el primer revestimiento (80) a la primera pieza y el material de núcleo a la segunda pieza,

- ensamblaje del segundo revestimiento (80) y el material de núcleo (60, 70) de acuerdo con el procedimiento de ensamblaje según una de las reivindicaciones 1 a 6, correspondiendo el segundo revestimiento (80) a la primera pieza y el material de núcleo a la segunda pieza.

10. Panel de tipo sándwich obtenido de acuerdo con el procedimiento de ensamblaje de la reivindicación 9.