ES2906760T3 - Panel rigidizado en materiales compuestos y procedimiento de fabricación de dicho panel - Google Patents

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Abstract

- Procedimiento de fabricación de un panel rigidizado en materiales compuestos, que comprende: - un revestimiento (1) en forma laminar que comprende una cara interna (1.1) y una cara externa (1.2), y - unos nervios rigidizadores (3, 4) localizados en la cara interna (1.1) de dicho revestimiento (1) y situados en direcciones longitudinal (4) y transversal (3) a la misma (1), donde el procedimiento de fabricación comprende los siguientes pasos: - se proporciona un revestimiento (1), - se realiza una pluralidad de taladros pasantes (6) en el revestimiento (1) localizados en correspondencia con áreas en las que esté prevista la colocación de nervios rigidizadores (3, 4), - se introducen unos tornillos roscados (5) en los taladros pasantes (6), donde los tornillos roscados (5) comprenden un cuerpo (7) y una cabeza (11), de modo que la cabeza (11) del tornillo roscado (5) queda alojada en el revestimiento (1), - después de la introducción de los tornillos (5) en el revestimiento (1) se localiza una tuerca roscada (10) en el extremo libre de los tornillos roscados (5) opuesto a la cabeza (11), - una vez que se han introducido los tornillos (5) en el revestimiento (1) se fabrican los nervios rigidizadores (3, 4) sobre la cara interna (1.1) mediante el apilado sobre la cara interna (1.1) del revestimiento (1) de una pluralidad de capas de material compuesto, de modo que los tornillos roscados (5) y la tuerca roscada (10) quedan embebidos en el interior de los nervios rigidizadores (3, 4).

Description

DESCRIPCIÓN
Panel rigidizado en materiales compuestos y procedimiento de fabricación de dicho panel
Campo de la invención
La invención es relativa a un procedimiento de fabricación de un panel fabricado en materiales compuestos y rigidizado mediante nervios longitudinales y transversales a dicho panel. Específicamente, la fabricación de los nervios rigidizadores forma parte del proceso de fabricación en lugar de ser una operación posterior.
Estado de la técnica
Las actuales técnicas de ensamblaje de materiales compuestos están basadas en uniones atornilladas, uniones adhesivas y uniones soldadas.
Las uniones atornilladas representan la principal técnica de ensamblaje de materiales compuestos. A pesar de que cuentan con numerosas ventajas, como, por ejemplo, su bajo precio o la flexibilidad de montaje y desmontaje, existen desventajas a tener en cuenta según su aplicación. No solo la concentración de tensiones de los taladros supone una gran dificultad, sino que la rigidez y la resistencia anisótropa, la baja resistencia a cortadura interlaminar y las resistencias de tracción a lo largo del espesor pueden generan fallos a modo de rotura. Según los materiales a unir, se pueden clasificar los fallos de dos modos: fallo en los materiales a unir o fallo en el elemento de unión. En el caso de materiales compuestos, se ha demostrado que normalmente ocurre el fallo en los materiales a unir.
Por su parte, las uniones adhesivas cuentan también con ventajas como su gran ahorro en peso frente a las uniones atornilladas y la disminución de la concentración de tensiones al no ser necesario taladrar las superficies. Sin embargo, se observan desventajas a tener en cuenta, como son, la imposibilidad de desmontaje del conjunto, la degradación de las uniones adhesivas por la acción de los agentes ambientales y la dificultosa preparación de superficies que en ocasiones condiciona la unión.
Finalmente, existe la posibilidad de optar por las uniones soldadas que solucionan el problema de la concentración de tensiones y no precisan de una preparación de superficies muy exhaustiva. Por contrapartida, se trata de un tipo de unión únicamente válida para materiales termoplásticos, no desmontable y en la que se introduce una operación en el proceso poco automatizable, que precisa de personal experimentado y por tanto resulta lenta y altamente costosa. Además, garantizar la calidad de estas uniones es una tarea dificultosa puesto que la inspección de las mismas es complicada.
Un punto en común de los tres tipos de uniones apunta a sistemas de fabricación basados en múltiples operaciones necesariamente secuenciales y con dificultad para la automatización, lo cual supone tiempos de fabricación lentos y, por tanto, sistemas de fabricación costosos.
Los documentos US4113910 y US2005/064134 describen paneles rigidizadores fabricados de materiales compuestos.
Sumario de la invención
La presente invención tiene por objetivo mitigar los inconvenientes de las uniones descritas anteriormente mediante un método de unión integrado en el propio proceso de fabricación de los nervios rigidizadores que, garantizando la integridad de la misma, simplifique el proceso productivo ahorrando en costes y en tiempos de fabricación. Por lo tanto, la unión supone una de las operaciones del proceso en sí mismo.
La novedad de este sistema reside en que la fabricación de los nervios se realiza dejando la unión mecánica embebida en el panel, para que el elemento final sea un solo componente en contraposición a los sistemas actuales de fabricación basados en la unión de componentes independientes.
La diferencia que aporta este sistema de fabricación frente a los sistemas convencionales de fabricación en aplicaciones aeronáuticas o ferroviarias consiste en la fabricación del revestimiento y los nervios rigidizadores como un único elemento. Este procedimiento agiliza el proceso de fabricación, reduciendo tanto los tiempos de fabricación como los costes del proceso mediante la reducción de las operaciones intermedias y posteriores en comparación a los sistemas de fabricación actualmente conocidos.
Es por lo tanto uno de los objetos de la invención un procedimiento de fabricación de un panel rigidizado en materiales compuestos de acuerdo con la reivindicación 1.
La presente invención consiste en un procedimiento de fabricación para un panel rigidizado que permite unificar los pasos de procedimiento en un único proceso que incluye la operación de unión del revestimiento y los nervios rigidizadores. Además, posee también como ventaja la posibilidad de unir diferentes materiales compuestos realizados incluso mediante distintos métodos de fabricación. La unión consiste en una unión mecánica mediante un tornillo, preferentemente con acabado plano en ambos extremos del tornillo de forma que su colocación forme parte del mencionado proceso único de fabricación y de forma que queda embebido entre ambos componentes a unir, es decir, entre el revestimiento y los nervios rigidizadores.
El anterior procedimiento reduce la concentración de tensiones que se genera en las uniones atornilladas comúnmente conocidas y reduce el número de operaciones en comparación con cualquier otro sistema de unión, generando procesos de fabricación más rápidos y menos costosos.
El procedimiento anterior tiene su base en la técnica de uniones atornilladas, mejorando el inconveniente de la concentración de tensiones generada en los taladros donde se alojan las uniones mecánicas correspondientes, debido a que la unión mecánica queda embebida en la propia unión entre el revestimiento y los nervios rigidizadores, de modo que, el tornillo queda solidariamente unido a los nervios rigidizadores que a su vez están solidariamente unidos al revestimiento y de este modo se contrarrestan las tensiones del tornillo en los taladros pasantes.
Para ello, se realizan una serie de taladros preferentemente en forma de cuadrícula en el revestimiento en aquellos puntos coincidiendo, en un ejemplo de realización, con la posterior intersección entre nervios transversales y nervios longitudinales. Estos taladros pueden tener preferentemente forma avellanada sobre el revestimiento y serán los puntos donde se introduzcan los tornillos. Dichos tornillos se insertan por el revestimiento de manera que la cabeza del tornillo quede preferentemente enrasada con el propio revestimiento favoreciendo el mantenimiento de la forma plana de su superficie.
El tornillo roscado atraviesa el revestimiento y deja parte de su cuerpo roscado al aire donde en su otro extremo se enrosca una tuerca. Una vez todos los tornillos se hayan introducido en el revestimiento, sobre ellos mismos y sobre la cara interior del revestimiento se fabrica el sistema de nervios.
Se describe en la reivindicación 9 un panel rigidizado fabricado de material compuesto de acuerdo con la invención. Descripción de las figuras
Para completar la descripción y con el fin de proporcionar una mejor comprensión de la invención, se proporcionan unas figuras. Dichas figuras forman una parte integral de la descripción e ilustran un ejemplo de realización de la invención.
La figura 1 muestra una vista en perspectiva de un ejemplo de realización del panel objeto de la invención. En ella se puede ver la forma plana del revestimiento y el sistema de nervios creados para dar rigidez al revestimiento. La figura 2 muestra una vista inferior en perspectiva del ejemplo de realización correspondiente a la figura 1, donde se observa la unión mecánica embebida en el conjunto de forma que la cabeza queda enrasada con el revestimiento.
La figura 3 muestra el apilado de las capas de fibra seca para la fabricación del revestimiento. El cálculo del número de capas y la proporción resina-fibra será calculado para cada aplicación de forma específica.
La figura 4 muestra el sistema de taladros realizados sobre el revestimiento con forma avellanada hacia la cara externa del revestimiento por donde se introducen los tornillos.
La figura 5 muestra una sección del panel del ejemplo de realización mostrando la unión tras la introducción del tornillo por el revestimiento. Se observa como la forma avellanada queda enrasada con el exterior del revestimiento y la tuerca localizada en el extremo opuesto.
La figura 6 muestra una sección del panel del ejemplo de realización que muestra como la unión mecánica queda embebida entre el revestimiento y los nervios.
La figura 7 muestra una vista en planta que muestra los puntos donde quedarían embebidos los tornillos. Estos puntos se corresponden con las intersecciones de los nervios longitudinales y transversales y con posiciones intermedias de los nervios longitudinales.
Descripción detallada de la invención
En el ejemplo de realización mostrado en las figuras se describe la unión de dos componentes fabricados con diferentes tipos de materiales compuestos y mediante técnicas de fabricación diferentes.
Según el objeto de la invención, en primer lugar, se fabricaría el componente denominado revestimiento (1), un primer componente fabricado mediante el método de infusión (LRI), CRTM o RTM, métodos de fabricación de material compuesto con resina y fibra seca, que podría ser de vidrio o de carbono.
La técnica de infusión consiste en colocar capas de fibra sobre un molde y cubrirlas herméticamente con una bolsa que se sella en los bordes. A continuación, se elimina el aire que pueda existir entre la bolsa y el refuerzo y se inyecta la resina. La bolsa haría la función de molde superior. Cuando se ha terminado la inyección y tras el proceso de curado, la bolsa se retira.
Por contrapartida, el método de RTM consiste en colocar las capas de fibra sobre un molde inferior, cerrarlo con un molde superior e inyectar la resina a una presión determinada tras sacar el aire que pueda quedar en el interior para favorecer el paso de la resina por las capas de refuerzo. Este proceso admite múltiples variantes en función de la presión de trabajo como son:
• Baja presión (Low pressure) RTM (LP-RTM)
• Alta presión (High pressure) RTM (HP-RTM)
• Compresión (Compression) RTM (CRTM)
La figura 1 muestra el revestimiento (1) y el sistema de nervios rigidizadores (3, 4), que serán tanto longitudinales (4) o largueros, como transversales (3) o costillas, creados para dar rigidez al revestimiento (1). No pueden apreciarse las uniones mecánicas desde el lado de los nervios rigidizadores (3, 4) puesto que la invención está ideada para que las uniones mecánicas queden embebidas de manera que permanezcan ocultas dentro del conjunto visto desde el lado interior. La unión mecánica queda embebida en el panel, oculta desde la parte interna del conjunto y visible tan solo desde la parte externa quedando el tornillo roscado (5) enrasado con el revestimiento (1).
En la figura 2 se muestra una vista en perspectiva desde abajo desde donde se observan los taladros pasantes (6) del revestimiento (1), estando la unión mecánica embebida en el panel de forma que la cabeza (11) queda enrasada con el revestimiento (1). En un ejemplo de realización, el tornillo roscado (5) comprende un cuerpo (7) y una cabeza (11), la cabeza (11) tiene forma avellanada y queda enrasada con el revestimiento (1) para mantener la forma plana de la misma (1) por su cara exterior (1.2).
La figura 3 muestra el apilado de las capas de fibra seca (8) para la fabricación del revestimiento (1). El cálculo del número de capas y la proporción resina-fibra será calculado para cada aplicación de forma específica. Tanto si el proceso de manufactura es mediante el método de infusión o de RTM, el apilado de la fibra seca (8) se realizará de la misma manera con la variante de emplearse distintos gramajes y volúmenes de fibra. El método de fabricación influirá en la forma en que se inyecta la resina, en el caso de infusión mediante una bolsa que creará el vacío y servirá de molde superior y en el caso de RTM mediante la aplicación de presión al cerrar un molde superior e inyectando la resina a una presión determinada.
En la figura 4 se observa el sistema de taladros pasantes (6) realizados sobre el revestimiento (1). Según lo comentado anteriormente, los taladros pasantes (6) poseen una forma avellanada hacia la cara externa (1.2) del revestimiento (1) por donde se introducirán los tornillos roscados (5).
En el ejemplo de realización mostrado en las figuras, los puntos sobre los que se realizan los taladros pasantes (6) se corresponderán con las intersecciones del sistema de nervios longitudinales (4) y transversales (3), además, en el ejemplo mostrado, también existen taladros pasantes (6) en los nervios longitudinales (4) en correspondencia con zonas intermedias entre zonas de cruce con nervios transversales (3).
En la figura 5 se representa una sección de la unión tras la introducción del tornillo roscado (5) por el revestimiento (1). Se observa como la cabeza (11) queda enrasada con la cara externa (1.2) del revestimiento (1) lo que contribuye a mantener la forma plana de la cara externa (1.2) del revestimiento (1).
Por otra parte, se muestra también la rosca (10) del tornillo roscado (5) localizada en el extremo opuesto a la cabeza (11) enroscada sobre el tornillo roscado (5). La tuerca (10) preferentemente tendrá su cara externa plana, de modo que el extremo libre de los nervios rigidizadores (3, 4) quede también plano.
La figura 6 muestra el paso final de la invención donde la unión mecánica queda embebida en el revestimiento (1) y los nervios rigidizadores (3, 4).
Para la fabricación de los nervios rigidizadores (3, 4) se realiza el apilado de una pluralidad de capas de material compuesto sobre la cara interna (1.1) del revestimiento (1). Las capas de los nervios rigidizadores (3, 4) podrían ser de material preimpregnado, tales como SMC, BMC, prepreg, y posteriormente al apilado de las capas de material compuesto se situaría un molde para dar forma a las mismas. En un ejemplo de realización, la fabricación de pluralidad de capas de los nervios rigidizadores (3, 4) puede realizarse mediante material Sheet Molding Compound (SMC). Adicionalmente, previo al paso de fabricación de los nervios rigidizadores (3, 4), podría situarse la cara externa (1.2) del revestimiento (1) sobre un molde.
Debido a la complejidad de forma de los nervios rigidizadores (3, 4), el método de fabricación será preferiblemente mediante material SMC (Sheet Molding Compound) o BMC (Bulk Moulding Compound).
No obstante, de forma genérica cualquier método de moldeo por compresión de semiproductos moldeables preimpregnados será válido. La técnica consiste en apilar una serie de capas, previamente calculadas para la aplicación específica, en este caso sobre la cara interior (1.1) del revestimiento (1) donde se hallan las tuercas roscadas (10) de los tornillos roscados (5) insertados por los taladros pasantes (6) del revestimiento (1).
Según lo anterior, en un ejemplo de realización, la fabricación de los nervios (3, 4) se realiza apoyando el revestimiento (1) con los taladros pasantes (6) insertados sobre un molde plano y a continuación se realiza el apilado de las capas de SMC, semiproductos moldeables preimpregnados de manera que queden apoyadas sobre la cara interna (1.1) del revestimiento (1) y sobre las roscas de los tornillos (5) introducidos por los taladros pasantes (6). Se precisará de un molde superior previamente conformado para dar forma a las capas de preimpregnado cuando se cierre. Al cerrarlo, previamente caliente, y por la aplicación de presión se conforma el sistema de nervios (3, 4).
La figura 7 representa los puntos donde quedarían embebidos los tornillos roscados (5). Estos puntos se corresponden con las intersecciones del sistema de nervios (3, 4) y con otros puntos adicionales localizados en posiciones intermedias entre intersecciones de los nervios longitudinales (4) tal y como se ha representado en la figura.

Claims (10)

REIVINDICACIONES
1. - Procedimiento de fabricación de un panel rigidizado en materiales compuestos, que comprende:
- un revestimiento (1) en forma laminar que comprende una cara interna (1.1) y una cara externa (1.2), y
- unos nervios rigidizadores (3, 4) localizados en la cara interna (1.1) de dicho revestimiento (1) y situados en direcciones longitudinal (4) y transversal (3) a la misma (1),
donde el procedimiento de fabricación comprende los siguientes pasos:
- se proporciona un revestimiento (1),
- se realiza una pluralidad de taladros pasantes (6) en el revestimiento (1) localizados en correspondencia con áreas en las que esté prevista la colocación de nervios rigidizadores (3, 4), - se introducen unos tornillos roscados (5) en los taladros pasantes (6), donde los tornillos roscados (5) comprenden un cuerpo (7) y una cabeza (11), de modo que la cabeza (11) del tornillo roscado (5) queda alojada en el revestimiento (1),
- después de la introducción de los tornillos (5) en el revestimiento (1) se localiza una tuerca roscada (10) en el extremo libre de los tornillos roscados (5) opuesto a la cabeza (11),
- una vez que se han introducido los tornillos (5) en el revestimiento (1) se fabrican los nervios rigidizadores (3, 4) sobre la cara interna (1.1) mediante el apilado sobre la cara interna (1.1) del revestimiento (1) de una pluralidad de capas de material compuesto, de modo que los tornillos roscados (5) y la tuerca roscada (10) quedan embebidos en el interior de los nervios rigidizadores (3, 4).
2. - Procedimiento de fabricación de un panel rigidizado en materiales compuestos, según la reivindicación 1, caracterizado por que las capas de material compuesto de los nervios rigidizadores (3, 4) son preimpregnadas.
3. - Procedimiento de fabricación de un panel rigidizado en materiales compuestos, según la reivindicación 2, caracterizado por que los nervios rigidizadores (3, 4) se fabrican mediante material preimpregnado como: SMC (Sheet Molding Compound), BMC (Bulk Moulding Compound) o prepreg.
4. - Procedimiento de fabricación de un panel rigidizado en materiales compuestos, según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que posteriormente al apilado de las capas de material compuesto se sitúa un molde para dar forma a las mismas.
5. - Procedimiento de fabricación de un panel rigidizado en materiales compuestos, según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que previo al paso de fabricación de los nervios rigidizadores (3, 4), se sitúa la cara externa (1.2) del revestimiento (1) sobre un molde.
6. - Procedimiento de fabricación de un panel rigidizado en materiales compuestos, según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el revestimiento (1) se fabrica mediante infusión (LRI), RTM, CRTM o HP-RTM, compuesto por resina y fibra seca, de vidrio o carbono.
7. - Procedimiento de fabricación de un panel rigidizado en materiales compuestos, según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la cabeza (11) del tornillo roscado (5) queda enrasada con la cara externa (1.2) del revestimiento (1).
8. - Procedimiento de fabricación de un panel rigidizado en materiales compuestos, según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que los tornillos roscados (5) se localizan en las áreas de cruce entre los nervios longitudinales (4) y transversales (3).
9. - Panel rigidizado en materiales compuestos, que comprende:
- un revestimiento (1) en forma laminar que comprende una cara interna (1.1) y una cara externa (1.2), - unos nervios rigidizadores (3, 4) localizados en la cara interna (1.1) del revestimiento (1) y en direcciones longitudinal (4) y transversal (3) a la misma (1),
- un conjunto de taladros pasantes (6) localizados en el revestimiento (1) en correspondencia con áreas en las que esté prevista la colocación de nervios rigidizadores (3, 4),
- un conjunto de tornillos roscados (5) configurados para la unión del revestimiento (1) y los nervios rigidizadores (3, 4) y localizados en el conjunto de taladros pasantes (6), donde los tornillos roscados (5) comprenden un cuerpo (7) y una cabeza (11),
- una tuerca roscada (10) localizada en el extremo libre de los tornillos roscados (5) opuesto a la cabeza (11),
donde las cabezas (11) de los tornillos roscados (5) están embebidas en el revestimiento (1) y las tuercas roscadas (10) y el cuerpo (7) están embebidos en el interior de los nervios rigidizadores (3, 4), y
donde los nervios rigidizadores (3, 4) comprenden una pluralidad de capas de material compuesto apiladas sobre la cara interna (1.1) del revestimiento (1).
10.- Panel rigidizado en materiales compuestos, según la reivindicación 9, caracterizado por que los tornillos roscados (5) están localizados en las áreas de cruce entre los nervios longitudinales (4) y transversales (3).
ES19382117T 2019-02-19 2019-02-19 Panel rigidizado en materiales compuestos y procedimiento de fabricación de dicho panel Active ES2906760T3 (es)

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