ES2946239T3

ES2946239T3 - Método de unión para elementos termoplásticos

Info

Publication number: ES2946239T3
Application number: ES17382797T
Authority: ES
Inventors: Castro Jesús Javier Vazquez; Perez Melania Sanchez; Moreno Zulima Martin; Martinez Asunción Butragueno
Original assignee: Airbus Operations SL
Current assignee: Airbus Operations SL
Priority date: 2017-11-24
Filing date: 2017-11-24
Publication date: 2023-07-14
Anticipated expiration: 2037-11-24
Also published as: CA3025061A1; US20190160759A1; EP3488999B1; EP3488999A1; CN109940898A; JP2019093714A

Abstract

Método de unión de elementos termoplásticos que comprende los siguientes pasos:- proporcionar dos partes termoplásticas (1) que tienen dos superficies a unir,- ubicar una capa de grafeno (2) entre las dos partes termoplásticas (1) adyacentes a las superficies a unir, - calentar la capa de grafeno (2) de manera que la capa de grafeno (2) funda la resina termoplástica de las superficies adyacentes de las dos partes termoplásticas (1) que se unen. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Método de unión para elementos termoplásticos

Campo de la invención

La invención está relacionada con un método de soldadura para unir dos elementos termoplásticos, especialmente adaptado para la industria de aeronaves.

Antecedentes de la invención

La fabricación y la unión mediante la soldadura de piezas termoplásticas se conocen en el estado de la técnica. Una de las ventajas ofrecidas por un método de unión de elementos termoplásticos mediante un proceso de soldadura es la posibilidad de unir piezas sin necesitar remaches o elementos de unión.

Sin embargo, actualmente no existe ningún proceso industrializado de soldadura para uniones aeronáuticas estructurales gruesas o complejas que asegure una interfaz soldada uniforme sin afectar las propiedades mecánicas de la interfaz.

Existen varias tecnologías de calentamiento para soldadura de termoplásticos (inducción, resistiva, ultrasónica, fricción...) pero todas tienen restricciones para aplicaciones aeronáuticas estructurales en las que se necesitan resinas como la polietercetonacetona (PEKK), la polieteretercetona (PEEK), etc. Se debe asegurar un calentamiento homogéneo y focalizado en la interfaz así como unas propiedades mecánicas buenas que los procesos conocidos como la soldadura por puntos no consiguen.

Para uniones continuas, la soldadura por ultrasonidos tiene limitaciones en su aplicación (espesor.), la soldadura por inducción/resistiva normalmente necesita insertos metálicos embebidos en la interfaz. La soldadura por fricción-agitación también tiene un gran efecto en las propiedades mecánicas de la interfaz.

Es conocido el documento WO02/17687 que divulga el ensamblado en caliente de un elemento semi-rígido y un método de ensamblar en caliente elementos semi-rígidos. Un ensamblado en caliente incluye una primera lámina termoplástica, una segunda lámina termoplástica, y un elemento laminar calefactor por resistencia entre la primera y segunda láminas termoplásticas. El elemento calefactor por resistencia incluye un sustrato de soporte que tiene una primera superficie sobre el mismo y un material calefactor eléctrico por resistencia que forma un circuito con una trayectoria predeterminada teniendo un par de porciones terminales. La trayectoria del circuito continúa en al menos una porción o solapa que es capaz de girar alrededor de un primer eje de rotación. A la estructura de elemento continuo maleable se le puede dar forma según una configuración final de ensamblaje del elemento en la que al menos la porción de la solapa se gira a lo largo de su eje de rotación para proporcionar calentamiento por resistencia en al menos dos planos.

También es conocido el documento DE202014003776 que divulga una tubería de plástico que tiene un cuerpo base, un primer extremo y un segundo extremo, teniendo dicho primer extremo forma para acoplarse con un segundo extremo de una tubería similar de plástico que se va a unir a la primera. Donde en el primer extremo se conforma una primera región de acoplamiento con unos primeros elementos de cierre positivo y en el segundo extremo se conforma una segunda región de acoplamiento con unos segundos elementos de cierre positivo (24) que corresponden con los primeros elementos de cierre positivo para acoplarse a los primeros elementos de cierre positivo. En la primera región de acoplamiento se dispone al menos un elemento calefactor en un estado de ensamblado de dos tubos de plástico al menos cubriendo parcialmente la segunda porción de acoplamiento del tubo de plástico.

También es conocido el documento US2012/279647 que divulga un método para pegar un elemento de superficie encolable con una cola activable por calor a un sustrato adhesivo que no conduce la corriente eléctrica, por lo que solo una superficie de las mismas tiene una baja conductividad térmica. El elemento de superficie encolable con una cola activable por calor tiene una capa eléctricamente conductora además de una masa adhesiva activable por calor. La capa se calienta por inducción durante un corto periodo de tiempo mediante un campo magnético alterno a una frecuencia de de la gama de frecuencia media. Simultáneamente al calentamiento inductivo se ejerce una presión elevada de al menos 1 MPa sobre la superficie encolada, con lo que se evitan las reacciones de descomposición térmica. Además, un dispositivo ejecuta el método y tiene un calentador por inducción integrado en una herramienta de prensado.

También es conocido el documento CN106881871 que divulga un método para realizar la soldadura superficial con posicionamiento controlable de plásticos. El método se utiliza para soldar placas al vacío en aislamiento térmico y para soldar materiales termoplásticos de alto peso molecular con cualquier forma. El método comprende los siguientes pasos: paso A, mezclar uniformemente un medio absorbente de microondas con una solución de polímero para obtener líquido mezclado de fase homogénea (soldadura); paso B, recubrir una superficie de material de alto peso molecular que se va a soldar con el líquido mezclado de fase homogénea obtenido en el paso A de acuerdo con una forma que debe conformarse mediante soldadura, en la que el espesor del recubrimiento es de 10 micrómetros-500 micrómetros; y el paso C, post-cubrimiento del cuerpo de material de alto peso molecular recubierto con el líquido mezclado en fase homogénea obtenido en el paso B con otro cuerpo de material de alto peso molecular, o fijar la superficie de soldadura mediante un bastidor auxiliar de soldadura, colocar los cuerpos de material de alto peso molecular juntos en un equipo de soldadura por microondas, ajustar la potencia de microondas y el tiempo de acción de microondas correspondientes en función de las diferentes temperaturas de fusión de los materiales de alto peso molecular que se van a soldar, realizar la soldadura por microondas y realizar el prensado en caliente durante 30 segundos para completar la soldadura, siendo el desplazamiento del prensado en caliente de 0-4 mm.

Sumario de la invención

El método reivindicado objeto de la invención comprende los pasos de la reivindicación 1 anexada.

Por tanto, la invención reivindicada propone usar una capa de grafeno colocada en la interfaz de las dos piezas termoplásticas a unir como calentador que fundirá la resina termoplástica de las zonas adyacentes de las dos piezas. La capa de grafeno está integrada en la estructura durante el proceso de soldadura, calentando directamente las superficies termoplásticas a unir.

El objetivo de la invención es proporcionar un proceso viable de soldadura para termoplásticos estructurales que presenta las siguientes ventajas:

• Reduce el tiempo de ensamblaje de la unión.

• Proporciona un método que es fácil de ejecutar en la zona de producción.

• Reduce el número de piezas y por tanto consigue una reducción del conteo de piezas y proceso de ensamblaje subsecuente mediante la integración de al menos dos piezas en una sola pieza.

• Permite una tecnología de termoplásticos que tiene ventajas en campos diferentes como el medioambiental, la capacidad de reciclaje.

• Permite la reparabilidad, las reparaciones en termoplásticos son típicamente bastante difíciles pero con la invención la reparabilidad es viable.

• Reduce la resistencia en la superficie aerodinámica debido a la ausencia de las cabezas de elementos de unión.

El proceso reivindicado será aplicable a cualquier pieza hecha con resinas termoplásticas.

Según lo mencionado arriba, la invención reivindicada propone usar una fuente de calor basada en una capa de grafeno colocada en la interfaz de las dos piezas termoplásticas a unir. El calentamiento de la capa de grafeno fundirá la resina termoplástica de las zonas adyacentes de las dos piezas termoplásticas a unir.

Una de las ventajas de usar una capa de grafeno es su flexibilidad, es decir, se puede doblar fácilmente, y por tanto la capa puede adaptarse a cualquier geometría plana o no plana de las dos piezas a unir.

Adicionalmente, las propiedades térmicas de las capas de grafeno permiten su uso como fuente de calor adecuada porque aplicando una potencia baja, la temperatura de las láminas de grafeno, y por tanto la temperatura del sustrato donde está ubicada la lámina de grafeno, se pueden incrementar en pocos segundos.

La temperatura y el tiempo de calentamiento para conseguir una temperatura deseada dependerán del patrón de la lámina de grafeno, su tamaño y la potencia proporcionada.

Descripción de las figuras

Para completar la descripción y proporcionar una comprensión mejor de la invención, se proporciona un conjunto de dibujos. Dichos dibujos forman una parte integral de la descripción e ilustran modos preferidos de realización de la invención. Los dibujos comprenden las figuras siguientes.

La figura 1 muestra una vista esquemática de un calentador de grafeno adosado a la cara frontal de un panel de material compuesto.

Las figuras 2A y 2B muestran dos modos de realización de un patrón de grafeno.

Descripción detallada de la invención

La figura 1 muestra una vista esquemática de la capa de grafeno (2) adosada a la cara frontal de una pieza de material compuesto termoplástico (1).

La capa de grafeno (2) comprende una tira continua de grafeno que sigue un patrón ondulado y que termina en dos conexiones (3) a una corriente eléctrica. Adicionalmente, la capa de grafeno (2) se puede embeber en resina termoplástica para unirla al panel de material compuesto, por tanto, se puede preimpregnar con resina.

El grafeno se podría fabricar con el patrón requerido, sobre una lámina termoplástica compatible con la resina de las piezas a unir. Así, no habrá ningún material “extraño” en la interfaz aparte de la capa de grafeno (2). El espesor de la capa integrada de grafeno (2) es alrededor de 50 micrómetros, por tanto, sin ningún efecto en las tolerancias de los componentes. Los espesores disponibles de capa de grafeno (2) son entre 20 micrómetros y 80 micrómetros.

El patrón y longitud del grafeno, la tensión e intensidad de la corriente eléctrica se pueden ajustar con precisión para conseguir el campo térmico requerido alrededor de la interfaz a unir. Unos parámetros importantes de este proceso son:

1. Controlar la temperatura de la capa de grafeno (2) para calentar la zona de la interfaz de ambas piezas termoplásticas pero no el grosor completo de dichas piezas.

2. Controlar la tensión/intensidad/tiempo para ajustar con precisión el proceso.

3. Generar el patrón óptimo de grafeno (lámina/red/figura) para fundir toda la superficie de la interfaz de forma homogénea y evitar la aparición de puntos débiles debido al sobrecalentamiento.

El patrón es uno de los parámetros que se debe determinar para cada zona a unir, con el objetivo de que toda la resina termoplástica de dicha zona alcance al menos la temperatura de fusión tan uniformemente como sea posible. Por tanto, la forma del patrón puede variar siempre que cumpla con el objetivo de que toda la zona a unir alcance la temperatura requerida.

Adicionalmente, el método objeto de la invención puede comprender además el paso de aumentar la temperatura de las dos superficies termoplásticas adyacentes (1) por encima de la temperatura de consolidación de la resina termoplástica. La temperatura de consolidación sería igual o superior a la temperatura de fusión.

El método puede comprender incluso el paso de aplicar presión a las dos piezas termoplásticas (1) una contra la otra. La presión aplicada sería la presión mínima para conseguir un contacto íntimo entre ambas superficies a unir, idealmente, si el contacto de ambas superficies fuera perfecto en toda la zona de contacto, no sería necesaria presión.

El proceso de consolidación comprende por tanto aplicar presión a la temperatura de consolidación de forma que el material fluya para conseguir la difusión intermolecular del material y así de su unión.

Si la temperatura se eleva por encima de la temperatura de consolidación de la resina termoplástica, por ejemplo, 300 °C - 345 °C, durante cierto periodo aplicando presión, la resina de ambas piezas seguirá unida.

El patrón puede ser de tipo espiral, como en las figuras adjuntas, líneas rectas, etc., para definir cuál sería el diseño más óptimo según la geometría de los componentes a unir.

La capa de grafeno (2) debería diseñarse con una configuración especial según la geometría de las piezas termoplásticas y el sistema de calentamiento (resistivo, inducción o calentamiento ultrasónico) para distribuir el calor de forma homogénea alrededor de la interfaz.

También es posible gestionar la estrategia de soldadura, variando entre una soldadura continua a lo largo de las superficies de las piezas en contacto, a una soldadura discreta para evitar cualquier posible propagación de una grieta en la zona de soldadura.

La figura 2A muestra una capa de grafeno (2) de 40 mm por 60 mm, a la cual se aplican 300 mA y se calienta a 52,5 °C durante dos minutos. La figura 2B muestra una capa de grafeno (2) de 26 mm por 160 mm, a la cual se aplican 25,4 V / 300 mA y se calienta a 89 °C durante dos minutos.

Claims

REIVINDICACIONES

1 Método de unión para elementos termoplásticos que comprende los siguientes pasos:

-proporcionar dos piezas termoplásticas (1) que tienen dos superficies a unir,

-colocar una capa de grafeno (2) entre las dos piezas termoplásticas (1) adyacente a las superficies a unir, estando la capa de grafeno (2) preimpregnada con resina,

-calentar la capa de grafeno (2) de forma que la capa de grafeno (2) funda la resina termoplástica de las superficies adyacentes de las dos piezas termoplásticas (1) que se unen,

caracterizado por que la capa de grafeno (2) comprende una tira continua de grafeno y dos conexiones (3) conectadas en los extremos de la tira y configuradas para conectarse a la corriente eléctrica.
2.- Método de unión, según la reivindicación 1, en el que la capa de grafeno (2) está colocada sobre una lámina termoplástica.
3.- Método de unión, según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que comprende además el paso de aumentar la temperatura de las dos superficies termoplásticas adyacentes por encima de la temperatura de consolidación de la resina termoplástica que es igual o superior a la temperatura de fusión.
4.- Método de unión, según la reivindicación 3, que comprende además el paso de aplicar presión a las dos piezas termoplásticas (1) una contra la otra.
5. - Método de unión, según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el espesor de la capa de grafeno (2) es entre 20 micrómetros y 80 micrómetros.
6. - Método de unión, según la reivindicación 5, en el que el espesor de la capa de grafeno (2) es de 50 micrómetros.