ITTO20110421A1 - Elemento strutturale con ala avente bordo netto, e suo processo di fabbricazione - Google Patents

Elemento strutturale con ala avente bordo netto, e suo processo di fabbricazione Download PDF

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ITTO20110421A1 IT000421A ITTO20110421A ITTO20110421A1 IT TO20110421 A1 ITTO20110421 A1 IT TO20110421A1 IT 000421 A IT000421 A IT 000421A IT TO20110421 A ITTO20110421 A IT TO20110421A IT TO20110421 A1 ITTO20110421 A1 IT TO20110421A1
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Leonardo Ciaravella
Carri Alfonso Delli
Giacomo Eugenio Di
Felice Grosso
Gianni Iagulli
Marco Raffone
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Alenia Aeronautica Spa
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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Description

"Elemento strutturale con ala avente bordo netto, e suo processo di fabbricazione"
DESCRIZIONE
La presente invenzione si riferisce ad un elemento strutturale composto da strati accoppiati di materiale in fibra annegato in una matrice di resina, e comprendente almeno una parte laminata formata da una pluralità di detti strati disposti in relazione di impilamento, in cui detta parte laminata dell’elemento strutturale à ̈ piegata in modo tale da formare un’ala definente un angolo interno rispetto ad una porzione di base della parte laminata.
Elementi del tipo sopra indicato sono impiegati in particolare nel settore aeronautico, come elementi di irrigidimento, denominati correntini, per pannelli strutturali di materiale composito. Convenzionalmente la fabbricazione di tali elementi contempla un processo di formatura a caldo, nell’ambito del quale vengono create le ali, o flange, di cui debbono essere provvisti tali elementi, ed un processo di polimerizzazione che provoca il consolidamento dell’elemento in materiale composito.
Il processo di formatura produce uno scorrimento reciproco degli strati del laminato che dà origine ad una scalettatura indesiderata sul bordo dell’ala dell’elemento strutturale. In genere tale scalettatura viene eliminata con un operazione di rifilatura successiva alla polimerizzazione della parte, ottenendo così un bordo tagliato perpendicolarmente rispetto alle facce dell’ala. In alternativa, si predispongono gli strati in modo da compensare l’effetto di scorrimento, così che al termine della fase di formatura si ottiene un bordo sostanzialmente perpendicolare, senza dover sottoporre il pezzo a rifilatura.
Tale bordo dell’ala, oltre alle complicazioni tecnologiche legate alla sua realizzazione, comporta degli inconvenienti qualora l’elemento strutturale sia assemblato ad un componente di materiale composito, tipicamente un pannello da irrigidire, tramite un processo cosiddetto di “co-bonding†. Tale processo consiste nell’incollare elementi strutturali precedentemente consolidati (tipicamente i correntini) su un altro elemento laminato ma non polimerizzato, tramite l’interposizione di uno strato di adesivo strutturale, e nel sottoporre l’insieme ad un ciclo di polimerizzazione in autoclave con pressione e temperatura elevate.
Nell’ambito di tale processo l’ala dell’elemento strutturale tende svantaggiosamente ad affondare nel materiale fresco del pannello, determinando distorsioni delle fibre e dei singoli strati, in particolare in corrispondenza del bordo dell’ala, che non sono accettabili strutturalmente.
Uno scopo della presente invenzione à ̈ pertanto quello di rendere disponibile un elemento strutturale che sia in grado di ovviare almeno in parte agli inconvenienti suddetti, e sia fabbricabile in modo tecnologicamente meno complesso e costoso rispetto alle soluzioni note.
Tale scopo à ̈ raggiunto secondo l’invenzione da un elemento strutturale del tipo definito all’inizio, in cui
il bordo di detta ala forma una rampa sul lato concavo della parte laminata, in corrispondenza della quale gli strati dell’ala più vicini al lato concavo della parte laminata sono piegati verso lo strato dell’ala sul lato convesso della parte laminata.
Secondo tale idea di soluzione il bordo dell’ala non necessita di una operazione di rifilatura, in quanto risulta provvisto di una rampa liscia e priva di scalettature. Pertanto si riducono i costi ed il consumo di materiale nel processo di fabbricazione dell’elemento strutturale, ed i tempi di fabbricazione del prodotto finito risultano anch’essi ridotti.
Inoltre, gli inventori hanno rilevato che il bordo inclinato dell’ala riduce i difetti connessi con il processo di co-bonding, in quanto permette ai materiali che compongono il sacco di cura un migliore adattamento, e quindi una migliore compattazione dei pannelli stratificati all’interfaccia con il bordo dell’ala dell’elemento strutturale.
Forme di realizzazione preferite dell’invenzione sono definite nelle rivendicazioni dipendenti, che sono da intendersi come parte integrante della presente descrizione.
Forma inoltre oggetto dell’invenzione un procedimento per la fabbricazione di un elemento strutturale composto da strati accoppiati di materiale in fibra annegato in una matrice di resina, e comprendente almeno una parte laminata formata da una pluralità di detti strati disposti in relazione di impilamento, in cui il procedimento comprende i seguenti passi:
predisporre detta parte laminata in configurazione planare;
tagliare detta parte laminata lungo il perimetro, con la lama di un coltello disposta in direzione ortogonale a detta parte laminata, in modo tale che essa presenti una larghezza pari allo sviluppo in piano della parte piegata da realizzare; e
sottoporre detta parte laminata a formatura su di un attrezzo, per cui detta parte laminata dell’elemento strutturale à ̈ piegata in modo tale da formare un’ala definente un angolo interno rispetto ad una porzione di base della parte laminata;
in cui detto attrezzo presenta una rampa di formatura atta a formare una rampa complementare sul bordo dell’ala, sul lato concavo della parte laminata, per cui tramite la rampa di formatura gli strati dell’ala più vicini al lato concavo della parte laminata sono piegati verso lo strato dell’ala sul lato convesso della parte laminata.
Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell’elemento strutturale secondo l’invenzione diverranno più chiari con la seguente descrizione dettagliata di una forma di realizzazione del trovato, fatta con riferimento ai disegni allegati, forniti a titolo puramente illustrativo e non limitativo, in cui:
- la figura 1 à ̈ una vista schematica in sezione trasversale di un elemento strutturale secondo l’invenzione;
- la figura 2 illustra schematicamente una fase di produzione dell’elemento di figura 1; e
- la figura 3 à ̈ una fotografia in scala ingrandita di un bordo dell’ala di un elemento strutturale secondo l’invenzione.
Con riferimento alla figura 1 e 2, con 10 à ̈ indicato un elemento strutturale secondo l’invenzione.
La figura 1 rappresenta una sezione trasversale di tale elemento, che in particolare à ̈ costituito da un elemento lineare, avente asse di estensione rettilineo o curvilineo perpendicolare al piano del disegno. L’elemento strutturale 10 à ̈ composto da un insieme di strati accoppiati di materiale in fibra annegato in una matrice di resina.
Nell’esempio illustrato, si tratta di un correntino di irrigidimento per un pannello, avente sezione a T. Tale correntino presenta complessivamente un’anima 11 ed una coppia di ali 13 sporgenti perpendicolarmente da lati opposti di tale anima 11, in corrispondenza di un’estremità di essa. Le ali 13 sono predisposte per il fissaggio del correntino ad un pannello (non illustrato), in particolare mediante una tecnica di co-bonding. Il fissaggio del correntino al componente esterno avviene in corrispondenza di rispettive facce esterne 15 delle ali 13.
L’elemento strutturale 10 comprende almeno una parte laminata 17 formata da una pluralità di strati di materiale in fibra annegato in una matrice di resina, i quali strati sono disposti in relazione di impilamento.
Gli strati di materiale composito sono in particolare strati di preimpregnato. Ai fini dell’invenzione, con il termine “preimpregnato†si intende in modo convenzionale un semilavorato comprendente fibre di rinforzo (generalmente di carbonio o di vetro) ed una matrice di resina in cui tali fibre sono immerse. Le fibre possono essere disposte secondo differenti configurazioni, ad esempio in uno strato unidirezionale avente le fibre allineate e parallele tra loro lungo una sola direzione, o come †̃tessuto’ in cui le fibre sono intessute secondo due direzioni ortogonali tra loro, chiamate trama ed ordito. I preimpregnati sono generalmente preparati in forma di nastri ed avvolti in rotoli.
Pertanto, per la realizzazione della parte laminata 17 il preimpregnato viene preliminarmente tagliato secondo le dimensioni e le forme richieste.
La parte laminata 17 dell’elemento strutturale 10 à ̈ piegata in modo tale da formare un’ala o flangia 13 definente un angolo interno α rispetto ad una porzione di base 19 della parte laminata 17. In particolare, la parte laminata 17 à ̈ piegata attorno ad un asse di piegatura parallelo alla direzione di estensione dell’elemento strutturale 10. Di conseguenza, nella parte laminata 17 sono identificabili un lato concavo (o lato interno), in corrispondenza del quale l’ala 13 e la porzione di base 19 individuano fra loro l’angolo interno α < 180°, in particolare pari a circa 90°, ed un lato convesso (o lato esterno), in corrispondenza del quale l’ala 13 e la porzione di base 19 individuano fra loro il complemento a 360° dell’angolo interno α, pari a 360° - α.
Nell’esempio illustrato, l’elemento strutturale o correntino à ̈ formato da due porzioni laminate 17 piegate ed unite l’una all’altra attraverso le rispettive parti di base 19, che formano insieme l’anima 11 del correntino. Le rispettive ali delle porzioni laminate costituiscono le flange del correntino. L’angolo interno α individuato da ciascuna di esse rispetto alla rispettiva porzione di base à ̈ sostanzialmente pari ad un angolo retto.
Ciascuna ala 13 presenta un bordo 13a che forma una rampa sul lato dell’ala 13 rivolto verso l’angolo interno α, ovvero sul lato concavo della rispettiva porzione laminata 17. In corrispondenza di tale rampa gli strati dell’ala 13 più vicini all’angolo interno α, ovvero più vicini al lato concavo della porzione laminata, sono piegati verso lo strato dell’ala 13 più lontano dall’angolo interno α, ovvero sul lato convesso della porzione laminata, come si può vedere in figura 3. In questo modo le estremità degli strati dell’ala 13 sono sostanzialmente a raso con la faccia 15 dell’ala 13 rivolta altrove rispetto all’angolo interno α, ovvero la faccia esterna sul lato convesso della porzione laminata. In particolare, lo strato dell’ala 13 più vicino al lato concavo della parte laminata 17 à ̈ piegato in modo tale da coprire integralmente i bordi di tutti gli altri strati, se si osserva il bordo dell’ala secondo una vista in direzione parallela a quella dell’ala 13. Questo nelle strutture co-bondizzate ha mostrato un incremento delle proprietà meccaniche rispetto ad una situazione in cui i bordi dei singoli strati fossero esposti.
Con riferimento alla figura 2, il bordo a rampa suddetto à ̈ ottenibile mediante il procedimento descritto qui appresso.
In un procedimento di fabbricazione dell’elemento strutturale 10, si procede dapprima alla realizzazione delle parti laminate 17 in configurazione planare, sovrapponendo successivi strati di materiale composito su un piano di laminazione (non illustrato), secondo procedure di per sé note, ed effettuando, con l’ausilio di una macchina a controllo numerico, il taglio lungo il perimetro della parte laminata piana, con la lama del coltello disposta in direzione ortogonale ad essa, in modo tale che la parte laminata piana presenti una larghezza pari allo sviluppo in piano della parte piegata da realizzare.
Le parti laminate 17 vengono poi sottoposte ad un processo di formatura a caldo, nell’ambito del quale ciascuna parte laminata 17 à ̈ disposta su un attrezzo di formatura FM, rappresentato in figura 2. Convenzionalmente, applicando calore sulla parte laminata e premendo tale parte contro l’attrezzo FM (tramite un sacco di formatura od altro dispositivo analogo) si provoca la deformazione (piegatura) della parte laminata 17 che si adatta alla sagoma dell’attrezzo di formatura, che nell’esempio illustrato à ̈ costituita da due facce perpendicolari l’una all’altra, e raccordate fra loro tramite uno spigolo arrotondato.
Come si può osservare in figura 2, l’attrezzo FM à ̈ munito di una rampa di formatura FS atta a formare una rampa complementare sul bordo 13a dell’ala 13. Nell’esempio illustrato la rampa di formatura FS à ̈ costituita da una superficie adiacente ad una delle facce di formatura dell’attrezzo FM, ed inclinata rispetto ad essa.
In figura 2 à ̈ rappresentata schematicamente la parte laminata 17 in configurazione planare, prima che sia piegata nel corso del processo di formatura. Tale parte laminata 17 à ̈ rappresentata anche in configurazione piegata dopo il processo di formatura, tramite i propri strati terminali. La linea OA della parte laminata 17 in configurazione planare rappresenta lo strato più interno di essa, ovvero lo strato che nella condizione finale di piegatura à ̈ disposto sul lato concavo della parte laminata 17, cioà ̈ direttamente affacciato sulla porzione di spazio definita dall’angolo interno α. La linea PB rappresenta lo strato più esterno della parte laminata 17, ovvero lo strato che nella condizione finale di piegatura à ̈ disposto dal lato convesso della parte laminata 17, cioà ̈ affacciato altrove rispetto alla porzione di spazio definita dall’angolo interno α.
Le linee OA’ e PB’ rappresentano rispettivamente lo strato più interno e lo strato più esterno della parte laminata al termine del processo di formatura. Per effetto dello scorrimento relativo degli strati di materiale composito durante il processo di formatura, e dello spessore finito di tali strati, le estremità libere A’ e B’ degli strati non si spostano rigidamente l’una con l’altra, ma subiscono uno spostamento con variazione della loro distanza reciproca (le altre estremità O e P restano invece vincolate all’attrezzo).
Secondo l’invenzione, tramite la rampa di formatura FS ricavata sull’attrezzo FM l’estremità A’ dello strato più interno à ̈ vincolata a scorrere verso il lato convesso della parte laminata, determinando una piegatura di una porzione di bordo dello strato OA’ verso lo strato PB’. Negli strati intermedi si verifica un fenomeno analogo, con progressiva riduzione dell’estensione della porzione di bordo piegata man mano che lo strato intermedio considerato à ̈ più vicino allo strato PB’. Per effetto del sacco di formatura (od analogo dispositivo) e di un adeguato dimensionamento e posizionamento della rampa di formatura FS lo strato PB’ non subisce alcuna deformazione di bordo apprezzabile. Sfruttando quindi l’inevitabile scorrimento relativo degli strati si realizza quindi un bordo inclinato, in corrispondenza del quale lo spessore dell’ala 13 si assottiglia in direzione distale.
Nell’ambito del processo di fabbricazione dell’elemento strutturale, la parte laminata il cui bordo à ̈ ottenuto con il metodo sopra descritto può essere combinata con altre parti di materiale composito a formare l’elemento strutturale finale, ad esempio con un’altra parte identica come nel caso del correntino dell’esempio di figura 1.
Se la resina della parte laminata à ̈ una resina termoindurente, l’elemento strutturale, e di conseguenza il bordo angolato dell’ala, viene consolidato con un convenzionale processo di polimerizzazione in autoclave.
Se la resina della parte laminata à ̈ una resina termoplastica, il semplice raffreddamento della parte laminata dopo la formatura à ̈ sufficiente a consolidare il bordo dell’ala di tale parte laminata.
Grazie al fatto che la superficie della rampa del bordo à ̈ definita da una porzione dello strato OA’, si ottiene che il bordo dell’ala à ̈ privo di scalettature indesiderate.
Inoltre, gli inventori hanno rilevato che la presenza di un bordo angolato riduce le deformazioni indotte su un pannello di materiale composito sul quale l’elemento strutturale à ̈ applicato, quando tale applicazione avviene secondo una procedura di co-bonding.
L’angolo di inclinazione della rampa sul bordo tale per cui lo strato OA’ à ̈ in grado di coprire l’intera rampa dipende dallo spessore e dal numero degli strati di materiale composito (oltre che dall’angolo α).
Gli inventori hanno tuttavia determinato che, nelle configurazioni di stratificazione normalmente adottate nel settore aeronautico nel caso di parti laminate piegate ad L, quando la rampa del bordo dell’ala definisce un angolo β rispetto alla faccia dell’ala sul lato convesso della parte laminata, tale per cui 30° < β < 40°, ed in particolare β ≈ 32°, si ottiene un bordo angolato in cui lo strato OA’ ha una porzione di bordo piegata avente un’estensione tale che l’estremità A’ sia in prossimità dello spigolo esterno della rampa di formatura FS dell’attrezzo.
La scelta del valore dell’angolo β assicura contemporaneamente un soddisfacente adattamento dei materiali costituenti il sacco a vuoto durante il ciclo di polimerizzazione, in modo da ridurre le difettologie sul pannello all’interfaccia con il bordo dell’ala dell’elemento strutturale, tipiche del processo di cobonding (in cui il correntino à ̈ pre-consolidato ed il pannello à ̈ fresco).

Claims (10)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Elemento strutturale (10) composto da strati accoppiati di materiale in fibra annegato in una matrice di resina, e comprendente almeno una parte laminata (17) formata da una pluralità di detti strati disposti in relazione di impilamento, in cui detta parte laminata dell’elemento strutturale (10) à ̈ piegata in modo tale da formare un’ala (13) definente un angolo interno (α) rispetto ad una porzione di base (19) della parte laminata (17), caratterizzato dal fatto che il bordo (13a) di detta ala forma una rampa sul lato concavo della parte laminata (13), in corrispondenza della quale rampa gli strati dell’ala (13) più vicini al lato concavo della parte laminata (17) sono piegati verso lo strato dell’ala (13) disposto sul lato convesso della parte laminata (17).
  2. 2. Elemento strutturale secondo la rivendicazione 1, in cui gli strati dell’ala (13) più vicini al lato concavo della parte laminata (17) sono piegati in modo tale da avere le proprie estremità sostanzialmente a raso con la faccia (15) dell’ala (13) sul lato convesso della parte laminata (17).
  3. 3. Elemento strutturale secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui lo strato dell’ala (13) più vicino al lato concavo della parte laminata (17) à ̈ piegato in modo tale da coprire integralmente i bordi di tutti gli altri strati, secondo una vista in direzione parallela a quella dell’ala (13).
  4. 4. Elemento strutturale secondo una delle rivendicazioni 1 a 3, in cui detto angolo interno à ̈ sostanzialmente un angolo retto, e detta rampa definisce un angolo β rispetto alla faccia (15) dell’ala (13) sul lato convesso della parte laminata (17), tale per cui 30° < β < 40°.
  5. 5. Elemento strutturale secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui detto elemento strutturale à ̈ un elemento lineare e detta parte laminata à ̈ piegata attorno ad un asse di piegatura parallelo alla direzione di estensione di detto elemento lineare.
  6. 6. Procedimento per la fabbricazione di un elemento strutturale (10) composto da strati accoppiati di materiale in fibra annegato in una matrice di resina, e comprendente almeno una parte laminata (17) formata da una pluralità di detti strati disposti in relazione di impilamento, in cui il procedimento comprende i seguenti passi: predisporre detta parte laminata in configurazione planare; tagliare detta parte laminata lungo il perimetro, con la lama di un coltello disposta in direzione ortogonale a detta parte laminata, in modo tale che essa presenti una larghezza pari allo sviluppo in piano della parte piegata da realizzare; e sottoporre detta parte laminata a formatura su di un attrezzo (FM), per cui detta parte laminata dell’elemento strutturale (10) à ̈ piegata in modo tale da formare un’ala (13) definente un angolo interno (α) rispetto ad una porzione di base (19) della parte laminata (17); caratterizzato dal fatto che detto attrezzo presenta una rampa di formatura (FS) atta a formare una rampa complementare sul bordo (13a) dell’ala (13) sul lato concavo della parte laminata (17), per cui tramite la rampa di formatura gli strati dell’ala (13) più vicini al lato concavo della parte laminata (17) sono piegati verso lo strato dell’ala (13) disposto sul lato convesso della parte laminata (17).
  7. 7. Procedimento secondo la rivendicazione 6, in cui gli strati dell’ala (13) più vicini al lato concavo della parte laminata (17) sono piegati in modo tale da avere le proprie estremità sostanzialmente a raso con la faccia (15) dell’ala (13) sul lato convesso della parte laminata (17).
  8. 8. Procedimento secondo la rivendicazione 6 o 7, in cui lo strato dell’ala (13) più vicino al lato concavo della parte laminata (17) à ̈ piegato in modo tale da coprire integralmente i bordi di tutti gli altri strati, secondo una vista in direzione parallela a quella dell’ala (13).
  9. 9. Procedimento secondo una delle rivendicazioni 6 a 8, in cui detto angolo interno à ̈ sostanzialmente un angolo retto, e detta rampa definisce un angolo β rispetto alla faccia (15) dell’ala (13) sul lato convesso della parte laminata (17), tale per cui 30° < β < 40°.
  10. 10. Procedimento secondo una delle rivendicazioni 6 a 9, in cui in cui detto elemento strutturale à ̈ un elemento lineare e detta parte laminata à ̈ piegata attorno ad un asse di piegatura parallelo alla direzione di estensione di detto elemento lineare.
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