WO2007063146A1 - Estructura de material compuesto con fibra optica embebida en una de sus capas superficiales y procedimiento para su conexión y reparacion - Google Patents

Estructura de material compuesto con fibra optica embebida en una de sus capas superficiales y procedimiento para su conexión y reparacion Download PDF

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José Manuel MENÉNDEZ MARTÍN
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Definitions

  • the present invention relates to a composite material structure carrying embedded optical fiber for structural monitoring purposes, and more particularly to a composite structure of an aircraft, as well as to a method for its connection and repair.
  • Fiber optic sensors can be used effectively to measure thermomechanical deformation, and even detect damage events operating both individually in passive structural monitoring systems, and in combination with other devices, forming active monitoring system.
  • One of its main advantages is its ability to be embedded in composite structures, being intimately integrated into those.
  • one of the drawbacks of this integration is the difficulty of the integration of the optical fiber in real laminate manufacturing conditions, and the repair of these same fibers once embedded.
  • the optical fiber has extremely small dimensions, and due to its fragility, its handling is difficult during the handling operations associated with the integration processes during the manufacture of the laminate, manufacture of the vacuum bag and autoclave curing (or any other process of consolidation of alternative laminates), connectorization and subsequent maintenance and / or repair operations of the same optical fiber of the host laminate.
  • the scarce possibilities of accessing the optical fiber once embedded are very small, and those of its repair with even lower success, this is incompatible with the requirements of reparability required when the criteria of structural health and maintenance meet linked to the correct operation of the sensor network integrated in the structure.
  • the present invention is directed to the solution of that inconvenience.
  • the present invention proposes a composite material structure formed by a plurality of layers that includes an optical fiber for structural monitoring purposes that is, at least in part, embedded in said structure in a surface layer thereof and which also includes insulating means of the areas of said optical fiber susceptible to repair with respect to the surface layer in which they are integrated.
  • These insulating means protect the optical fiber during the manufacturing process of the structure and allow subsequent access to it for maintenance (connection, modification of the line or repair of damage in service) without significantly affecting the integrity of the structure.
  • the present invention proposes a method of repairing the optical fiber embedded in said composite structure comprising the following steps: - Elimination of the insulating means of the area of optical fiber in need of repair. - Extraction of the fiber optic zone in need of repair of the composite structure.
  • the fiber optic integration techniques proposed in this invention allow optical fiber to be embedded in composite structures ensuring the survival of that at the points of entry into the structure and allowing access to the fiber at these points of entry or intermediate points for its maintenance (connection, modification of the line or repair of damage in service), all without significantly affecting the structural integrity of the laminate.
  • Figure 1 shows a schematic perspective view of a composite structure known in the art consisting of six layers with an optical fiber embedded in one of its faces longitudinally to the reinforcing fibers and a cross-sectional view of the area A of said structure.
  • Figure 2 shows a cross-sectional view of the structure of Figure 1 in which using conventional repair techniques of composite structures, parts of the surface layer and the second layer have been removed by sanding until the embedded optical fiber is reached which has been damaged during the process.
  • Figure 3 shows elevation, plan and cross-sectional views of a composite structure according to a first embodiment of the invention in which the optical fiber is embedded in a surface layer.
  • Figure 4 shows elevational, plan and cross-sectional views of a composite structure according to a second embodiment of the invention in which the optical fiber is embedded inside the structure leaving only a part of it in a surface layer.
  • Figure 5 shows views similar to those of Figures 3 and 4 after the consolidation process of the structure in which the optical fiber, the separating films and the outer protection layer are embedded in the structure.
  • Figure 6 shows the same view of FIG. 5 after removing the outer protection layer and the outer separating film, the optical fiber being exposed.
  • Figure 7 shows the same view of Figure 6 in which, after performing the required maintenance operations, the previously cut fiber optic ends are reconnected.
  • Figure 8 shows the same view of FIG. 7 after completing the repair procedure.
  • Figure 9 shows a view similar to that of Figure 7 in which the embedded optical fiber is repaired by an external fiber optic line.
  • Figure 10 shows the same view of Figure 9 after completing the repair procedure.
  • Figure 1 shows a composite structure 11 known in the art formed by a plurality of layers 13, 15, 17, 19, 21, 23 with an optical fiber 25 embedded in it that can be part of both a network of sensors as of an element of data transmission, embedded within it.
  • the integration of this fiber 25 in the structure 11 is a complex and delicate process, especially in what concerns the entry points of the fiber 25 in said structure, necessary for its connection with the outside, and the survival of these points during The consolidation process.
  • optical fiber 25 is a very fragile element, and the mentioned operations of elimination of parts of the layers of the structure can damage it, as reflected in Figure 2.
  • the structure 11 includes means for isolating the optical fiber 25 of the layers in which it is embedded that increase its chances of survival and facilitate access to it at those points where it is capable of performing maintenance operations (connection, modification of the line or repair of damage in service).
  • the separating films 31 and 33 are made with a material resistant to the temperature and pressure of the consolidation process that is incompatible with the resin of the laminate and the protective cover 27 is made of pre-impregnated fiberglass fabric or a similar material.
  • optical fiber 25 may not be completely embedded in the surface layer 13 as shown in Figure 4, it is sufficient that those areas be considered convenient.
  • Figures 6-7 sequentially illustrate the fundamental steps of a first embodiment of the fiber optic repair procedure in the structures we have just described.
  • the optical fiber 25 that is embedded in the structure 11 is removed, but separated from it by the lower separating film 33, the optical fiber is repaired by, for example, a fusion joint 45 of the ends 41, 43 of the optical fiber 25 and the eliminated part of the structure is restored being in the situation illustrated in Figure 8.
  • FIGS 8 and 9 illustrate the second embodiment of the repair procedure that differs only from the first in that the repair of the optical fiber
  • 25 is carried out by joining, for example, a fusion joint 47 one of its ends 51 to the end 53 of an outer optical fiber 55, the optical signal being redirected by an alternative path.
  • the repair may include the restitution of the separating films 31, 33 and the protective cover 27, providing a small amount of adhesive 29 on the upper separating film 33 and applying a usual consolidation process in the repair of laminates of material compound.

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Abstract

La invención se refiere a una estructura (11) de material compuesto formada por una pluralidad de capas (13, 15, 17, 19, 21, 23) que incluye una fibra óptica (25) con fines de monitorización estructural que está, al menos en parte, embebida en una capa superficial (13) de dicha estructura (11), y medios de aislamiento de las zonas de la fibra óptica (25) susceptibles de reparación respecto de la capa superficial (13) en la que están integradas, en particular una cubierta protectora (27) y unas películas separadoras superior e inferior (31, 33), y un procedimiento de reparación de dichas zonas que comprende los siguientes pasos: eliminación de la cubierta protectora (27) y la película separadora superior (31), extracción de la zona, reparación de la fibra óptica, reubicación de la zona y provisión de una nueva cubierta de protección (27).

Description

ESTRUCTURA DE MATERIAL COMPUESTO CON FIBRA ÓPTICA EMBEBIDA EN UNA DE SUS CAPAS SUPERFICIALES Y PROCEDIMIENTO PARA SU CONEXIÓN Y REPARACIÓN
CAMPO DE LA INVENCIÓN
La presente invención se refiere a una estructura de material compuesto que lleva fibra óptica embebida con fines de monitorización estructural, y más en particular a una estructura de material compuesto de una aeronave, así como a un procedimiento para su conexión y reparación.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
La introducción intensiva de los materiales compuestos avanzados en estructuras primarias se ha convertido en un procedimiento fundamental de optimización estructural (basado en el ahorro de peso y Ia mejora de propiedades mecánicas), uno de los objetivos prioritarios en el diseño y Ia fabricación de una nueva generación de aeronaves. La introducción de un sistema de monitorización estructural efectivo, capaz de predecir el fallo de caminos de carga en una estructura diseñada según criterios de tolerancia al daño permitiría optimizar su diseño y, consecuentemente, reducir su peso.
Los sensores de fibra óptica pueden ser empleados de manera efectiva para medir deformación termomecánica, e incluso detectar eventos de daño operando tanto de forma individual en sistemas pasivos de monitorización estructural, como en combinación de otros dispositivos, formando sistema de monitorización activa. Una de sus principales ventajas es su capacidad para ser embebidos en estructuras de material compuesto, quedando íntimamente integrados en aquellas.
Sin embargo, uno de los inconvenientes de esta integración es Ia dificultad que presenta Ia integración de Ia fibra óptica en condiciones reales de fabricación de laminados, y Ia reparación de estas mismas fibras una vez embebidas. La fibra óptica tiene unas dimensiones extremadamente pequeñas, y debido a su fragilidad, su manipulación es difícil durante las operaciones de manipulación asociadas a los procesos de integración durante Ia fabricación del laminado, fabricación de Ia bolsa de vacío y curado en autoclave (o cualquier otro proceso de consolidación de laminados alternativo), conectorización y posteriores operaciones de mantenimiento y/o reparación de Ia misma fibra óptica del laminado huésped. En particular, las escasas posibilidades de acceder a Ia fibra óptica una vez embebida son muy pequeñas, y las de su reparación con éxito menores aún, extremo este que resulta incompatible con los requerimientos de reparabilidad obligados cuando los criterios de salud estructural y mantenimiento se encuentran ligados al correcto funcionamiento de Ia red de sensores integrada en Ia estructura.
La presente invención está dirigida a Ia solución de ese inconveniente.
SUMARIO DE LA INVENCIÓN
En un primer aspecto, Ia presente invención propone una estructura de material compuesto formada por una pluralidad de capas que incluye una fibra óptica con fines de monitorización estructural que está, al menos en parte, embebida en dicha estructura en una capa superficial de Ia misma y que también incluye medios de aislamiento de las zonas de dicha fibra óptica susceptibles de reparación respecto de Ia capa superficial en Ia que están integradas.
Esos medios de aislamiento protegen Ia fibra óptica durante el proceso de fabricación de Ia estructura y permiten el acceso posterior a Ia misma para su mantenimiento (conexión, modificación de Ia línea o reparación de daño en servicio) sin afectar de manera significativa Ia integridad de Ia estructura.
En un segundo aspecto, Ia presente invención propone un procedimiento de reparación de Ia fibra óptica embebida en dicha estructura de material compuesto que comprende los siguientes pasos: - Eliminación de los medios de aislamiento de Ia zona de fibra óptica necesitada de reparación. - Extracción de Ia zona de fibra óptica necesitada de reparación de Ia estructura de material compuesto.
- Reparación de Ia fibra óptica.
- Reubicación de Ia zona de fibra óptica reparada en Ia estructura de material compuesto.
- Provisión de una nueva cubierta de protección sobre Ia zona reparada de fibra óptica.
Las técnicas de integración de fibra óptica propuestas en esta invención permiten embeber fibra óptica en estructuras de material compuesto asegurando Ia supervivencia de aquella en los puntos de entrada en Ia estructura y permitiendo el acceso a Ia fibra en estos puntos de entrada o en puntos intermedios para su mantenimiento (conexión, modificación de Ia línea o reparación de daño en servicio), todo ello sin afectar de manera significativa Ia integridad estructural del laminado. Otras características y ventajas de Ia presente invención se desprenderán de Ia descripción detallada que sigue de una realización ilustrativa de su objeto en relación con las figuras que se acompañan.
DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
La Figura 1 muestra una vista esquemática en perspectiva de una estructura de material compuesto conocida en Ia técnica formada por seis capas con una fibra óptica embebida en una de sus caras en sentido longitudinal a las fibras de refuerzo y una vista en sección transversal de Ia zona A de dicha estructura.
La Figura 2 muestra una vista en sección transversal de Ia estructura de Ia Figura 1 en Ia que empleando técnicas convencionales de reparación de estructuras de material compuesto, se han eliminado mediante lijado partes de Ia capa superficial y Ia segunda capa hasta alcanzar Ia fibra óptica embebida que ha resultado dañada durante el proceso. La Figura 3 muestra vistas en alzado, planta y sección transversal de una estructura de material compuesto según una primera realización de Ia invención en Ia que Ia fibra óptica está embebida en una capa superficial.
La Figura 4 muestra vistas en alzado, planta y sección transversal de una estructura de material compuesto según una segunda realización de Ia invención en Ia que Ia fibra óptica está embebida en el interior de Ia estructura dejando solo una parte de ella en una capa superficial.
La Figura 5 muestra vistas similares a las de las Figuras 3 y 4 después del proceso de consolidación de Ia estructura en el que Ia fibra óptica, las películas separadoras y Ia capa de protección exterior quedan embutidas en Ia estructura.
La Figura 6 muestra Ia misma vista de Ia FIG. 5 tras retirar Ia capa de protección exterior y Ia película separadora exterior, quedando Ia fibra óptica al descubierto.
La Figura 7 muestra Ia misma vista de Ia Figura 6 en Ia que, tras realizar las operaciones de mantenimiento requeridas, se vuelven a conectar los extremos de fibra óptica previamente cortados.
La Figura 8 muestra Ia misma vista de Ia FIG. 7 tras finalizar el procedimiento de reparación.
La Figura 9 muestra una vista similar a Ia de Ia Figura 7 en Ia que Ia fibra óptica embebida se repara mediante una línea de fibra óptica exterior.
La Figura 10 muestra Ia misma vista de Ia Figura 9 tras finalizar el procedimiento de reparación.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN
En Ia Figura 1 aparece representada una estructura de material compuesto 11 conocida en Ia técnica formada por una pluralidad de capas 13, 15, 17, 19, 21 , 23 con una fibra óptica 25 embebida en su seno que puede formar parte tanto de una red de sensores como de un elemento de transmisión de datos, embebida en su seno. La integración de esta fibra 25 en Ia estructura 11 es un proceso complejo y delicado, especialmente en Io que concierne a los puntos de entrada de Ia fibra 25 en dicha estructura, necesarios para su conexión con el exterior, y Ia supervivencia de estos puntos durante el proceso de consolidación.
Además, si por cualquier motivo fuera necesario acceder a dicha fibra óptica 25 para proceder a su mantenimiento (conexión, modificación de Ia línea o reparación de daño en servicio), es posible llegar hasta ella mediante técnicas de reparaciones de material compuesto, consistentes en Ia eliminación local de las capas de refuerzo 13, 15 hasta acceder a Ia fibra 25. Sin embargo, Ia fibra óptica 15 es un elemento muy frágil, y las mencionadas operaciones de eliminación de partes de las capas de Ia estructura pueden dañarla, como aparece reflejado en Ia Figura 2.
Según Ia invención, Ia estructura 11 incluye medios de aislamiento de Ia fibra óptica 25 de Ia capas en las que está embebida que aumentan sus posibilidades de supervivencia y facilitan el acceso a Ia misma en aquellos puntos en los que sea susceptible de realizar operaciones de mantenimiento (conexión, modificación de Ia línea o reparación de daño en servicio).
Así, y como se muestra en las Figuras 3-5, en el caso de estructuras 11 con fibra óptica 25 embebida en Ia capa superficial 13, y en determinados puntos como los de entrada de Ia fibra óptica 25 en Ia estructura 11 a través de Ia superficie, o en puntos intermedios elegidos como adecuados para realizar labores de mantenimiento, se incorporan los siguientes medios de aislamiento: - Una película separadora inferior 33 entre Ia estructura y Ia fibra óptica
25 que facilitará Ia separación de Ia fibra óptica del laminado para realizar labores de mantenimiento sobre ella después del proceso de consolidación de las capas de material preimpregando para formar Ia estructura.
- Una película separadora superior 31 , orientada como Ia anterior preferiblemente en Ia dirección de las fibras de refuerzo, situada sobre Ia fibra óptica 25 Una cubierta protectora 27 de forma laminar de dimensiones ligeramente mayores que las películas separadoras 31 , 33.
Las películas separadoras 31 y 33 están realizadas con un material resistente a Ia temperatura y presión del proceso de consolidación que sea incompatible con Ia resina del laminado y Ia cubierta protectora 27 está realizada con tejido de fibra de vidrio preimpregnado ó un material similar.
La fibra óptica 25 puede no estar embebida en su totalidad en Ia capa superficial 13 como se muestra en Ia figura 4, basta que Io estén aquellas zonas que se considere conveniente. Las figuras 6-7 ilustran secuencialmente los pasos fundamentales de una primera realización del procedimiento de reparación de fibra óptica en las estructuras que venimos de describir.
Tras Ia eliminación de Ia cubierta protectora 27 y Ia película separadora superior 31 se extrae Ia fibra óptica 25 que se encuentra embutida en Ia estructura 11 , pero separada de ella por Ia película separadora inferior 33, se repara Ia fibra óptica mediante, por ejemplo, una unión por fusión 45 de los extremos 41 , 43 de Ia fibra óptica 25 y se restituye Ia parte eliminada de Ia estructura quedando en Ia situación ilustrada en Ia Figura 8.
Las Figuras 8 y 9 ilustran segunda realización del procedimiento de reparación que solo difiere de Ia primera en que Ia reparación de Ia fibra óptica
25 se lleva a cabo uniendo mediante, por ejemplo, una unión por fusión 47 uno de sus extremos 51 al extremo 53 de una fibra óptica 55 exterior, reconduciendo Ia señal óptica por un camino alternativo.
En ambos procedimientos, Ia reparación puede incluir Ia restitución de las películas separadoras 31 , 33 y Ia cubierta protectora 27, aportando una pequeña cantidad de adhesivo 29 sobre Ia película separadora superior 33 y aplicando un proceso de consolidación habitual en Ia reparación de laminados de material compuesto.
En Ia realización preferente que acabamos de describir pueden introducirse aquellas modificaciones comprendidas dentro del alcance definido por las siguientes reivindicaciones.

Claims

REIVINDICACIONES
1. Estructura (11 ) de material compuesto formada por una pluralidad de capas (13, 15, 17, 19, 21 , 23) que incluye una fibra óptica (25) con fines de monitorización estructural que está, al menos en parte, embebida en dicha estructura (11 ), caracterizada porque: a) Ia parte embebida de Ia fibra óptica (25) susceptible de necesitar reparación está integrada en una capa superficial (13) de Ia estructura (11 ); b) Ia estructura (11 ) incluye medios de aislamiento de las zonas de Ia fibra óptica (25) susceptibles de reparación respecto de Ia capa superficial (13) en Ia que están integradas.
2. Estructura (11 ) de material compuesto según Ia reivindicación 1 caracterizada porque dichos medios de aislamiento incluyen una película separadora superior (31 ) y una película separadora inferior (33).
3. Estructura (11 ) de material compuesto según Ia reivindicación 2, caracterizada porque dichos medios de aislamiento también comprenden una cubierta protectora (27) de forma laminar dispuesta sobre Ia película separadora superior (31 ).
4. Estructura (11 ) de material compuesto según Ia reivindicación 2, caracterizada porque dicha cubierta protectora (27) está realizada con tejido de fibra de vidrio preimpregnado.
5. Estructura (11 ) de material compuesto según Ia reivindicación 4, caracterizada porque Ia totalidad de Ia fibra óptica (25) está embebida en una capa superficial (13) de Ia estructura (11 ).
6. Estructura (11 ) de material compuesto según Ia reivindicación 4 caracterizada porque Ia parte de Ia fibra óptica (25) no embebida en Ia capa superficial (13) de Ia estructura (1 1 ) está embebida en Ia capa (15) contigua a ella.
7. Procedimiento de reparación de Ia fibra óptica (25) embebida en una estructura (1 1 ) de material compuesto según las reivindicaciones 5 ó 6 caracterizado porque comprende los siguientes pasos: a) Eliminación de Ia cubierta protectora (27) y Ia película separadora superior (31 ) de Ia zona de fibra óptica (25) necesitada de reparación; b) Extracción de Ia zona de fibra óptica (25) necesitada de reparación de Ia estructura (11 ) de material compuesto; c) Reparación de Ia fibra óptica (25); d) Reubicación de Ia zona de fibra óptica reparada (25) en Ia estructura (1 1 ) de material compuesto; e) Provisión de una nueva cubierta de protección (27) sobre Ia zona reparada de fibra óptica (25).
8. Procedimiento de reparación de Ia fibra óptica (25) embebida en una estructura (1 1 ) de material compuesto según Ia reivindicación 7, caracterizado porque tras el paso d) incluye los siguientes pasos adicionales: d1) Provisión de una nueva película separadora superior (31 ) sobre Ia zona de fibra óptica reparada (25); d") Aportación de adhesivo (29) sobre Ia nueva película separadora (31 ).
9. Procedimiento de reparación de Ia fibra óptica embebida en una estructura de material compuesto según las reivindicaciones 7 ó 8, caracterizado porque Ia zona de fibra óptica reparada (25) conecta extremos (41 , 43) de fibra óptica (25) embebida en Ia estructura de material compuesto.
10. Procedimiento de reparación de Ia fibra óptica embebida en una estructura de material compuesto según las reivindicaciones 7 ó 8, caracterizado porque Ia zona de fibra óptica reparada (25) conecta un extremo (51 ) de fibra óptica embebida (25) en Ia estructura (11 ) de material compuesto con un extremo (53) de una fibra óptica (55) situada en el exterior de Ia estructura (11 ) de material compuesto.
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