WO2007077265A1 - Procedimiento para la fabricación de paneles de materiales compuestos con elementos rigidizadores en forma de u - Google Patents

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shaped stiffening
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Julio NUÑEZ DELGADO
Augusto PÉREZ PASTOR
Gabriel Cruzado Parla
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Airbus España, S.L.
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    • B29L2031/3076—Aircrafts

Definitions

  • the present invention relates to a process for the manufacture of composite panels with U-shaped stiffeners and, in particular, panels with that configuration intended for aeronautical structures.
  • a very advantageous procedure to obtain a stiffener panel is to integrate the manufacture of the panel and stiffener, so that when curing the resin both elements are joined.
  • This manufacturing process integrating both elements is called co-curing.
  • the co-curated union presents the fact that no further machining operations and installation of rivets are necessary to perform the union as attractive against riveted joints.
  • the co-cured joint has the most significant advantages: a lower weight in the structure, a reduction in the number of curing cycles and finally the fact of not having to use surface preparation methods to perform the union.
  • the present invention aims to provide an efficient method for the manufacture of a panel with stiffening elements with a co-cured joint between the skin and the stiffening elements.
  • the present invention proposes a method for manufacturing panels for aeronautical structures with U-shaped stiffening elements and I-shaped stiffening elements between its wings comprising the following steps: a) Provide a laminate of prepreg composite material to form the skin of the panel on the curing tool; b) Provide flat laminates of prepreg composite material to form the U-shaped stiffener elements and the I-shaped stiffener elements, respectively; c) Forming the U-shaped stiffener elements from the flat laminates on individual forming tools and placing the I-shaped stiffener elements in the housings provided in said tools; d) Group said individual forming tools on a joint tool; e) Place the set of stiffening elements on the skin by rotating the useful assembly 180 ° and positioning it on it; f) Remove the joint tool once the stiffening elements have joined the skin; g) Place a vacuum bag on the panel, adjusting it as closely as possible to the contour of the stiffening elements; h) Consolidate the panel by means of a curing process under appropriate conditions of
  • An important feature of the process object of the present invention is that stiffened panels with "U" shaped profiles are obtained from laminates of composite material in a single curing cycle in which the autoclave pressure acts directly on the panel since the tools handled are located outside the vacuum bag.
  • the procedure is especially applicable to laminates of composite material, especially of the prepreg tape type whose stacking has been done in an automatic wrapping machine.
  • Figure 1 shows a stiffened panel with U-shaped profiles.
  • Figure 2 shows a schematic cross section of the panel of Figure 1.
  • Figure 3 shows a detailed view of an area of the panel where its components are joined.
  • Figure 4 schematically shows the starting laminates to obtain the stiffening elements according to the process object of the present invention. - TO -
  • Figures 5a and 5b schematically show the elements involved in the process of forming the stiffening elements of the panel according to the method object of the present invention.
  • Figure 6 shows a detailed view of the conformation of a stiffening element on an individual forming tool.
  • Figures 7a, 7b and 7c schematically show the process of forming the panel from its components.
  • Figure 8 shows the different elements of the panel before curing.
  • Figure 9 schematically shows the placement of the vacuum bag.
  • Figure 10 schematically shows the external tool used during curing.
  • the process object of the present invention that we will describe below is aimed at the manufacture of a stiffened structural panel 9 with U-shaped profiles that is formed by a skin 11, U-shaped stiffening elements 13 and reinforcing stiffener elements in the form of I 17, located between the wings of the "lies".
  • the laminate of the skin 11, obtained by automatic curing is provided on the one hand, on the curing tool 31 of the assembly and, on the other hand, the laminates 23 necessary to form the stiffeners that are obtained are provided. by cutting in numerical control of a laminate made by automatic curb.
  • Laminates 23 are provided with a layer of dry peelable fabric
  • This layer 29 on its lower face that is cut at the same time as the developments of the laminates 23. This layer 29 accompanies each laminate 23 until the end of the curing stage and, when removed, provides the final finish of the piece.
  • the development of the laminate 23 is placed on the forming tool 33, whose surface copies by machining the surface and / or the reliefs that the base laminate 11 may have, so that there is a perfect coupling between them.
  • the situation on the forming tool 33 Ia gives the development of the laminate 23.
  • a deformable non-adherent film 31 is placed and in the areas where the laminate does not have to be folded (Fig. 5b) pieces are placed staple mode 35 to avoid any movement thereof.
  • the laminate 23 folds in the desired areas by means of an impermeable elastic membrane (not shown) under the action of heat and vacuum.
  • the laminates of the I-shaped stiffener elements 17 are placed in the housings for this purpose, which have previously been automatically taped and cut in numerical control machines .
  • the individual forming tools 33 are then grouped together to form the assembly of the stiffening elements 13, 17, by means of a tool 41 on which the forming tools 33 slide and the laminates will form the stiffening elements 13, 17.
  • the tool 41 is provided with means that allow it, on the one hand, to move up and down and, on the other hand, to rotate around a horizontal axis. Through a 180 ° rotation, the stiffening elements 13 that occupied the position of an inverted U in the forming stage, become the final curing position. The tool 41 is lowered over the curing tool of the assembly 31 on which the base laminate 11 has been made.
  • Both tools 41, 31 are coordinated by means of centering means 39, so that in the descent the stiffening elements 13, 17 occupy their definitive position on the skin 11. In this position a time is maintained until the laminates of the base skin 11 and of the stiffening elements 13, 17 are joined. After that proceeds to release the formed stiffening elements 13, 17 of their respective tools 33, lifting the tool 41, the layer of peelable fabric 29 being visible.
  • the final vacuum bag 55 is made on the skin assembly 1 1 and the stiffening elements 13, 17.
  • a non-porous separating film 45 is first placed on the stiffening elements 13, 17, as a cap, which has previously been cut into strips of the appropriate width, so that its development covers 90% of the laminate between every two stiffeners, to prevent the laminate resin from damaging the vacuum bag 55.
  • additional tools 60 are used that adjust to the souls of the stiffening elements 13, 17 during all the phases involved in the polymerization cycle of the resin. In other words, these tools act on the souls of the stiffening elements 13, 17 whatever the pressure and the curing temperature.
  • These additional tools 60 replace the profiles 59 used for the placement of the vacuum bag 55 and, in a preferred embodiment, they are formed by a pair of angles 61 and springs 63 distributed along the length of the stiffening elements. By the action of the spring 63, the angles 61 are They adhere to the souls of the stiffening elements 13, 17 above the vacuum bag 55, and thus their verticality is guaranteed during the curing cycle.
  • the fact of curing with a direct vacuum bag 55 guarantees a good compaction and / or quality of the laminates obtained.
  • the manufacturing process is limited to U-shaped stiffening elements 13 of total thickness in the core of less than 2.5 mm, so that the bending radius R is of the same order of magnitude and thus the gaps 12 are so small They don't need a special piece of stuffing.
  • the I-shaped reinforcing element 17 would have to be shorter, just up to the tangent of the bending radius and additional material would be used to cover the gaps 12.

Abstract

Procedimiento para fabricar paneles (9) para estructuras aeronáuticas con elementos rigidizadores en forma de U (13) y elementos rigidizadores de refuerzo en forma de I (17) entre sus alas que comprende las siguientes etapas: Proporcionar laminados para conformar la piel (11) sobre el útil de curado (31); Proporcionar laminados planos (23) para conformar los elementos rigidizadores (13, 17); Conformar las 'Ues' (13) sobre útiles individuales (33) y colocar las 'Ies' (17) en dichos útiles (33); Agrupar dichos útiles individuales (33) sobre un útil conjunto (41); Colocar el conjunto de elementos rigidizadores (13, 17) sobre la piel (11); Colocar una bolsa de vacío (55) sobre el conjunto con ayuda de perfiles (59); Consolidar dicho conjunto mediante un proceso de curado bajo condiciones apropiadas de presión y temperatura utilizando útiles externos (60) para garantizar la verticalidad de las almas de los elementos rigidizadores (13, 17).

Description

PROCEDIMIENTO PARA LA FABRICACIÓN DE PANELES DE MATERIALES COMPUESTOS CON ELEMENTOS RIGIDIZADORES EN FORMA DE U
CAMPO DE LA INVENCIÓN
La presente invención se refiere a un procedimiento para Ia fabricación de paneles de materiales compuestos con elementos rigidizadores en forma de U y, en particular, paneles con esa configuración destinados a estructuras aeronáuticas.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
En las piezas que forman parte de una estructura es común el uso de paneles que contengan elementos que los rigidicen. Entre los diversos procedimientos para conseguir un aumento de Ia rigidez del panel está el unir perfiles al mismo, de manera que con un coste mínimo se obtenga el aumento deseado de Ia rigidez.
La forma de unión de unión de los perfiles al panel también es diversa, (mediante remaches, empleando adhesivo...). En función de Ia misma se obtendrán diversos costes de fabricación y un comportamiento diferente de Ia estructura en el medio en el que trabaja.
En los paneles fabricados con materiales compuestos, un procedimiento muy ventajoso para obtener un panel rigidizador es integrar Ia fabricación del panel y del rigidizador, de manera que al curar Ia resina queden unidos ambos elementos. Este procedimiento de fabricar integrando ambos elementos se denomina co-curado. Desde un punto de vista industrial Ia unión co-curada presenta como atractivo frente a uniones del tipo remachadas el hecho de que no se necesitan ulteriores operaciones de mecanizado e instalación de remaches para realizar Ia unión. Frente a uniones que emplean adhesivo, Ia unión co-curada presenta como ventajas más significativas: un menor peso en Ia estructura, una reducción en el número de ciclos de curado y por último el hecho de no tener que emplear métodos de preparación superficial para realizar Ia unión.
En Ia técnica anterior se conocen procedimientos y utillajes para llevar a cabo el co-curado de diversos tipos. Se conoce en particular el uso de utillajes rígidos (en fibra de carbono o metálicos) y utillajes flexibles tipo elastómero, colocados en el interior de Ia bolsa de vacío, actuando consiguientemente Ia presión de autoclave sobre Ia propia pieza a través de ellos.
La presente invención tiene por objeto proporcionar un procedimiento eficaz para Ia fabricación de un panel con elementos rigidizadores con una unión co-curada entre Ia piel y los elementos rigidizadores.
SUMARIO DE LA INVENCIÓN
La presente invención propone un procedimiento para fabricar paneles para estructuras aeronáuticas con elementos rigidizadores en forma de U y elementos rigidizadores de refuerzo en forma de I entre sus alas que comprende las siguientes etapas: a) Proporcionar un laminado de material compuesto preimpregnado para conformar Ia piel del panel sobre el útil de curado; b) Proporcionar laminados planos de material compuesto preimpregnado para conformar los elementos rigidizadores en forma de U y los elementos rigidizadores en forma de I, respectivamente; c) Conformar los elementos rigidizadores en forma de U a partir de los laminados planos sobre útiles individuales de conformado y colocar los elementos rigidizadores en forma de I en los alojamientos previstos en dichos útiles; d) Agrupar dichos útiles individuales de conformado sobre un útil conjunto; e) Colocar el conjunto de elementos rigidizadores sobre Ia piel girando 180° el útil conjunto y posicionándolo sobre ella; f) Retirar el útil conjunto una vez que los elementos rigidizadores se han unido a Ia piel; g) Colocar una bolsa de vacío sobre el panel ajustándola Io máximo posible al contorno de los elementos rigidizadores; h) Consolidar el panel mediante un proceso de curado bajo condiciones apropiadas de presión y temperatura utilizando útiles externos para garantizar Ia verticalidad de las almas de los rigidizadores en forma de U y de los rigidizadores en forma de I situados entre sus alas.
Una característica importante del procedimiento objeto de Ia presente invención es que se obtienen paneles rigidizados con perfiles en forma de "U" a partir de unos laminados de material compuesto en un único ciclo de curado en el que Ia presión de autoclave actúa directamente sobre el panel puesto que los útiles manejados están ubicados fuera de Ia bolsa de vacío.
El procedimiento resulta especialmente aplicable a laminados de material compuesto, especialmente del tipo cinta preimpregnada cuyo apilado se ha realizado en una máquina de encintado automático.
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 Ie acompañan.
DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
La Figura 1 muestra un panel rigidizado con perfiles en forma de U. La Figura 2 muestra una sección transversal esquemática del panel de Ia Figura 1.
La Figura 3 muestra un vista detallada de una zona del panel donde se unen sus componentes.
La Figura 4 muestra esquemáticamente los laminados de partida para obtener los elementos rigidizadores según el procedimiento objeto de Ia presente invención. - A -
Las Figuras 5a y 5b muestran esquemáticamente los elementos intervinientes en el proceso de conformación de los elementos rigidizadores del panel según el procedimiento objeto de Ia presente invención.
La Figura 6 muestra una vista detallada de Ia conformación de un elemento rigidizador sobre un útil individual de conformado.
Las Figuras 7a, 7b y 7c muestran esquemáticamente el proceso de conformación del panel a partir de sus componentes.
La Figura 8 muestra los distintos elementos del panel antes del curado.
La Figura 9 muestra esquemáticamente Ia colocación de Ia bolsa de vacío.
La Figura 10 muestra esquemáticamente el útil externo usado durante el curado.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN
El procedimiento objeto de Ia presente invención que describiremos seguidamente tiene por finalidad Ia fabricación de un panel 9 estructural rigidizado con perfiles en forma de U que está formado .por una piel 11 , unos elementos rigidizadores en forma de U 13 y unos elementos rigidizadores de refuerzo en forma de I 17, situados entre las alas de las "lies".
En primer término, se proporciona, por un lado, el laminado de Ia piel 11 , obtenido por encintado automático, sobre el útil de curado 31 del conjunto y, por otro lado, se proporcionan los laminados 23 necesarios para conformar los rigidizadores que se obtienen por corte en control numérico de un laminado realizado por encintado automático.
Los desarrollos de los laminados 23 se cortan teniendo en cuenta que los rigidizadores en forma de U 13 no son continuos a Io largo de toda Ia pieza, ya que desaparecen en los cruces transversales donde van las costillas, por Io que en esas zonas no hay que doblar el laminado para formar las alas de las "lies". Los laminados 23 se proporcionan con una capa de tejido pelable seco
29 en su cara inferior que se corta al mismo tiempo que los desarrollos de los laminados 23. Esta capa 29 acompaña a cada laminado 23 hasta el final de Ia etapa de curado y , al retirarlo, proporciona el acabado final de Ia pieza.
El desarrollo del laminado 23 se sitúa sobre el útil de conformado 33, cuya superficie copia por mecanizado Ia superficie y/o los relieves que pueda tener el laminado base 11 , para que haya un perfecto acoplamiento entre las mismas. La situación sobre el útil de conformado 33 Ia da el propio desarrollo del laminado 23. Sobre el laminado 23 se coloca una película no adherente deformable 31 y en las zonas donde no tiene que doblar el laminado (Fig. 5b) se colocan unas piezas a modo de grapa 35 para evitar cualquier movimiento del mismo.
El laminado 23 dobla en las zonas deseadas por medio una membrana elástica impermeable (no representada) bajo Ia acción del calor y el vacío.
Una vez finalizada Ia etapa de conformado de los rigidizadores en forma de U 13, se colocan en los alojamientos dispuestos a tal fin los laminados de los elementos rigidizadores en forma de I 17, que previamente han sido encintados automáticamente y cortados en máquinas de control numérico.
Seguidamente se agrupan los útiles individuales de conformado 33 para formar el conjunto de los elementos rigidizadores 13, 17, por medio de un útil 41 sobre el que deslizan los útiles de conformado 33 y los laminados van a formar los elementos rigidizadores 13, 17.
El útil 41 está dotado con medios que Ie permiten, por un lado, movimientos de subida y bajada y, por otro lado, girar alrededor de un eje horizontal. Mediante un giro de 180°, los elementos rigidizadores 13 que ocupaban Ia posición de una U invertida en Ia etapa de conformado, pasan a ocupar Ia posición final de curado. El útil 41 se hace descender sobre el útil de curado del conjunto 31 sobre el que se ha realizado el laminado base 11.
Ambos útiles 41 , 31 están coordinado por medio de medios centradores 39, para que en el descenso los elementos rigidizadores 13, 17 ocupen su posición definitiva sobre Ia piel 11. En esta posición se mantienen un tiempo hasta que los laminados de Ia piel base 11 y de los elementos rigidizadores 13, 17 se unan. Tras ello se procede a liberar los elementos rigidizadores conformados 13, 17 de sus respectivos útiles 33, izando el útil 41 , quedando visible Ia capa de tejido pelable 29.
A continuación se procede a realizar Ia bolsa de vacío final 55 sobre el conjunto de Ia piel 1 1 y los elementos rigidizadores 13, 17.
Para ello se coloca en primer lugar una película separadora no porosa 45 sobre los elementos rigidizadores 13, 17, a modo de caperuza, que previamente se ha cortado en tiras del ancho adecuado, de manera que su desarrollo cubra en un 90% del laminado entre cada dos rigidizadores, para evitar que Ia resina del laminado dañe Ia bolsa de vacío 55.
En segundo lugar, se coloca el resto del material que compone Ia bolsa de vacío: tiras de fibra de vidrio seca 47 en el contorno, masilla de sellado 49 de Ia bolsa y Ia propia bolsa 55. En este proceso de fabricación es fundamental que Ia bolsa de vacío se ajuste Io máximo posible a Ia pieza fabricada y que el material se reparta de manera equilibrada a ambos lados de cada rigidizador, por Io que para Ia colocación de Ia película de Ia bolsa de vacío se emplea un sistema de rodillos giratorios 57 que homogenizan Ia tensión en Ia bolsa 55 y un conjunto de perfiles 59 que mantienen Ia bolsa 55 ya depositada en el mismo lugar, para que no haya arrastres de material. Una vez cerrada Ia bolsa de vacío en todos sus lados, se aplica el vacío sin retirar todavía los perfiles 59 de encima del conjunto, para que las almas verticales de las Ues no se doblen.
Para el curado del conjunto se emplean útiles adicionales 60 que se ajustan a las almas de los elementos rigidizadores 13, 17 durante todas las fases que conlleva el ciclo de polimerización de Ia resina. Dicho en otras palabras, esos útiles actúan sobre las almas de los elementos rigidizadores 13, 17 sean cuales sean Ia presión y Ia temperatura de curado. Esos útiles adicionales 60 reemplazan a los perfiles 59 utilizados para Ia colocación de Ia bolsa de vacío 55 y, en una realización preferente están formados por una pareja de angulares 61 y unos muelles 63 distribuidos a Io largo de Ia longitud de los elementos rigidizadores. Por Ia acción del muelle 63, los angulares 61 se ciñen a las almas de los elementos rigidizadores 13, 17 por encima de Ia bolsa de vacío 55, y así de esta forma se garantiza su verticalidad durante el ciclo de curado. El hecho de curar con bolsa de vacío 55 directa es garantía de una buena compactación y/o calidad de los laminados obtenidos. El procedimiento de fabricación está limitado a elementos rigidizadores en forma de U 13 de espesor total en el alma inferior a 2,5 mm, para que el radio de doblado R sea del mismo orden de magnitud y de esta forma los huecos 12 resulten tan pequeños que no necesitan una pieza especial de relleno. Para elementos rigidizadores en forma de U 13 de mayor espesor, el elemento de refuerzo en forma de I 17 tendría que ser más corto, justo hasta Ia tangente del radio de doblado y se utilizaría material adicional para cubrir los huecos 12.
En Ia realización preferente que acabamos de describir pueden introducirse aquellas modificaciones comprendidas dentro del alcance definido por las siguientes reivindicaciones.

Claims

REIVINDICACIONES
1. Procedimiento para fabricar paneles (9) para estructuras aeronáuticas con elementos rigidizadores en forma de U (13) y elementos rigidizadores de refuerzo en forma de I (17) entre sus alas, caracterizado porque comprende las siguientes etapas: a) Proporcionar un laminado de material compuesto preimpregnado para conformar Ia piel (1 1 ) del panel (9) sobre el útil de curado (31 ); b) Proporcionar laminados planos (23) de material compuesto preimpregnado para conformar los elementos rigidizadores en forma de U (13) y los elementos rigidizadores en forma de I (17), respectivamente; c) Conformar los elementos rigidizadores en forma de U (13) a partir de los laminados planos (23) sobre útiles individuales de conformado (33) y colocar los elementos rigidizadores en forma de I (17) en los alojamientos previstos en dichos útiles (33); d) Agrupar dichos útiles individuales de conformado (33) sobre un útil conjunto (41 ); e) Colocar el conjunto de elementos rigidizadores (13, 17) sobre Ia piel (1 1 ) girando 180° el útil conjunto (41 ) y posicionándolo sobre ella; f) Retirar el útil conjunto (41 ) una vez que los elementos rigidizadores
(13, 17) se han unido a Ia piel (1 1 ); g) Colocar una bolsa de vacío (55) sobre el conjunto de Ia piel (1 1 ) y los elementos rigidizadores (13, 17) ajustándola Io máximo posible al contorno de los elementos rigidizadores (13, 17) mediante los perfiles (59); h) Consolidar dicho conjunto mediante un proceso de curado bajo condiciones apropiadas de presión y temperatura utilizando útiles externos (60) para garantizar Ia verticalidad de las almas de los elementos rigidizadores (13, 17).
2. Procedimiento para fabricar paneles (9) para estructuras aeronáuticas con elementos rigidizadores en forma de U (13) y elementos rigidizadores de refuerzo en forma de I (17) entre sus alas según Ia reivindicación 1 , caracterizado porque, en Ia etapa b), los laminados (23) para conformar los elementos rigidizadores en forma de U (13) se proporcionan con una capa de tejido pelable seco (29) en su cara inferior.
3. Procedimiento para fabricar paneles (9) para estructuras aeronáuticas con elementos rigidizadores en forma de U (13) y elementos rigidizadores de refuerzo en forma de I (17) entre sus alas según Ia reivindicación 1 , caracterizado porque Ia etapa f) incluye Ia colocación de una película separadora (45) no porosa sobre los elementos rigidizadores (13) para evitar que su resina dañe Ia bolsa de vacío (55).
4. Procedimiento para fabricar paneles (9) para estructuras aeronáuticas con elementos rigidizadores en forma de U (13) y elementos rigidizadores de refuerzo en forma de I (17) entre sus alas según Ia reivindicación 1 , caracterizado porque los útiles externos (60) utilizados en Ia etapa h) comprenden dos perfiles (61 ) ajustables mediante Ia presión de unos muelles (63).
5. Procedimiento para fabricar paneles (9) para estructuras aeronáuticas con elementos rigidizadores en forma de U (13) y elementos rigidizadores de refuerzo en forma de I (17) entre sus alas según cualquiera de las reivindicaciones 1-4 caracterizado porque el espesor del elemento rigidizador en forma de U (13) es menor de 2,5 mm.
6. Procedimiento para fabricar paneles (9) para estructuras aeronáuticas con elementos rigidizadores en forma de U (13) y elementos rigidizadores de refuerzo en forma de I (17) entre sus alas según cualquiera de las reivindicaciones 1-4 caracterizado porque el espesor del elemento rigidizador en forma de U (13) es igual o mayor a 2,5 mm y porque también comprende Ia utilización de material adicional para cubrir los huecos entre el elemento rigidizador en forma de U (13), el elemento rigidizador en forma de I (17) y Ia piel (11 ).
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