WO2010128192A2 - Pieza de material compuesto con gran cambio de espesor. - Google Patents

Pieza de material compuesto con gran cambio de espesor. Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to the stacking structure of a piece of composite material with a large change in thickness that is manufactured by autoclaving said stack and, more particularly, to the stacking structure of a piece of composite material of a structure aeronautics.
  • layers of a composite material such as the prepreg which is a mixture of fibrous reinforcement and polymer matrix capable of storage are placed in a mold / useful.
  • thermosetting matrices the resin is generally partially cured or taken by another process at a controlled viscosity, called B-stage.
  • Composite fabrics are not placed randomly but are arranged in each area in a number and with an orientation of their fibrous reinforcement, typically of carbon fiber, determined according to the nature and magnitude of the efforts to be supported The piece in each zone.
  • ATL Automatic Tape Lay-up
  • Automatic wrapping machines are very efficient for manufacturing flat or substantially flat laminates since the slopes allowed by said machines are small. This limitation has the consequence that in those aeronautical structures with zones of different thickness there are that extend much the ramps of change of thickness especially when the differences of thickness are very pronounced, with the consequent impact on weight.
  • the present invention is oriented to the solution of that problem.
  • An object of the present invention is to provide a stacking structure of a piece made of composite material with a large change in thickness between two zones that facilitates its optimization in weight and dimensions.
  • Another object of the present invention is to provide a stacking structure of a piece made of composite material with a large change in thickness between two zones that can be executed with an ATL machine.
  • these and other objects are achieved by providing a piece with a first zone of a thickness E1 and a second zone of a thickness E2 that is made as a unit piece with a transition zone between said zones, whose outer surfaces have Earrings of magnitudes P1, P2, with a structured stack with:
  • a plurality of fabrics that extend in the first zone and in the transition zone, ending staggered in the transition zone, to compensate for the difference in thickness between the first and the second corresponding zones on one side to the slope P1 and by other side to the slope P2.
  • the stack structure comprises:
  • a stacking structure optimized for parts with thickness changes is achieved, such as that corresponding to the area for taking out components of the trailing edge and / or of attack in the lining of the torsion box of a horizontal tail stabilizer of a aircraft, by taking advantage of the ramp that must exist in the cradle of stacking of said liner so that there is aerodynamic continuity between the liner and the leading edge and / or leading edge component, to configure an optimized transition zone in weight and dimensions.
  • the mentioned objects are achieved with manufacturing processes of the piece comprising the stacking of composite fabrics on a stacking tool with the shape of the outer surface of the piece in different stages, depending on the structure of the stacking and curing in an appropriate device.
  • Figure 1 a is a view of the assembly of the torsion box and the trailing edge of a horizontal tail stabilizer of an aircraft, with a torsion box whose lining is a piece with a large change in thickness and
  • Figure 1 b is a partial detail view of a catch area of the drawer liner to a component of the trailing edge.
  • Figure 2 is a cross-sectional view of a solution known in the art for assembling pieces of composite material with large thickness changes.
  • Figure 3 is a schematic cross-sectional view of the assembly of pieces of composite material in which one of the parts is a piece with large thickness changes according to the present invention.
  • Figures 4a, 4b, 4c and 4d are schematic views of the wrapping process of a piece with large thickness changes according to the present invention.
  • the present invention is applicable to parts made of composite material with large thickness changes.
  • parts made of composite material with large thickness changes in the aeronautical industry, it is worth mentioning the torsion drawer linings of the horizontal glue stabilizers shown in Figures 1 a and 1 b in which there is a large change in thickness between the lining 5 of the drawer proper and the skirt 7 to catch a panel 9 of the trailing edge.
  • the outer surface of the lining 5 and the surface of the panel 9 of the trailing edge must be aligned to ensure aerodynamic continuity.
  • the conventional solution of the prior art to be able to manufacture parts with different thickness zones together using an ATL machine is that the ramps of the transition zones between the zones with different thicknesses are compatible with the requirements of said machines.
  • the basic idea of the present invention to achieve the objective that said piece can be manufactured as a unitary piece with a smooth transition between the zones of different thickness and limiting the length of the transition zone to the maximum is to use the step existing on the face external areas of different thickness, that is to say on the outer surface of the piece, to properly structure the stacking of the transition zone.
  • the part 10 comprises: a first zone 11 of a thickness E1, a second zone 15 of a thickness E2 and a transition zone 13 between both of which surfaces 17, 19, of longitudinal dimensions L1, L2, respectively, have slopes P1, P2.
  • the fabrics 31 of section 21 are taped that follow the outer geometry of the piece 10 and of the stacking cradle 49.
  • the fabrics can be stacked by an ATL machine since the slope P1 is compatible with its requirements .
  • the fabrics 33 of section 23 are taped.
  • fabrics 33 in the transition zone 13 are "killed” causing a first decrease in thickness in the piece 10 corresponding to the step formed in the cradle 49.
  • the fabrics 35 of the central section 25 are taped.
  • the fabrics 37 of section 27 are taped.
  • fabrics 37 in the transition zone 13 are "killed” forming a step and causing a second decrease in thickness in the piece. 10.
  • the perimeter of these fabrics does not coincide in plan with the perimeter of the "dead” fabrics in the second stage. The "death” of these fabrics is therefore inserted between the "death" of the fabrics of the second stage.
  • the fabrics 39 of section 29 are taped.
  • the fabrics can be stacked by an ATL machine.
  • the stack there could be continuous fabrics 31, 35, 39 continuous interleaved between the fabrics 33, 37 that die in the transition zone 13 in which case the ATL machine will be stacking successively on the stack cradle 49 both the continuous fabrics 31 , 35, 39 along the three zones 11, 13, 15 as the fabrics 33, 37 that "die” in the transition zone 13.
  • the execution of the stacking one would proceed first to go killing fabrics against ramp 17 and once the stack has exceeded the thickness of the second part 15 continue killing fabrics on the other side (that of ramp 19) until the thickness of the first piece 11 is achieved.
  • the slopes P1, P2 of the surfaces 17, 19 of the transition zone 13 must be equal to or less than the maximum allowable slope for a curb with an ATL machine that can currently be set at 1/5.
  • the part 10 corresponds to the area where the torsion drawer lining is taken from a horizontal tail stabilizer to a component of the leading edge or the trailing edge illustrated in Figure 2, if the panel 9 has , for example, a thickness of 3.5 mm, that determines that, considering as maximum permissible slope for an ATL machine a slope of 1/5 the length L1 of the surface 17 of the transition zone 13 is 17.5 mm . From there, the length L2 and slope P2 of the surface 19 are determined by the difference in thicknesses of the coating 5 and the catch zone 7.
  • the transition zone 13 normally has the shape represented in Figures 4a-4b with its two Ramp surfaces 17, 19 within a transition zone of length L because the difference in thickness of the lining 5 and the catch zone 7 allows the slope P2 to be equal to or less than P1. This is desirable because the length of the transition zone is optimized since the ramps are not suitable for joining other parts such as stringers in the case at hand. However, if the difference in thicknesses required by ramp 19 could have a greater longitudinal extension than ramp 17.
  • the present invention is considered to be applicable for parts in which the difference between the thickness E1 of the first zone 11 and the thickness E2 of the second zone 15 is in the range 1.5-15 mm.

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Abstract

Pieza (10) de material compuesto con gran cambio de espesor entre una primera zona (11) de un espesor E1 y una segunda zona (15) de un espesor E2, realizada como una pieza unitaria con una zona de transición (13) cuyas superficies exteriores (17, 19) tienen unas pendientes de magnitudes P1, P2, en la que la estructura del apilado comprende: b1) una pluralidad de telas continuas (31, 35, 39) que se extienden en las tres zonas mencionadas (11, 13, 15); b2) una pluralidad de telas (33) que se extienden en la primera zona (11) y en la zona de transición (13), terminando escalonadamente en la zona de transición (13); b3) una pluralidad de telas (37) que se extienden en la primera zona (11) y en la zona de transición (13), terminando escalonadamente en la zona de transición (13). La invención también se refiere a procedimientos para fabricar dicha pieza.

Description

PIEZA DE MATERIAL COMPUESTO CON GRAN CAMBIO DE ESPESOR
CAMPO DE LA INVENCIÓN
La presente invención se refiere a Ia estructura del apilado de una pieza de material compuesto con un gran cambio de espesor que se fabrica curando en autoclave dicho apilado y, más en particular, a Ia estructura del apilado de una pieza de material compuesto de una estructura aeronáutica.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
En Ia industria aeronáutica son bien conocidos procesos de fabricación de piezas que comprenden básicamente una primera etapa de apilado de telas por ATL "Automatic Tape Lay-Up" y una segunda etapa de curado en autoclave.
En Ia etapa de apilado se colocan en un molde/útil de forma apropiada capas de un material compuesto tal como el preimpregnado que es una mezcla de refuerzo fibroso y matriz polimérica susceptible de almacenamiento.
Ese material se puede presentar en diversas formas y en particular en forma de tela. Para las matrices termoendurecibles Ia resina generalmente se cura parcialmente o se lleva mediante otro proceso a una viscosidad controlada, llamada B-etapa.
Las telas de material compuesto no se colocan aleatoriamente sino que se disponen en cada zona en un número y con una orientación de su refuerzo fibroso, típicamente de fibra de carbono, determinados en función de Ia naturaleza y Ia magnitud de los esfuerzos que vaya a soportar Ia pieza en cada zona. Se utilizan para ello generalmente máquinas ATL ("Automatic Tape Lay- up").
Las máquinas de encintado automático son muy eficientes para fabricar laminados planos o sustancialmente planos ya que las pendientes admisibles por dichas máquinas son pequeñas. Esa limitación tiene como consecuencia que en aquellas estructuras aeronáuticas con zonas de distinto espesor haya que extender mucho las rampas de cambio de espesor especialmente cuando las diferencias de espesor son muy acusadas, con el consiguiente impacto en peso.
La presente invención está orientada a Ia solución de ese problema.
SUMARIO DE LA INVENCIÓN
Un objeto de Ia presente invención es proporcionar una estructura de apilado de una pieza realizada en material compuesto con un gran cambio de espesor entre dos zonas que facilite su optimización en peso y dimensiones.
Otro objeto de Ia presente invención es proporcionar una estructura de apilado de una pieza realizada en material compuesto con un gran cambio de espesor entre dos zonas que pueda ejecutarse con una máquina ATL.
En un primer aspecto, esos y otros objetos se consiguen proporcionando una pieza con una primera zona de un espesor E1 y una segunda zona de un espesor E2 que está realizada como una pieza unitaria con una zona de transición entre dichas zonas, cuyas superficies exteriores tienen unas pendientes de magnitudes P1 , P2, con un apilado estructurado con:
- Una pluralidad de telas continuas que se extienden en las tres zonas mencionadas.
- Una pluralidad de telas que se extienden en Ia primera zona y en Ia zona de transición, terminando escalonadamente en Ia zona de transición, para compensar Ia diferencia de espesor entre Ia primera y Ia segunda zonas correspondientes por un lado a Ia pendiente P1 y por otro lado a Ia pendiente P2.
En una realización preferente, Ia estructura del apilado comprende:
- Dos secciones exteriores con telas continuas que se extienden en las tres zonas mencionadas paralelamente a sus superficies.
- Una sección central con telas continuas que se extienden en las tres zonas mencionadas paralelamente a las superficies de Ia primera y Ia segunda zona. - Dos secciones intermedias entre las secciones exteriores y Ia sección central con telas que extienden en Ia primera zona y en Ia zona de transición paralelamente a Ia superficie de Ia primera zona y que terminan escalonadamente en Ia zona de transición. Se consigue con ello, una estructura de apilado optimizada para piezas con cambios de espesor como Ia correspondiente a Ia zona de cogida de componentes del borde de salida y/o de ataque en el revestimiento del cajón de torsión de un estabilizador horizontal de cola de una aeronave, al aprovechar Ia rampa que debe existir en Ia cuna de apilado de dicho revestimiento para que haya continuidad aerodinámica entre el revestimiento y el componente del borde de salida y/o de ataque, para configurar una zona de transición optimizada en peso y dimensiones.
En un segundo aspecto, los objetos mencionados se consiguen con procedimientos de fabricación de Ia pieza que comprenden el apilado de telas de material compuesto sobre un útil de apilado con Ia forma de Ia superficie exterior de Ia pieza en distintas etapas, dependientes de Ia estructura del apilado y su curado en un dispositivo apropiado.
Otras características y ventajas de Ia presente invención se desprenderán de Ia descripción detallada que sigue de una realización ilustrativa del objeto de Ia invención en relación a las figuras adjuntas.
DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
La Figura 1 a es una vista del montaje del cajón de torsión y el borde de salida de un estabilizador horizontal de cola de una aeronave, con un cajón de torsión cuyo revestimiento es una pieza con un gran cambio de espesor y Ia Figura 1 b es una vista parcial de detalle de una zona de cogida del revestimiento del cajón a un componente del borde de salida.
La Figura 2 es una vista en sección transversal de una solución conocida en Ia técnica para montar piezas de material compuesto con grandes cambios de espesor. La Figura 3 es una vista esquemática en sección transversal del montaje de piezas de material compuesto en el que una de las partes es una pieza con grandes cambios de espesor según Ia presente invención.
Las Figuras 4a, 4b, 4c y 4d son vistas esquemáticas del proceso de encintado de una pieza con grandes cambios de espesor según Ia presente invención.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN
La presente invención resulta aplicable a piezas fabricadas en material compuesto con grandes cambios de espesor. Como ejemplo de piezas de ese tipo en Ia industria aeronáutica, cabe citar a los revestimientos de los cajones de torsión de los estabilizadores horizontales de cola mostrados en las Figuras 1 a y 1 b en los que hay un gran cambio de espesor entre el revestimiento 5 del cajón propiamente dicho y Ia faldilla 7 de cogida de un panel 9 del borde de salida. En ese caso Ia superficie externa del revestimiento 5 y Ia superficie del panel 9 del borde de salida deben quedar alineados para garantizar Ia continuidad aerodinámica.
Como ya hemos dicho, Ia solución convencional de Ia técnica anterior para poder fabricar unitariamente piezas con zonas de distintos espesor utilizando una máquina ATL es que las rampas de las zonas de transición entre las zonas con distinto espesor sean compatibles con los requerimientos de dichas máquinas.
En el caso que nos ocupa, una alternativa a Ia fabricación de una pieza unitaria con rampas demasiado largas es Ia ilustrada en Ia Figura 2 en Ia que se fabrica Ia faldilla de cogida 7 como una pieza separada del revestimiento 5 para su unión posterior a éste y al panel 9 del borde de salida.
En ese contexto, Ia idea básica de Ia presente invención para conseguir el objetivo de que dicha pieza pueda fabricarse como una pieza unitaria con una transición suave entre las zonas de distinto espesor y limitando al máximo Ia longitud de Ia zona de transición es utilizar el escalón existente en Ia cara externa de las zonas de distinto espesor, es decir en Ia superficie exterior de Ia pieza, para estructurar adecuadamente el apilado de Ia zona de transición.
Siguiendo Ia Figura 3 puede observarse que Ia pieza 10 según Ia presente invención comprende: una primera zona 11 de un espesor E1 , una segunda zona 15 de un espesor E2 y una zona de transición 13 entre ambas cuyas superficies 17, 19, de dimensiones longitudinales L1 , L2, tienen, respectivamente, pendientes P1 , P2.
La estructura del apilado de Ia pieza 10 en una realización preferente de Ia invención ilustrada en Ia Figura 4d es Ia siguiente
- Dos secciones exteriores 21 , 29 con telas continuas 31 , 39 que se extienden en las tres zonas mencionadas 11 , 13, 15 paralelamente a sus superficies, adaptándose pues a las rampas de Ia zona de transición 13.
- Una sección central 25 con telas continuas 35 horizontales que se extienden a Io largo de Ia pieza.
- Dos secciones intermedias 23, 27 entre las secciones exteriores 21 , 31 y Ia sección central 25 con telas 33, 37 horizontales que extienden en Ia primera zona 11 y en Ia zona de transición 13, terminando escalonadamente en Ia zona de transición 13.
Siguiendo las Figuras 4a, 4b, 4c, 4d pueden observarse las etapas básicas que se siguen en el encintado de Ia pieza 10 sobre una cuna de apilado 49 cuya superficie se corresponde con Ia superficie aerodinámica de Ia pieza 10:
- En Ia primera etapa se encintan las telas 31 de Ia sección 21 que siguen Ia geometría exterior de Ia pieza 10 y de Ia cuna de apilado 49. Las telas pueden ser apiladas por una máquina ATL puesto que Ia pendiente P1 es compatible con sus requerimientos.
- En Ia segunda etapa se encintan las telas 33 de Ia sección 23. Como se ilustra en las Figuras 4a, 4b se van "matando" telas 33 en Ia zona de transición 13 provocando una primera disminución de espesor en Ia pieza 10 correspondiente al escalón conformado en Ia cuna 49.
- En Ia tercera etapa se encintan las telas 35 de Ia sección central 25. - En Ia cuarta etapa se encintan las telas 37 de Ia sección 27. Como se ilustra en las Figuras 4c, 4d se van "matando" telas 37 en Ia zona de transición 13 conformando un escalón y provocando una segunda disminución de espesor en Ia pieza 10. El perímetro de estas telas no coincide en planta con el perímetro de las telas "muertas" en Ia segunda etapa. La "muerte" de estas telas se intercala por tanto entre Ia "muerte" de las telas de Ia segunda etapa.
- En Ia quinta etapa se encintan las telas 39 de Ia sección 29. Las telas pueden ser apiladas por una máquina ATL.
En otras realizaciones del apilado podría haber telas continuas 31 , 35, 39 continuas intercaladas entre las telas 33, 37 que mueren en Ia zona de transición 13 en cuyo caso Ia máquina ATL irá apilando sucesivamente sobre Ia cuna de apilado 49 tanto las telas continuas 31 , 35, 39 a Io largo de las tres zonas 11 , 13, 15 como las telas 33, 37 que "mueren" en Ia zona de transición 13. Como ya hemos dicho, en Ia ejecución del apilado se procedería en primer término a ir matando telas contra Ia rampa 17 y una vez que el apilado haya superado el espesor de Ia segunda parte 15 continuar matando telas por el otro lado (el de Ia rampa 19) hasta conseguir el espesor de Ia primera pieza 11.
Las pendientes P1 , P2 de las superficies 17, 19 de Ia zona de transición 13 deben ser iguales o menores de Ia máxima pendiente admisible para un encintado con una máquina ATL que actualmente puede cifrarse en 1/5.
En el caso de que Ia pieza 10 se corresponda con Ia zona de cogida del revestimiento del cajón de torsión de un estabilizador horizontal de cola a un componente del borde de ataque o del borde de salida ilustrada en Ia Figura 2, si el panel 9 tiene, por ejemplo, un espesor de 3,5 mm, eso determina que, considerando como máxima pendiente admisible para una máquina ATL una pendiente de 1/5 Ia longitud L1 de Ia superficie 17 de Ia zona de transición 13 sea de 17,5 mm. A partir de ahí, Ia longitud L2 y pendiente P2 de Ia superficie 19 vienen determinadas por Ia diferencia de espesores del revestimiento 5 y Ia zona de cogida 7.
En el tipo de piezas que estamos considerando, Ia zona de transición 13 tiene normalmente Ia forma representada en las Figuras 4a-4b con sus dos superficies en rampa 17, 19 dentro de una zona de transición de longitud L porque Ia diferencia de espesores del revestimiento 5 y Ia zona de cogida 7 permite que Ia pendiente P2 sea igual o menor que P1. Ello es deseable porque se optimiza Ia longitud de Ia zona de transición ya que las rampas no son aptas para Ia unión de otras piezas como por ejemplo largueros en el caso que nos ocupa. Ahora bien, si Ia diferencia de espesores Io exigiera Ia rampa 19 podría tener una mayor extensión longitudinal que Ia rampa 17.
Se considera que Ia presente invención es aplicable para piezas en las que Ia diferencia entre el espesor E1 de Ia primera zona 11 y el espesor E2 de Ia segunda zona 15 está comprendido en el rango 1.5 - 15 mm.
En las realizaciones preferentes que acabamos de describir pueden introducirse aquellas modificaciones comprendidas dentro del alcance definido por las siguientes reivindicaciones.

Claims

REIVINDICACIONES
1.- Una pieza (10) de material compuesto que comprende una primera zona (11 ) de un espesor E1 y una segunda zona (15) de un espesor E2, caracterizada porque: a) está realizada como una pieza unitaria con una zona de transición (13) entre ambas zonas (11 , 15) cuyas superficies exteriores (17, 19) tienen unas pendientes de magnitudes P1 , P2; b) Ia estructura del apilado de Ia pieza (10) comprende: b1 ) una pluralidad de telas continuas (31 , 35, 39) que se extienden en las tres zonas mencionadas (11 , 13, 15); b2) una pluralidad de telas (33) que se extienden en Ia primera zona (11 ) y en Ia zona de transición (13), terminando escalonadamente en Ia zona de transición (13) para compensar Ia diferencia de espesor entre Ia primera y Ia segunda zonas (11 , 15) correspondiente a Ia pendiente P1 ; b3) una pluralidad de telas (37) que se extienden en Ia primera zona (11 ) y en Ia zona de transición (13), terminando escalonadamente en Ia zona de transición (13) para compensar Ia diferencia de espesor entre Ia primera y Ia segunda zonas (11 , 15) correspondiente a Ia pendiente P2.
2.- Una pieza (10) según Ia reivindicación 1 , caracterizada porque Ia estructura de su apilado comprende: d ) dos secciones exteriores (21 , 29) con telas continuas (31 , 39) que se extienden en las tres zonas mencionadas (11 , 13, 15) paralelamente a sus superficies; c2) una sección central (25) con telas continuas (35) que se extienden en las tres zonas mencionadas paralelamente a las superficies de Ia primera y Ia segunda zona (11 , 15); c3) dos secciones intermedias (23, 27) entre las secciones exteriores (21 , 31 ) y Ia sección central (25) con telas (33, 37) que extienden en Ia primera zona (11 ) y en Ia zona de transición (13) paralelamente a Ia superficies de Ia primera zona (11 ) y que terminan escalonadamente en Ia zona de transición (13).
3.- Una pieza (10) según cualquiera de las reivindicaciones 1 -2, caracterizada porque Ia diferencia entre los espesores E1 , E2 de Ia primera y Ia segunda zonas (11 , 15) está comprendida en el rango 1.5 -15 mm,
4.- Una pieza (10) según cualquiera de las reivindicaciones 1 -3, caracterizada porque dichas pendientes P1 , P2 son iguales o menores de 1/5.
5.- Una pieza (10) según cualquiera de las reivindicaciones 1 -3, caracterizada porque forma parte del revestimiento de un cajón de torsión de un estabilizador horizontal de una aeronave.
6.- Un procedimiento de fabricación de una pieza (10) según Ia reivindicación 1 , que comprende el apilado de telas de material compuesto sobre un útil de apilado (49) con Ia forma de Ia superficie exterior de Ia pieza (10) y su curado en un dispositivo apropiado, caracterizado porque comprende etapas de apilado de telas continuas (31 , 35. 39) a Io largo de las tres secciones de Ia pieza (11 , 13, 15) y etapas de apilado de telas (33, 37) que terminan escalonadamente en Ia zona de transición (13).
7.- Un procedimiento de fabricación de una pieza (19) según Ia reivindicación 2, que comprende el apilado de telas de material compuesto sobre un útil de apilado (49) con Ia forma de Ia superficie exterior de Ia pieza (5) y su curado en un dispositivo apropiado, caracterizado porque: a) en una primera etapa se apilan las telas (31 ) de Ia sección exterior
(21 ); b) en una segunda etapa se apilan las telas (33) de Ia sección intermedia (23); c) en una tercera etapa se apilan las telas (35) de sección central 25); d) en una cuarta etapa se apilan las telas (37) de Ia sección intermedia (27); e) en una quinta etapa se apilan las telas (39) de Ia sección exterior (29).
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