PROCESO DE FABRICACIóN DE ESTRUCTURAS DE MATERIALES COMPUESTOS CON úTILES PRECURADOS EMBEBIDOS

CAMPO DE LA INVENCIóN

La presente invención se refiere a un proceso de fabricación de estructuras de materiales compuestos y, más en particular, a un proceso en el que al menos un útil empleado para Ia conformación de uno de sus subcomponentes queda embebido en Ia estructura.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIóN

En Ia actualidad y principalmente en Ia industria aeroespacial se utilizan de forma masiva materiales compuestos de matriz orgánica y fibras continuas principalmente basadas en resinas epoxídicas y fibras de carbono.

Este tipo de estructuras ha ido incrementando, especialmente en Ia industria aeronáutica, su nivel de utilización hasta alcanzar Ia situación presente en Ia que los materiales compuestos de matriz epoxídica y fibra de carbono puede considerarse Ia opción más empleada en una gran diversidad de elementos estructurales. Esta situación ha obligado y sigue obligando al desarrollo de procedimientos de fabricación capaces de producir elementos con Ia calidad requerida de una forma repetitiva y con un coste de fabricación adecuado al elemento a fabricar. En esta área el utillaje juega un papel fundamental, por Io que su eliminación o reducción es uno de los puntos considerados claves para abaratar el proceso productivo.

En general se puede considerar que una gran integración de elementos en un solo ciclo de fabricación, lleva implícito un sistema de utillaje muy complejo y por tanto caro y de difícil utilización. En el lado contrario, Ia fabrica- ción de elementos simples que se unen en un proceso final de unión encolada o remachada suele implicar utillajes mucho más simples y sistemas de fabrica-

ción de los propios elementos menos costosos y más fiables. Sin embargo, este último sistema tiene desventajas evidentes tanto desde el punto de vista de complejidad del sistema productivo al tener que trabajar con un gran número de elementos, como desde el punto de vista de Ia propia estructura al implicar complejos sistemas de preparación superficial previa al encolado y, por supuesto, un aumento de peso del elemento final.

Parece evidente pues, que cualquier sistema productivo que permita producir elementos con un alto nivel de integración estructural, pero con un sistema de utillaje reducido ó inexistente, resolverá los problemas indicados anteriormente, permitiendo producir estructuras más económicas a Ia vez que con un alto nivel de integración y por tanto menor peso final.

Los procesos conocidos de fabricación de estructuras de materiales compuestos de matriz orgánica con fibras continuas, tanto utilizando sistemas co-curados, co-encolados ó encolados secundarios, siempre están basados en sistemas de curado en estufa, bolsa de vacío y/o autoclave con utillaje externo al elemento a fabricar, el cual tiene un nivel de complejidad variable en función de Ia propia complejidad y nivel de responsabilidad de Ia pieza final a fabricar.

La presente invención se refiere a un proceso más eficiente para Ia fabricación de dichas estructuras.

SUMARIO DE LA INVENCIóN

La presente invención propone un proceso para fabricar estructuras de materiales compuestos formadas por dos subcomponentes del mismo material, que comprende los siguiente pasos:

- Proporcionar un primer subcomponente, particularmente una piel plana ó con curvatura.

- Proporcionar un útil de material compuesto precurado para Ia fabricación del segundo subcomponente, particularmente un rigidizador. - Posicionar dicho útil sobre dicho primer subcomponente.

- Aplicar material compuesto preimpregnado sobre dicho útil para formar el segundo subcomponente.

- Consolidar Ia estructura de material compuesto mediante un proceso de curado del conjunto resultante de los pasos anteriores bajo condiciones apropiadas de temperatura y presión.

A los efectos de Ia presente invención, se entiende por material compuesto cualquier material de matriz orgánica (Epoxi, Fenólica, Bismaliimida,

Poliimida, Vinylester, ) y fibras continuas de refuerzo (carbono, cerámicas de diversa naturaleza, vidrio, orgánica (poliaramida, pbo, ...)). A los efectos de Ia presente invención, se entiende por subcomponentes de una estructura aquellas partes de Ia misma que se conforman en momentos distintos de su proceso de fabricación.

La característica esencial del proceso según Ia presente invención es el empleo de útiles que quedan integrados dentro de Ia propia estructura. Esos útiles están realizados preferentemente con el mismo material compuesto de Ia estructura o con un material compuesto considerado compatible con él y se proporcionan al proceso objeto de Ia presente invención en estado precurado.

El proceso de fabricación de estructuras de materiales compuestos de matriz orgánica según Ia presente invención puede entenderse como un proceso de co-curado o co-encolado de subcomponentes que evita o limita Ia utilización de utillaje complejo tanto en el interior como en el exterior de Ia bolsa de vacío.

Las estructuras fabricadas mediante el proceso objeto de Ia presente invención son preferentemente estructuras de aplicación en Ia industria aeroes- pacial aunque el proceso también es aplicable para Ia fabricación de estructuras de utilidad en las industrias militar, naval, automoción, generación de energía, construcción, o cualquier otra que demande Ia utilización de materiales con altas propiedades mecánicas.

Una ventaja del proceso objeto de Ia presente invención es que abre Ia posibilidad de fabricar estructuras con un alto nivel de integración con un utillaje integrado en Ia propia estructura y un utillaje simple en su exterior, que

puede incluso llegar a ser innecesario en determinadas configuraciones estructurales. Adicionalmente el útil integrado puede ser diseñado para permitir una doble función de útil y de estructura sustentadora de Ia carga para Ia que fue diseñada Ia pieza. 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.

BREVE DESCRIPCIóN DE LOS DIBUJOS

La Figura 1 muestra una vista en perspectiva de un útil empleado en un proceso según Ia presente invención.

Las Figuras 2a y 2b muestran vistas en sección transversal de instalaciones de fabricación de estructuras según el proceso objeto de Ia presente invención.

La Figura 3 muestra una vista en perspectiva de una instalación de fabricación de estructuras según el proceso objeto de Ia presente invención.

DESCRIPCIóN DETALLADA DE LA INVENCIóN

El proceso de fabricación de estructuras de material compuesto según Ia presente invención resulta especialmente aplicable a Ia fabricación de estructuras planas o con curvatura con rigidizadores en forma de T, ω ó H y pasamos a describirlo seguidamente para el caso de una estructura plana rigidizada con larguerillos en forma de T.

Como útil que quedará integrado en Ia estructura se utiliza un elemento precurado 15 en forma de T (ver Fig. 1 ) fabricado con un tejido plano de fibra de carbono preimpregnado con resina epoxídica, de espesor superior a 0,4 mm. El útil 15 puede ser continuo o discontinuo dependiendo de Ia forma de Ia estructura final a fabricar.

El proceso se lleva a cabo sobre una mesa 11 sobre que dispone Ia estructura plana 13 -el primer subcomponente de Ia estructura-.

El útil 15 se posiciona sobre Ia estructura plana 13, pudiéndose utilizar entre ellas un medio auxiliar 19 tal como una película adhesiva ó una capa de material preimpregnado. El útil 15 puede necesitar un tratamiento previo al proceso de encolado siempre que se necesite un correcto encolado si el útil debe cumplir una función resistente.

Tras Io anterior se aplican capas de material preimpregnado 21 sobre el útil 15 para conformar el larguerillo 17 en forma de T -el segundo subcompo- nente de Ia estructura-.

Una vez acabado el proceso de conformación del larguerillo 17 se fabrica Ia bolsa de vacío 31 , incluyendo según es bien conocido en Ia técnica varias capas 33, 35, 37, para Ia posterior consolidación de Ia estructura utilizando procesos conocidos, como el curado en estufa o autoclave. Durante el proceso puede realizarse el co-encolado del larguerillo 17 al útil 15 utilizando una película adhesiva compatible con el material compuesto utilizado.

En Ia Figura 2a se muestra un larguerillo 17 en el que el alma del útil precurado 15 se extiende a Io largo del alma del larguerillo mientras en que Ia Figura 2b se muestra un larguerillo con una parte 39 a Ia que no extiende el útil precurado 15. En este sentido, el dimensionamiento del útil precurado se llevará a cabo teniendo en cuenta los requerimientos estructurales de Ia pieza.

En el caso, en particular, de un larguerillo 17 con una parte 39 constituida exclusivamente con material preimpregnado, como el representado en Ia Fig. 2b y con el fin de mantener Ia forma final del larguerillo 17, se puede utilizar un útil exterior 43 a Ia bolsa de vacío 31 , para mantener Ia geometría final de Ia estructura a fabricar (ver Fig. 3).

El útil precurado interno 15 puede ser del mismo material compuesto utilizado en Ia fabricación del resto de Ia estructura o bien de un material consi- derado compatible. La compatibilidad se considera sólo desde el punto de vista del proceso de co-encolado al resto de Ia estructura. En este sentido el

proceso de encolado del útil precurado al resto de Ia estructura se puede realizar directamente con Ia resina del material preimpregnado o utilizando un adhesivo film compatible con el material preimpregnado.

A Ia vista de Ia explicación anterior, bien se comprende que deberá di- señarse el útil precurado en función de Ia estructura a fabricar teniendo en cuenta, en primer lugar, el material a utilizar (compatible o que sufra degradación con el sistema final de curado), en segundo lugar, los requerimientos estructurales del elemento (necesidad o no del tratamiento superficial y película adhesiva, y en tercer lugar, los requerimientos dimensionales del segundo subcomponente que, por otra parte, determinarán Ia necesidad utillaje simplificado exterior al segundo subcomponente.

La posibilidad de reducir o incluso eliminar el utillaje complejo que ofrece el presente proceso de fabricación tiene un efecto importante en Ia reducción del consumo de energía en el proceso final de curado, y puede evitar, adicionalmente, Ia realización de ciclos de curado adicionales, con Ia consiguiente reducción del consumo final de energía necesaria para el proceso.

En Ia realización preferente que acabamos de describir pueden introducirse aquellas modificaciones comprendidas dentro del alcance definido por las siguientes reivindicaciones.