CAMPO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere a elementos realizados en material compuesto, en particular elementos de aeronave, protegidos frente a descargas eléctricas, así como a un método de fabricación de elementos tales.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

En Ia actualidad, se emplean cada vez más en Ia industria tecnologías basadas en Ia utilización de materiales compuestos para Ia realización de componentes. Así, es de especial relevancia el incremento en Ia proporción de materiales compuestos que se aplican en el ámbito aeronáutico, constituyéndose las denominadas aero-estructuras. Sin embargo, esta evolución hacia materiales que son poco conductores con respecto a los tradicionales componentes en materiales metálicos, requiere de una exhaustiva protección de los mismos frente a agentes externos como son las descargas eléctricas, principalmente, para el caso de elementos que componen estructuras de aeronaves, para las descargas producidas por el impacto de un rayo. Esta protección resulta de suma importancia cuando el componente o elemento en cuestión contiene vapores de combustible o atmósferas potencial mente inflamables, como es el caso de los depósitos de combustible o de las alas en una aeronave, al cumplir estos últimos componentes además Ia función de depósitos de combustible. En estos casos, todas las zonas interiores deben estar protegidas para evitar descargas de partículas incandescentes o arcos eléctricos que pudieran suponer focos de ignición.

A pesar de los avances actuales en Ia protección frente a rayos y otros agentes externos que suponen una descarga eléctrica, en especial en el campo de las aeronaves, existen grandes dificultades en Ia aplicación a nivel de fabricación de los elementos de protección teóricos propuestos. Este problema se pone especialmente de manifiesto en el ámbito de Ia protección de bordes y aristas de geometrías complejas de aeronave, en las cuales se requiere un material dieléctrico (aislante eléctrico) a Io largo de todo el canto del borde o arista, con el fin de evitar arcos y descargas. No obstante, resulta de gran complejidad, desde un punto de vista práctico, Ia aplicación de productos aislantes en estos bordes o aristas que ejerzan Ia función, tanto de barrera física como de barrera eléctrica, de forma robusta e íntegra y a Io largo de toda Ia vida útil del componente en cuestión.

Son conocidos en Ia técnica medios para Ia protección de los bordes o aristas de componentes realizados en material compuesto. Sin embargo, estos medios son costosos, al tener que realizarse mayoritariamente de forma manual, al tiempo que dicha aplicación manual es muy difícil. Así, son conocidos actualmente elementos sellantes que se colocan en los bordes o aristas de los componentes de material compuesto, que plantean el problema de durabilidad con el paso del tiempo, pues pierden su integridad. También es conocida Ia aplicación de películas o capas de materiales aislantes en los bordes o aristas de los componentes compuestos (esta aplicación se produce posteriormente a Ia fabricación del componente realizado en material compuesto), estando comúnmente constituidas estas películas o capas por fibra de vidrio u otra capa de material dieléctrico. Esta solución plantea el inconveniente de que requiere un proceso laborioso y costoso adicional, y no se adapta correctamente a superficies de difícil geometría, por ejemplo a aquellas que tienen curvaturas.

La presente invención está orientada a Ia solución de los inconvenientes que acaban de plantearse.

SUMARIO DE LA INVENCIÓN

Así, según un primer aspecto, Ia presente invención se refiere a elementos, particularmente de aeronave, realizados en material compuesto y protegidos frente a descargas eléctricas a las que están potencialmente expuestos, por ejemplo provenientes del impacto de un rayo. La invención es especialmente relevante en aquellas estructuras, en particular de aeronave, que, debido a su función de contener líquidos, gases o sólidos inflamables, deben estar convenientemente protegidas frente a focos de ignición que pudiesen suponer riesgo de explosión. Como se ha descrito anteriormente, Ia presente invención se aplica particularmente al contexto aeronáutico, en el cual Ia realización de materiales compuestos es muy común en Ia actualidad cumpliendo además en determinados casos los citados componentes Ia función de depósitos de combustible, como es por ejemplo el caso de las alas y los estabilizadores horizontales (empenajes).

Así, Ia invención desarrolla elementos realizados en material compuesto protegidos contra descargas eléctricas, comprendiendo dichos elementos una capa de resina aislante no conductora dispuesta en los bordes o aristas que requieran protección, de tal forma que Ia citada capa de resina se produce en el propio proceso de fabricación del elemento de material compuesto, de una sola vez y sin necesidad de operaciones posteriores para Ia protección específica de los bordes o aristas. De este modo, Ia invención no presenta en su aplicación limitaciones técnicas importantes, dado que Io que se persigue es obtener Ia protección en las aristas o bordes de los elementos de material compuesto al mismo tiempo y en el mismo proceso de fabricación del citado elemento.

La invención cobra particular relevancia el Io que se refiere a Ia capacidad para aplicar Ia resina en geometrías especialmente complejas, debido a que no se requiere un proceso adicional y especifico para Ia aplicación de Ia barrera aislante, pues en el propio proceso de fabricación del elemento se encuentra ya integrada Ia aplicación de Ia resina no conductora.

Según un segundo aspecto, Ia invención desarrolla un proceso para Ia fabricación de elementos como los descritos anteriormente, particularmente elementos de aeronave, realizados en material compuesto y potencialmente expuestos a descargas eléctricas. Este proceso comprende las siguientes etapas: - A - a) Diseño del elemento o componente: se define Ia Geometría de dicho elemento o componente sin considerar el espesor de Ia protección en los cantos o bordes que sean de difícil aplicación. b) Identificación de los bordes o aristas del elemento o componente en los que se requiere protección basada en el aislamiento de dichos bordes o aristas. Normalmente, para Ia invención, se consideran aquellos bordes o aristas en los que Ia aplicación de protecciones dieléctricas comunes, tales como sellantes, fibras de vidrio, etc. es compleja, de difícil acceso o requiere un trabajo manual costoso. c) Definición y diseño del molde en el que se fabrica el elemento o componente de aeronave, considerando las distancias para definir los huecos en las aristas o bordes identificados y que requieren de protección dieléctrica. En estos huecos dispuestos en las aristas o bordes quedará dispuesta, durante el propio proceso de fabricación del elemento o componente en material compuesto, una capa de resina aislante no conductora. d) Refrentado de los bordes o aristas para uniformizar las creces de resina al espesor requerido, de tal forma que quede garantizada Ia capacidad dieléctrica necesaria en dichos bordes o aristas.

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 en planta esquemática del elemento realizado en material compuesto protegido frente a descargas eléctricas en sus aristas (acumulación localizada de resina), según Ia presente invención. La Figura 2 muestra una vista en alzado esquemática del elemento realizado en material compuesto protegido frente a descargas eléctricas según Ia presente invención, en su aplicación concreta de larguerillos de aeronave.

La Figura 3 muestra una vista de un elemento de material compuesto con creces de resina fabricado de tal forma que se ha acumulado resina, antes de Ia etapa de refrentado de aristas, según el método de fabricación de Ia presente invención.

La Figura 4 muestra una vista en detalle de Ia arista de un elemento de material compuesto fabricado mediante el método de fabricación de Ia presente invención, antes de Ia etapa de refrentado de aristas.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN

Según un primer aspecto, Ia invención desarrolla un elemento fabricado en material compuesto y protegido frente a descargas eléctricas en sus puntos de geometría compleja, como bordes, aristas, cantos y ángulos, estando dicho elemento fabricado en material compuesto de fibra de carbono, y siendo un elemento principalmente para aeronave. Frecuentemente, los cantos y bordes de elementos de aeronave potencialmente expuestos a descargas eléctricas deben protegerse con un material dieléctrico (aislante eléctrico) con el fin de evitar arcos eléctricos o partículas incandescentes que dañan el material de forma impredecible, perjudicando sus propiedades mecánicas, o que constituyen focos de ignición en el caso de presentarse en atmósferas inflamables (como es el caso de tanques de combustibles realizados en fibra de carbono).

La invención, aunque aplicable en un contexto más amplio, se ha desarrollado en un entorno aeronáutico. La probabilidad de una aeronave comercial de sufrir un impacto de rayo (descarga eléctrica) es elevada: se calcula que una aeronave sufre de media casi dos impactos de rayo al año. Por Io tanto, es necesario tomar medidas adecuadas que aseguren en primer lugar Ia seguridad de los pasajeros y en segundo lugar, que ese impacto de rayo tenga el menor efecto posible en Ia operación de Ia aeronave.

Así, ante Ia dificultad de cubrir todas las aristas o bordes interiores que potencialmente pudiesen provocar descargas eléctricas en una aeronave debido al impacto de un rayo, Ia solución desarrollada por Ia invención cumple con el requerimiento de aislar eléctricamente los bordes o aristas, mediante una solución robusta y de gran integridad, desde el punto de vista eléctrico, así como sencilla de aplicar, gracias a su integración en el proceso de fabricación.

En el proceso de fabricación de materiales compuestos (fibra más resina co-curadas en un proceso de temperatura y vacío) se obtienen creces de material sobrante producido por el flujo de resina hacia los extremos de Ia pieza o elemento. La idea que desarrolla Ia presente invención es Ia de aprovechar dicho material sobrante de gran capacidad aislante (con constante dieléctrica muy elevada) para cumplir con el requisito de protección de aristas frente a descargas eléctricas.

Así, usando Ia resina epoxy integrante del material compuesto que inherentemente se concentra en los bordes de las piezas o elementos producidos de forma controlada (a través de las dimensiones adecuadas del molde de Ia pieza o elemento y de Ia cantidad precisa de resina) es posible Ia obtención de una sola vez y sin necesidad de operaciones posteriores de un sistema para Ia protección especifica de los bordes o aristas frente a descargas eléctricas.

Así, el elemento 1 de material compuesto, siendo por ejemplo este material compuesto fibra de carbono con resina epoxy, se obtiene aplicando un ciclo de temperatura y presión a partir de un molde 2 diseñado de tal forma que, una vez conocida Ia geometría del elemento 1 en cuestión, el molde 2 es diseñado tal que comprende huecos 6 destinados a alojar resina del proceso de fabricación del elemento 1 , resina que conformará Ia protección dieléctrica de los bordes o aristas del elemento 1. Así, el molde 2 comprende huecos 6 en bordes libres diseñados en los que se requiere protección dieléctrica (aislante) del elemento 1 , permitiéndose así Ia acumulación de resina en dichos huecos 6 durante el proceso de fabricación del citado elemento 1. La resina se acumula formando una capa 3 que queda dispuesta alrededor del borde libre del elemento 1 , confiriéndole de este modo a esta superficie en arista una protección dieléctrica (aislamiento eléctrico) que evita posibles descargas y expulsión de partículas calientes en caso de impacto de rayo o descarga eléctrica equivalente severa en el citado elemento 1.

La capa 3 de resina habrá de tener un espesor comprendido entre 4 y 5 mm, de tal forma que asegure una capacidad dieléctrica o de aislamiento importante en los bordes o aristas del elemento 1. Todas las resinas de aplicación a materiales compuestos que se usan para fabricar aeroestructuras en Ia actualidad son aislantes, si bien su capacidad de aislamiento (capacidad para soportar diferencias de potencial) es mayor en las resinas de última generación. Se muestra a continuación una Tabla con resultados de medidas experimentales que pertenecen a resinas muy frecuentes en Ia fabricación de piezas de material compuesto para estructuras aeronáuticas. Así, a tenor de los valores obtenidos mostrados en dicha Tabla, se puede afirmar que todas las resinas ensayadas de Ia Tabla son aislantes desde un punto de vista eléctrico para Ia aplicación de protección de bordes o aristas, por ejemplo en tanques de combustible de aeronaves. No obstante, cuanto mayor es Ia capacidad de aislamiento de Ia resina, menor es el espesor requerido en Ia capa 3 de resina para soportar diferencias de potencial en el elemento 1.

La Figura 2 muestra en esquema Ia aplicación particular de Ia invención para larguerillos 4 de material compuesto de aeronave que comprenden revestimientos 5 de material compuesto, en particular de fibra de carbono.

Según un segundo aspecto, Ia invención desarrolla un proceso para Ia fabricación de elementos 1 como los descritos anteriormente, particularmente elementos de aeronave, realizados en material compuesto y potencialmente expuestos a descargas eléctricas. Este proceso comprende las siguientes etapas: a) Diseño del elemento 1 : se define Ia geometría de dicho elemento 1 sin considerar el espesor de Ia protección en los cantos o bordes que sean de difícil aplicación. b) Identificación de los bordes o aristas del elemento 1 en los que se requiere protección basada en el aislamiento de dichos bordes o aristas. Normalmente, para Ia invención, se consideran aquellos bordes o aristas en los que Ia aplicación de protecciones dieléctricas comunes, tales como sellantes, fibras de vidrio, etc. es compleja, de difícil acceso o requiere un trabajo manual costoso. c) Definición y diseño del molde 2 en el que se fabrica el elemento 1 de aeronave, considerando las distancias para definir los huecos en las aristas o bordes identificados y que requieren de protección dieléctrica. En estos huecos dispuestos en las aristas o bordes quedará dispuesta, durante el propio proceso de fabricación del elemento o componente en material compuesto, una capa 3 de resina aislante no conductora. d) Refrentado de los bordes o aristas para uniformizar las creces de resina al espesor requerido, de tal forma que quede garantizada Ia capacidad dieléctrica necesaria en dichos bordes o aristas.

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