Elemento de fijación autoexpandible.

Un método para unir una primera estructura (410; 510; 610; 710) a una segunda estructura

(415; 615; 715), que comprende:

alinear un primer orificio de la primera estructura (410; 510; 610; 710) con un segundo orificio de la segunda estructura (415; 615; 715);

insertar un elemento de fijación (420; 520; 620; 720) dentro del primer orificio y del segundo orificio, en el que el elemento de fijación (420; 520; 620; 720) comprende una aleación con memoria de forma que fue conformada según una primera forma que tiene un diámetro ligeramente mayor que un diámetro del primer orificio y del segundo orificio cuando la aleación con memoria de forma se encontraba en un estado austenítico, y fue reducida a una segunda forma que tiene un diámetro menor que el diámetro del primer orificio y del segundo orificio cuando la aleación con memoria de forma se encontraba en un estado martensítico;

calentar el elemento de fijación (420; 520; 620; 720) por encima de una temperatura de comienzo de la transición a austenita, de manera que el elemento de fijación (420; 520; 620; 720) inicia una expansión libre desde la segunda forma hasta la primera forma y establece contacto físico con la superficie del primer orificio y del segundo orificio;

continuar calentando el elemento de fijación (420; 520; 620; 720), de manera que la primera estructura (410; 510; 610; 710) y la segunda estructura (415; 615; 715) aproximan los orificios y el elemento de fijación experimenta una deformación plástica.

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/US2010/055683.

Solicitante: THE BOEING COMPANY.

Nacionalidad solicitante: Estados Unidos de América.

Dirección: 100 NORTH RIVERSIDE PLAZA CHICAGO, IL 60606-2016 ESTADOS UNIDOS DE AMERICA.

Inventor/es: KIRKWOOD, BRAD L., FIRTH,LEE C, WIDDLE,RICHARD D, CROW,WESLEY B.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • SECCION F — MECANICA; ILUMINACION; CALEFACCION;... > ELEMENTOS O CONJUNTOS DE TECNOLOGIA; MEDIDAS GENERALES... > DISPOSITIVOS PARA UNIR O BLOQUEAR LOS ELEMENTOS CONSTRUCTIVOS... > F16B1/00 (Dispositivos para asegurar elementos estructurales o partes de máquinas o bien para impedir cualquier movimiento relativo entre los mismos)

PDF original: ES-2545742_T3.pdf

 

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Fragmento de la descripción:

Elemento de fijación autoexpandible ANTECEDENTES La materia descrita en la presente memoria se refiere a elementos de fijación. Más en particular, la descripción se refiere a un elemento de fijación autoexpandible, a un método de utilización de un elemento de fijación autoexpandible y a conjuntos estructurales que comprenden elementos de fijación autoexpandibles.

La conformación de estructuras para vehículos tales como aviones, cohetes, vehículos a motor o barcos presenta la necesidad de unir dos o más componentes estructurales. Por ejemplo, el revestimiento del ala de un avión necesita ser unido a un larguero o a una costilla, el revestimiento del fuselaje a un armazón o a un larguerillo/elemento longitudinal, o un revestimiento a otra sección de revestimiento por medio de una unión de empalme por superposición. Se pueden utilizar diferentes tipos de elementos de fijación para unir tales componentes.

Los elementos de fijación a los que se hace referencia como elementos de fijación de Clase I en la industria aeroespacial proporcionan una eficaz transferencia de carga por esfuerzo cortante por medio del contacto del elemento de fijación mecánico con los componentes estructurales que constituyen la unión. Muchas estructuras aeroespaciales utilizan elementos de fijación de Clase I, los cuales tienen diámetros que miden aproximadamente 0, 00762 cm (0, 003") menos que el tamaño del orificio. Un elemento de fijación de Clase I tiene una unión ajustada del elemento de fijación a su orificio, reduce la tensión de contacto de Hertz en el apoyo con la pared lateral del orificio y no crea una situación de ajuste por presión del elemento de fijación con el orificio, facilitando la inserción del elemento de fijación.

Los elementos de fijación que no crean una situación de ajuste por presión no rellenan por completo el orificio del elemento de fijación, dando lugar a un orificio sin llenar que tiene una concentración de tensiones en el borde del orificio, lo cual, a su vez, reduce la resistencia a la fatiga de una estructura. La concentración de tensiones en un orifico sin llenar significa que una estructura hecha de una aleación como, por ejemplo, una Ti-6Al-4V, una aleación de titanio común, comenzará a deformarse plásticamente en el borde del orificio a un nivel de tensión de sólo 275, 79 MPa (40 Ksi) , en comparación con el límite elástico normal de esta aleación de 827, 37 MPa (120 Ksi) , que es la tensión a la que la fluencia o deformación plástica empezaría a ocurrir en una estructura que no tuviera un orificio.

A los elementos de fijación que tienen un vástago que es más grande que el tamaño del orificio o los orificios dentro de los cuales se ajusta el elemento de fijación se les denomina comúnmente como elementos de fijación de ajuste por presión. Los elementos de fijación de ajuste por presión tienen una ventaja sobre las uniones con elemento de fijación de Clase I en el hecho de que no generan ningún elevador de tensión perturbador en los componentes estructurales que están siendo unidos, dando lugar a una resistencia a la fatiga prolongada. Sin embargo, no se utilizan con frecuencia debido a que normalmente se requiere una inserción en frío especializada para ajustar el elemento de fijación en el orificio.

La solicitud de patente de Alemania nº 10 2005 053 987 A1 describe un elemento de fijación, que comprende un elemento hecho de una aleación con memoria de forma. Este elemento se puede transformar de un primer estado a un segundo estado por medio de activación térmica. El calentamiento del elemento convierte la martensita en austenita, dando lugar de esta manera a la transformación de estado. La transformación de estado genera una contracción longitudinal y/o una expansión en otras direcciones del elemento. Al enfriar el elemento, la austenita se convierte de nuevo en martensita, devolviendo de esta forma el elemento a su primer estado.

La patente de EE.UU. nº 5.120.175 describe un elemento de fijación, que comprende un vástago alargado fabricado de una aleación con memoria de forma, una cabeza en el extremo superior del vástago y un segmento anular en el extremo inferior del vástago. El segmento anular tiene una forma en sección transversal deformada, adecuada para su inserción dentro de una abertura que se extiende a través de las piezas de trabajo adyacentes. El segmento anular se dilata radialmente desde la forma deformada hasta una forma adecuada cuando se calienta por encima de una temperatura crítica de transformación. Debido a que la forma adecuada es mayor que la abertura de las piezas de trabajo, el elemento de fijación queda asegurado en su posición con respecto a las piezas de trabajo.

Por tanto, se pueden generar uniones más robustas y más ligeras, con mayores resistencias a la fatiga por medio de cualquier elemento de fijación que pueda rellenar un orificio de elemento de fijación para así eliminar el efecto de concentración de tensiones en el orificio. Además, el elemento de fijación se debe insertar con facilidad dentro del orificio y debe generar unas tensiones residuales de compresión sobre la superficie del orificio para aumentar la resistencia a la fatiga de la estructura.

COMPENDIO En diferentes aspectos, se proporcionan elementos de fijación autoexpandibles, métodos para la utilización de tales elementos de fijación y estructuras que incorporan tales elementos de fijación. En un aspecto, se proporciona un método para unir una primera estructura a una segunda estructura. En una realización, el método comprende alinear

un primer orificio de la primera estructura con un segundo orificio de la segunda estructura e insertar un elemento de fijación dentro del primer orificio y del segundo orificio. El elemento de fijación comprende una aleación con memoria de forma que fue conformada en un primer momento según una primera forma que tiene un diámetro ligeramente mayor que un diámetro del primer y del segundo orificio de la unión cuando la aleación con memoria de forma se encontraba en su fase de austenita de temperatura más elevada. Este elemento de fijación se conforma a una segunda forma que tiene un diámetro menor que el diámetro del primer y del segundo orificio de la unión cuando la aleación con memoria de forma se encuentra en la fase de martensita de temperatura más baja. El método comprende además insertar el elemento de fijación a una temperatura cuando el elemento de fijación se encuentra en el estado de fase martensítica y, o bien calentar el elemento de fijación, o permitirle que se caliente hasta la temperatura ambiente, en la cual se encuentra por encima de su temperatura de comienzo de la transición a austenita. Durante el calentamiento, el elemento de fijación inicia una expansión libre desde la segunda forma hasta la primera forma y establece contacto físico de presión con la superficie del primer y del segundo orificio. La continuación del calentamiento del elemento de fijación a lo largo del rango de temperaturas que va desde el comienzo de la austenita hasta la finalización de la austenita y más allá, permite que el elemento de fijación inicie en primer lugar la deformación plástica de los componentes estructurales que está uniendo y, finalmente, que se deforme plásticamente él mismo.

En otro aspecto, se proporciona un conjunto estructural. En una realización, el conjunto estructural comprende un primer componente estructural que comprende un primer orificio que tiene un primer diámetro y un segundo componente estructural que comprende un segundo orificio que tiene un segundo diámetro, ambos orificios tienen aproximadamente diámetros iguales. El conjunto estructural comprende además un elemento de fijación dimensionado para acoplarse en el primer orificio y en el segundo... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Un método para unir una primera estructura (410; 510; 610; 710) a una segunda estructura (415; 615; 715) , que comprende:

alinear un primer orificio de la primera estructura (410; 510; 610; 710) con un segundo orificio de la segunda estructura (415; 615; 715) ; insertar un elemento de fijación (420; 520; 620; 720) dentro del primer orificio y del segundo orificio, en el que el elemento de fijación (420; 520; 620; 720) comprende una aleación con memoria de forma que fue conformada según una primera forma que tiene un diámetro ligeramente mayor que un diámetro del primer orificio y del segundo orificio cuando la aleación con memoria de forma se encontraba en un estado austenítico, y fue reducida a una segunda forma que tiene un diámetro menor que el diámetro del primer orificio y del segundo orificio cuando la aleación con memoria de forma se encontraba en un estado martensítico; calentar el elemento de fijación (420; 520; 620; 720) por encima de una temperatura de comienzo de la transición a austenita, de manera que el elemento de fijación (420; 520; 620; 720) inicia una expansión libre desde la segunda forma hasta la primera forma y establece contacto físico con la superficie del primer orificio y del segundo orificio; continuar calentando el elemento de fijación (420; 520; 620; 720) , de manera que la primera estructura (410; 510; 610; 710) y la segunda estructura (415; 615; 715) aproximan los orificios y el elemento de fijación experimenta una deformación plástica.

2. El método de la reivindicación 1, en el que el elemento de fijación (420; 520; 620; 720) se estampa en frío para reducir el diámetro del elemento de fijación (420; 520; 620; 720) en una cantidad que varía entre el dos por ciento (2%) y el diez por ciento (10%) en el nitinol.

3. El método de la reivindicación 1 ó 2, en el que el elemento de fijación (420; 520; 620; 720) se fabrica a partir de una aleación con memoria de forma que tiene una temperatura de finalización de la transformación austenítica que está aproximadamente de 50 grados a 70 grados por debajo de la temperatura ambiente.

4. El método de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que el elemento de fijación (420; 520; 620; 720) se fabrica a partir de una aleación con memoria de forma que comienza a deformarse plásticamente a un nivel de tensión que es del 5% al 10% superior al límite elástico de la primera estructura (410; 510; 610; 710) y de la segunda estructura (415; 615; 715) , de manera que el elemento de fijación se deforma plásticamente después de que la primera estructura (410; 510; 610; 710) y la segunda estructura (415; 615; 715) se deformen plásticamente.

5. El método de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en el que:

el elemento de fijación (420; 520; 620; 720) comprende un orificio para la recepción de un elemento de calentamiento (726) ; y el calentamiento del elemento de fijación (420; 520; 620; 720) comprende la inserción de un elemento de calentamiento (726) dentro del orificio.

6. El método de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en el que el elemento de fijación (420; 520; 620; 720) es monolítico y comprende una cabeza (422; 622) y un vástago (424; 624; 724) .

7. El método de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en el que el elemento de fijación (420; 520; 620; 720) comprende un cuerpo, preferiblemente con forma de reloj de arena, y anillos opuestos adaptados para acoplarse en los extremos opuestos del elemento de fijación.

8. Un conjunto estructural, que comprende:

una primera estructura (410; 510; 610; 710) que comprende un primer orificio que tiene un primer diámetro; una segunda estructura (415; 615; 715) que comprende un segundo orificio que tiene un segundo diámetro, aproximadamente igual al primer diámetro; un elemento de fijación (420; 520; 620; 720) dimensionado para acoplarse en el primer orificio y en el segundo orificio, en el que el elemento de fijación (420; 520; 620; 720) comprende una aleación con memoria de forma que fue conformada según una primera forma que tiene un diámetro ligeramente mayor que un diámetro del primer orificio y del segundo orificio cuando la aleación con memoria de forma se encontraba en un estado austenítico, y fue reducida a una segunda forma que tiene un diámetro menor que el diámetro del primer orificio y del segundo orificio cuando la aleación con memoria de forma se encontraba en un estado martensítico; en el que el elemento de fijación (420; 520; 620; 720) se calienta por encima de una temperatura de comienzo de la transición a austenita, de manera que el elemento de fijación (420; 520; 620; 720) inicia una expansión libre desde la segunda forma hasta la primera forma y establece contacto físico con la superficie del primer 8

orificio y del segundo orificio; y se continúa calentando, de manera que la primera estructura (410; 510; 610; 710) y la segunda estructura (415; 615; 715) aproximan los orificios y el elemento de fijación experimenta una deformación plástica.

9. Un elemento de fijación (420; 520; 620; 720) para fijar una primera estructura (410; 510; 610; 710) que comprende un primer orificio a una segunda estructura (415; 615; 715) que comprende un segundo orificio, comprendiendo el elemento de fijación:

un cuerpo dimensionado para acoplarse en el primer orificio y en el segundo orificio, en el que el cuerpo comprende una aleación con memoria de forma que fue conformada según una primera forma que tiene un diámetro ligeramente mayor que un diámetro del primer orificio y del segundo orificio cuando la aleación con memoria de forma se encontraba en un estado austenítico, y fue reducida a una segunda forma que tiene un diámetro menor que el diámetro del primer orificio y del segundo orificio cuando la aleación con memoria de forma se encontraba en un estado martensítico;

en el que el cuerpo se calienta por encima de una temperatura de comienzo de la transición a austenita, de manera que el cuerpo inicia una expansión libre desde la segunda forma hasta la primera forma y establece contacto físico con la superficie del primer orificio y del segundo orificio; y se continúa calentando, de manera que la primera estructura y la segunda estructura aproximan los orificios y el cuerpo experimenta una deformación plástica.