Método y sistema para reducir la porosidad en estructuras compuestas.

Un método para reducir la porosidad en una estructura compuesta, comprendiendo el método:

añadir un aditivo a un material de resina para formar una mezcla de aditivo y resina

, comprendiendo el aditivo un material de transición de fase que tiene una temperatura de transición de fase de aditivo mayor que una temperatura de curado de la resina del material de resina;

combinar la mezcla de aditivo y resina con una pluralidad de fibras de refuerzo para formar un material compuesto preimpregnado;

formar el material compuesto preimpregnado en una estructura compuesta;

curar por calor la estructura compuesta en un aparato de calentamiento mediante un dispositivo de vacío a una presión de vacío eficaz durante un periodo de tiempo efectivo a la temperatura de curado de la resina suficiente para disminuir una viscosidad del material de resina;

calentar la estructura compuesta a una temperatura aumentada por encima de la temperatura de transición de fase de aditivo y por encima de la temperatura de curado de la resina y mantener el aumento de la temperatura durante un periodo de tiempo suficiente para que el aditivo se someta a una transición de fase y para formar un gas de aditivo que desplaza sustancialmente uno o más los gases fuera de la estructura compuesta;

reducir el aumento de la temperatura de vuelta a la temperatura de curado de la resina para permitir que el gas de aditivo se someta a una transición de fase a una fase de condensación, lo que resulta en una presión de vacío sustancialmente reducida en la estructura compuesta, y que resulta en una reducción de la porosidad de la estructura compuesta; y

enfriar la estructura compuesta.

Tipo: Patente Europea. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: E13181492.

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: HUMFELD,KEITH DANIEL.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • SECCION C — QUIMICA; METALURGIA > COMPUESTOS MACROMOLECULARES ORGANICOS; SU PREPARACION... > PRODUCCION; PROCESOS GENERALES PARA FORMAR MEZCLAS;... > Fabricación de artículos o modelado de materiales... > C08J5/24 (Impregnación de materiales con prepolímeros que pueden ser polimerizados in situ , p. ej. fabricación de productos preimpregnados)
  • SECCION C — QUIMICA; METALURGIA > COMPUESTOS MACROMOLECULARES ORGANICOS; SU PREPARACION... > PRODUCCION; PROCESOS GENERALES PARA FORMAR MEZCLAS;... > Procesos para el tratamiento de sustancias macromoleculares... > C08J3/20 (Mezcla de polímeros con aditivos, p. ej. coloración)
  • SECCION B — TECNICAS INDUSTRIALES DIVERSAS; TRANSPORTES > TRABAJO DE LAS MATERIAS PLASTICAS; TRABAJO DE SUSTANCIAS... > CONFORMACION O UNION DE LAS MATERIAS PLASTICAS; CONFORMACION... > B29C70/00 (Conformación de materiales compuestos, es decir, materiales plásticos con refuerzos, cargas o partes preformadas, p. ej. inserciones (aspectos químicos C08, p. ej. C08J 5/00))

PDF original: ES-2530667_T3.pdf

 

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Fragmento de la descripción:

Método y sistema para reducir la porosidad en estructuras compuestas

Antecedentes

Campo de la divulgación

La divulgación se refiere en general a estructuras compuestas, y más particularmente, a métodos y sistemas para la reducción de la porosidad en estructuras compuestas, tales como piezas compuestas para aeronaves.

Descripción de la técnica relacionada

Los materiales compuestos, tales como materiales de polímero reforzado con fibra de carbono (CFRP) , se utilizan en la fabricación de una amplia variedad de estructuras y partes componentes debido a su alta resistencia y rigidez, bajo peso, resistencia a la corrosión y a su otras propiedades favorables. En particular, en la fabricación de aeronaves, las estructuras compuestas de CFRP y sus partes componentes se utilizan en cantidades crecientes para formar el fuselaje, las alas, las secciones de cola, los paneles de piel, y otras partes componentes de la aeronave.

Durante la fabricación de estructuras compuestas de CFRP, pueden crearse huecos no deseados, o áreas vacías, en el material compuesto debido a problemas en un proceso de fabricación o diseño de ingeniería. Por ejemplo, antes del ciclo de curado de una estructura compuesta de CFRP, tales huecos pueden crearse por el aire atrapado durante una operación de disposición. Además, por ejemplo, durante el ciclo de curado de la estructura compuesta de CFRP, tales huecos pueden crearse por la expansión de aire y/o volátiles atrapados, tales como la humedad absorbida y los productos de reacción gaseosos.

La porosidad es una medida, por ejemplo, un porcentaje, del contenido de huecos en un material y es una fracción del volumen de huecos sobre el volumen total. La mitigación de huevos y bajos niveles de porosidad o bajo contenido de huecos, por ejemplo, menos del 1 % al 1 %, son deseables para lograr buenas propiedades mecánicas, tales como resistencia al corte, y para asegurar el rendimiento de las estructuras compuestas.

Además, durante la fabricación de grandes piezas compuestas, tales grandes piezas compuestas pueden típicamente someterse a muchas horas, por ejemplo, de 12 a 24 horas o más, de un mantenimiento de vacío previo al curado bajo presión de vacío, para retirar o retirar sustancialmente el aire que puede quedar atrapado entre las capas de material compuesto. Este mantenimiento del vacío previo al curado puede añadir un tiempo significativo al proceso global de fabricación, aumentando así el coste global de la fabricación de grandes piezas compuestas.

En consecuencia, hay una necesidad en la técnica de un método mejorado y de un sistema para la reducción de la porosidad en las estructuras compuestas, que proporcionan ventajas sobre los métodos y sistemas conocidos.

Sumario

Se satisface esta necesidad de un método y sistema mejorados para la reducción de la porosidad en estructuras 45 compuestas. Como se describe en la siguiente descripción detallada, las realizaciones del método y sistema mejorados para la reducción de la porosidad en las estructuras compuestas pueden proporcionar ventajas significativas sobre los métodos y sistemas conocidos.

En una realización de la divulgación, se proporciona un método para reducir una porosidad en una estructura compuesta. El método comprende la adición de un aditivo a un material de resina para formar una mezcla de aditivo y resina. El aditivo comprende un material de transición de fase que tiene una temperatura de transición de fase aditiva mayor que una temperatura de curado de la resina del material de resina. El método comprende además la combinación de la mezcla de resina y aditivos con una pluralidad de fibras de refuerzo para formar un material preimpregnado compuesto. El método comprende además formar el material preimpregnado compuesto en una 55 estructura compuesta. El método comprende además curar por calor la estructura compuesta en un aparato de calentamiento mediante un dispositivo de vacío a una presión de vacío eficaz durante un periodo de tiempo efectivo a la temperatura de curado de la resina, suficiente para disminuir una viscosidad del material de resina. El método además comprende el calentamiento de la estructura compuesta a una temperatura mayor por encima de la temperatura de transición de fase del aditivo y por encima de la temperatura de curado de la resina, y mantener el aumento de temperatura durante un periodo de tiempo suficiente para que el aditivo se someta a una transición de fase y forme un gas de aditivo que desplaza sustancialmente uno o más gases de la estructura compuesta. El método comprende además reducir el aumento de la temperatura de vuelta a la temperatura de curado de la resina para permitir que el gas de aditivo pase de una transición de fase a una fase de condensación, lo que resulta en una presión de vacío sustancialmente reducida en la estructura compuesta, y que resulta en una reducción de una 65 porosidad de la estructura compuesta. El método comprende además el enfriamiento de la estructura compuesta.

En otra realización de la divulgación, se proporciona un método para reducir una porosidad en una pieza compuesta de una aeronave. El método comprende la adición de un aditivo a un material de resina para formar una mezcla de aditivo y resina. El aditivo comprende un material de transición de fase que tiene una temperatura de transición de fase del aditivo mayor que una temperatura de curado de la resina del material de resina. El método comprende 5 además la combinación de la mezcla de aditivo y resina con una pluralidad de fibras de carbono de refuerzo para formar un material compuesto preimpregnado. El método comprende, además, la disposición del material compuesto preimpregnado a través de un proceso de formación que comprende una disposición manual o una disposición automatizada. El método comprende además rodear la pieza compuesta de la aeronave bajo una bolsa de vacío bajo una presión de vacío. El método comprende además el curado por calor en un aparato de calentamiento que comprende un autoclave o un horno, estando la pieza compuesta de la aeronave rodeada debajo de la bolsa de vacío a una presión de vacío efectiva, durante un periodo de tiempo efectivo para la temperatura de curado de la resina suficiente para disminuir una viscosidad del material de la resina. El método comprende además mantener la temperatura de curado de la resina durante un periodo de tiempo efectivo de curado de la resina. El método además comprende el calentamiento de la pieza compuesta de la aeronave a una temperatura mayor en un intervalo de 15 aproximadamente 2, 8 grados centígrados (5 grados Fahrenheit) a aproximadamente 11, 1 grados centígrados (20 grados Fahrenheit) por encima de la temperatura de transición de fase del aditivo y por encima de la temperatura de curado de la resina. El método comprende además mantener el aumento de temperatura durante un periodo de tiempo suficiente para que el aditivo se someta a una fase de transición de líquido a gas y para formar un gas de aditivo que desplaza sustancialmente uno o más gases fuera de la pieza compuesta de la aeronave. El método comprende además la reducción de la temperatura aumentada de vuelta a la temperatura de curado de la resina para permitir que el gas de aditivo se someta a una transición de fase a una fase de condensación, resultando en una presión de vacío reducida sustancialmente en la pieza compuesta de la aeronave, y que resulta en una reducción en una porosidad de la pieza compuesta de la aeronave en un intervalo de aproximadamente el 81 % a aproximadamente el 91 % de la reducción de la porosidad. El método comprende además el enfriamiento de la pieza compuesta de la aeronave. El método comprende además la retirada de la pieza compuesta de la aeronave... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Un método para reducir la porosidad en una estructura compuesta, comprendiendo el método:

añadir un aditivo a un material de resina para formar una mezcla de aditivo y resina, comprendiendo el aditivo un material de transición de fase que tiene una temperatura de transición de fase de aditivo mayor que una temperatura de curado de la resina del material de resina; combinar la mezcla de aditivo y resina con una pluralidad de fibras de refuerzo para formar un material compuesto preimpregnado; formar el material compuesto preimpregnado en una estructura compuesta; curar por calor la estructura compuesta en un aparato de calentamiento mediante un dispositivo de vacío a una presión de vacío eficaz durante un periodo de tiempo efectivo a la temperatura de curado de la resina suficiente para disminuir una viscosidad del material de resina; calentar la estructura compuesta a una temperatura aumentada por encima de la temperatura de transición de fase de aditivo y por encima de la temperatura de curado de la resina y mantener el aumento de la temperatura durante un periodo de tiempo suficiente para que el aditivo se someta a una transición de fase y para formar un gas de aditivo que desplaza sustancialmente uno o más los gases fuera de la estructura compuesta; reducir el aumento de la temperatura de vuelta a la temperatura de curado de la resina para permitir que el gas de aditivo se someta a una transición de fase a una fase de condensación, lo que resulta en una presión de vacío sustancialmente reducida en la estructura compuesta, y que resulta en una reducción de la porosidad de la estructura compuesta; y enfriar la estructura compuesta.

2. El método de la reivindicación 1, donde la adición del aditivo al material de resina comprende además la adición de un aditivo seleccionado del grupo que consiste en alcanos que tienen nueve o más átomos de carbono con un punto de ebullición a una atmósfera de presión a una temperatura en un intervalo de 121 º C (250 º F) a 510 º C (950 º F) ; fenilpropenos con un punto de ebullición a una atmósfera a una temperatura en un intervalo de 200 º C (392 º F) a 260 º C (500 º F) ; e hidrocarburos aromáticos policíclicos con un punto de ebullición a una atmósfera de presión a una temperatura en un intervalo de 217 º C (422 º F) a 527 º C (980 º F) ; y triglicéridos.

3. El método de la reivindicación 1, donde la adición del aditivo al material de resina comprende además la adición del aditivo en una cantidad del 0, 01 por ciento en volumen al 1, 5 por ciento en volumen basado en el volumen total de la mezcla de aditivo y resina.

4. El método de la reivindicación 1, donde la adición del aditivo al material de resina comprende además la adición del aditivo a un material de resina seleccionado entre el grupo que consiste en resinas epoxi, resinas de amina epoxi, resinas de poliimida, resinas de bismaleimida, resinas fenólicas, resinas de silicona, y una combinación de las mismas.

5. El método de la reivindicación 1, donde la formación del material compuesto preimpregnado en la estructura compuesta comprende, además, la disposición del material compuesto preimpregnado a través de un proceso de formación que comprende una disposición manual o una disposición automatizada con una máquina de disposición.

6. El método de la reivindicación 1, donde el curado por calor de la estructura compuesta comprende además el 45 curado por calor la estructura compuesta en un aparato de calentamiento que comprende una autoclave o un horno.

7. El método de la reivindicación 1, donde el curado por calor de la estructura compuesta comprende además el curado por calor de la estructura compuesta bajo un dispositivo de vacío que comprende una bolsa flexible de vacío herméticamente sellada.

8. El método de la reivindicación 1, donde el calentamiento de la estructura compuesta para el aumento de la temperatura comprende además el calentamiento de la estructura compuesta a una temperatura aumentada en un intervalo de 2, 1 º C (1 º F) a 11, 1 º C (21 º F) por encima de la temperatura de curado de la resina y la temperatura de transición de fase del aditivo.

9. El método de la reivindicación 1, donde el calentamiento de la estructura compuesta para el aumento de la temperatura por encima de la temperatura de transición de fase del aditivo comprende además mantener el aumento de temperatura durante un periodo de tiempo en un intervalo desde un minuto a quince minutos.

10. El método de la reivindicación 1, donde el calentamiento de la estructura compuesta para el aumento de la temperatura por encima de la temperatura de transición de fase del aditivo comprende además formar el gas de aditivo que desplaza sustancialmente uno o más gases, comprendiendo los uno o más gases aire atrapado y sustancias volátiles, incluyendo humedad absorbida, agua disuelta y gases de salida de resina.

11. El método de la reivindicación 1, donde la reducción de la temperatura aumentada de vuelta a la temperatura de curado de la resina resulta en un porcentaje de reducción en una porosidad de la estructura compuesta en un 13

intervalo de reducción de la porosidad del 80 % al 99 %.

12. El método de la reivindicación 1, donde la estructura compuesta es una pieza compuesta de aeronaves.

13. Un sistema para reducir una porosidad en una estructura compuesta, comprendiendo el sistema:

un material compuesto preimpregnado que comprende una pluralidad de fibras de refuerzo preimpregnadas de una mezcla de aditivo y resina, comprendiendo el aditivo un material de transición de fase que tiene una temperatura de transición de fase del aditivo mayor que una temperatura de curado de la resina del material de resina; un aparato de formación que comprende una máquina de disposición adaptada para colocar el material compuesto preimpregnado en una estructura compuesta; un dispositivo de vacío que comprende una bolsa de vacío, estando el dispositivo de vacío adaptado para rodear la estructura compuesta bajo un vacío a una presión de vacío eficaz; y un aparato de calentamiento que comprende una autoclave y un horno, estando el aparato de calentamiento adaptado para curar por calor la estructura compuesta rodeada por el dispositivo de vacío a una temperatura efectiva de curado de la resina y para mantener la temperatura de curado de la resina durante un periodo de tiempo efectivo suficiente para disminuir una viscosidad del material de resina, estando el aparato de calentamiento adaptado, además, para calentar la estructura compuesta a una temperatura aumentada por encima de la temperatura de transición de fase del aditivo y por encima de la temperatura de curado de la resina, y para mantener el aumento de la temperatura durante un periodo de tiempo suficiente para que el aditivo se someta a una transición de fase de líquido a gas y para formar un gas de aditivo que desplaza sustancialmente uno o más gases fuera de la estructura compuesta, el aparato de calentamiento adaptado además para reducir el aumento de la temperatura de vuelta a la temperatura de curado de la resina para permitir que el gas de aditivo se someta a una transición de fase a una fase de condensación, lo que resulta en una presión de vacío sustancialmente reducida en la estructura compuesta, y que resulta en una reducción de una porosidad de la estructura compuesta.

14. El sistema de la reivindicación 13, donde la adición del aditivo al material de resina comprende además la adición de un aditivo seleccionado del grupo que consiste en alcanos que tienen nueve o más átomos de carbono con un punto de ebullición a una atmósfera de presión a una temperatura en un intervalo de 121 º C (250 º F) a 510 º C (950 º F) ; fenilpropenos con un punto de ebullición a una atmósfera a una temperatura en un intervalo de 200 º C (392 º F) a 260 º C (500 º F) ; e hidrocarburos aromáticos policíclicos con un punto de ebullición a una atmósfera de presión a una temperatura en un intervalo de 217 º C (422 º F) a 527 º C (980 º F) ; y triglicéridos.

15. El sistema de la reivindicación 13, donde el material de resina adicional se selecciona entre el grupo que consiste en resinas epoxi, resinas de amina epoxi, resinas de poliimida, resinas de bismaleimida, resinas fenólicas, resinas de silicona, y una combinación de las mismas.