Procedimiento de fabricación de un panel rigidizado de material compuesto de matriz termoplástica y panel así obtenido.

Procedimiento de fabricación de una pieza rigidizada (1), de material compuesto que comprende fibras orgánicaso minerales en una matriz orgánica,

que comprende una capa exterior (2) formada principalmente por un materialcompuesto termoplástico y al menos un rigidizador (3) de longitud L grande con respecto a dimensionestransversales, anchura l y altura h, del citado rigidizador, comprendiendo el citado al menos un rigidizador dos alas(311, 321), dos almas (312, 322), siendo cada alma solidaria a nivel de un primer borde (313, 323) de una ala, y quecomprende una cabeza (331) que solidariza entre sí las dos almas a nivel de un segundo borde (314, 324) de cadaalma, distante del citado primer borde, determinando la citadas dos almas y la cabeza con la capa exterior unvolumen hueco del rigidizador de sección transversal cerrada cuando el rigidizador es solidario de la capa exterior anivel de las alas, caracterizado porque el procedimiento comprende:

- una etapa de realización:

- de un primer elemento (31) del rigidizador, en un material compuesto termoplástico, quecomprende una primera ala (311) y una primera alma (312) o al menos una parte (312a) de unaprimera alma,

- de un segundo elemento (32) del rigidizador, en un material compuesto termoplástico, quecomprende una segunda ala (321) y una segunda alma (322) o al menos una parte (322a) de unasegunda alma,

- de un tercer elemento (33) que comprende la cabeza (331),

- una etapa de posicionamiento en los emplazamientos deseados en una superficie de la capa exterior (2) delas alas (311, 321) de los primero y segundo elementos (31, 32),

- una etapa de posicionamiento de un núcleo (71) en el emplazamiento del volumen hueco del rigidizador,entre los primero (31) y segundo (32) elementos, siendo el citado núcleo, llegado el caso, al menos en dospartes,

- una etapa de solidarización de la capa exterior (2) y de los primero y segundo elementos (31, 32) por consolidación del material termoplástico de la citada capa exterior y de las alas (311, 321) de los citadosprimero y segundo elementos,

- una etapa de retirada del núcleo (71),

- una etapa de fijación del tercer elemento (33) a los segundo bordes (314, 324) de los primero (31) ysegundo (32) elementos a nivel de la zonas de unión (315, 325).

Procedimiento de fabricación de un panel rigidizado de material compuesto de matriz termoplástica y panel así obtenido.

El ámbito de la invención es relativo al ámbito de la fabricación de las piezas de formas complejas de material compuesto. De modo más preciso, la invención concierne a un procedimiento particularmente adaptado para la realización de piezas de material compuesto de matriz termoplástica y que comprende elementos de refuerzo de sección transversal cerrada hueca.

La invención concierne igualmente a piezas de materiales compuestos adaptadas para la puesta en práctica del procedimiento.

Los materiales compuestos son utilizados actualmente para la fabricación de piezas de numerosos ámbitos industriales, en particular en el ámbito aeronáutico, incluso para piezas estructurales, es decir que deben soportar esfuerzos significativos del orden de magnitud de su resistencia estructural durante su utilización.

Existen actualmente numerosos materiales compuestos, estando constituidos los más extendidos de fibras más o menos largas de materiales minerales u orgánicos (vidrio, carbono, aramida …) contendidas en una matriz formada por una resina termoendurecible o termoplástica.

La fabricación de piezas de materiales compuestos termoendurecibles comprende la impregnación de un refuerzo de fibras por una resina termoendurecible, y la solidificación de la pieza se obtiene por la polimerización de la resina. La fabricación de piezas de materiales compuestos termoplásticos comprende la impregnación de un refuerzo de fibras por una resina termoplástica, su puesta a presión y temperatura, generalmente a alta presión y temperatura. La solidificación de la pieza se obtiene durante el enfriamiento.

Algunas piezas estructurales están compuestas de una capa exterior y de elementos de refuerzo, denominados rigidizadores, solidarios de la capa exterior, por ejemplo los paneles puestos en práctica en la fabricación de fuselajes o de alas de aeronaves. Los rigidizadores tienen secciones transversales de formas diversas. A título de ejemplo, se puede citar una sección en forma de Z, de J o todavía de T. Estas formas, que tienen la ventaja de ser abiertas, permiten realizar rigidizadores que pueden ser realizados simultáneamente con la capa exterior por medio de moldes simples de extraer, pero presentan un inconveniente importante cuando la pieza es sometida a ciertos esfuerzos. En efecto, cuando el rigidizador es cargado en compresión, éste tiene tendencia a desviarse, es decir a tumbarse más o menos con respecto a la capa exterior a la cual estos están fijados.

El documento US-A-4946526 describe las características del preámbulo de las reivindicaciones 1 y 7.

Para evitar esta desviación, se prefiere utilizar rigidizadores de sección cerrada, por ejemplo en forma de omega, que comprenden dos alas, dos almas y una cabeza, como los rigidizadores ilustrados en la figura 1a. A masa equivalente, una pieza que comprende rigidizadores de tipo omega presenta, además de una mejor estabilidad, una inercia mejorada con respecto a una pieza que comprenda rigidizadores de tipo T o Z.

Sin embargo, una dificultad particularmente encontrada durante la realización de piezas que comprenden un rigidizador de tipo omega está ligada a la existencia de una cavidad cerrada en el rigidizador, abierta solamente en las extremidades del rigidizador.

En el caso de la realización de piezas por medio de material compuesto a base de resina termoendurecible, por ejemplo de tipo epoxy, una solución conocida consiste en realizar simultáneamente los diferentes elementos de la pieza (capa exterior y rigidizadores) integrando un núcleo de relleno en lugar de una cavidad, antes de la etapa de polimerización. Este núcleo de relleno debe presentar características tales que éste pueda soportar las temperaturas de polimerización, por ejemplo del orden de 180 ºC para las resinas de clase 180, y las presiones relativamente moderadas (del orden de 7 bares a 9 bares) puestas en práctica en este tipo de procedimiento. Estas características relativamente limitadas exigidas por este procedimiento permiten realizar sin mayor dificultad núcleos extraíbles después de la polimerización y generalmente reutilizables.

En el caso de la realización de piezas por medio de material compuesto a ala de resina termoplástica, por ejemplo de tipo poliéter éter cetona (PEEK) o polisulfuro de fenileno (PPS) , es necesario aumentar la temperatura a valores más elevados, por ejemplo generalmente del orden de 400 ºC, para obtener la refusión total o parcial de la resina y poner en práctica presiones necesarias para la consolidación del material que pueden alcanzar varias veces a aquéllas utilizadas en el caso de los materiales termoendurecibles.

La realización de un núcleo extraíble que presente las características, en particular de estabilidad dimensional a las temperaturas y presiones consideradas, adaptadas para la puesta en práctica de esta tecnología con rigidizadores de sección cerrada se considera así mucho más difícil.

No existe tecnología simple y de un coste industrialmente aceptable que permita rellenar la cavidad del rigidizador en omega durante una operación de fabricación de la pieza y que sea fácilmente extraíble, especialmente cuando la pieza sea de gran longitud, presente una o unas curvaturas y o secciones de rigidizador variables, por ejemplo en razón de escalones en la pieza de partida de la capa exterior a la que están fijados los rigidizadores.

Debido a esto, la realización de piezas de materiales compuestos de matriz termoplástica que implica la puesta en práctica de núcleos en las cavidades de los rigidizadores durante las operaciones de consolidación y o coconsolidación, se considera relativamente difícil y cara, incluso industrialmente imposible.

Por el término consolidación, se entienden las operaciones de realización de una pieza termoplástica elemental.

Por el término co-consolidación, se entienden las operaciones de realización de una pieza termoplástica compuesta por varias piezas termoplásticas elementales, pudiendo ser estas piezas elementales previamente consolidadas o no.

En un modo de realización preferido, los paneles autorrigidizados son consolidados, es decir que los rigidizadores son previamente consolidados, la capa exterior es previamente consolidada o no consolidada, o bien drapeada sobre los rigidizadores consolidados, y después la capa exterior y los rigidizadores son consolidados simultáneamente.

El procedimiento de co-consolidación permite obtener una interfaz que tenga una buena salud material y muy buenas propiedades mecánicas, particularmente deseadas especialmente para las uniones entre las alas de los rigidizadores y la capa exterior.

Sin embargo, la solución consistente en realizar una pieza autorrigidizada en consolidación sin utilizar núcleos desmoldables para rellenar las cavidades cerradas de los rigidizadores no se considera satisfactoria para obtener todos los beneficios aportados por los materiales termoplásticos. En efecto, el comportamiento reversible de las resinas termoplásticas, es decir el hecho de que las viscosidades disminuyen cuando éstas son calentadas a un nivel de temperatura suficiente, las hace inestables y puede provocar una desconsolidación de las piezas termoplásticas elementales si la pieza autorrigidizada no está bajo presión. Así, la integración de un rigidizador en omega, previamente consolidado, a la capa exterior durante la etapa de co-consolidación sin núcleo para rellenar la cavidad del rigidizador no es actualmente posible para obtener una pieza autorrigidizada que tenga una buena geometría y una buena salud material y conviene poner en práctica otras técnicas de ensamblaje.

Las técnicas actuales consisten en ensamblar el rigidizador en omega a la capa exterior, ambos previamente consolidados separadamente y en realizar un ensamblaje por difusión de un material de interposición entre las alas del rigidizador y la capa exterior, o por soldadura estática o dinámica entre las alas del rigidizador y la capa exterior.

Por el término soldadura, se entiende un ensamblaje de las piezas elementales por un calentamiento de las piezas elementales localizado a nivel de una interfaz de unión entre las citadas piezas elementales.

Por el término soldadura estática, se entiende un ensamblaje de las piezas elementales por una operación de calentamiento simultáneamente en la totalidad de la interfaz de unión que hay que soldar.

Por el término de soldadura dinámica, se entiende un ensamblaje de las piezas elementales por una operación de soldadura local, en una zona limitada, repetida... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento de fabricación de una pieza rigidizada (1) , de material compuesto que comprende fibras orgánicas o minerales en una matriz orgánica, que comprende una capa exterior (2) formada principalmente por un material compuesto termoplástico y al menos un rigidizador (3) de longitud L grande con respecto a dimensiones transversales, anchura l y altura h, del citado rigidizador, comprendiendo el citado al menos un rigidizador dos alas (311, 321) , dos almas (312, 322) , siendo cada alma solidaria a nivel de un primer borde (313, 323) de una ala, y que comprende una cabeza (331) que solidariza entre sí las dos almas a nivel de un segundo borde (314, 324) de cada alma, distante del citado primer borde, determinando la citadas dos almas y la cabeza con la capa exterior un volumen hueco del rigidizador de sección transversal cerrada cuando el rigidizador es solidario de la capa exterior a nivel de las alas, caracterizado porque el procedimiento comprende:

- una etapa de realización:

- de un primer elemento (31) del rigidizador, en un material compuesto termoplástico, que comprende una primera ala (311) y una primera alma (312) o al menos una parte (312a) de una primera alma,

- de un segundo elemento (32) del rigidizador, en un material compuesto termoplástico, que comprende una segunda ala (321) y una segunda alma (322) o al menos una parte (322a) de una segunda alma,

- de un tercer elemento (33) que comprende la cabeza (331) ,

- una etapa de posicionamiento en los emplazamientos deseados en una superficie de la capa exterior (2) de las alas (311, 321) de los primero y segundo elementos (31, 32) ,

- una etapa de posicionamiento de un núcleo (71) en el emplazamiento del volumen hueco del rigidizador, entre los primero (31) y segundo (32) elementos, siendo el citado núcleo, llegado el caso, al menos en dos partes,

- una etapa de solidarización de la capa exterior (2) y de los primero y segundo elementos (31, 32) por coconsolidación del material termoplástico de la citada capa exterior y de las alas (311, 321) de los citados primero y segundo elementos,

- una etapa de retirada del núcleo (71) ,

- una etapa de fijación del tercer elemento (33) a los segundo bordes (314, 324) de los primero (31) y segundo (32) elementos a nivel de la zonas de unión (315, 325) .

2. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual un núcleo (71) está formado por dos o varias partes (71a, 71b) que permiten retirar sucesivamente cada parte del volumen hueco del rigidizador por una abertura longitudinal del citado volumen hueco que debe ser cerrada por la fijación del tercer elemento (33) .

3. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, en el cual el tercer elemento se fija a los segundos bordes (314, 324) de los primero (31) y segundo (32) elementos a nivel de las zonas de unión por un procedimiento de soldadura dinámica.

4. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 3, en el cual el procedimiento de soldadura es un procedimiento de soldadura dinámica.

5. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 4, en el cual el procedimiento de soldadura dinámica es un procedimiento de soldadura por ultrasonidos o un procedimiento de soldadura por inducción o un procedimiento de soldadura por resistencia.

6. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, en el cual el tercer elemento se fija a los segundos bordes (314, 324) de los primero (31) y segundo (32) elementos a nivel de las zonas de unión por remachado.

7. Panel rigidizado (1) de material compuesto que comprende una capa exterior (2) constituida de un material compuesto termoplástico y que comprende un rigidizador (3) de longitud L grande con respecto a las dimensiones transversales de anchura l y de altura h, del citado rigidizador, determinado el citado rigidizador con la capa exterior un volumen hueco de sección transversal cerrada, caracterizado porque el citado rigidizador comprende:

- un primer elemento (31) de material compuesto termoplástico que comprende una primera ala (311) , en contacto con la capa exterior (2) , y una primera alma (312) ,

- un segundo elemento (32) de material compuesto termoplástico que comprende una segunda ala (321) , en contacto con la capa exterior (2) , y una segunda alma (322) ,

-un tercer elemento (33) que comprende una cabeza (331) ,

comprendiendo cada alma (312, 322) de los primero (31) y segundo (32) elementos un borde, denominado segundo borde (314, 324) , en contacto con el tercer elemento (33) y que se extiende hacia un exterior del rigidizador.

8. Panel rigidizado de acuerdo con la reivindicación 7, en el cual el tercer elemento (33) está constituido de un 5 material compuesto termoplástico.

9. Panel rigidizado de acuerdo con una de las reivindicaciones 7 u 8, en el cual el tercer elemento (33) presenta una forma en L para la fijación de elementos exteriores al citado panel

10. Panel rigidizado de acuerdo con una de las reivindicaciones 7 u 8, en el cual el tercer elemento (33) presenta una forma en T para la fijación de elementos exteriores al citado panel.