Estructuras de materiales compuestos con rigidizadores integrados y método de fabricación de las mismas.

Una estructura de material compuesto integralmente rígida, que comprende:

una matriz de resina polimérica curada;

una porción de miembro estructural (32a) que incluye un primer refuerzo de fibra retenido en la matriz;

una porción de rigidizador (34) para rigidizar la porción de miembro estructural, incluyendo la porción de rigidizador incluye un segundo refuerzo de fibra retenido en la matriz, incluyendo la porción de rigidizador una carcasa exterior (36) y un núcleo interior (38); y

una pluralidad de refuerzos de espesor configurados para ayudar en la unión de la porción de rigidizador (34) a la porción de miembro estructural (32a), caracterizada por que los refuerzos de espesor se extienden a través de la porción de miembro estructural (32a) y en el núcleo interior (38).

Estructuras de materiales compuestos con rigidizadores integrados y método de fabricación de las mismas

Campo técnico

La presente divulgación se refiere en general a estructuras de materiales compuestos, y trata más particularmente con miembros estructurales de materiales compuestos con rigidizadores integrados, y a métodos para fabricar tales miembros.

Antecedentes

A veces es necesario rigidizar estructuras de materiales compuestos, tales como las utilizadas en la industria aeroespacial, a fin de cumplir con los requisitos de resistencia y/o rigidez. Estas estructuras se pueden rigidizar mediante la adición de rigidizadores a la estructura que pueden proporcionar la estructura con resistencia y rigidez adicional. En el pasado, los rigidizadores individuales se han fijado a miembros estructurales primarios utilizando cualquiera de los diversos procesos de montaje secundarios, incluyendo pero sin limitarse a la utilización de elementos de sujeción discretos, unión, co-unión y co-curado. Cada uno de estos procesos puede tener desventajas, tales como, sin limitación, el tiempo y mano de obra adicional para completar el proceso de montaje y/o la necesidad de bienes de capital relativamente costosos tales como autoclaves utilizados para co-curar partes. Adicionalmente, en algunos casos, los rigidizadores pueden comprender múltiples partes que pueden añadir peso indeseable y/o número de piezas a un vehículo y/o aumentar el tiempo y el trabajo necesarios para completar el proceso de montaje.

Por consiguiente, existe la necesidad de un método simple y rentable para fabricar estructuras de materiales compuestos rígidas en la que los rigidizadores se integran en los miembros estructurales para formar una estructura unificada. También existe la necesidad de un método de fabricación de estructuras de materiales compuestos rígidas que reduce la necesidad de costosos bienes de capital y que puede ser al menos parcialmente automatizado para su uso en entornos de producción más altos.

El documento US 2009 057487 desvela las características de los respectivos preámbulos de las reivindicaciones 1 y 12. El mismo divulga una estructura de material compuesto que incluye una primera tela y una segunda tela. Un primer miembro sustancialmente alargado y sustancialmente rígido se separa de y se acopla con la primera tela a través de la segunda tela. Una resina se inyecta sustancialmente en la primera tela y en la segunda tela, y encapsula sustancialmente el primer miembro para formar una estructura unificada.

El documento NL 1 001 725 desvela una placa de plástico autoportante con elevada capacidad de carga, por ejemplo, una placa de base para un chasis de automóvil, esta se produce mediante la colocación de una lámina de plástico estanca y estera de fibra de vidrio en un molde con escotaduras paralelas. Las piezas de relleno se colocan en las escotaduras y el conjunto se cubre después con una segunda capa de estera y una segunda lámina. La presión se reduce entre las láminas y una resina o aglutinante líquido se inyecta entre las dos. También se desvela la placa producida por el método anterior.

Sumario

De acuerdo con la presente invención se proporciona una estructura de material compuesto integralmente rígida y un método de fabricación de una estructura de material compuesto unificada, rígida como se reivindica en las reivindicaciones adjuntas.

De acuerdo con las realizaciones divulgadas, las estructuras de materiales compuestos rígidas se pueden fabricarse utilizando rigidizadores modulares capaces de conformarse, curvarse o dibujar patrones en cualquiera de los diversos perfiles tridimensionales. Los rigidizadores se pueden integrar en cualquiera de los diversos miembros estructurales de materiales compuestos, tales como una capa superficial, un panel, una banda, o una pestaña, por nombrar solo unos pocos. Los rigidizadores se pueden interconectar as para formar una red de rigidizadores que se 55 integra en un miembro de material compuesto. En algunas realizaciones, las estructuras de materiales compuestos rígidas pueden incorporar características rigidizadoras para controlar la propagación y captación de grietas, y para el fortalecimiento de áreas en un miembro que rodea una escotadura en el miembro. Los rigidizadores modulares se pueden integrar en miembros de materiales compuestos durante el proceso de fabricación mediante la co-inyección de refuerzos y preformas de fibra separados durante un proceso de inyección de resina asistido por vacío. La coinyección del refuerzo y preformas, y el curado posterior da como resultado una estructura de material compuesto unificada en la que los rigidizadores modulares se forman integralmente dentro de los miembros estructurales.

El proceso de fabricación emplea herramientas simplificadas y puede evitar la necesidad de bienes de capital relativamente costosos. El diseño modular de los rigidizadores puede hacerlos rentables en muchas aplicaciones y 65 puede proporcionar flexibilidad en la configuración y disposición de los rigidizadores. Por ejemplo, las configuraciones de celosía y disposiciones de cuadrícula de los rigidizadores se pueden emplear, en contraste con el

diseño de la disposición de rigidizadores convencionales que se puede limitar a rigidizadores rectos no conectados, paralelos y/o cónicos. La naturaleza modular de los rigidizadores puede permitir también el uso de un mayor número de rigidizadores más pequeños en una estructura que puede proporcionar ventajas de rendimiento con respecto a las estructuras rígidas anteriores que pueden utilizar un número menor de rigidizadores más grandes. El uso de los rigidizadores divulgados en estructuras de materiales compuestos puede facilitar la fácil inspección no destructiva de la estructura desde un solo lado de la estructura en comparación con las disposiciones de rigidización anteriores, que pueden requerir la inspección desde múltiples lados de la estructura.

De acuerdo con una realización divulgada, se proporciona una estructura de material compuesto integralmente rígida. La estructura comprende una porción de miembro estructural, una porción de rigidizador y una matriz de resina polimérica curada. La porción de miembro estructural que incluye un primer refuerzo de fibra retenido en la matriz. La porción de rigidizador incluye un segundo refuerzo de fibra retenido en la matriz para rigidizar la porción de miembro estructural. La porción de rigidizador incluye una carcasa exterior y un núcleo interior. La porción de miembro estructural puede ser uno de un panel, una capa superficial, una viga, una pestaña, una banda o un canal.

Las porciones estructurales y de rigidizador pueden tener curvaturas que coinciden sustancialmente. La porción de rigidizador se puede disponer en una disposición conectada o no conectada.

De acuerdo con otra realización, se proporciona un método de fabricación de una estructura de material compuesto rígida, unificad. El método comprende la formación de al menos un rebaje en una cara de una herramienta de molde que generalmente coincide con el tamaño y la ubicación de un rigidizador para rigidizar la estructura, y la colocación de una preforma de fibra en el rebaje. El método incluye además la colocación de un refuerzo de fibra de miembro estructural en la herramienta de molde que recubre la preforma de fibra, y la co-inyección de los mismos en la herramienta de molde con una resina termoestable. El refuerzo de resina inyectada y la preforma se curan a continuación.

De acuerdo con otra realización, se proporciona un método de fabricación de un panel de material compuesto rígido. El método comprende rebajar una pluralidad de preformas de fibra de rigidizador en la cara de una herramienta, y colocar un refuerzo de fibra de panel en la cara de herramienta superpuesto y en contacto con la preforma de rigidizador rebajada. El refuerzo de panel y la preforma se empaquetan al vacío en la herramienta y se co-inyectan con una resina termoestable.

De acuerdo con otra disposición, se proporciona un método de fabricación de un panel de material compuesto rígido. El método comprende rebajar una pluralidad de preformas de rigidizador de refuerzo de fibra en la cara de una herramienta de molde y colocar un refuerzo de panel de fibra en la cara de herramienta superpuesto y en contacto con las preformas de rigidizador rebajadas. El refuerzo y la preforma se empaquetan al vacío en la herramienta y un vacío se introduce en la bolsa. El refuerzo y la preforma se co-inyectan con una resina termoestable, y se curan a continuación.

De acuerdo con otra disposición adicional, se proporciona un aparato para fabricar una estructura de material compuesto que tiene... [Seguir leyendo]

1. Una estructura de material compuesto integralmente rígida, que comprende:

una matriz de resina polimérica curada; una porción de miembro estructural (32a) que incluye un primer refuerzo de fibra retenido en la matriz; una porción de rigidizador (34) para rigidizar la porción de miembro estructural, incluyendo la porción de rigidizador incluye un segundo refuerzo de fibra retenido en la matriz, incluyendo la porción de rigidizador una carcasa exterior (36) y un núcleo interior (38) ; y una pluralidad de refuerzos de espesor configurados para ayudar en la unión de la porción de rigidizador (34) a la porción de miembro estructural (32a) , caracterizada por que los refuerzos de espesor se extienden a través de la porción de miembro estructural (32a) y en el núcleo interior (38) .

2. La estructura de material compuesto rígida de la reivindicación 1, donde la matriz es sustancialmente continua y 15 homogénea a través de toda la primera y segunda porciones.

3. La estructura de material compuesto rígida de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende además:

una pluralidad de las porciones de rigidizador (34) incluyendo cada una un segundo refuerzo de fibra retenido en la matriz, donde cada una de las porciones de rigidizador incluye una carcasa exterior (36) y un núcleo interior (38) .

4. La estructura de material compuesto rígida de la reivindicación 3, donde la pluralidad de porciones de rigidizador

(34) se disponen en una cuadrícula interconectada. 25

5. La estructura de material compuesto rígida de acuerdo con la reivindicación 4, que comprende además:

una pluralidad de nodos (104) que conectan las porciones de rigidizador (34) en la cuadrícula; y donde cada uno de los nodos incluye uno de:

un miembro de metal, un miembro de material compuesto pre-curado, y un tercer refuerzo de fibra mantenido en la matriz de resina.

6. La estructura de material compuesto rígida de acuerdo con la reivindicación 1, donde:

la porción de miembro estructural (32a) incluye una abertura en su interior, y la porción de rigidizador (34) rodea sustancialmente la abertura.

7. La estructura de material compuesto rígida de la reivindicación 1, donde el núcleo (38) incluye fibras de refuerzo que se extienden longitudinalmente a través de la porción de rigidizador (34) .

8. La estructura de material compuesto rígida de acuerdo con la reivindicación 7, donde:

el núcleo (38) incluye una carga en la que se retienen las fibras de refuerzo, y la carcasa (36) incluye al menos una capa de fibras interconectadas.

9. La estructura de material compuesto rígida de acuerdo con la reivindicación 1, donde:

la porción de miembro estructural es curva, y la porción de rigidizador está contorneada para que coincida sustancialmente con la curvatura de la porción estructural.

10. La estructura de material compuesto rígida de la reivindicación 1, donde:

la porción de rigidizador (34) que se extiende lateralmente incluye pestañas (52) que se superponen y forman integralmente con la porción de miembro estructural (32a) .

11. La estructura de material compuesto rígida de cualquier reivindicación anterior, donde los refuerzos de espesor son pasadores en Z (44) .

12. Un método de fabricación de una estructura de material compuesto rígida, unificada que comprende:

formar al menos un rebaje en una cara de una herramienta de molde que coincide generalmente con el tamaño y la ubicación de un rigidizador para rigidizar la estructura; 65 colocar una preforma de fibra, que incluye la formación de una carcasa tubular alrededor de un núcleo mediante la colocación de una o más capas de fibras interconectadas, en el rebaje;

colocar un refuerzo de fibra de miembro estructural en la cara de herramienta de molde recubriendo la preforma de fibra; co-inyectar el refuerzo de fibra y la preforma en la herramienta de molde con una resina termoestable; curar el refuerzo de fibra inyectado con resina y la preforma; y caracterizado en proporcionar refuerzos de espesor que se extienden a través del miembro de refuerzo de fibra estructural en el núcleo.

13. El método de la reivindicación 12, donde la co-inyección del refuerzo de fibra y la preforma incluye:

colocar una bolsa de vacío sobre el refuerzo de fibra y la preforma y la herramienta de molde, generar un vacío dentro de la bolsa, y utilizar el vacío en la bolsa para extraer la resina de una fuente de resina en la bolsa y en el refuerzo de fibra y en la preforma.

14. El método de la reivindicación 12, donde la formación de la carcasa tubular alrededor del núcleo se realiza antes de que la preforma se coloque en el rebaje.

15. El método de la reivindicación 14, donde la colocación de la preforma en el rebaje se realiza automáticamente por una máquina de colocación automática. 20