Procedimiento de refuerzo local de un panel compuesto con refuerzo de fibras y panel obtenido mediante dicho procedimiento.

Panel (100) estructural compuesto estratificado con refuerzo de fibras que consta de:

a. una piel (101, 531) de un espesor e1, constituida por una pila de pliegues de fibra en una matriz constituida por un polímero;

b. un refuerzo (102, 522) localizado, o parche, unido a la superficie de dicha piel (101, 531) y que se eleva un espesor e2 según una dirección localmente normal sobre la piel, constituido por una pila de pliegues de fibra en una matriz constituida por un polímero;

c. en el cual la superficie de los pliegues que constituye dicho parche es decreciente desde el pliegue del parche (102) en contacto con la piel (101), caracterizado porque el polímero que constituye la matriz de la piel y el polímero que constituye la matriz del refuerzo son polímeros termoplásticos y que los bordes (212) de dicho parche (102) están inclinados por una pendiente p superior a 0,5, y la unión del parche (102) con la piel (101) consiste en una soldadura.

PROCEDIMIENTO DE REFUERZO LOCAL DE UN PANEL COMPUESTO CON REFUERZO DE FIBRAS Y PANEL OBTENIDO MEDIANTE DICHO PROCEDIMIENTO

La Invención se refiere a un procedimiento de refuerzo local de un panel compuesto con refuerzo de fibras y a un panel obtenido mediante dicho procedimiento. Su aplicación principal, aunque no es la única, se encuentra en la Industria aeronáutica para la fabricación de los paneles de estructura presentes en las zonas que necesitan dicho refuerzo local, bien sea porque necesiten un aumento de la resistencia mecánica o de rigidez.

La optimización de las estructuras estudiadas necesita adaptar la sección local de dichas estructuras a la intensidad del flujo de fuerzas que las atraviesa. Así, en el caso de una estructura metálica, que constituye principalmente un panel de fuselaje, una nervadura o un travesaño en la estructura de una aeronave, dichas adaptaciones son obtenidas por eliminación de materia, para aprovechar las zonas más espesas y más rígidas capaces de trasmitir flujos de fuerzas más elevados en las zonas en las que se necesita una rigidez o una resistencia mecánica mayores. Para las variaciones de sección, se crean concentraciones de tensiones, llamadas geométricas, unidas a la discontinuidad de rigidez entre las zonas más espesas y las zonas más finas. Estas discontinuidades geométricas son por tanto lugares propicios a la aparición de fisuras por fatiga. Este fenómeno se tiene en cuenta con un coeficiente de concentración de tensión, o Kt, que es tanto más elevado cuanto más corta es la distancia a la que se efectúa la variación de sección.

En caso de que este mismo tipo de pieza esté constituida por un material compuesto estratificado con refuerzo de fibras, dicha pieza no se obtiene por eliminación de materia, sino por la superposición de varias capas de fibra, o pliegues. Si se prefiere el refuerzo local de dicha pieza por aumento de su espesor, este se realiza por la adición local de pliegues o «parches» sobre la zona que se va a reforzar. Del mismo modo que para las piezas metálicas, la diferencia de rigidez entre la sección corriente y la sección reforzada conduce a concentraciones de tensiones geométricas al nivel de la variación de sección. Si los materiales compuestos solo tienen unos pocos mecanismos capaces de acomodar la propagación de una fisura, estos coeficientes pueden incluso, con un equivalente geométrico, tomar valores ligeramente más elevados que los de los materiales metálicos. Pero además, en el caso de un parche constituido por una pila de pliegues, existe un modo de degradación crítica, en el que el sobreespesor correspondiente a dicho parche está cizallado a la interfaz del parche con el resto de la pieza. Este fenómeno, también llamado «pelado», es tanto más probable cuando dicha interfaz tenga fallos tales como porosidades o, más comúnmente, fallos de cohesión. Además, con el fin de oponerse a estos efectos no deseables, los parches se realizan soltando los pliegues muy progresivos que conducen a pendientes de empalme entre la superficie de la pieza y el sobreespesor. Estas pendientes suelen variar entre ,2 y ,5. Así, una variación de espesor de 1 mm se efectúa a una distancia comprendida entre 2 mm y 5 mm para que el parche se extienda sobre una superficie larga y el refuerzo no esté muy localizado, geométricamente hablando. Además, dichos parches a menudo están recubiertos de un pliegue que se extiende entre la piel y el vértice de dicho parche. Alternativamente, si son necesarias pendientes más elevadas, la técnica anterior dice que hay que añadir elementos de fijación tipo remaches atravesando el parche y la piel. El documento FR-A-293367 describe así diferentes soluciones de refuerzo localizado de un panel constituido por un material compuesto estratificado. Estas soluciones de la técnica anterior, compatibles con la fabricación de paneles por cobertura, tienen desventajas en lo referente a la masa. Aunque estas soluciones de la técnica anterior habían sido desarrolladas en un principio para los materiales compuestos de matriz termoestable, estas mismas soluciones se reproducen para los materiales compuestos de matriz termoplástica, y los fenómenos que se indican con anterioridad se atribuyen principalmente a la naturaleza estratificada del material.

El documento WO 1 5868 describe, según el preámbulo de la reivindicación 1, un panel estructural que comprende parches de refuerzo, y su procedimiento de fabricación, y tanto el panel como el parche están constituidos por un compuesto de refuerzo de fibras en una resina termoestable.

La invención pretende resolver los inconvenientes de la técnica anterior y propone para ello un panel estructural compuesto estratificado con refuerzo de fibras según la reivindicación 1.

Así, sorprendentemente, dicho parche, aparte de la concentración geométrica de tensiones, inevitable, no es sensible en absoluto, o casi nada, al modo crítico de daño por pelado, y la carga del conjunto de pliegues puede obtenerse con pendientes de empalme bastante más elevadas de lo que es posible obtener en los parches puestos en práctica de estratificaciones de fibras de matriz termoestable. Sin estar ligadas por una teoría de este tipo, se supone que la constitución termoplástica de la matriz permite, por una parte, obtener una unión del parche por soldadura que presenta un riesgo mucho menor de presencia de fallos de cohesión y que, por otra parte, la ausencia de reticulación permite deformaciones por ruptura bastante más importantes para las termoplástlcas que para las termoestables, por lo que una resistencia elevada a la fatiga de estos polímeros permite explicar al menos parcialmente este resultado.

En todo este documento, el término «panel» designa una estructura de fuselaje plano o de forma que el espesor es inferior a una milésima parte de la más pequeña de sus dimensiones de superficie. Un refuerzo localizado o parche se extiende sobre una superficie inferior o igual a un cuarto de la superficie de dicho panel.

La invención también se refiere a un procedimiento para la fabricación de dicho panel según la reivindicación 4.

Según la forma de realización, la piel también entra en contacto en estado no consolidado con los parches, e incluso puede estar cubierta sobre un utillaje en el que ya se han colocado uno o más parches o, de forma alternativa, la piel puede estar preconsolidada a su ensamblaje con los parches. Sea cual sea la forma de realización, el procedimiento objeto de la invención permite obtener una correspondencia geométrica perfecta entre el parche y la piel aunque dicha piel sea compleja.

La invención puede ponerse en práctica según las formas de realización que resulten ventajosas, expuestas a continuación, que pueden tenerse en consideración por separado o según cualquier combinación técnicamente operativa.

Según una forma de realización, sobre todo adaptada a las aplicaciones aeronáuticas, el polímero que constituye la matriz de la piel y el polímero que constituye la matriz del parche se eligen entre un grupo que comprende la poliéter éter cetona (PEEK), los polímeros semiconductores (PPS), la poliéter cetona cetona (PEKK) y la polieterimida (PEI). Estos materiales, compatibles con la puesta en práctica del procedimiento objeto de la invención, presentan características mecánicas claramente resistentes a los impactos y capacidades de resistencia al fuego y al humo compatibles con las aplicaciones aeronáuticas.

Según una forma de realización ventajosa, el panel objeto de la invención comprende parches en las dos caras opuestas de la piel. Dichos parches están añadidos a la piel y no revestidos con esta, y el panel que presenta esta característica puede estar coconsolidado con dichos parches en una sola operación y, por tanto, puede fabricarse según un procedimiento particularmente productivo.

De forma ventajosa, el procedimiento de la invención comprende después de la etapa d) una etapa que consiste en:

g. evacuar el conjunto del parche y la piel.

Esta evacuación permite garantizar a la vez la cohesión del conjunto en un ciclo de coconsolidación y la aplicación de la presión necesaria para el ajuste conjunto del parche y la piel.

Según una determinada forma de realización, el procedimiento objeto de la invención comprende entre las etapas c) y d) una etapa que consiste en:

h. consolidar la piel.

Este procedimiento de puesta en práctica es bastante económico y flexible, ya que permite, según una primera forma de realización, constituir independientemente los parches y las pieles y ensamblarlas según sea necesario. Estos dos elementos pueden fabricarse de forma ventajosa a partir de placas preconsolidadas, fáciles de... [Seguir leyendo]

1. Panel (1) estructural compuesto estratificado con refuerzo de fibras que consta de:

a. una piel (11, 531) de un espesor e1, constituida por una pila de pliegues de fibra en una matriz constituida por un polímero;

b. un refuerzo (12, 522) localizado, o parche, unido a la superficie de dicha piel (11, 531) y que se eleva un espesor e2 según una dirección localmente normal sobre la piel, constituido por una pila de pliegues de fibra en una matriz constituida por un polímero;

c. en el cual la superficie de los pliegues que constituye dicho parche es decreciente desde el pliegue del parche (12) en contacto con la piel (11), caracterizado porque el polímero que constituye la matriz de la piel y el polímero que constituye la matriz del refuerzo son polímeros termoplásticos y que los bordes (212) de dicho parche (12) están inclinados por una pendiente p superior a ,5, y la unión del parche (12) con la piel (11) consiste en una soldadura.

2. Panel según la reivindicación 1, caracterizado porque el polímero que constituye la matriz de la piel (11) y el polímero que constituye la matriz del parche (12) se eligen a partir de un grupo que comprende la poliéter éter cetona, los polímeros semiconductores, la poliéter cetona cetona y la polieterimida.

3. Panel según la reivindicación 1, caracterizado porque comprende parches (12) en las dos caras opuestas de la piel (11).

4. Procedimiento para la realización de un panel según la reivindicación 1, que consta de las siguientes etapas, que consisten en:

a. realizar (51) un boceto (512) de parche por cobertura y consolidación de una pila de pliegues impregnados de un polímero termoplástico;

b. encuadrar (52) dicho boceto (512) consolidado para realizar el contorno y una pendiente superior a ,5 en los bordes del parche (522);

c. realizar (53) una piel (531) por cobertura de pliegues de fibra preimpregnados de un polímero

termoplástico;

d. colocar el parche (522) en contacto con la piel (531) en el emplazamiento previsto;

e. llevar el conjunto de parche (522) y piel (531) a una temperatura al menos igual a la temperatura de fusión del polímero termoplástico que constituye la matriz del parche o la matriz de la piel para fijar el parche a la piel;

f. coconsolidar (54) el conjunto de parche y piel.

5. Procedimiento según la reivindicación 4, caracterizado porque comprende, después de la etapa d) una etapa que consiste en:

g. evacuar el conjunto del parche y la piel.

6. Procedimiento según la reivindicación 5, caracterizado porque comprende, entre las etapas c) y d) una etapa que consiste en:

h. consolidar la piel.

7. Procedimiento según la reivindicación 6, caracterizado porque comprende, entre las etapas e) y f) una etapa que consiste en:

i. conformar de forma conjunta las formas del parche y de la piel.

8. Procedimiento para la realización de un panel según la reivindicación 3, caracterizado porque comprende las etapas que consisten en:

a. realizar un primer boceto consolidado que integre los parches en una primera cara de la piel por un procedimiento según la reivindicación 4;

b. integrar (56) los parches en la cara opuesta a la primera cara de la piel del primer boceto por un procedimiento según la reivindicación 7.