Procedimiento y útil de moldeo para fabricar con microondas piezas estructurales de material compuesto reforzado con fibras.

Procedimiento para fabricar una pieza estructural (1) que presenta al menos una capa (2) con un material compuesto (4) reforzado con fibras,

cuyo procedimiento comprende al menos los pasos siguientes:

a) disposición de la al menos una capa (2) de material compuesto polimerizable (4), reforzado con fibras, con una configuración (5), presentando la configuración (5) una superficie de base (6) y una pluralidad de resaltos (7);

b) posicionamiento de al menos un útil de moldeo (8) en contacto con al menos un resalto (7), estando realizado el útil de moldeo (8) con un material (10) sensible a las microondas en al menos una superficie de contacto (9) orientada hacia el al menos un resalto (7);

c) polimerización del al menos un resalto (7) por irradiación del al menos un útil de moldeo (8) con microondas (3), caracterizado porque el útil de moldeo (8) tiene por fuera de la superficie de contacto (9) al menos una zona que está realizada con material (13) transparente a las microondas.

Procedimiento y útil de moldeo para fabricar con microondas piezas estructurales de material compuesto reforzado con fibras.

La presente invención concierne a un procedimiento para fabricar una pieza estructural que presenta al menos una capa con material compuesto reforzado con fibras, así como a un útil para tal procedimiento. La invención encuentra aplicación especialmente en la fabricación de piezas estructurales de un fuselaje y/o una superficie aerodinámica relativamente grande un avión.

En vista de las aspiraciones a proporcionar en el futuro aviones ecológicamente adaptados y baratos en su fabricación y en su funcionamiento y, no obstante, satisfacer las más estrictas disposiciones de seguridad, se buscan cada vez más posibilidades para fabricar las estructuras primarias esenciales (por ejemplo, alas, componentes del fuselaje, carcasas de los grupos de propulsión, etc.) ya no en aluminio, sino con un material compuesto reforzado con fibras. Con esta técnica de construcción ligera se puede reducir netamente en particular el peso de los aviones. En la fabricación de tales estructuras primarias esenciales hay que tener en cuenta que éstas adoptan dimensiones considerables, y así, por ejemplo, los alerones de aterrizaje son piezas estructurales que se extienden a lo largo de varios metros. Además, estas piezas estructurales están expuestas a altas cargas durante su funcionamiento y, por tanto, representan piezas estructurales críticas para la seguridad en las que tienen que respetarse requisitos de calidad especiales.

Tales materiales compuestos reforzados con fibras comprenden en general dos componentes esenciales, a saber, por un lado, la fibra y, por otro, una matriz polímera que rodea a la fibra. La matriz abraza a las fibras y se endurece por medio de un tratamiento térmico (polimerización) , con lo que se produce una reticulación tridimensional. Con esta polimerización se consigue que las fibras estén sólidamente unidas una con otra y se puedan introducir así fuerzas en las fibras, en concreto predominantemente a través de tensiones de cizalladura. Como fibras, aparte de las fibras de carbón, entran eventualmente también en consideración las fibras de vidrio. Las fibras de carbón, que hoy en día siguen siendo relativamente caras, consisten regularmente en al menos 90% en peso de carbono. El diámetro de las fibras es, por ejemplo, de 4, 5 a 8 m (micrómetros) . Las propiedades de tales fibras de carbón son anisótropas. En contraste con esto, las fibras de vidrio poseen una estructura amoría y propiedades isótropas. Consisten predominantemente en óxido de silicio, pudiendo estar agregados eventualmente otros óxidos. Mientras que las fibras de vidrio son relativamente favorables, las fibras de carbón se caracterizan por su alta resistencia y rigidez.

Precisamente en la construcción de aviones se aplica la llamada técnica prepreg (preimpregnacion) . En esta tecnología se empapan en resinas artificiales, por ejemplo, unas telas preimpregnadas u otras formas fibrosas (preformas) y se tratan éstas térmicamente tan sólo hasta una ligera consolidación (gelificación) , con lo que estos materiales pueden ser manipulados capa a capa. Este material preimpregnado se adhiere un poco y, por tanto, se puede disponer bien en útiles de moldeo correspondientes o a la manera de capas superpuestas hasta que se obtenga la forma deseada de la pieza estructural. Cuando están dispuestas las capas deseadas del material preimpregnado, se las puede endurecer (térmicamente) . Para endurecer estas piezas estructurales de material preimpregnado se utilizan hoy en día los llamados autoclaves, es decir, hornos que tienen que calentarse eventualmente con sobrepresión (hasta 10 bares) durante muchas horas para conseguir un endurecimiento completo de las piezas estructurales.

Además, se conoce por el documento DE 10 2005 050 528 A1 un autoclave de microondas con el que se propone la fabricación de piezas estructurales compuestas de fibras por medio de una radiación de microondas. El dispositivo allí propuesto permite integrar una radiación de microondas en el recinto de presión del autoclave. Cuando se activa directamente con microondas el material preimpregnado adecuado para este procedimiento, se obtiene la ventaja de que no es necesario calentar el aire contenido en al autoclave ni el gas protector contenido en el mismo, los cuales, debido al tamaño de las piezas estructurales, se presentan con un volumen considerable. Mediante el empleo de la tecnología de microondas se puede calentar directamente el propio material preimpregnado que se debe endurecer y, por consiguiente, la zona ambiente restante se mantiene relativamente fría.

Asimismo, el resonador de microondas descrito en el documento DE 103 29 411 A1 es adecuado para realizar el tratamiento térmico. Este resonador de microondas se hace funcionar generalmente sin sobrepresión. Sin embargo, puede ser integrado en una caldera de presión (autoclave) .

El documento JP-A-02006107 revela las características de los preámbulos de las reivindicaciones 1 y 5.

Cuando se calienta un material con microondas, se pueden utilizar los siguientes mecanismos operativos: un calentamiento dieléctrico y un calentamiento óhmico. Si en el material están presentes dipolos (libremente) móviles (es decir, moléculas con una distribución de carga irregular) , estos son inducidos entonces a vibrar con alta frecuencia en un campo electromagnético generado por las microondas. Esta energía cinética de los dipolos es convertida después por rozamiento interno en calor que se produce directamente en el material (calentamiento dieléctrico) . Además, es posible también que se produzcan corrientes parásitas por inducción, con lo que la resistencia eléctrica del material origina finalmente un aumento de temperatura (calentamiento óhmico) . Por tanto, el material puede calentarse, por ejemplo, a temperaturas por encima de 130ºC, por encima de 160ºC o incluso también por encima de 200ºC. Este nivel de temperatura hace posible que se inicie la polimerización o endurecimiento en los materiales preimpregnados.

En primer plano están ahora aquí especialmente componentes de aviones que tienen una superficie de base relativamente grande y unos resaltos que se alzan desde ella. Estos resaltos son, por ejemplo, nervios a manera de costillas que deberán contribuir especialmente a aumentar la rigidez del componente (montado) . Tales resaltos tienen, por ejemplo, una longitud de aproximadamente 11 m (metros) , un espesor del material en el intervalo de 2, 5 mm a 4 mm (milímetros) y una altura - con la que se proyectan más allá de la superficie de base - de al menos 25 mm (milímetros) .

En la fabricación de tales componentes por endurecimiento mediante radiación de microondas es importante que se garantice en los materiales una reticulación uniforme y suficiente. Es necesario para ello que esta configuración "angulada" del componente pueda ser correspondientemente tratada con una microrradiación y/o que se consiga una distribución homogénea de la temperatura en la pieza estructural. Además, hay que tener en cuenta que los materiales preimpregnados aquí utilizados no tienen de por sí regularmente rigidez de forma, es decir que tienen que ser fijados con útiles de retención y/o moldeo correspondientes en la posición deseada durante la radiación con microondas. Se acrecienta así aún más el problema anteriormente comentado.

Partiendo de esto, el cometido de la presente invención consiste en resolver al menos parcialmente los problemas expuestos con referencia al estado de la técnica. En particular, se pretende indicar un procedimiento con el que se puedan producir las piezas estructurales anteriormente descritas de una manera sencilla y mediante un proceso seguro con un alto grado deseado de reticulación uniforme del material compuesto reforzado con fibras. Además, se pretende indicar un útil de moldeo que garantice especialmente el proceso de endurecimiento uniforme en el marco del tratamiento con microondas.

Estos problemas se resuelven con un procedimiento según las características de la reivindicación 1 y con un útil de moldeo según las características de la reivindicación 5. Otras variantes de realización y campos de aplicación preferidos de la invención se indican en las respectivas reivindicaciones formuladas en forma subordinada. Cabe consignar que las características listadas individualmente en las reivindicaciones pueden combinarse unas con otras de cualquier manera tecnológicamente pertinente y pueden mostrar otras ejecuciones de la invención. La descripción,... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento para fabricar una pieza estructural (1) que presenta al menos una capa (2) con un material compuesto (4) reforzado con fibras, cuyo procedimiento comprende al menos los pasos siguientes:

a) disposición de la al menos una capa (2) de material compuesto polimerizable (4) , reforzado con fibras, con una configuración (5) , presentando la configuración (5) una superficie de base (6) y una pluralidad de resaltos (7) ;

b) posicionamiento de al menos un útil de moldeo (8) en contacto con al menos un resalto (7) , estando realizado el útil de moldeo (8) con un material (10) sensible a las microondas en al menos una superficie de contacto (9) orientada hacia el al menos un resalto (7) ;

c) polimerización del al menos un resalto (7) por irradiación del al menos un útil de moldeo (8) con microondas (3) , caracterizado porque el útil de moldeo (8) tiene por fuera de la superficie de contacto (9) al menos una zona que está realizada con material (13) transparente a las microondas.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que se posiciona en el paso b) el al menos un útil de moldeo (8) en contacto con dos resaltos contiguos (7) .

3. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2, en el que se fija en el paso b) la pluralidad de resaltos (7) por medio de una pluralidad de útiles de moldeo (8) cooperantes uno con otro.

4. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que, como paso d) , se retira el al menos un útil de moldeo (8) .

5. Útil de moldeo (8) para fabricar una pieza estructural (1) que presenta al menos una capa (2) con un material compuesto (4) reforzado con fibras, con un molde tridimensional (11) , teniendo el útil de moldeo (8) una superficie de contacto (9) para la pieza estructural (1) y estando formada al menos la superficie de contacto (9) con un material

(10) sensible a las microondas, caracterizado porque el útil de moldeo (8) tiene por fuera de la superficie de contacto (9) al menos una zona (12) que está formada con material (13) transparente a las microondas.

6. Útil de moldeo (8) según la reivindicación 5, en el que el útil de moldeo (8) tiene una superficie de contacto (9) para la pieza estructural (1) y una superficie exterior (18) opuesta a la superficie de contacto (9) , y cerca de la superficie exterior (18) están previstos unos medios de aislamiento térmico (19) .

7. Útil de moldeo (8) según cualquiera de las reivindicaciones 5 ó 6, en el que el útil de moldeo (8) tiene al menos una cavidad (20) .

8. Útil de moldeo (8) según cualquiera de las reivindicaciones 5 a 7, en el que el útil de moldeo (8) puede ser unido al menos parcialmente con un sistema de refrigeración activo (21) .

9. Útil de moldeo (8) según cualquiera de las reivindicaciones 5 a 8, en el que el útil de moldeo (8) está realizado con al menos una estructura expuesta (22) de introducción de microondas que coopera con la superficie de contacto (9) de material (10) sensible a las microondas.