ITTO20130871A1 - Metodo per la realizzazione di strutture cave di rinforzo intersecanti fra loro. - Google Patents
Metodo per la realizzazione di strutture cave di rinforzo intersecanti fra loro.Info
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Description
METODO PER LA REALIZZAZIONE DI STRUTTURE CAVE DI RINFORZO INTERSECANTI FRA LORO.
La presente invenzione si riferisce ad un metodo per la realizzazione di strutture di rinforzo, ad esempio atte all’irrigidimento di un pannello o struttura, preferibilmente in campo aeronautico. Le strutture di rinforzo, secondo la presente invenzione, sono realizzate in materiale composito e sono internamente cave. Le strutture di rinforzo, secondo la presente invenzione, sono particolarmente adatte per pannelli, o aerostrutture, anch’essi realizzati in materiale composito. Il metodo secondo la presente invenzione permette di realizzare strutture incrociate fra loro, al fine di ottenere le caratteristiche di rigidità desiderate su detto pannello o aerostruttura.
I pannelli, o le strutture in generale in campo aeronautico, necessitano di elevata efficienza strutturale. La necessità di contenere i pesi e al contempo garantire elevate caratteristiche meccaniche agli stessi pannelli, o aerostrutture, nel corso del tempo, ha portato allo sviluppo e all’impiego, di materiali e configurazioni sempre più ottimizzati.
Sono noti pannelli a sandwich comprendente due laminati strati esterni sottili, realizzati in materiale composito, distanziati fra loro da un’anima di materiale leggero, quali ad esempioo strutture a nido d’ape, materiali espansi, etc..
Le aerostrutture tipicamente sono schematizzabili come un assieme di fasciami o laminati, realizzati in materiale composito. L’utilizzo di materiali compositi per la realizzazione di pannelli permette di ottenere prestazioni elevate, ed in particolar modo per rispondere ai carichi a cui sono sottoposti.
Sono altresì noti pannelli o strutture realizzati in materiale composito, senza l’utilizzo di uno strato intermedio in materiale leggero. L’irrigidimento necessario per tale tipologia di pannello o aerostruttura è ottenuto mediante rinforzi localizzati e discreti. Tali rinforzi sono realizzati in materiale composto costituito da fasciame e irrigidimenti ottenuti tramite processo di polimerizzazione, in particolare processi di co-curing o polimerizzando contemporanea, di materiale composito di tutti i componenti facenti parte del pannello o struttura. Ciò ha evidenziato forti limiti nella tecnologia disponibile per la realizzaione di tali rinforzi. I rinforzi sono normalmente disposti lungo una sola direzione longitudinale o trasversale, rispetto ad esempio ad un piano definito dal pannello o aerostruttura.
Sono noti rinforzi realizzati tramite stutture cave, in materiale composito.
I processi di fabbricazione di dette strutture cave utilizzano mandrini di laminazione. Tali mandrini sono disposti sul pannello o struttura per essere ricoperti da laminati, normalmente di carbonio, i quali determinano l‘irrigidimento di tale pannello o struttura. Successivamente al passo di polimerizzazione per l’irrigidimento della struttura cava, il mandrino deve essere rimosso.
Normalmente tali metodi di realizzazione di strutture di rinforzo cave prevedono di realizzare dette strutture cave lungo direzioni fra loro parallele.
È noto realizzare strutture cave di rinforzo o irrigidimento incrociate in cui in un primo processo di realizzazione vengono realizzate le strutture cave disposte lungo una particolare direzione e curate o polimerizzate; successivamente al primo processo vengono realizzate strutture cave poste normalmente in direzione perpendicolare alle prime e successivamente viene svolto un secondo passo di polimerizzazione in cui le strutture sono curate per l’irrigidimento delle nuove strutture cave.
Il metodo di realizzazione implementato nell’arte nota è scarsamente automatizzabile a causa dell’impossibilità di realizzare contemporaneamente strutture cave di rinforzo o irrigidimento lungo direzioni diverse fra loro, in particolare convergenti e/o intersecanti.
Dette strutture cave hanno una sezione trasversale di forma diversa in funzione della forma del mandrino.
La stessa forma del mandrino facilita o meno la possibilità di realizzare strutture cave di rinforzo o irrigidimento fra loro incrociate. È noto che l’incrocio di strutture cave di rinforzo o irrigidimento a sezione trapezoidale o a “Ω”, risultano essere difficilmente realizzabili, richiedendo un ulteriore sforzo realizzativo, ad esempio per poter laminare i punti di intersezione. Tale sforzo realizzativo si traduce in un aumento di costi di realizzazione.
Un ulteriore problema tecnico rilevabile dalle soluzioni proposte dell’arte nota riguarda la possibilità di rimuovere, ad esempio estrarre, il mandrino successivamente alla realizzazione della struttura cava ed in paericolare successivamente al passo di polimerizzazione. La realizzazione di strutture cave di rinforzo o irrigidimento a seguito di una precedente realizzazione di altre strutture cave, ad esempio sempre di rinforzo o irrigidimento, rende difficile l’estrazione del mandrino a seguito del passo di polimerizzazione.
La presente invenzione si propone di risolvere i problemi sopracitati implementando un nuovo metodo di realizzazione di strutture cave di rinforzo o irrigidimento fra loro non parallele, ad esempio intersecanti.
Un aspetto della presente invenzione riguarda un metodo di realizzazione per strutture cave di rinforzo o irrigidimento con le caratteristiche dell’allegata rivendicazione 1.
Le caratteristiche accessorie sono riportate nelle allegate rivendicazioni dipendenti.
Un ulteriore aspetto della presente invenzione riguarda un pannello su cui sono realizzate strutture di rinforzo cave secondo la rivendizaione 10.
Le caratteristiche ed i vantaggi del metodo di realizzazione di strutture cave di rinforzo o irrigidimento saranno chiare ed evidenti dalla seguente descrizione e dalle figure in allegato le quali mostrano nel dettaglio:
• le figure 1A e 1B mostrano un pannello o aerostruttura su cui possono essere realizzate strutture di rinforzo cave, in particolare la figura 1A il solo pannello in una specifica forma di realizzazione non piana ma bensì curva senza le strutture di rinforzo, mentre la figura 1B mostra il pannello di figura 1A su cui sono realizzate dette strutture di rinforzo, poste a titolo esemplificativo perpendicolarmente fra loro;
• la figura 2 mostra un dettaglio di un punto di intersezione di due strutture cave di rinforzo, poste perpendicolarmente fra loro illustrate in figura 1B;
• le figure 3A e 3B mostrano sezioni trasversali del pannello comprendente strutture cave di rinforzo, ed in particolare la figura 3A di una struttura di rinforzo cava e la figura 3B di un punto di intersezione fra due strutture cave di rinforzo;
• la figura 4 mostra una forma di realizzazione di un mandrino utilizzato nel metodo secondo la presente invenzione;
• le figure 5A e 5B mostrano in una vista dall’alto forme di realizzazione diverse di pannelli, ad esempio pannelli piani, in cui le stutture di rinforzo sono intersecanti fra loro con diversi angoli.
Con riferimento alle citate figure il metodo, per la realizzazione di una pluralità di strutture cave 3 di rinforzo per pannelli “P” o aerostrutture, comprende i seguenti passi preferibilmente consecutivi:
a) posizionare almeno un mandrino 2 sulla superficie di un pannello “P” in corrispondenza di ogni struttura cava 3 che si desidera realizzare;
b) laminare almeno uno strato in materiale composito 4 al di sopra di ognuno mandrino 2;
c) polimerizzare detto pannello “P” su cui è apposto detto almeno uno strato in composito 4;
d) rimuovere detto almeno un mandrino 2 dalla struttura cava 3;
La disposizione e/o la conformazione di detto almeno un mandrino 2 è tale per cui almeno due di dette strutture cave 3 di rinforzo sono fra loro non parallele, ad esempio convergenti, preferibilmente intersecanti.
Ai fini della presente invenzione con il termine pannello “P” si intende la struttura o un aerostruttura, ad esempio il fasciame, sottostante le strutture cave 3 oggetto della presente invenzione. Detto pannello “P” è un elemento a se stante su cui sono realizzate le strutture cave 3 secondo la presente invenzione. In figura 1A è illustrata una forma di realizzazione esemplificativa del pannello “P”.
L’intersezione di almeno due strutture cave 3 di rinforzo definisce un punto di intersezione 31.
In una forma di realizzazione esemplificativa e non limitativa, almeno due strutture cave 3 sono intersecanti perpendicolarmente fra loro, come ad esempio illustrato in figura 1B.
Nelle figure 5A e 5B sono illustrate forme di realizzazione equivalenti delle strutture cave 3 di rinforzo in cui due o più strutture 3 nel punto di intersezione 31 sono fra loro intersecanti in modo non perpendicolare fra loro. In particolare dette strutture cave 3 hanno angoli di intersezioni diversi. La scelta dell’angolo d’intersezione fra due o più strutture cave 3 è funzione delle esigenze di rinforzo e di irrigidimento necessarie per lo specifico pannello o aerostruttura “P”.
Il pannello o aerostruttura “P” comprende normalmente una superficie esterna, la quale è sostanzialmente visibile quando il pannello o aerostruttura viene posizionato ad esempio su un aeromobile o una porzione di esso; ed una superficie interna la quale non è visibile quando detto pannello o aerostruttura è posizionato ad esempio su un aeromobile o una porzione di esso. A tela pannello “P” può essere associato una pluralità di strutture cave 3 di rinforzo secondo la presente invenzione.
Il pannello o aerostruttura “P” può essere piano, come ad esempio illustrato nelle figure 5A e 5B oppure curvo, come ad esempio illustrato nelle figure 1A e 1B.
Per la realizzazione di dette strutture cave 3, fra loro intersecanti, su detto pannello “P”, il metodo secondo la presente invenzione comprende un unico passo b) di polimerizzare detto pannello “P”, per polimerizzare tutte le strutture cave 3 di rinforzo o irrigidimento, preferibilmente per tutte le strutture cave 3 poste su ogni pannello o aerostruttura “P”.
Le strutture cave 3 realizzate su un pannello “P” possono essere realizzate tramite una pluralità di mandrini 2, opportunamente disposti per la realizzazione delle strutture cave 3 fra loro intersecanti. In una forma di realizzazione alternativa le strutture cave 3 realizzate su un pannello “P” possono essere realizzate tramite un unico mandrino 2, conformato per la realizzazione di più d’una delle strutture cave 3 fra loro intersecanti. In quest’ultima forma di realizzazione il mandrino 2 è conformato per seguire più d’una struttura cava 3, ad esempio tutte le strutture cave 3, che devono essere realizzate su detto pannello o aerostruttura “P”, ad esempio su un singolo pannello o aerostruttura “P”. In figura 1B è mostrato un pannello su cui sono realizzate strutture cave 3 di rinforzo fra loro intersecanti, in particolare tre strutture cave disposte orizzontalmente e tre strutture cave disposte verticalmente, quest’ultime sono disposte perpendicolarmente a dette prime tre strutture cave. Le strutture cave 3, ad esempio illustrate nelle figure 1B, 5A e 5B possono essere realizzate tramite una pluralità di mandrini 2 o tramite un unico mandrino 2.
Il mandrino 2 determina inoltre la forma della sezione trasversale della struttura cava 3.
Le strutture cave 3 hanno una sezione trasversale definente un’apertura 30.
La sezione trasversale del mandrino 2 permette di realizzare la struttura cava 3 con un’apertura 30 della forma desiderata.
In una forma di realizzazione esemplificative e non limitativa, la sezione di detta struttura cava 3 definisce un’apertura 30 di forma trapezoidale. Per la realizzazione di strutture cave 3 con un’apertura 30 trapezoidale è utilizzato un mandrino 2, anch’esso con una sezione trasversale di forma sostanzialmente trapezoidale.
In generale la sezione della struttura cave 3 che definisce l’apertura 30 ha una forma dipendente dalla forma del mandrino utilizzato. È possibile utilizzare mandrini 2 a sezione circolare oppure a sezione poligonale.
Analizzando più nel dettaglio i passi di realizzazione della struttura cava 3, il passo a) di posizionare almeno un mandrino 2 sulla superficie di un pannello “P” consiste, appunto, nel posizionare uno o più mandrini 2 sulla superficie di un pannello “P”.
Preferibilmente, detti mandrini 2 vengono posti sulla superficie della faccia interna del pannello o aerostruttura “P”.
Il numero dei mandrini 2 utilizzati è funzione del numero è della conformazione delle strutture cave 3 che si desiderano realizzare. Ad esempio, nel caso di pannelli o aerostrutture “P” di ridotte dimensioni e/o con un numero ridotto di punti di intersezione 31, è possibile realizzare un unico mandrino 2 con la conformazione desiderata.
La posa di tale almeno un mandrino 2 sul pannello “P” avviene nel punto in cui si vuole realizzare le strutture cave 3 aventi un’apertura 30. In particolare la posa di detto almeno un mandrino 2 avviene nei punti ove si vuole avere un rinforzo strutturale del pannello o aerostruttura “P”.
Posato detto almeno un mandrino 2 nelle posizioni in cui si vuole ricavare la struttura cava 3 si passa al successivo passo b) di laminare almeno uno strato in materiale composito 4 al di sopra di ogni mandrino 2.
Lo strato di materiale composto è posato sopra il mandrino 2, a contatto anche con il pannello “P”, e laminato per ottenere una superficie il più possibile lineare.
La laminazione continua sino al raggiungimento dello spessore desiderato e/o alla copertura di tutti i mandrini 2 per la realizzazione di strutture cave 3.
Ai fini della presente descrizione, con il termine superficie lineare s’intende una superficie, anche curva, la quale non presenta corrugamenti indesiderati.
A fine laminazione si ottiene un pannello contenente dei mandrini calibrati che ne guidano le geometrie.
Posizionati uno o più strati di materiale composito 4, in modo tale da coprire detto almeno un mandrino 2, ed il pannello “P” dove si desidera ottenere un rinforzo del pannello stesso, si passa al successivo passo c) di polimerizzare detto pannello “P”.
La polimerizzazione avviene tramite un processo di curing, ad esempio di riscaldamento del pannello “P” ove è stato posto detto almeno uno strato di materiale composito 4.
Ancor più preferibilmente il passo c) di polimerizzare è realizzato tramite un processo di co-curing, preferibilmente in autoclave.
Il pannello o aerostruttura “P” è preferibilmente polimerizzata tramite un ciclo termo barico specifico della matrice del materiale composito impiegata. Tale ciclo termo barico è preferibilmente realizzato tramite l’impiego di un’autoclave, in modo tale che detto almeno uno strato di materiale composito 4 aderisca correttamente al pannello “P” ed irrigidendosi.
Eventualmente, durante tale passo c), il mandrino 2 si può dilatare, prima che il riscaldamento irrigidisca lo strato di materiale composito 4, in modo tale da ampliare la dimensione dell’apertura 30 della struttura cava 3, mantenendo comunque le dimensioni riportate nelle specifiche di realizzazione. L’eventuale espansione del mandrino 2 viene limitata dall’irrigidimento degli stessi strati di materiale composito 4 laminati, bloccando così le dimensioni delle aperture 30 delle strutture cave 3.
Vantaggiosamente è compreso un successivo passo intermedio di raffreddamento, successivo al passo c) di polimerizzare, il quale comporta il restringimento di tale mandrino 2.
Terminato il passo c) di polimerizzazione si passa al passo d) di rimuovere detto almeno un mandrino 2 dalle strutture cave 3.
In generale, il metodo secondo la presente invenzione utilizza mandrini 2 i quali sono idrosolubili. Tali mandrini idrosolubili sono in grado di non subire variazioni strutturali durante il passo di polimerizzazione. Detti mandrini 2 sono ad esempio realizzati in materiale inerte, preferibilmente in polvere con un legante idrosolubile.
In generale, indipendentemente dalle caratteristiche tecniche precedentemente citate, l’utilizzo di detto almeno un mandrino 2 in materiale idrosolubile contribuisce a consentire di implementare il metodo di realizzazione di strutture cave, ad esempio fra loro intersecanti, tramite un unico passo b) di polimerizzazione, preferibilmente per tutte le strutture cave 3 fra loro intersecanti.
Nella forma di realizzazione preferita del metodo, precedentemente al passo d) di rimuovere il mandrino 2 vi è un ulteriore passo d0) di perforare la struttura cava 3 di rinforzo. Con tale passo d0) di perforare è possibile realizzare un’apertura tale da poter rimuovere o estrarre il mandrino 2 nel caso in cui non si sia previsto un foro di uscita.
L’utilizzo di mandrini 2 idrosolubili permette di realizzare fori di diametro molto ridotto rispetto al diametro iniziale del mandrino 2. Tramite tali fori nella struttura cava 3 il mandrino disciolto può essere rimosso, ad esempio colato e/o versato in opportuni contenitori di stoccaggio.
Successivamente al passo d) di rimuovere, il metodo prevede un ulteriore passo in cui il pannello o aerostruttura “P” sia opportunamente rifilato. Successivamente al passo di rifilatura, al pannello sono apposte le guarnizioni per consentire al pannello o aerostruttura “P” di essere posizionato, ad esempio su un aeromobile.
Il presente metodo per la realizzazione di strutture cave 3 di rinforzo risulta stabile nella sua realizzazione, e risulta, inoltre, essere particolarmente semplice poiché non richiede l’utilizzo di ulteriori dispositivi rispetto al metodo implementato nell’arte nota.
Il metodo di realizzazione di strutture cave 3 fra loro intersecanti può essere implementato su qualsiasi tipologia di pannello o aerostruttura “P” di qualsiasi conformazione, sia piana sia curva, ad esempio comprendente flessi o punti di sella.
Inoltre, il metodo secondo la presente invenzione permette di ridurre i costi poiché esegue la realizzazione di tutte le strutture cave in un'unica fase, riducendo le fasi di laminazione e di polimerizzazione è eliminata la ripulitura della struttura cava 3 ed l’estrazione del mandrino..
Nel dettaglio, il metodo secondo la presente invenzione è in grado di realizzare tutte le strutture cave 3 di rinforzo su un pannello “P” eseguendo un'unica fase di laminazione b) ed un'unica fase di polimerizzazione c).
Il metodo secondo la presente invenzione può essere implementato in modo automatico, tramite sistemi automatici. Ad esempio tramite sistemi di posizionamento di detto almeno un mandrino 2 sul pannello “P”, e sistemi automatici di deposito e di laminazione di strati 4 di materiali compositi.
Il metodo è altamente automatizzabile grazie possibilità di realizzare le strutture cave 3 fra loro intersecanti in unico passo del processo, ed in particolare richiedendo un unico passo c) di polimerizzazione. Il metodo secondo la presente invenzione permette di realizzare tutte le strutture cave 3, che devono essere realizzate sul pannello o aerostruttura “P” d’interesse, in un unico processo produttivo, senza la ripetizione di passi del metodo.
L’automazione del metodo è ad esempio implementata mediante un impianto robotizzato di posizionamento automatizzato di fibre per materiali compositi denominati impianti AFP. su una culla di laminazione. Su tale culla di laminazione sono installati uno o più mandrini 2, preferibilmente idrosolubili. Detti mandrini 2 sono dedicati, aventi geometrie e consistenza tali da permettere la stesura automatizzata sopra di essi di strati di materiale composito 4. La laminazione automatica degli strati 4 prosegue sino al raggiungimento di uno spessore predeterminato e/o al completamento della copertura dei mandrini presenti.
A fine laminazione si ottiene un pannello contenente dei mandrini calibrati che ne guidano le geometrie, pronto per l’unico ciclo in autoclave.
Dopo la polimerizzazione contemporanea di tutte le strutture cave 3 comprese sul pannello o aerostruttura “P”, il pannello viene forato mediante macchina utensile e liberato dai mandrini. La liberazione dei mandrini 2, nella forma di realizzazione preferita avviene attraverso la loro soluzione.
Anche in questo caso il pannello o aerostruttura “P” è opportunamente rifilato e sono apposte le guarnizioni per consentire al pannello o aerostruttura “P” di essere posizionato, ad esempio su un aeromobile.
Inoltre, l’utilizzo di mandrini 2 idrosolubili per la realizzazione delle strutture cave 3 permette di realizzare mandrini 2 nelle conformazioni desiderate. Utilizzando i mandrini dell’arte nota, per la realizzazione di strutture cave 3 intersecanti, non sarebbero estraibili in modo semplice dalle stesse strutture cave.
Il metodo secondo la presente invenzione è particolarmente adatto per la realizzazione di strutture cave di rinforzo per pannelli per areostrutture.
Tale geometria di rinforzo integrato è impiegabile su pannelli per nacelle o pannelli di aerostrutture comunque necessitanti irrigidimenti.
Il metodo secondo la presente invenzione permette di poter realizzare pannelli irrigiditi in maniera particolarmente efficiente. In particolare la configurazione che qui viene illustrata è stata ideata per rispondere al mercato che nell’ambito aeronautico.
RIFERIMENTI NUMERICI:
Pannello P
Mandrino 2
Struttura cava 3
Apertura 30
Punto di intersezione 31
Strato in materiale composito 4
Claims (10)
- RIVENDICAZIONI: 1. Metodo di realizzazione di una pluralità di strutture cave (3) di rinforzo per pannelli (P) o aerostrutture; il metodo comprende i seguenti passi consecutivi: a) posizionare almeno un mandrino (2) sulla superficie di un pannello (P) in corrispondenza di ogni struttura cava (3) che si desidera realizzare; b) laminare almeno uno strato in materiale composito (4) al di sopra di ognuno mandrino (2); c) polimerizzare detto pannello (P) su cui è apposto detto almeno uno strato in composito (4); d) rimuovere detto almeno un mandrino (2) dalle strutture cave (3); caratterizzato dal fatto che: • almeno due di dette strutture cave (3) di rinforzo sono fra loro intersecanti; e dal fatto che • è compreso un unico passo b) di polimerizzare per tutte le strutture cave(3) di rinforzo.
- 2. Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui è compreso un unico mandrino (2) conformato per la realizzazione delle strutture cave (3) fra loro intersecanti.
- 3. Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui tali mandrini (2) sono idrosolubili.
- 4. Metodo secondo la rivendicazione 1 o 3, in cui precedentemente al passo d) di rimuovere il mandrino (2) vi è un passo d0) di perforare la struttura cava(3) di rinforzo.
- 5. Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui è compresa un’unica fase di laminazione b).
- 6. Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui il metodo è implementato in modo automatico tramite sistemi automatici.
- 7. Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui il passo di polimerizzazione è realizzato tramite processo di co-curing in autoclave.
- 8. Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui le strutture cave (3) hanno sezione trasversale definente un’apertura (30) di forma dipendente dalla forma del mandrino (2) utilizzato.
- 9. Metodo secondo la rivendicazione 4, in cui è compreso un successivo passo intermedio di raffreddamento, successivo al passo c) di polimerizzare, il quale comporta il restringimento di tale mandrino (2).
- 10. Pannello o aerostruttura (P) comprendente: -una superficie esterna, visibile quando il pannello o aerostruttura viene posizionato ad esempio su un aeromobile; ed -una superficie interna la quale non è visibile quando detto pannello o aerostruttura è posizionato ad esempio su un aeromobile; a tela pannello (P) sono associate una pluralità di strutture cave (3) di rinforzo realizzate secondo il metodo delle rivendicazioni 1-9.
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