IT9022466A1 - Utensile di stampo incrociato per consolidare materiali composti - Google Patents

Description

DESCRIZIONE dell’invenzione industriale

Questa invenzione riguarda la fabbricazione di materiali compositi e, più particolarmente, il consolidamento di pezzi curvi di tali materiali.

Materiali compositi sono materiali ibridi formati incorporando fibre, baffi o particelle di rinforzo in una matrice che sostiene e protegge il rinforzo. Una varietà di rinforzi sono disponibili e fibre di carbone, di grafite, di vetro e di Kevlar in particolare incontrano un largo uso in applicazioni aerospaziali e altre. Sono disponibili matrici metalliche e non metalliche e sostanze non metalliche come resine epossidiche e polimmidi sono largamente usate per applicazioni dove la parte non è esposta ad alte temperature. Quindi, per esempio, un materiale composito potrebbe consistere del 60% in volume di fibre di grafite in una matrice vulcanizzabile di resina epossidica.

In una soluzione comune per la preparazione di tali materiali, un fabbricante del materiale composto prepara una "preformato'' che è una matrice parzialmente polimerizzata avente la corretta quantità di rinforzo incorporata nella medesima. Il rinforzo è comunemente nella forma di una disposizione unidirezionale o di un tessuto multidirezionale. Il preformato è fornito in forme standard, per esempio un nastro spesso 0,127 mm (0,005 pollici) e largo 152 mm (6 pollici) avente un sostegno che consente la sua manipolazione, o un tessuto che è spesso 0,33 mm (0,013 pollici). Il preformato è fornito al fabbricante di parti, che quindi sagoma un numero dì strati del preformato nelle forme e negli spessori opportuni, come richiesti da un progetto. Il preformato è la materia prima che viene usata dal fabbricante di componenti per formare la parte stratificata. Dopo che i' nastri preformati o pezzi di tessuto sono disposti nell'opportuna disposizione accatastata, gli strati accatastati devono essere consolidati per rimuovere la porosità e i vuoti che risultano inevitabilmente dal processo di formazione e completare la polimerizzazione della matrice. La consolidazione è normalmente eseguita ad alta temperatura e con l’applicazione di pressione esterna alla parte, di modo che la porosità e i vuoti siano chiusi prima che la matrice polimerizzi.

Quando la parte è, per esempio, un foglio piano, un pezzo di utensile rigido è piazzato contro un lato del foglio e una membrana flessibile a pressione, come una sacca a vuoto in polimmide per alta temperatura e a tenuta di gas, è posta contro l'altro lato. Viene applicata una pressione alla membrana di pressione, sia con pressione positiva di fluido (liquido o gas) verso l'esterno della membrana, come per esempio una pressione di circa 1,38 MPa (200 libbre al pollice quadrato) o con un vuoto applicato allo spazio fra la membrana e il materiale composito, in modo che la pressione atmosferica esterna fornisca la temperatura di consolidazione. Entrambe la consolidazione per pressione positiva e per vuoto sono spesso usate assieme per i migliori risultati.

Tali tecniche esistenti lavorano bene quando il pezzo o corpo è piano o ha una curvatura semplice. Tuttavia, si è osservato che, quando i corpi curvi complessamente sono fatti mediante questa soluzione di consolidamento, ci possono essere delle irregolarità come ponti e pieghe sulla superficie affacciata verso la concavità della parte composita, che possono portare a robustezza ridotta e a rottura prematura del materiale composito in quella regione.

C'è una necessità di una migliorata soluzione al consolidamento di materiali compositi prelavorati in corpi finali polimerizzati, particolarmente dove i corpi hanno curvatura complessa. La presente invenzione soddisfa questa necessità e fornisce inoltre i vantaggi relativi.

La presente invenzione fornisce un processo e un apparato per consolidare corpi o parti composti che sono curvi in modo complesso o per altre ragioni tendono a formare irregolarità durante le operazioni di consolidamento e polimerizzazione. La soluzione è coerente con la tecnologia esistente, in quanto implica attrezzi rigidi, membrane a pressione e l’applicazione di pressione alle membrane per eseguire consolidamento del corpo materiale composto. Tuttavia, l’utensile e la membrana a pressione sono disposti in modo innovativo per minimizzare l’introduzione di difetti nel corpo materiale composto.

Secondo la presente invenzione, un processo per consolidare un corpo materiale composto avente una sagoma non piana comprende le fasi di fornire un corpo di materiale composto avente una struttura formata di strati non consolidati di fibre di rinforzo incorporate in una matrice, il corpo di materiale composito avendo un primo lato e un secondo lato opposto, la sagoma dei corpo essendo curvata complessamente in modo che in una prima regione il primo lato del materiale composito forma una faccia concava della curva e in una seconda regione il secondo lato del materiale composito forma la faccia concava della curva; piazzando un primo utensile rigido in contatto con il primo lato del materiale composito nella prima regione; piazzando un secondo utensile rigido in contatto con il secondo lato del materiale composito nella seconda regione; piazzando una prima membrana a pressione di consolidamento contro il secondo lato del materiale composito nella prima regione; piazzando una seconda membrana a pressione di consolidamento secondo il primo lato del materiale composito nella seconda regione; e appllicando una pressione alla prima menbrana a pressione di consolidamento e alla seconda membrana a pressione di consolidamento, applicando perciò una pressione al corpo composito per obbligarlo a consolidarsi.

Nella convenzionale soluzione anteriore, un utensile rìgido viene piazzato su un lato del corpo di materiale composto non consolidato e una membrana a pressione sull’altro lato, indipendentemente dalla particolare forma del corpo. Se il corpo è piano o curvato semplicemente con l'utensile sul lato concavo della curva, il processo lavora bene perchè il materiale composito è compresso entro l’utensile dalla pressione proveniente dalla membrana a pressione. La presenza dell’utensile rigido impone la forma e le dimensioni della superficie che tocca l’utensile e l’utensile impedisce la formazione di rotture negli strati superficiali nel corpo materiale composto.

D’altra parte, se la parte è curvata in modo complesso, il che come qui usato significa che la superficie concava del corpo composito è talvolta su un primo lato del materiale composito e talvolta sul secondo lato, allora il piazzamento dell’utensile rigido solo su un lato porta a qualità disuguali. In quelle regioni dove il lato di faccia concava del corpo composito è contro l’utensile rigido, la qualità di quella regione sarà normalmente accettabile. Tuttavia, per quelle regioni in cui la faccia concava del corpo composito è sul lato opposto all’utensile rigido (cioè la faccia convessa del corpo composto è sul lato in contatto con l’utensile rigido), la faccia concava è in contatto e sostenuta solo dalla membrana a pressione flessibile, che di solito è insufficiente ad impedire che si formano difetti, particolarmente in corrispondenza di bordi netti aventi piccoli raggi di curvatura.

Nella presente soluzione, l’utensile rigido è piazzato sul lato dove la sua presenza è necessaria per limitare correttamente il corpo e impedire l'introduzione di difetti. Per una parte curva in modo complesso, l’utensile è piazzato sul lato di faccia concava del corpo composito, quale che sia il lato in un particolare caso. L'utensile è più complesso come risultato, ma la probabilità di produrre una parte avente sempre buone iqualità è significativamente aumentata. Quindi, corpi materiali composti di forma complessa o parti fatte mediante questa soluzione non sono altrimenti disponibili.

Più generalmente, ma ancora secondo l’invenzione, un processo per consolidare un corpo di materiale composito comprende le fasi di fornire un corpo di materiale composito avente una struttura formata di strati non consolidati di fibre di rinforzo incorporate in una matrice, il corpo avendo un primo lato e un secondo Iato opposto; piazzare un primo utensile rigido contro il primo lato del materiale composito in una prima regione; piazzare un secondo utensile rigido contro il secondo lato del materiale composito in una seconda regione; piazzare una prima membrana a pressione di consolidazione contro il secondo lato del materiale composito nella prima regione; piazzare una seconda membrana di consolidazione contro il primo lato del materiale composito nella seconda regione; e applicare una pressione alla prima membrana a pressione di consolidazione e alla seconda membrana a pressione di consolidazione, applicando perciò una pressione al materiale composito per obbligarlo a consolidarsi. Prima del consolidamento, il corpo non consolidato del materiale composto formato da parecchi' strati deve essere prima sgonfiato per consolidare parzialmente il corpo. Lo sgonfiamento è normalmente eseguito a temperatura ambiente in modo che la matrice del materiale composito non si polimerizzi ulteriormente. Lo sgonfiamento è eseguito in una o parecchie fasi, l'ultima nel caso dove è desiderabile posare un numero di strati, sgonfiarli, adagiare altri strati, sgonfiarli e cosi* via. La presente soluzione consente sgonfiamento in una o più fasi seguito dal consolidamento finale. Secondo questo aspetto dell'invenzione, un processo per consolidare un corpo di un materiale composito comprende le fasi di fornire un corpo di materiale composito avente una struttura formata da strati non consolidati di una matrice avente fibre rinforzanti incorporate nella medesima, il corpo avendo un primo lato e un secondo lato opposto; sgonfiare il corpo mediante le fasi di piazzare un primo attrezzo rigido di sgonfiamento contro il primo lato del corpo del materiale composito in una sua prima regione, piazzare un secondo attrezzo rigido di sgonfiamento contro il primo lato del corpo del materiale composito in una sua seconda regione, piazzare una singola membrana a pressione continua di sgonfiamento contro il secondo lato del corpo di materiale composito della sua prima e seconda regione in modo che una pressione possa essere applicata uniformemente all’intero secondo lato e applicare pressione alla membrana a pressione di sgonfiamento per obbligare . il corpo di materiale composito a consolidarsi almeno parzialmente e togliere la membrana a pressione di sgonfiamento dal secondo lato del corpo e il secondo utensile di sgonfiamento dal primo lato del corpo del materiale composito nella seconda regione; piazzare un terzo utensile rigido di sgonfiamento contro il secondo lato del corpo di materiale composito nella seconda sua regione; piazzare una prima menbrana a pressione di consolidamento contro il secondo lato del corpo del materiale composito in solo la sua prima regione; piazzare una seconda membrana a pressione di consolidamento contro il primo lato del corpo di materiale composito in solo la sua seconda regione; e applicare pressione alla prima membrana a pressione di consolidamento e alla seconda membrana a pressione di consolidamento per obbligare il corpo del materiale composito a consolidarsi ulteriormente, mentre si riscalda contemporaneamente il corpo di materiale composito. ;La presente invenzione si estende anche all’apparato, comprendente la disposizione dell’utensile e della membrana a pressione, che viene usato per consolidare il materiale composito in oggetti. Secondo questo aspetto dell’invenzione, viene realizzato un apparato per consolidare un corpo di un materiale composito non consolidato, il corpo avendo un primo lato e un secondo lato opposto, che comprende un primo utensile rigido sagomato per adattarsi al primo lato del corpo composito in una prima regione; un secondo utensile rigido sagomato per adattarsi al secondo lato del corpo composito in una seconda regione; una prima membrana a pressione di consolidamento disposta per toccare il secondo lato del corpo composito nella prima regione; una seconda membrana a pressione di consolidamento disposta per toccare il primo lato del corpo composito nella seconda regione; e mezzi per applicare una pressione alle prime e seconde membrane a pressione di consolidamento. Una variazione di questo apparato contiene utensili per eseguire sfonfiamento, che vengono rimossi e sostituiti da utensili di consolidamento dopo lo sgonfiamento. Questi utensili rigidi per sgonfiamento possono anche essere utilizzati per eseguire operazioni di consolidamento, se desiderato, o si possono utilizzare facoltativi utensili separati di consolidamento. Secondo questo aspetto dell'invenzione, l'apparato per consolidare un materiale composito avente un suo primo lato e un suo secondo lato comprende un primo utensile rigido di sgonfiamento sagomato per infilarsi contro il primo lato del corpo di materiale composito in una sua prima regione; un secondo utensile rigido di sgonfiamento sagomato per appoggiarsi contro il primo lato del corpo di materiale composito in una sua seconda regione; una membrana a pressione di sgonfiamento dimensionata per infilarsi contro il secondo lato del corpo di materiale composito in entrambi la sua prima e la sua seconda regione; un terzo utensile rigido sagomato per infilarsi contro il secondo lato del corpo del materiale composito nella sua seconda regione; una prima membrana' a pressione di consolidamento dimensionata per infilarsi contro il secondo lato del corpo del materiale composito nella sua prima regione; e una membrana a pressione di consolidamento dimensionata per infilarsi contro il primo lato del corpo del materiale composito nella sua seconda regione. ;La presente disposizione di utensile di consolidamento è stata chiamata utensile "incrociato", perchè l’utensile rigido è posizionato su un lato del corpo di alcune regioni e sull'altro lato del corpo in altre. Si deve aver cura che la forza di consolidamento sia applicata uniformemente in tutte le zone e regioni del corpo composito. Altrimenti, ci potrebbero essere regioni non consolidate che contengono vuoti e altri difetti che potrebbero provocare una rottura prematura del corpo o di parti in servizio. La presente invenzione fornisce una soluzione per consolidare corpi compositi che risulta in migliorate strutture finali, come paragonato con soluzioni anteriori. L'utensile richiesto è più complesso, ma è normalmente costruito in modo facile per forme comunemente richieste. Altre caratteristiche e pregi della presente invenzione saranno evidenti dalla seguente descrizione più dettagliata della realizzazione preferita, presa assieme con gli allegati disegni, che illustra, come esempio, i principi dell'invenzione. ;La figura 1 è un disegno prospettico di un corpo composito nella forma di un cilindro con flange estreme; ;la figura 2 è una vista laterale in sezione di parecchi strati di materiale composito accatastati assieme; ;la figura 3 è una vista laterale di un utensile convenzionale per consolidare il corpo composito di figura I; ;la figura 4 è una vista ingrandita di un dettaglio di figura 3, mostrante la struttura degli strati vicino ad un angolo risultante da consolidamento usante la soluzione anteriore; ;la figura 5 è una vita simile a figura 4, illustrante un altro tipo di difetto che può capitare ad un angolo; ;la figura 6 è una vista simile a quella di figura 4, eccetto che illustra la struttura desiderata vicino all’angolo; ;la figura 7 è una vista schematica di una superficie curva in modo complesso di un corpo composito, illustrante nomenclatura; ;la figura 8 è una vista laterale in sezione dell'apparato illustrante il deposito del materiale composito prima del consolidamento; ;la figura 9 è una vista laterale in sezione dell’apparato per consolidare il cilindro composito di figura 1, usando la soluzione di utensile incrociato; e la figura 10 è una vista laterale in sezione di un’altra parte che può essere preparata mediante la soluzione dell'invenzione. ;La figura 1 illustra una parte illustrativa 20 da fare mediante un materiale composto. La parte 20 contiene un corpo cilindrico cavo 22 e una spessa flangia 24 a ciascun estremo del corpo 22 e può essere unita agli estremi compatti simili per formare un condotto. Il corpo 20 è scelto per illustrare la soluzione dell'invenzione perchè ha una curvatura composita che non può essere facilmente fabbricata senza difetti usando soluzioni di tecnica anteriore. ;Il corpo 22 e le due flange 24 devono essere formate come un singolo corpo integrale da strati individuali di materiali compositi, come mostrato in figura 2. Un corpo 26 di materiale composito è formato accatastando singoli strati 28 di materiale preformato l’uno sull’altro. In una tipica situazione incontrata nel fabbricare tale corpo 26, ciascun strato preformato 28 è formato di una matrice di un polimero parzialmente poiimerizzato come una poliammide o una resina epossidica, in cui si incorpora la percentuale richiesta di fibre rinforzanti, come filamenti di carbonio. Le fibre rinforzanti possono essere disposte in modo essenzialmente unidirezionale e in questo caso il preformato è fornito come un nastro che è tipicamente spesso 0,127 mm (0,005 pollici) e largo 152 mm (6 pollici). Le fibre rinforzanti possono invece essere tessute e multidirezionali, in questo caso il preforamto è fornito commercialmente come un panno in tessuto che è tipicamente spesso 0,33 mm (0,013 pollici) dopo consolidamento e polimerizzazione. In tutti i casi, la matrice del preformato non è polimerizzata o solo leggermente polimerizzata. ;Corpi più spessi sono formati gradualmente accatastando i singoli strati di nastri preformati o di panno intessuto tra di loro fino a che si raggiunge lo spessore desiderato. Nell’illustrazione di figura 2, sono stati accatastati quattro strati 28 di materiale preformato, ma il processo è spesso esteso ad accatastare assieme decine di strati. ;Come illustrato schematicamente in figura 2, ci sono degli spazi vuoti 30 tra gli strati accatastati, perchè gli strati preformati 28 non sono perfettamente piani quando forniti dal fabbricante. Ancora, ci possono essere dei vuoti microscopici entro ciascun strato 28 che sono visibili sotto un microscopio ma non nella vista macroscopica di figura 2. Virtualmente tutti questi vuoti devono essere eliminati in modo da non essere presenti nella struttura finale e il processo di consolidamento chiude idealmente i vuoti macroscopici e microscopici, mentre allo stesso tempo completa la polimerizzazione del materiale di matrice dello strato. Il risultato è un robusto corpo composito che ha alta robustezza per il suo peso ed è perciò un buon candidato per l'uso in aerei e altri tipi di strutture. ;La figura 3 illustra una soluzione anteriore convenzionale per il consolidamento del materiale composito per formare il cilindro flangiato di figura 1. I singoli strati 28 sono adagiati contro un utensile di acciaio 32 cilindricamente simmetrico (visto in sezione in figura 3) che definisce la parete interna 34 del corpo cilindrico 22 e definisce anche ciascuna flangia 24 e ciascuna faccia di flangia 36. ;Una sacca a vuoto 38 è sigillata sulla superficie opposta degli strati 28 di materiale composito, cioè, sulla superficie non toccante l'utensile 32. Si applica una pressione alla superficie degli strati 28, facendo un vuoto attraverso un'apertura 40 che comunica con lo spazio tra l'utensile 32 e la sacca da vuoto 38. Una pressione atmosferica da circa 96 a 103 KPa (da 14 a 15 libbre per pollice quadrato) è perciò applicata in modo uguale alla superficie esterna della sacca a vuoto 38 e quindi contro gli strati 28. L’intero utensile e gli strati accatastati sono posti in un autoclave a pressione e riscaldati, il che consente al materiale di matrice entro gli strati di scorrere in modo che i vuoti 30 siano gradualmente ridotti di dimensioni e chiusi. Il vuoto è applicato normalmente prima del riscaldamento, in modo che i vuoti siano chiusi prima che il polimero della matrice possa polimerizzare e indurirsi, per cui si arresta ogni ulteriore chiusura dei vuoti. Usando questa soluzione, i vuoti sono chiusi e la matrice viene polimerizzata. ;Questa soluzione anteriore, tuttavia, porta all’introduzione di difetti indotti dal consolidamento agli angoli che formano una transizione tra il corpo cilindrico 22 e la flangia 24, come illustrato in figura 4 e in figura 3. I difetti 42 di figura 4 sono essenzialmente grinze nelle pieghe superficiali del materiale composito localizzato sulla superficie concava del corpo composito 26 all’angolo dove capita la transizione dal corpo cilindrico 22 alla flangia 24. Le grinze si formano perchè la sacca a vuoto 38 non è sufficièntemente rigida per confinare gli strati quando i vuoti sono collassati e lo spessore del corpo composito 26 viene ridotto. ;Un altro tipo di difetto 43, illustrato in figura 5, è chiamato "ponte". Questo si forma perchè, anche durante il consolidamento, ciascuno strato ha una lunghezza che è costante. Quando uno strato di lunghezza costante, con gli estremi fissati dall’utensile, viene spinto nell’angolo, non ha sufficiente lunghezza e non può estendersi, in modo da conformarsi all’angolo. Il risultato è un vuoto nell’angolo. I difetti 42 e 43 delle figure 4 e 5 rispettivamente sono altamente indesiderabili perchè indeboliscono il corpo 26 di materiale composito all’angolo interno dove capita transizione tra il corpo cilindrico 22 e la flangia 24 e possono portare a rotture qui quando il corpo o una sua parte è posta in servizio. ;Al contrario, la struttura desiderata è quella illustrata in figura 6, dove non ci sono tali difetti. ;11 problema della formazione dei difetti non può essere risolto semplicemente fornendo un utensile che definisca la parete esterna del corpo cilindrico 22 mentre definisce le flange 24 e una sacca a vuoto che sia sigillata sulla superficie del materiale composito opposto a quello che tocca l*utensile(cioè il diametro interno del corpo cilindrico 22 e le facce di flange 36) per la ragione mostrata in figura 7. La parte 20 ha una curvatura composita come risultato di una pluralità di centri locali di curvatura. Il corpo cilindrico 22 ha un raggio di curvatura 44 che è sull’interno della parte 20. L’angolo formante l’intersezione tra il corpo cilindrico 22 e la flangia 24 ha un altro raggio di curvatura 46 (pure mostrato nelle figure da 4 a 6) che è sull'esterno della parte 20. Se le posizioni dell’utensile e della sacca a vuoto fossero invertite rispetto alle posizioni mostrate in figura 3, il medesimo problema di difetti sarebbe incontrato sulla superficie interna del corpo cilindrico 22. Inoltre, nella particolare parte 20, il diametro interno del corpo cilindrico 22 deve essere mantenuto ad uno stretto valore di specifica e un’inversione delle posizioni dell’utensile e della sacca a vuoto non consentirebbe di mantenere quel valore.

La presente invenzione è illustrata in figura 8 e in figura 9. Si usa un procedimento a tre fasi di deposito, sgonfiamento e consolidamento. Per il deposito iniziale di strati di materiale composto, illustrato in figura 8, singoli strati 28 sono piazzati contro l’utensile che giace su un ' lato della parte.

L'utensile contiene un primo utensile rigido 47 che definisce la superficie cilindrica della parte e secondi utensili estremi rimuovibili 48 di sgonfiamento che definiscono facce di flange 36 delle flange 24 e l'angolo tra le flange 24 e la superficie cilindrica. Questa disposizione dell'utensile, con tutto l’utensile rigido sul lato della parte, facilita il piazzamento degli strati nella forma generalmente corretta per la parte 20.

Considerando ancora la figura 8 per Io sgonfiamento, una membrana a pressione 49 di sgonfiamento è piazzata sopra il lato degli strati 28 opposti all'utensile e un vuoto è aspirato attraverso un’apertura 50 verso lo spazio tra gli strati 28 e la membrana 49. La risultante pressione esterna contro gli strati 28 spinge gli strati 28 nella forma generale definita dall’utensile. L'utensile e gli strati di materiale composito possono essere leggermente riscaldati durante lo sgonfiamento per rammollire la matrice, ma non fino alla temperatura di polimerizzazione e di conseguenza poca o nessuna polimerizzazione del materiale composito capita durante lo sgonfiamento.

Lo sgonfiamento dimensiona gli strati assiemati riducendo la tendenza ad aggrinzimi nell’oggetto composito polimerizzato. Il dimensionamento consente all’utensile di consolidamento di adattarsi più facilmente al corpo. Lo sgonfiamento rimuove anche una porzione dei vuoti senza fissare il materiale composito nella sua sagoma finale polimerizzata. Tuttavia, il solo sgonfiamento non è sufficiente a rimuovere l’ultimo dei vuoti e non può produrre una parte finita.

Dopo sgonfiamento, la membrana a pressione di sgonfiamento 49 è tolta e secondi utensili rigidi 48 per sgonfiamento sono sostituiti da terzi utensili rigidi 56, uno a ciascun estremo del cilindro, come mostrato in figura 9 per un estremo del cilindro. Un primo utensile rigido 47, lungo la superficie cilindrica interna rimane nella medesima posizione per deposizione, sgonfiamento e consolidamento. Quindi, per consolidamento, l'utensile rigido è fornito come pezzi multipli, alcuni dei quali sono su un lato della parte 20 e alcuni dei quali sono sul lato opposto della parte 20. In un modo simile, la membrana a pressione di sgonfiamento è sostituita da membrane multiple a pressione che sono disposte su lati opposti rispetto ai pezzi di utensili rigidi. Più particolarmente, il primo utensile rigido 47 è disposto adiacente all'interno o alla superficie concava 34 del corpo cilindrico sopra la regione dove il raggio di curvatura 44 è su quel lato della parte 20. Una prima membrana a pressione 52 di consolidamento è disposta in modo opposto al primo utensile rigido 47, cioè adiacente ad una superficie esterna 54 di un corpo cilindrico 22. Un terzo utensile rigido 56 è disposto in modo che una sua superficie piana 57 si infila contro e definisce la superficie affacciata internamente della flangia 24 e una superficie convessa 58 di un terzo utensile rigido si infila e definisce la curvatura concava dell'angolo tra il corpo 22 e la flangia 24, dove il raggio di curvatura 46 è su quel lato della parte 20. Un utensile a ragno 59 in quattro parti fissa a posto . in modo rimovibile un terzo utensile rigido 56 al primo utensile rigido 47. Una seconda membrana 60 di consolidamento a pressione è disposta in modo opposto al terzo utensile rigido 56, cioè, sui lato degli strati adiacenti alla superficie convessa 62 di ciascun angolo di flangia. Tutte le membrane a pressione sono sigillate lungo i loro bordi con tenute a pressione 61 del tipo comunemente usato nella tecnologia dei materiali compositi. Quindi, ciascuna regione di parte 20 ha un utensile rigido su un lato e una membrana a pressione sull'altro, ma il lato su cui ciascuno si trova può essere cambiato, come necessario, di modo che l'utensile rigido sia piazzato adiacente alla superficie concava, più nettamente curvata, del materiale composito in quella regione. La posizione nella quale capita il cambiamento di utensile e di membrana da un lato all’altro è chiamata il punto di incrocio 64.

In corrispondenza del punto di incrocio 64, si preferisce che ci sia una transizione liscia dell'utensile e della membrana a pressione da un lato della parte 20 all’altro lato. La transizione liscia è facilitata da un rastremamene di utensili rigidi 47 e 56 con superfici inclinate rispettivamente 66 e 68. Queste superfici inclinate 66 e 68 consentono ad adicenti membrane a pressione di essere portate in un contatto liscio non raggrinzito con la superficie di parte 20 nel modo illustrato. Se d’altra parte, gli estremi degli utensili 47 e 56 fossero quadrati, le membrane a pressione drappeggiate sopra quegli estremi potrebbero raggrinzirsi agli angoli in modo che la pressione di consolidamento potrebbe non essere applicata uniformemente al corpo 26 di materiale composito.

La pressione di consolidamento può essere applicata aspirando un vuoto sotto ciascuna membrana a pressione 52 e 60 attraverso un’apertura di vuoto 70 che comunica con l'interno dello spazio tra ciascuna membrana a pressione e la porzione adiacente del corpo 26 di materiale composito. Si deve aver cura che ci sia una comunicazione del vuoto a ciascun tale spazio interno definito da una membrana a pressione. Quando il vuoto viene praticato attraverso l’apertura di vuoto 70, una pressione atmosferica da 96 a 103 KPa (da 14 a 15 libbre al pollice quadrato) viene applicata a ciascuna delle membrane a pressione, portando ad un consolidamento del corpo 26 contro il rispettivo utensile. Un’ulteriore soluzione, dove si richiede una maggiore pressione, è di applicare una pressione reale di gas alle superfici esterne delle membrane a pressione piazzando l’intera parte dell’utensile entro una camera pressurizzata e riscaldata chiamata autoclave. Di massima preferenza, si possono applicare vuoto e pressione esterna di gas in combinazioni prescelte o gradi differenti di vuoto e di pressione possono essere applicati in regioni differenti della parte, come si può richiedere per particolari configurazioni di parti.

Il materiale composito è normalmente riscaldato durante consolidamento, per assistere nel consolidamento rammollendo la matrice e anche per polimerizzare la matrice polimerica del materiale composito. II riscaldamento è di solito fornito mediante elementi riscaldanti nell'autoclave, alternativamente, il calore può essere fornito mediante nastri riscaldanti avvolti attorno alla parte composita e all’attrezzatura o mediante elementi riscaldanti 72 incorporati nell’utensile.

La soluzione illustrata in figura 9 evita difetti sulle superfici concave delle regioni della parte 20, paragonabili a quelli illustrati nelle figure 4 e 5. L'angolo tra il corpo cilindrico e la flangia è liscio, regolare e senza pieghe e ponti, come quello illustrato in figura 6. Inoltre, quelle superfici possono essere fatte con particolari specifiche dimensionali delle superfici concave e piane adiacenti, come è normalmente richiesto in parecchie parti.

Una parte composita del tipo mostrato in figura 1 è stata preparata usando una soluzione dell’invenzione. Il corpo cilindrico aveva un diametro interno di circa 914 mm (36 pollici) e una lunghezza di circa 381 mm (15 pollici). Lo spessore del corpo cilindrico e le flange estreme, dopo completamento della parte, è di circa 5,08 mm (0,2 pollici). II materiale composito in questo caso era formato da circa il 60% di volume di fibre di carbonio in una matrice parzialmente polimerizzata di materiale poliimmidico.

Per preparare la parte, dei pezzi di utensile di acciaio, come mostrato in figura 8, vennero tenuti a posto in una maschera e 15 strati di preformato di materiale composito vennero depositati sul'utensile. Cinque strati alla volta, separati da sgonfiamento degli strati che sono stati depositati fino a quel momento. Cioè, furono depositati i primi cinque strati, quindi sgonfiati. Vennero quindi aggiunti altri cinque strati e quindi il totale di dieci strati venne sgonfiato. Capitò uno sgonfiamento finale dopo che vennero depositati gli ultimi cinque strati. In ciascun procedimento di sgonfiamento, venne depositato il numero indicato di strati e la pellicola polimmidica di membrana di sgonfiamento venne piazzata contro il materiale composito sul lato opposto rispetto a quello dell'utensile. Una pompa a vuoto meccanica venne collegata a tubazioni per il vuoto per applicare pressione al materiale composito attraverso le membrane a pressione per circa 15 minuti, sgonfiando perciò il corpo di materiale composito. La parte di materiale composito venne riscaldata a circa 65°C (150°F) duyrante l’operazione di sgonfiamento.

Per consolidamento, gli utensili rigidi di consolidamento vennero tolti e sostituiti dal secondo gruppo di utensili rigidi. Le membrane di consolidamento di pellicola polimmidica vennero posizionate contro il materiale composito opposto all’utensile rigido e sigillate sul posto, nel modo illustrato in figura 9, prima dell’assiemaggio finale dell’utensile. (Alternativamente, si possono usare altri materiali flessibili come membrane di viton o di teflon). L’utensile e il materiale composito vennero piazzati in un’autoclave e una pompa a vuoto meccanica applicata agli spazi tra la membrana dì consolidamento e l’utensile, prima di riscaldamento in autoclave. Una pressione di autoclave di 1,38 MPa (200 libbre al pollice quadrato) venne stabilita con un’atmosfera inerte. L’utensile e il materiale composito vennero quindi riscaldati nell’autoclave ad una temperatura di 315°C (600°F) e tenuti per 180 minuti per ottenere un completo consolidamento e polimerizzazione della matrice polimmidica composita. L’utensile e il materiale composito consolidato vennero quindi raffreddati a temperatura ambiente e l’utensile rimosso. La risultante parte di materiale composito era di alta qualità e non mostrava i tipi di difetti trattati rispetto alle figure 4 e 5.

Benché descritta in relazione alla realizzazione preferita mostrata nelle figure, la soluzione della presente invenzione non è cosi’ limitata. Può essere utilizzata in una larga varietà di parti dove c’é più di una curvatura per la parte in modo che una singola disposizione di utensile rigido e di sacca a vuoto non possano essere previste per evitare i problemi precedentemente descritti. L’utensile e le membrane richieste sono più complessi nella soluzione incrociata rispetto alla soluzione convenzionale, come si può vedere paragonando le figure 8 e 3, ma la complessità addizionale consente la preparazione di una parte libera da difetti associati con la soluzione convenzionale.

Un'altra applicazione di questa tecnica è illustrata in figura 10. Si richiede che un corpo composito 80 abbia una prima superficie 82 ben definita in una prima regione e un’altra seconda superficie ben definita 84 (sull'altro lato del corpo 80) in una seconda regione. Un primo utensile rigido 86 tocca una prima superficie 82 e un secondo utensile rigido 88 tocca una seconda superficie 84. Una prima membrana a pressione 90 tocca la seconda superficie 84 nella regione opposta al primo utensile rigido 86. La seconda membrana a pressione 92 tocca la prima superficie 82 opposta al secondo utensile rigido 88. Si esegue consolidamento nel modo precedentemente trattato.

Benché la presente invenzione sia stata descritta in concomitanza con particolari esempi e realizzazioni, si capirà da parte degli esperti nel ramo interessati che la presente invenzione è capace di modifiche senza allontanarsi dal suo vero spirito e dal campo rappresentato dalle seguenti rivendicazioni.

Claims (28)

1. RIVENDICAZIONI 1. Processo per consolidare un corpo di materiale composito, compredente le fasi di: fornire un corpo di materiale composito avente una struttura formata di strati non consolidati di fibre rinforzanti affondate in una matrice, il corpo avendo un primo lato e un secondo lato opposto; quindi, piazzare un primo utensile rigido contro il primo Iato del corpo composito in una prima regione; piazzare un secondo utensile rigido contro il secondo lato del corpo composito in una seconda regione; piazzare una prima membrana a pressione di consolidamento avente almeno due facce contro il secondo lato del secondo corpo nella prima regione; piazzare una seconda membrana di consolidamento avente almeno due facce contro il primo lato del corpo composito nella seconda regione; e applicare una pressione alla prima membrana di pressione di consolidamento e alla seconda membrana a pressione di consolidamento, applicando perciò una pressione al corpo composito per obbligarlo a consolidarsi.
2. 2. II processo di rivendicazione I, contenente la fase di addizionale, dopo la fase di piazzare una seconda membrana a pressione di consolidamento, di: riscaldare il materiale composito, gli utensili e le membrane a pressione di consolidamento ad un’alta temperatura per obbligare il materiale composito a polimerizzare.
3. 3. Il processo di rivendicazione I, nel quale il corpo di materiale composito contiene almeno due regioni curve, una regione convessa e una regione concava, un utensile rigido è piazzato contro la faccia concava di ciascuna delle regioni curve e ciascuna rispettiva membrana di consolidamento è piazzata contro la faccia convessa delle corrispondenti regioni curve.
4. 4. Il processo di rivendicazione 1, nel quale la fase di applicare una pressione è eseguita applicando una pressione positiva alla faccia della membrana a pressione di consolidamento non in contatto con il corpo del materiale composito.
5. 5. Il processo di rivendicazione 1, nel quale la fase di applicare una pressione è eseguita aspirando un vuoto sulla faccia della membrana a pressione di consolidamento successivamente al materiale composito.
6. 6. Il processo di rivendicazione 1, contenente la fase addizionale, dopo la fase di fornire ma prima della fase di piazzare un primo utensile rigido, di: sgonfiare il corpo di materiale composito.
7. 7. II processo di rivendicazione 2, nel quale le fasi di riscaldare e applicare pressione al materiale composito sono eseguite in autoclave.
8. 8. Oggetto consolidato di materiale composito preparato mediante il processo di rivendicazione 1.
9. 9. Processo per consolidare un corpo di materiale composito avente una forma non piana, comprendente le fasi di: fornire un corpo di materiale composito avente una struttura formata da strati non consolidati di fibre di rinforzo affondate in una matrice, la sagoma del corpo essendo curva in modo complesso cosi' che in una prima regione un primo lato del materiale composito forma la faccia concava della curva e in una seconda regione un secondo lato del materiale composito forma la faccia concava della curva; quindi, piazzare un primo utensile rigido contro il primo lato del materiale composito nella prima regione; piazzare un secondo utensile rigido contro il secondo lato del materiale composito nella seconda regione; piazzare una prima membrana a pressione di consolidamento contro il secondo lato del materiale composito nella prima regione; piazzare una seconda membrana a pressione di consolidamento contro il primo lato del materiale composito nella prima regione; e applicare una pressione alla prima membrana a pressione di consolidamento e alla seconda membrana a pressione di consolidamento; applicando perciò una pressione al materiale composito per obbligarlo a consolidarsi.
10. 10. Il processo di rivendicazione 9, nel quale una fase di applicare una pressione è eseguita introducendo una pressione positiva sul lato della membrana a pressione di consolidamento non in contatto con il corpo di materiale composito.
11. 11. Il processo di rivendicazione 9, nel quale la fase di applicare una pressione è eseguita praticando un vuoto sul lato della membrana a pressione di consolidamento affacciata verso il materiale composito.
12. 12. Il processo di rivendicazione 9, contenente la fase addizionale, dopo la fase di piazzare una seconda membrana a pressione di consolidamento, di: riscaldare il corpo di materiale composito, gli utensili e le membrane a pressione di consolidamento ad una temperatura superiore alla temperatura ambiente per obbligare il materiale composito a polimerizzare.
13. 13. Il processo di rivendicazione 9, nel quale il materiale composito ha la forma di un cilindro frangiato.
14. 14. Il processo di rivendicazione 9, contenente la fase addizionale di sgonfiare il materiale composito dopo la fase di fornire ma prima della fase di piazzare un primo utensile rigido.
15. 15. Articolo consolidato di materiale composito preparato mediante il processo di rivendicazione 9.
16. 16. Il processo di rivendicazione 12, nel quale le fasi di riscaldare e applicare pressione sono eseguite in un’autoclave.
17. 17. Processo per consolidare un corpo di materiale composito, comprendente le fasi di: fornire un corpo di materiale composito avente una struttura formata di strati non consolidati di una matrice avente fibre di rinforzo incorporate nella medesima, il corpo avendo un primo lato e un secondo lato opposto; quindi, sgonfiare il corpo mediante le fasi di: piazzare un primo utensile rigido contro il primo lato del corpo di materiale composito in una prima regione, piazzare un secondo utensile rigido contro il primo lato del corpo di materiale composito in una seconda regione, piazzare una membrana a pressione di sgonfiamento contro il secondo lato del corpo di materiale composito nella prima e nella seconda regione, applicare pressione alla membrana a pressione di sgonfiamento per obbligare il corpo di materiale composito a consolidare almeno parzialmente, e rimuovere la membrana a pressione di sgonfiamento e il secondo utensile rigido; piazzare un terzo utensile rigido contro il secondo lato del corpo di materiale composito nella sua seconda regione; piazzare una prima membrana a pressione di consolidamento contro il secondo lato del corpo di materiale composito nella sua prima regione; piazzare una seconda membrana di consolidamento contro il primo lato del corpo di materiale composito nella sua seconda regione; e applicare pressione alla prima membrana a pressione di consolidamento e alla seconda membrana a pressione di consolidamento pur riscaldando contemporaneamente il corpo di materiale composito, per obbligare il corpo composito a consolidare e polimerizzare ulteriormente.
18. 18. Il processo di rivendcazione 17, nel quale la fase di applicare pressione e riscaldare contemporaneamente il materiale composito è eseguita in un’autoclave.
19. 19. Il processo di rivendicazione 17, nel quale il corpo di materiale composito è curvato in modo complesso cosicché, nella prima regione, il primo lato è concavo e che, nella seconda regione, il secondo lato è concavo.
20. 20. II processo di rivendicazione 17, nel quale la fase di sgonfiamento contiene l’operazione addizionale di riscaldare il materiale composito ad una temperatura al di sopra di quella ambientale e al di sotto della temperatura di polimerizzazione.
21. 21. Articolo consolidato di materiale composito preparato mediante il processo di rivendicazione 17.
22. 22. Apparato per consolidare un corpo di un materiale composito non consolidato, il corpo avendo un primo lato e un secondo lato opposto, l’apparato comprendendo: un primo utensile rigido sagomato per infilarsi nel primo lato del corpo composito in una prima regione; un secondo utensile rigido sagomato per infilarsi nel secondo lato del corpo composito in una seconda regione; una prima membrana a pressione di consolidamento disposta per toccare il secondo lato del corpo composito nella prima regione; una seconda membrana a pressione di consolidamento disposta per toccare il primo lato del corpo composito nella seconda regione; e mezzi per applicare una pressione al corpo composito sul lato opposto a ciascun utensile rigido.
23. 23. L’apparato di rivendicazione 22, contenente inoltre mezzi per riscaldare l’apparato.
24. 24. Apparato per consolidare un corpo di materiale composito non consolidato in una forma avente una curvatura complessa, in modo che in una prima regione un primo lato del corpo composito è concavo e in una seconda regione un secondo lato del corpo composito è concavo, l’apparato comprendendo: un primo utensile rìgido sagomato per infilarsi nel primo lato del corpo composito nella prima regione; un secondo utensile rigido sagomato per infilarsi nel secondo lato del corpo composito nella seconda regione; una prima membrana a -pressione di consolidamento disposta per toccare il secondo lato del corpo composito nella prima regione; una seconda membrana a pressione di consolidamento disposta per toccare il primo Iato del corpo composito nella seconda regione; e mezzi per applicare una pressione al corpo di materiale composito sul lato opposto a ciascun utensile rigido.
25. 25. L'apparato di rivendicazione 24, contenente inoltre mezzi per riscaldare l'apparato.
26. 26. Apparato per consolidare un corpo dì materiale composito in una sagoma complessa avente un suo primo e un suo secondo lato, l’apparato comprendendo: un primo utensile rigido sagomato per infilarsi contro il primo lato del corpo di materiale composito in una sua prima regione; un secondo utensile rigido sagomato per infilarsi contro il primo Iato del corpo di materiale composito in una sua seconda regione; una membrana a pressione di sgonfiamento dimensionata per infilarsi contro il secondo lato del corpo di materiale composito nella sua prima e sua seconda regione; un terzo utensile rigido sagomato per infilarsi contro il secondo lato del corpo di materiale composito nella sua seconda regione; una prima membrana a pressione di consolidamento dimensionata per infilarsi contro il secondo lato del corpo di materiale composito nella sua prima regione; e una seconda membrana a pressione di consolidamento dimensionata per infilarsi contro il primo lato del corpo -di materiale composito nella sua seconda regione.
27. 27. Apparato per consolidare un corpo di materiale composito in una sagoma complessa avente un primo lato e un secondo Iato, l'apparato comprendendo: un utensile rigido dì sgonfiamento sagomato per infilarsi contro il primo lato del corpo di materiale composito in una sua prima e seconda regione; una membrana a pressione di sgonfiamento dimensionata per infilarsi contro il secondo lato del corpo di materiale composito nella sua prima e seconda regione; un primo utensile rigido sagomato per infilarsi contro il primo lato del corpo dì materiale composito in una sua prima regione; un secondo utensile rigido sagomato per infilarsi contro il secondo lato, del corpo di materiale composito in una sua seconda regione; una prima membrana a pressione di consolidamento dimensionata per infilarsi contro il secondo lato del corpo di materiale composito nella sua prima regione; e una seconda membrana a pressione di consolidamento dimensionata per infilarsi contro il primo lato del corpo di materiale composito nella sua seconda regione.
28. 28. L’apparato di rivendicazione 27, nel quale il primo utensile rigido è inoltre sagomato per infilarsi contro una superficie concava sul primo lato del corpo di materiale composito nella sua prima regione e il secondo utensile rigido è inoltre sagomato per infilarsi contro una superficie concava del secondo lato del corpo di materiale composito in una sua seconda regione.