Fabricación del Prototipobibing.us.es/proyectos/abreproy/4627/fichero... · Fabricación del Prototipo Escuela Superior de Ingenieros 17 en dos mitades y un posterior encolado secundario

Proyecto Fin de Carrera Salvador Ortolá Gómez Fabricación del Prototipo Escuela Superior de Ingenieros

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Fabricación del Prototipo

Como primera medida del proyecto de mejora, se abordó la construcción de una aleta prototipo que minimizara o evitara los problemas derivados del método de fabricación usado en los talleres de Dynafoil. En este sentido, la empresa colaboradora, Easy Industrial Solutions (EIS), puso un gran potencial tecnológico para llevar esta tarea a cabo.

Las tecnologías con las que se trabaja en EIS, en la División de Materiales Compuestos, son prepreg hand lay‐up, RTM (Resin Transfer Molding) y VA‐RTM (Vacuum‐Assisted RTM). Por ello, se barajaron en un principio las tres posibilidades, resultando la primera como la idónea para una posterior modificación del núcleo de la aleta. Por otro lado, también se modificaron ciertos aspectos constructivos que afectaban más a la concepción en sí de la aleta; como el de la realización de una pieza enteriza fabricada


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en dos mitades y un posterior encolado secundario. La caja se laminaría a la vez que el resto de la aleta, primera medida diferenciadora ya que en Dynafoil se realiza la caja con resina de poliuretano, una vez curada la aleta. Siendo ya conocedores de las múltiples variantes geométricas de las aletas, se tomó un artículo en concreto como producto sobre el que centrar este estudio. Tal aleta es un modelo típico muy usado: posee una flecha de 7º, una longitud máxima de 700 mm y una caja de 130 mm. El nombre comercial de este artículo es: Dynafoil Proto Epoxi Foam Carbon, de dureza M+ (rigidez media). Para comenzar con esta tarea de fabricación lo más importante es tener un molde sobre el que laminar las piezas. Los métodos de obtención de moldes son muy variados y forman un conocimiento en constante desarrollo ya que sucesivamente se sintetizan nuevos materiales que poseen características anteriormente impensables. Por ello, la etapa de divagar sobre qué metodología seguir es sumamente importante y no es fácil acertar a la primera. En este caso se barajaron multitud de opciones, todas ellas válidas, pero que se diferenciaban en el coste para EIS. Inicialmente se pensó en la idea más directa: subcontratar a una empresa del sector, el mecanizado por CN de dos mitades de aleta en dos preformas de aluminio o acero. En esto se invirtió mucho tiempo y esfuerzos: primero se creó un modelo en CATIA v.5 R.14 de la pieza, luego se dividió el modelo en dos mitades y se obtuvo el negativo. Así se llegó a crear los modelos en CATIA de las dos cáscaras (ver los tres anexos: Especificación para valoración de utillaje macho para fabricación de quillas dynafoil, Guía de calidad aplicable para la fabricación del utillaje peau para quillas dynafoil y Plano 001: Utillaje). Con todo esto se

Fig.13. - Imágenes capturadas de CATIA de las cáscaras y del modelo creado por secciones.


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crearon los documentos de petición de oferta y una guía de calidad aplicable al producto que demandábamos. Estos documentos fueron enviados a distintas empresas de mecanizados certificadas en el sector aeronáutico y se estudiaron las distintas ofertas. Valoradas las ofertas, se buscaron otras vías para sacar el molde. El mayor problema que se nos presentaba era el de crear una zona técnica, ya que el modelo lo teníamos. Debido a su superficie curvada, el apoyo sobre una superficie plana no era lo suficientemente firme ni precisa para poder laminar encima y hacer así también un molde por lay‐up. Una segunda opción pasó por reproducir las 24+1 costillas correspondientes a los 24 puntos de medida que se usaron para obtener la numeración del perfil NACA. Con esto se crearían 25 medias costillas que, ahora sí, podrían ser situadas sobre una plancha, respetando las dimensiones originales y el espaciado; y laminar con tejido de fibra de vidrio. Así obtendríamos una cáscara sobre la que poder laminar la pieza y que, además, aguantaría varios ciclos de autoclave. Varios días después de comenzar con esta propuesta, se paró el proceso debido a la complejidad de reproducir la zona de menor dimensión de la aleta así como por la cantidad de trabajo y material auxiliar que requería un molde que tan solo podría llegar a tener 3 o 4 ciclos de autoclave antes de que comenzara a distorsionarse y tener que desecharlo.

Fig.14. - Aleta original y las 25 semicostillas.


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Al final, en colaboración con otros compañeros de I+D+i se pensó en la idea de hacer una caja de colada con media aleta como modelo y verter sobre ella un material auxiliar en la fabricación de machos. Este material era una silicona líquida de muy alta densidad a la que se le adicionaba un catalizador. Esta silicona es un material auxiliar usado por EADS‐CASA en la fabricación de unos pisas en la fabricación de las vigas transversales de los fan cowls de los motores GP y TRENT del modelo de Airbus A380. Por lo tanto teníamos comprobado su resistencia a multitud de ciclos de autoclave, así como su capacidad de soportar presiones hidrostáticas. Además, resultaba perfecta a la hora de desmoldear. Una vez elegido este método, los pasos a dar en la fabricación del molde fueron los siguientes:

Fig.15. - Esquema de fabricación de medio molde.


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Con todo esto llegamos a conseguir medio molde. Para la obtención del otro medio, nos valimos del molde que acabábamos de construir para usarlo como base del segundo. En él encastramos la aleta modelo, y vertimos la silicona con el catalizador. El resultado fue lo esperado: conseguimos reproducir la otra cáscara del molde sin mucha complicación. Por otro lado, el nivel de detalle que llega a registrar la silicona es tan elevado que la precisión dimensional la teníamos asegurada. Antes de desmoldear la segunda cáscara, aprovechamos la colocación de ambas partes para realizar unos taladros de coordinación que nos servirían de guía para poder colocar ambas partes enfrentadas con mayor precisión. De esta manera, el conjunto quedó tal y como muestra la figura de abajo.

Fig.16. - Vista del conjunto del molde completo con los tornillos de coordinación. Una vez conseguido el utillaje para poder laminar, queda, por tanto, crear los patrones y mandarlos a cortar. Para la creación de los patrones que más tarde se cortarán en los tejidos preimpregnados, se optó por sacarlos de los contornos de la aleta que teníamos diseñada en CATIA. Tras abrir el fichero que contenía el modelo, lo transportamos al modo de dibujo plano y de ahí lo pudimos exportar como fichero vectorizado dxf.


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Con este fichero pudimos trabajar en AUTOCAD 2007 para darle una mayor información:

Fig.17. - Patrones en Autocad.

Tras esto, pasamos a hacer los nestings o marcadas, que son los ficheros creados con los programas de edición de patrones textiles y tienen la misión de aprovechar al máximo el material a cortar, encajando los patrones pero respetando los grados de libertad de giro que le permitamos nosotros. De esta manera, los patrones siempre van a salir con las orientaciones de la fibra que le hayamos prescrito nosotros en función de la dirección de la urdimbre y la traza del rollo. Desde este punto, en el que ya teníamos todo el material para poder empezar a reproducir la pieza, laminando manualmente; hasta el momento de desmoldear la pieza a su salida del autoclave, necesitamos crear una orden de producción interna en Easy Industrial Solutions. Esta orden da luz verde a la realización de las tareas de producción necesarias y recoge toda la información para operar según las normativas vigentes de calidad. Este documento puede leerse en el anexo: Orden Interna de Producción Nº 2616. Así se recoge la validación de cada paso realizado por el operario asignado, con su sello personal de identificación y firma. Las operaciones fueron las siguientes (cuadros extraídos de la orden de producción):


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Presentación de la orden de producción:

Primera operación: Corte de telas y aprovisionamiento de material.


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Segunda operación: Verificación de las telas cortadas.

Fig.18. - Preparación y verificación de las telas.


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Tercera operación: Limpieza de utillaje.

Fig.19. - Limpieza (con M.E.K) y aplicación del desmoldeante al utillaje (Frekote).


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Cuarta operación: Laminado manual.

Fig.20. - Laminación manual.


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Quinta operación: Creación de la bolsa de vacío.

Fig.21. - Vista del conjunto con la bolsa de vacío y las tomas.


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Sexta operación: Curado en autoclave.

Fig.22 y 23. - Autoclave y programación del ciclo de curado.


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Séptima operación: Desmoldeo.

Fig.24 y 25. - Desmoldeo y vista de las dos mitades ya terminadas


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Con las dos mitades desmoldadas, nos dirigimos al área de recanteo para preparar las piezas para su posterior encolado. Previamente a esto, en el momento de laminar, previmos el curado secundario y por ello, siguiendo la norma de fabricación aeronáutica (ver bibliografía), sobre la última capa del laminado se puso una capa de tejido pelable (peel ply). De esta manera las caras a encolar quedaban preparadas con la rugosidad necesaria para un buen curado secundario con adhesivo epoxi (z‐15.467). El preparado de las superficies así como del resto de la aleta también se hizo siguiendo lo que dicta la normativa en esta materia y fuimos bajando el grano del abrasivo hasta reproducir un buen matizado. Tras esto, procedimos a la limpieza de las caras a pegar con MEK (Metil Etil Cetona).

Fig.26. - Recanteo, matización de las superficies a encolar y limpieza.

De acuerdo a la manera de proceder dentro de la empresa, volvimos a crear una orden de producción interna. Esta orden recogería la operación del cocurado en autoclave. Los pasos a seguir consistían en cortar el adhesivo epoxi con la forma de la zona a encolar. Para esto no se realizó ningún patrón, dada la sencillez de la figura, y tampoco hizo falta la creación de ningún nesting ya que tan solo se cortaría una lámina. Usando una de las dos mitades del útil de curado como asiento para una de las caras de la aleta, procedimos a interponer el adhesivo entre ésta y la cáscara contraria en


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forma de emparedo. De nuevo se creó una bolsa de curado con las pinzas estratégicas, el corcho retenedor de resina, los tejidos auxiliares y las tomas de vacío. Tras esto, el siguiente paso consistió en introducir el montaje dentro del autoclave aprovechando un ciclo programado por el Departamento de Producción. Se conectaron las tomas de vacío a las tomas internas del autoclave. En nuestro caso, dado que estábamos utilizando un ciclo de Producción, no instalamos termopares en la pieza por no pedir más requisitos y porque la cantidad de resina a curar era pequeña como para necesitar un estudio de velocidad de calentamiento‐enfriamiento y de posibles diferencias de temperaturas en el mismo dominio. El producto, ya enfriado y desmoldeado, parecía tener un aspecto cercano a lo deseado aunque no exento de problemas y comportamientos poco deseados. De un lado, la ausencia de un núcleo sólido le hacía flexionar ambas caras de manera diferente en su geometría. Por otro lado, la caja de la aleta presenta la necesidad de una última fase de afino y acabado. Y para terminar, previmos un efecto indeseable: en los casos más frecuentes de uso de estas aletas, las flexiones alternadas en ambos sentidos son de gran amplitud, se dan con una frecuencia elevada, y a una velocidad de deformación también elevada; lo que nos hizo sospechar que el adhesivo interpuesto iba a soportar grandes esfuerzos de cortadura. Además, dado el carácter dinámico de la carga, los efectos de la fatiga no tardarían en aparecer. En conclusión, este proceso nos ha servido para conocer muy de cerca los problemas derivados de la fabricación. Nos hemos enfrentado a la compleja tarea de creación de modelos y utillaje. Y por último, hemos podido definir los puntos básicos de un cambio de tecnología desde el cual la optimización del producto se ve más cerca.

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