ES2992240T3 - Método de fabricación de un sello aerodinámico y el producto así obtenido - Google Patents

Abstract

La presente invención se refiere a un procedimiento de fabricación de una junta aerodinámica y al producto así obtenido para su adaptación a superficies aerodinámicas fijas, superficies aerodinámicas móviles o una combinación de ambas, con geometrías complejas, que comprende las etapas de: seleccionar un elastómero termoplástico vulcanizado adecuado para cumplir con los requisitos requeridos para las juntas aerodinámicas y los requerimientos de la fabricación aditiva mediante técnicas de impresión 3D conocidas como modelado por deposición fundida (FDM) o mediante extrusión de pellets (PE) o mediante sinterizado selectivo por láser (SLS). (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Método de fabricación de un sello aerodinámico y el producto así obtenido.

Campo técnico

La presente invención está referida a un método de fabricación de un sello aerodinámico adaptado a la geometría de superficies complejas según la reivindicación 1 y al producto así obtenido según la reivindicación 8.

El objeto de estos sellos aerodinámicos es la mejora en las actuaciones aerodinámicas de las superficies exteriores de una aeronave, reduciendo tanto los tiempos como los costes de fabricación y de mantenimiento, además de facilitar un mejor ajuste del sello en las superficies aerodinámicas sobre las que se instala en relación con los sellos aerodinámicos fabricados con el actual estado de la técnica.

Estado de la técnica

A pesar de las reducidas tolerancias de ajuste que suelen aplicarse entre los distintos elementos que configuran las superficies exteriores de las aeronaves, en ocasiones se generan espacios entre dos de sus piezas, ya sean estas fijas, móviles o una combinación de ambas, que requieren del uso de sellos de intermediación y que, entre otras funciones, tienen la misión de conformar una mejor superficie aerodinámica del ensamblaje. Son los sellos aerodinámicos. Su uso permite reducir la resistencia aerodinámica, evita la aparición de turbulencias e impide el paso de partículas a zonas interiores de la aeronave, las cuales, en determinadas situaciones, podrían dar lugar a un mal funcionamiento de los sistemas que allí se alojan.

En el actual estado de la técnica, los sellos aerodinámicos son piezas flexibles que se fabrican principalmente por extrusión o por moldeo por inyección de silicona fundida. El primero de estos métodos consiste en una extrusión de silicona fundida a través de una matriz, cuya forma define la sección transversal del sello. Por su parte, el segundo método consiste en la inyección de la silicona fundida en unos moldes que conforman la geometría final que tendrá el sello. Ambas tecnologías de fabricación son interesantes y relativamente económicas en industrias como la automovilística, donde las series de fabricación son largas y la fabricación de sellos con una misma geometría se realiza en grandes cantidades. Este tipo de series, sin embargo, no son muy comunes en la industria aeronáutica.

Los sellos aeronáuticos del estado de la técnica tienen típicamente una geometría constante a lo largo de toda su longitud. Esto es consecuencia directa bien del método de fabricación para el caso de la extrusión, o bien del coste asociado a la necesidad de disponer de varios moldes si se quiere tener un perfil variable en un sello de cierta longitud, para el caso de moldeo por inyección. Esta circunstancia, por una parte, limita las opciones con las que cuenta el equipo que diseña los sellos a la hora de ofrecer soluciones más adaptadas a geometrías y funcionalidades concretas, como pueden ser requerimientos mecánicos, de durabilidad o mantenibilidad. Es el caso, por ejemplo, de la dificultad que introduce el moldeo por inyección a la utilización de diferentes materiales en posiciones controladas del sello aerodinámico o la imposibilidad de realizar cavidades interiores en el mismo que permitan una mejor optimización tanto de su peso como de sus propiedades elásticas.

Por otra parte, la geometría constante genera dificultades para adaptar de los sellos aerodinámicos a geometrías complejas, las cuales son muy frecuentes en las superficies aerodinámicas. Es el caso de las geometrías con doble curvatura en las que la complejidad que conlleva el diseño de sellos adaptados a ellas no garantiza que los sellos resultantes operen de manera adecuada sobre esas superficies.

En la actualidad el proceso de fabricación de un sello aerodinámico típico requiere del diseño de moldes complejos y de gran tamaño -dependiendo del sello que se quiera realizar- lo que implica costes muy altos de ingeniería, desarrollo y fabricación. A modo de ejemplo, los plazos típicos de fabricación son de varios meses para la obtención de un molde para un sello aerodinámico nuevo, lo que tiene un impacto directo sobre los procesos de optimización del diseño que se puedan plantear y sobre los tiempos de entrega del producto final.

Además de lo anterior, y para el caso específico de la producción en serie de aeronaves, es bastante común que las partes fabricadas tengan un funcionamiento inferior al que se esperaba de ellas, debido a la dificultad de predecir su comportamiento en condiciones de vuelo, lo que hace muy frecuente su modificación tras el análisis de los datos de rendimiento recabados durante los ensayos en vuelo. Para el caso de sellos aerodinámicos, sin embargo, su potencial modificación y optimización está actualmente muy limitada, y en ocasiones solo permite pequeños retoques del diseño original, debido a la fuerte dependencia entre la forma del sello aerodinámico y los complejos moldes de gran tamaño que han permitido su fabricación inicial mediante moldeo por inyección.

En consecuencia, los sellos aerodinámicos fabricados con el actual estado de la técnica no necesariamente mejoran el comportamiento aerodinámico de las superficies en las que se instalan, dificultan la obtención de diseños optimizados y tienen un impacto en el peso total de las superficies sobre las que se instalan, así como en los costes y tiempos de fabricación y mantenimiento de estos. En definitiva, los sellos fabricados con el actual estado de la técnica no cumplen completamente con los requerimientos impuestos a los sellos aerodinámicos en términos de adaptación a la geometría, optimización, propiedades mecánicas, rendimiento aerodinámico, durabilidad o mantenimiento.

Más concretamente, en el estado de la técnica actual se conocen los documentos US5518210, US6491260B2, US8657236B2, US5845877, US2006/0032163A1, US5154577 y US4496186. No obstante, ninguno de estos documentos describe una solución para el problema técnico derivado de la adaptación del sello aerodinámico a la geometría de superficies complejas que no degrade su funcionalidad y optimice su diseño para reducir peso, costes y tiempos de mantenimiento como la invención que aquí se presenta.

Además, el documento US2020/378499A1 divulga un sello para sellar un espacio entre una primera estructura y una segunda estructura. El sello incluye una base de sello configurada para acoplarse con la primera estructura de modo que forme un sello respectivo con la primera estructura, un cuerpo de celosía resiliente acoplado a la base de sello y una cubierta. La cubierta incluye una superficie interior acoplada al cuerpo de celosía resiliente en una relación opuesta con respecto a la base de sello de modo que la cubierta se mueve hacia y desde la base de sello en una dirección de polarización del cuerpo de celosía resiliente, y una superficie exterior bulbosa configurada para acoplarse con la segunda estructura de modo que forme un sello respectivo con la segunda estructura.

Descripción de la invención

Es un objeto de la presente invención un método de fabricación que permite la obtención de un sello aerodinámico con mayor capacidad de adaptación a superficies aerodinámicas de geometría compleja, que mejora el comportamiento aerodinámico del sello, que facilita la optimización de su diseño y con ello, su funcionalidad, y que permite reducir el peso, los costes y los tiempos de mantenimiento en relación con los sellos aerodinámicos fabricados con el actual estado de la técnica. Es un segundo objeto de la invención un sello aerodinámico que tenga una geometría adaptada a superficies aerodinámicas fijas, móviles o una combinación de ambas. Estos objetos se alcanzan con las reivindicaciones que se adjuntan a la presente memoria descriptiva.

La presente invención expone un método de fabricación de un sello aerodinámico y el producto así obtenido que estando adaptado a superficies aerodinámicas con geometrías complejas, comprende las etapas de: selección de un elastómero termoplástico vulcanizado adecuado tanto para los requerimientos funcionales exigidos a los sellos aerodinámicos como para los que impone el método de fabricación seleccionado; diseño del sello aerodinámico para su fabricación por impresión 3D mediante las técnicas de deposición en fundido (FDM) o mediante extrusión de granza (EG) o mediante sinterizado selectivo laser (SLS); selección de los parámetros adecuados para la fabricación de un sello aerodinámico con el material y el proceso de fabricación referidos; fabricación del sello aerodinámico de acuerdo al diseño realizado y al material, técnica de impresión 3D y parámetros de fabricación elegidos; tratamiento térmico del sello aerodinámico fabricado de acuerdo con las etapas anteriores; y conformación mecánica del diseño final del sello aerodinámico.

La presente invención presenta un nuevo concepto de sello para superficies aerodinámicas cuya operación proporciona mejoras funcionales en relación con los sellos fabricados con el actual estado de la técnica, así como ventajas en términos de peso y de coste y tiempos de fabricación. Y esto es posible gracias a la utilización de la fabricación aditiva para la producción de los sellos, la cual permite la obtención¡n situde sellos sin necesidad de los complejos útiles asociados a las técnicas de moldeo por inyección; facilita la optimización tanto geométrica como funcional del sello, consiguiendo con ello una mejor adaptación a superficies aerodinámicas con geometrías complejas; y permite una mayor flexibilidad en el diseño, tiempos de entrega y reducción de costes de fabricación. Todo ello son características esenciales que redundan en un mejor prototipado y ajuste del diseño final de los sellos aerodinámicos, en la medida en que facilitan y aceleran los procesos de optimización y cambios de diseño durante todo el ciclo de desarrollo de los sellos. Por ejemplo, permite la introducción de modificaciones sustanciales al diseño tras la realización de ensayos de vuelo, los cuales acontecen en etapas tardías del ciclo de desarrollo y definición del producto.

Más concretamente, las ventajas que aporta la presente invención son las siguientes: (a) utilización de materiales no entrecruzados que pueden ser procesados por impresión 3D, mediante las técnicas de FDM, EG o SLS, y que cumplen los requisitos tanto mecánicos como de resistencia térmica para su uso en el sector aeronáutico; (b) posibilidad de modular las propiedades mecánicas del material, variando la proporción entre matriz termoplástica y fase elastomérica del mismo, y con ello las propiedades globales del sello aerodinámico producido (como su dureza o su elasticidad); (c) posibilidad de modular las propiedades locales del sello mediante la inserción de materiales de distinta dureza en localizaciones precisas de su diseño y con una excelente adhesión entre capas de materiales de distinta dureza; (d) posibilidad de introducir cavidades internas en el sello aerodinámico con las que también poder modular sus propiedades locales en función de su ubicación y de su tipología, ya sean estas cavidades huecas; rellenas con el mismo u otro material de acuerdo a un determinado patrón geométrico de relleno durante el propio proceso de impresión 3D; macizas con otro material introducido mediante impresión 3D; o conteniendo elementos estructurales auxiliares que se insertanad hochaciendo uso de la posibilidad que brindan las técnicas de FDM y EG de detener momentáneamente el proceso de impresión 3D (como ejemplo, no limitativo, de elementos estructurales auxiliares que se pueden introducir en las cavidades interiores del sello antes de continuar con la impresión, tenemos estructuras tipo nido de abeja, chapa doblada o perfiles metálicos); (e) diseño y fabricación de sellos aerodinámicos con un contacto más continuo entre las superficies de control al ser posible replicar en su forma el perfil de superficies aerodinámicas con geometrías complejas, respetando puntos de contacto e interferencias con respecto del diseño original y consiguiendo con ello, un sello con mejores capacidades para rellenar los espacios entre superficies aerodinámicas, mejorando el sellado que proporcionan y por ende, su rendimiento aerodinámico; (f) posibilidad de obtener sellos aerodinámicos con perfiles optimizados y particularizados para cada una de las zonas de interfaz entre superficies aerodinámicas, ya sean fijas, móviles o una combinación de ambas, en los que incluso se considere la envolvente particular de desplazamiento de una superficie móvil respecto a otra; (g) mayores posibilidades de incorporar al diseño y a la optimización del sello aerodinámico requisitos relativos a su peso, a su comportamiento aerodinámico, al grado de interferencia entre componentes, durabilidad o mantenimiento; (h) mayor facilidad en su mantenimiento y reducción de las necesidades de almacenamiento de recambios, pues los sellos pueden ser fabricados¡n situ,bajo demanda, y en tiempos y series cortas.

Breve descripción de los dibujos

Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, se acompaña como parte integrante de dicha descripción un juego de dibujos en donde, con carácter ilustrativo y no limitativo, se representa lo siguiente:

FIG.1 muestra el organigrama con la lógica del proceso de fabricación de un sello aerodinámico de acuerdo con la invención, donde, de forma breve, los pasos son: (I) selección de material; (II) diseño del sello aerodinámico; (III) selección de parámetros de fabricación; (IV) fabricación del sello aerodinámico; (V) tratamiento térmico; (VI) conformado mecánico.

FIG.2 muestra un ejemplo de varios tipos de cavidades internas en el sello aerodinámico, tanto huecas como rellenas mediante un patrón geométrico de relleno; donde (A) es una cavidad interior hueca, mientras que (B) es un relleno automático con software de fileteado(slicer),y (C) es un relleno según patrón de relleno propio diseñado ad hoc.

FIG.3 muestra un ejemplo de sello aerodinámico con cavidad interna (a) reforzado mediante elementos estructurales auxiliares: estructura nido de abeja (b); perfil interior (c).

FIG. 4 muestra un ejemplo de un sello aerodinámico de sección estándar fabricado según el actual estado de la técnica (a) frente a tres ejemplos de sellos aerodinámicos de sección y geometrías complejas fabricados de acuerdo con la invención (b) que no es posible desarrollar con las técnicas del actual estado de la técnica.

Realización preferente de la invención

El objeto de la presente invención es un método de fabricación de un sello aerodinámico que comprende, esencialmente, las siguientes fases, etapas o procesos secuenciales, tal y como se describen a continuación y se presentan en laFIG.1.

I. Selección del material apto para sellos aerodinámicos y fabricación aditiva por impresión 3D

En esta primera etapa, el método establece que la fabricación del sello aerodinámico mediante tecnología aditiva de fabricación en tres dimensiones se realiza utilizando un elastómero termoplástico vulcanizado (TPV).

En el estado de la técnica, la fabricación de piezas elastoméricas poliméricas por impresión en tres dimensiones recurre a dos familias principales de materiales. Por un lado, están los elastómeros termoestables, que son materiales entrecruzados que se obtienen mediante fotopolimerización, es decir, estereolitografía (SLA) y tecnologíapolyjet®.Por otro lado, los elastómeros termoplásticos son materiales que se pueden procesar por calentamiento y, por tanto, pueden reciclarse y reutilizarse. Estos materiales se trabajan en forma de partículas micrométricas para sinterizado láser selectivo (SLS), en forma de filamento para modelado por deposición en fundido (FDM) o en forma de granza para la impresión mediante extrusión (EG). En el caso de FDM, que es un método más extendido y económico que el SLS, existen comercialmente filamentos elastoméricos que pertenecen a la familia de los elastómeros termoplásticos tipo poliuretanos (TPUs). Sin embargo, los TPU presentan limitaciones que incluyen una baja resistencia a disolventes y una temperatura de rigidificación a baja temperatura en torno a -35°C / -4o°C. También existen copoliamidas plastificadas (PCTPE). Las copoliamidas solamente existen en un rango de durezas muy elevado y son flexibles -no elastoméricas-.

En la presente invención se utiliza un material elastómero termoplástico vulcanizado (TPV) que se pueden procesar por calentamiento y, por tanto, se pueden reciclar y reutilizar. Estos materiales se pueden trabajar en forma de partículas micrométricas para sintetizado láser selectivo (SLS) o en forma de filamento/granza para modelado por deposición en fundido (FDM) o la impresión mediante extrusión de granza (EG). La presente invención propone el uso de materiales elastómeros termoplásticos vulcanizados (TPV) para la fabricación en FDM, en EG o en SLS. Las ventajas principales de estos materiales son su resistencia a disolventes tales como ácidos (nítrico, sulfúrico diluido), sales o incluso algunos aceites y otros disolventes utilizados en el sector aeronáutico. Además, se pueden modular sus propiedades físicas tales como la dureza/elasticidad y presentan temperaturas de transición vítrea por debajo de los 50 o 60°C bajo cero.

Los TPV se componen de una matriz termoplástica (típicamente polipropileno) y una fase dispersa elastomérica (en un ejemplo no limitativo, EPDM), de tal manera que dependiendo de la proporción de la matriz y el elastómero se pueden fabricar materiales con una dureza/elasticidad y módulo variable.

Los TPVs también permiten ser dopados para obtener propiedades adicionales a las que manifiesta el material sin dopar abriendo así la posibilidad de disponer de materiales multifuncionales de características específicas según la funcionalidad a la que se destinen. Así, como ejemplos no limitativos, se puede señalar que los TPVs se pueden dopar con cargas eléctricamente conductoras, que en un ejemplo no limitativo están seleccionadas entre negro de carbono y/o nanotubos de carbono, o con partículas fluoradas para hacerlos más lubricantes, en un ejemplo no limitativo, micropartículas de teflón

En la presente invención se utiliza TPV para fabricación de piezas tanto a partir de granza (material sin filamentar) como en forma de filamento dependiendo de la dureza del TPV empleado. Es necesario recordar que una de las limitaciones de las impresoras de filamento es la complejidad que puede entrañar el imprimir materiales con durezas inferiores a 60A-80A. Así, el uso bien de FDM o de EG ha permitido fabricar piezas elásticas sin límites de dureza.

Los TPV con durezas superiores a 52D muestran una baja resistencia a la fricción. La impresión de este tipo de material en granza o en filamento es, por tanto, interesante en zonas que requieran elementos elásticos sometidos a rozamiento, pero con una baja resistencia a la fricción.

Además, TPVs de la misma familia con durezas distintas pueden ser combinados en una misma pieza teniendo en cuenta que su composición química es similar asegurando, por tanto, la adhesión entre capas de materiales de distinta dureza. Con la versatilidad que ofrece la impresión en tres dimensiones se pueden fabricar, por ejemplo, piezas con una parte interna más blanda (más elástica) y una parte externa más rígida (que permita mejorar la resistencia a la fricción).

Igualmente, en la presente invención se utiliza TPV para la fabricación de piezas a partir de partículas micrométricas y mediante sintetizado láser selectivo (SLS).

Los TPE-V (TPV) seleccionados son una mezcla de polipropileno y caucho EPDM identificado como TPE-V-(EPDM PP). Este material se está utilizando actualmente para fabricar piezas con propiedades similares a las fabricadas con caucho y superiores a otras fabricadas con plásticos tradicionales. Su principal característica es su elasticidad y su buena respuesta a la deformación. Además, se pueden alcanzar temperaturas de servicio de hasta 130°C en los compuestos más duros. Tiene una temperatura de fragilidad muy baja, que puede alcanzar hasta -60°C en los compuestos más blandos. Es altamente resistente al ozono, al envejecimiento por luz ultravioleta y al ataque de diferentes agentes químicos como ácidos, alcohol, detergente, lejía y agua. Tiene un alto aislamiento térmico y eléctrico (> 10e14 Qcm) y una velocidad de combustión lenta (<40 mm / min). Finalmente, estos TPV tienen una densidad baja de aproximadamente 0,96 g / cm3

Por todo lo anterior, este material es adecuado para cumplir con los requerimientos que se les imponen a los sellos aerodinámicos y, al tiempo, para permitir su procesado mediante fabricación aditiva 3D de acuerdo con las técnicas de impresión 3D conocidas como FDM, EG y SLS.

II. Diseño del sello aerodinámico para fabricación por impresión 3D

En coordinación con la fase I de selección del material, la segunda etapa del proceso lleva a cabo el diseño CAD de los sellos para cumplir con los condicionantes físicos de la zona a sellar y en el objetivo de asegurar un correcto sellado que minimice el impacto sobre el comportamiento aerodinámico de las superficies en las que el sello se instalará.

En coordinación con la fase III de selección de los parámetros de fabricación, se tiene en cuenta durante el diseño del sello las posibles limitaciones impuestas por las especificidades del proceso de fabricación que se utilice. A modo de ejemplo, y de forma no limitativa, se puede citar como con la selección de una técnica de impresión 3D u otra, el diámetro de boquilla o el diámetro de láser imponen limitaciones geométricas a la precisión dimensional con que se puede de fabricar el sello; o cómo las dimensiones geométricas de la cámara de impresión obligan a realizar tantas particiones del sello como sean necesario para hacer viable la fabricación en su seno.

La fase de diseño también comprende la posibilidad de emplear diferentes materiales de la familia de los TPVs seleccionados en la fase I, o la posibilidad de insertar cavidades internas en localizaciones concretas del sello aerodinámico a fin de modular las propiedades globales y locales del mismo y dar con ello, un mejor cumplimiento a los requerimientos funcionales que se le piden al sello aerodinámico.

Caso de ser necesarias, estas cavidades internas pueden ser huecas, rellenas con otro material o rellenas con un determinado patrón geométrico de relleno (véaseFIG. 2). Los softwares comerciales de fileteado para impresión 3D proporcionan una gran diversidad de patrones de relleno automático de cavidades. A ellos cabe también la posibilidad de añadir patrones de diseño propios desarrolladosad hocmediante herramientas CAD y con capacidad de ser optimizados para ofrecer una mejor respuesta al requisito funcional especifico que haya que cumplir (por ejemplo, pero no limitativo, estructuras reticulares(lattice)específicamente diseñadas para dar una respuesta optimizada a requerimientos mecánicos que impliquen compresión, tracción o flexión). Es objeto del diseño del sello aerodinámico la selección de un patrón de relleno ya sea uno automático, disponible en el software comercial de fileteado que se utiliza, o uno específico, definido mediante la realización de un diseño CAD dedicado.

Igualmente, en el caso de realizar la impresión 3D del sello aerodinámico mediante las técnicas de FDM o EG, existe la posibilidad de detener momentáneamente el proceso de impresión para introducir en las cavidades interiores, y antes de que estas sean cerradas definitivamente, elementos estructurales adicionales que también permitan modular las propiedades del sello aerodinámico a nivel global o local. Es el caso, como ejemplo no limitativo, de la introducción de una estructura de nido de abeja, metálica o no metálica, adaptada a la forma interior de la cavidad o de perfiles de chapa doblada, de perfiles metálicos o de material compuesto (véaseFIG. 3).

El diseño del sello aerodinámico también incluye la posibilidad de aprovisionar creces a su forma final de tal forma que su presencia facilite: a) el poder asegurar el cumplimiento de tolerancias geométricas exigidas al sello para aquellos supuestos en los que estas tolerancias estuvieran más allá del alcance de las proporcionadas por la técnica de impresión 3D empleada; b) un montaje preciso del sello en su ubicación final gracias a la absorción por parte de esas creces de las tolerancias acumulados en la fabricación o montaje de los otros elementos sobre los que se ha de instalar el sello. Estas creces son rectificadas según corresponda durante el conformado mecánico final del sello (fase VI).

Igualmente, para las tecnologías de impresión 3D por FDM y EG, la fase de diseño del sello también incluye el diseño de soportes y estructuras auxiliares de sujeción de este que aseguren la viabilidad de su fabricación mediante esas técnicas de impresión 3D. Estos elementos auxiliares se diseñan en coordinación con la selección de la técnica de impresión 3D y la fijación de sus parámetros de fabricación específicos que se realiza en la fase III.

La coordinación con las fases de selección de material (fase I) y de selección de parámetros de fabricación (fase III) se realiza dentro de la fase de diseño del sello aerodinámico de cara a fijar el mejor diseño final que cumpla con todos los requisitos funcionales exigidos al sello aerodinámico.

Finalmente, en el marco de un proceso de diseño iterativo, se considera también que la fase de diseño del sello engloba también la optimización de su diseño a fin de mejorar su comportamiento frente a los requisitos y sacando provecho de nuevos elementos surgidos, como pueden ser, de forma no limitativa, los datos de rendimiento recabados de ensayos o las lecciones aprendidas disponibles de una primera iteración en el diseño del sello.

III. Selección de los parámetros de fabricación por impresión 3D para un sello aerodinámico,

Previa a la fabricación del sello aerodinámico (fase IV) y en coordinación con la fase de selección de material (I) y de diseño del sello aerodinámico (II) se realiza la selección de la técnica de impresión 3D a utilizar para su fabricación entre las tres técnicas objeto de la invención (FDM, EG o SLS) que mejor sirva al material elegido, al diseño de sello realizado y a los requerimientos funcionales a cumplir. Tras ello, se fijan los parámetros de fabricación asociados a la técnica de impresión 3D escogida que permiten la más correcta fabricación del sello aerodinámico a partir de los archivos CAD generados a tal efecto (fase II) y material o materiales seleccionados (fase I).

Los parámetros de fabricación incluyen parámetros geométricos y parámetros físicos.

Los parámetros geométricos de fabricación son aquellos que modulan las propiedades mecánicas del sello aerodinámico (como por ejemplo su flexibilidad, compresibilidad, resistencia a tracción o a fatiga) y en consecuencia, la selección de unos valores u otros tienen impacto en la optimización del sello final, incluidos el peso del sello, los tiempos de fabricación y el coste de la pieza final. De manera no limitativa, se consideran preferentemente parámetros geométricos de fabricación a: el número de perímetros del contorno, el patrón de relleno, el porcentaje del patrón de relleno, el número de capas superiores e inferiores o la orientación de la pieza con respecto a la dirección de fabricación.

Los parámetros físicos de fabricación son aquellos que fundamentalmente dependen del material que se selecciona para la fabricación del sello aerodinámico. De manera no limitativa, se consideran preferentemente parámetros físicos de fabricación a: la temperatura, velocidad y flujo de extrusión, la temperatura de la cama, los elementos de adhesión, el diámetro de boquilla o la altura de capa. La adecuada fijación de estos parámetros de fabricación se fundamenta en una caracterización previa del comportamiento del material TPV seleccionado cuando se procesa mediante la técnica de impresión 3D elegida para la fabricación del sello aerodinámico. Y el objeto de tal caracterización es conocer los parámetros físicos de fabricación que informan sobre cuestiones tales como la temperatura limitante inferior de fusión del material, la temperatura máxima de extrusión limitada por la degradación del material, la viscosidad del material en función de los parámetros físicos de fabricación o la compatibilidad del material con el material de la base de la cama (lista no limitativa).

Un ejemplo práctico de aplicación del método de fabricación objeto de la invención sería la fabricación de un sello aerodinámico con un material TPV por impresión 3D mediante la técnica de EG o FDM y con los parámetros de físicos de fabricación indicados en la tabla que sigue y preferiblemente ajustados dentro de los rangos indicados:

Igualmente, un ejemplo práctico de aplicación del método de fabricación objeto de la invención sería la fabricación de un sello aerodinámico con un material TPV por impresión 3D mediante la técnica de SLS y con los parámetros de físicos de fabricación indicados en la tabla que sigue y preferiblemente ajustados dentro de los rangos indicados:

Es importante resaltar que la viscosidad en fundido del este tipo de materiales (TPV) puede ser modulada ya que depende directamente el peso molecular de la matriz termoplástica. Así, utilizando termoplásticos de menor peso molecular producirá TPV con menor viscosidad y que coalescerán con mayor facilidad y TPV formados utilizando una matriz termoplástica de mayor peso molecular requerirá condiciones de procesado más potentes. En el caso de TPUs (elastómeros termoplásticos poliuretanos) no se puede modular esta propiedad de la misma manera y suelen ser materiales con una viscosidad elevada en fundido.

IV. Fabricación de un sello aerodinámico con un elastómero termoplástico vulcanizado mediante tecnología aditiva de fabricación

La fabricación del sello aerodinámico se realiza mediante fabricación aditiva por impresión 3D con el elastómero termoplástico vulcanizado (TPV) seleccionado de acuerdo con el diseño realizado y la técnica y los parámetros de fabricación fijados durante las fases precedentes: fases I, II y III, respectivamente.

V. T ratamiento térmico del sello aerodinámico

El sello obtenido en la fase IV es introducido en una cámara climática y sometido a un tratamiento térmico consistente en un ciclo de precalentamiento, introducción del sello en la cámara, mantenimiento a una temperatura inferior a 200°C y enfriamiento hasta temperatura ambiente. Una vez seleccionado el material y definido la técnica de aditiva concreta que se utiliza, el tratamiento térmico es un paso esencial para conseguir unas piezas dimensionalmente estables. La aplicación de un tratamiento térmico a los materiales empleados en la invención no resulta evidente como vía para relajar tensiones (suele ser algo más propio de materiales metálicos). Por tanto, gracias al tratamiento térmico indicado es posible obtener un sello con la geometría pretendida.

VI. Conformación mecánica del sello aerodinámico

Finalmente, el sello aerodinámico resultante de la ejecución de las fases precedentes (I a V) es conformado mecánicamente a fin de quitar las potenciales creces definidas en la fase III y hacer el ajuste final del sello aerodinámico a sus requerimientos dimensionales, si es que estos están fuera del alcance de la técnica de impresión 3D empleada, o de montaje que le aplican. De manera no limitativa, la conformación mecánica del sello aerodinámico se realiza mediante la utilización de cizalla, guillotina, tijeras, taladros y/o punzones.

Claims (11)

REIVINDICACIONES

1. Un método de fabricación de un sello aerodinámico para superficies aerodinámicas fijas o móviles de aeronaves o una combinación de ambas, de geometría compleja que comprende las etapas de:

seleccionar un material de la familia de los elastómeros termoplásticos vulcanizados adecuado para los requisitos que deben cumplir los sellos aerodinámicos y para la fabricación aditiva mediante impresión 3D;

diseñar el sello aerodinámico que permita la fabricación mediante la técnica de impresión 3D y el material seleccionado;

seleccionar los parámetros de fabricación para el diseño del sello aerodinámico realizado y material seleccionado;

fabricar el sello aerodinámico utilizando el material, el diseño y los parámetros de fabricación seleccionados, mediante fabricación aditiva por medio de impresión 3D; caracterizándose el método porque comprende además las etapas de:

tratamiento térmico del sello aerodinámico fabricado de acuerdo con las etapas anteriores,

en donde el sello aerodinámico se somete a un tratamiento térmico en una cámara climática consistente en un ciclo de precalentamiento, introducción del sello en la cámara, mantenimiento a una temperatura igual a o inferior a 200 °C y enfriamiento hasta temperatura ambiente, y

conformación mecánica para obtener la geometría final del sello aerodinámico de acuerdo con los requerimientos dimensionales y de montaje que le sean de aplicación.

2. El método de fabricación de acuerdo con la reivindicación 1, en donde la impresión 3D se aplica mediante modelado por deposición en fundido (FDM) o mediante extrusión de granza (PE) o mediante sinterizado selectivo láser (SLS).

3. El método de fabricación de acuerdo con la reivindicación 1, en donde la impresión 3D se aplica mediante modelado por deposición en fundido en donde el diámetro del filamento es igual a o inferior a 2.85 mm, el diámetro de la boquilla del extrusor es igual o inferior a 1.0 mm, la altura de la capa es igual o inferior a 0.4 mm, la velocidad de extrusión es igual o inferior a 30 mm/s, la temperatura del extrusor es igual o inferior a 260 °C y la temperatura del lecho es igual o inferior a 100 °C.

4. El método de fabricación de acuerdo con la reivindicación 1, en donde la impresión 3D se aplica mediante la técnica de extrusión de granza en donde el diámetro de la granza es igual o inferior a 6.0 mm, el diámetro de la boquilla del extrusor es igual o inferior a 1.0 mm, la altura de la capa es igual o inferior a 0.4 mm, la velocidad de extrusión es igual o inferior a 30 mm/s, la temperatura del extrusor es igual o inferior a 260 °C y la temperatura del lecho es igual o inferior a 100 °C.

5. El método de fabricación de acuerdo con la reivindicación 1, en donde la impresión 3D se aplica mediante la técnica de sinterizado selectivo láser en donde el diámetro del láser es de 400 pm, la altura de la capa está comprendida entre 100 y 200 pm, la velocidad de escaneado está comprendida entre 1000-5000 mm/s, el espaciado de escaneado está comprendido entre 100-200 pm, la energía del láser está comprendida entre 5W y 27W, la temperatura del lecho está comprendida entre 75 °C y 105 °C, la temperatura de la cámara está comprendida entre 50 °C y 75 °C y el tamaño de las partículas está comprendido entre 40 pm y 200 pm.

6. El método para fabricar un sello aerodinámico de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en donde el material termoplástico vulcanizado tiene una dureza variable, preferentemente entre 50A y 52D, en donde para durezas superiores a 90A se han fabricado mediante deposición en fundido y en donde para durezas inferiores a 72-80A se han fabricado mediante extrusión de granza.

7. El método de fabricación de acuerdo con la reivindicación 6, en donde el sello aerodinámico se ha fabricado utilizando un material termoplástico vulcanizado de dureza 40D mediante deposición en fundido.

8. Un sello aerodinámico obtenido de acuerdo con el método de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7 que consiste en un elastómero termoplástico vulcanizado fabricado mediante tecnología de fabricación aditiva 3D con un perfil capaz de adaptarse a un espacio existente entre superficies aerodinámicas de una aeronave, ya sean fijas, móviles o una combinación de ambas.

9. El sello de acuerdo con la reivindicación 8, en donde el material termoplástico vulcanizado tiene preferentemente una dureza superior a 50A e inferior a 52D o una combinación de termoplásticos vulcanizados con diferentes grados de dureza.

10. El sello aerodinámico de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 8 a 9 y en donde el material termoplástico vulcanizado ha sido dopado para obtener propiedades adicionales no presentes en el material no dopado.

11. El sello aerodinámico de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 8 a 10, que incorpora cavidades internas en lugares específicos del sello, ya sean huecas, rellenas con otro material, rellenas con un determinado patrón geométrico de relleno o rellenas con un elemento estructural adicional.