ES2211853T3 - Procedimiento de fabricacion de piezas en materiales compuestos. - Google Patents
Procedimiento de fabricacion de piezas en materiales compuestos.Info
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Abstract
Procedimiento de fabricación de pieza en materiales compuestos del tipo casco (10) apto para ser colocado en un molde (20) y destinado a ser cocido con la ayuda de medios de calentamiento (40, 41, 42, 43, 50) en una estufa (60) constituido por el molde (20), caracterizado por que el molde (10) comprende una capa de aislante térmico (12) recubierto de una y otra parte por, respectivamente, una piel interior (11) y una piel exterior (13), asegurando la piel interior (11) el contacto con la cara exterior (10b) del casco que se ha de cocer (10).
Description
Procedimiento de fabricación de piezas en
materiales compuestos.
La presente invención se refiere a un
procedimiento de fabricación de piezas realizadas en materiales
compuestos bien en preimpregnados, bien por vía húmeda, que
necesita una reticulación en caliente. La invención se aplica, por
ejemplo, al ámbito de la construcción naval para la realización de
cascos o de bóvedas de grandes dimensiones del tipo de las
utilizadas para la fabricación de submarinos.
La solución clásica conocida y utilizada
actualmente consiste en realizar las piezas en material compuesto
por moldeado en maquinarias tradicionales, como se describe en el
documento US-A-3043017 y el
preámbulo de la reivindicación 1. En primer lugar, se fabrica un
molde metálico hembra a las dimensiones de la pieza en material
compuesto deseada. Después se instalan los diferentes componentes
de la pieza que se ha de realizar contra la superficie interior de
este molde de puesta en forma. Por último, el conjunto constituido
por el molde metálico y el revestimiento se dispone en un horno o
un autoclave a una temperatura suficiente para realizar la
polimerización entre los diferentes componentes.
Una fabricación de este tipo presenta, sin
embargo, numerosos inconvenientes:
- -
- La realización del molde es costosa. Para soportar una temperatura del orden de 150ºC cuando el conjunto molde-revestimiento está en la fase de cocción en un horno o un autoclave, es necesario utilizar un molde metálico mecanizado que integre un sistema de refrigeración para paliar las dilataciones de los elementos.
- -
- Además, la utilización de este tipo de procedimientos está reservada casi exclusivamente para las piezas de pequeñas dimensiones. Para las piezas más importantes, el tamaño del horno de calentamiento correspondiente es prohibitivo. Por otra parte, cuanto más importantes son las dimensiones de la pieza, más difícil es asegurar una homogeneidad de la temperatura por toda su superficie. Es una de las razones por las que es muy delicado, y hasta imposible, realizar piezas de grandes dimensiones en estos hornos o autoclaves, sin que el coste no sea extremadamente importante.
Para responder a estos problemas, se han
presentado ya otros procedimientos. La patente FR 2.574.341 trata
de una invención aplicable a la realización de cascos de buques que
tengan igualmente grandes dimensiones. Propone la utilización de un
molde de varias partes, con capas eléctricamente calefactoras
colocadas directamente en contacto con la superficie exterior y con
la superficie interior de la pieza que se ha de realizar. Este
procedimiento, aunque se puede adaptar para la fabricación de
piezas de tamaño importante, no se puede aplicar, sin embargo,
cuando es necesario realizar piezas con características técnicas
precisas, como las dimensiones o las características
electromagnéticas propias, por ejemplo, de una bóveda de submarino.
La utilización de un molde de varias partes no permite tener una
precisión importante sobre las dimensiones de la pieza que se ha de
realizar. Además, parece difícil efectuar una colocación precisa
del sistema de capas calefactoras para asegurar un buen reparto de
temperatura por el conjunto de la pieza y garantizar así una
polimerización homogénea de ésta última, sin formación de burbuja
de aire.
El objeto de la presente invención es remediar
los inconvenientes anteriores proponiendo un procedimiento de
fabricación de piezas compuestas, especialmente de grandes
dimensiones, a menor coste.
Otro objeto de la invención es permitir la
realización de piezas con la ayuda de un procedimiento poco
costoso, respetando al mismo tiempo características físicas
precisas como las dimensiones, la permeabilidad electromagnética o
también el nivel acústico del conjunto.
Para hacerlo, la invención tiene por objeto un
procedimiento de fabricación de pieza en materiales compuestos de
tipo casco apto para ser colocado en un molde y destinado a ser
cocido con la ayuda de medios de calentamiento en una estufa. Este
procedimiento se caracteriza por que la estufa está constituida
especialmente por el molde.
Preferentemente, el procedimiento según la
invención se realiza con la ayuda de un molde que comprende una
capa de aislante recubierta de una y otra parte por,
respectivamente, una piel interior y una piel exterior. La piel
interior de este molde asegura entonces el contacto con el casco que
se ha de cocer.
Las pieles interior y exterior del molde pueden
realizarse en materiales del tipo materiales compuestos
estratificados y la capa de aislante en materiales del tipo
polimetacrilato de imida.
Preferentemente, los medios de calentamiento
comprenden un tapón de caldeo dotado de rejillas que aseguran la
distribución del aire caliente producido por un generador de aire
caliente que comunica con el tapón de caldeo. Comprenden igualmente
una chimenea dotada de una campana que comunica con este mismo tapón
de caldeo para aspirar el aire refrigerado en el fondo del molde.
Estos medios de calentamiento pueden constituir igualmente la parte
complementaria del molde para la realización de la estufa.
El procedimiento objeto de la invención presenta
las ventajas siguientes.
El procedimiento utiliza medios de calentamiento
del tipo generador de aire caliente, no estando este aire en
contacto más que con una parte del casco que se ha de cocer, no
necesitando ya, por tanto, horno ni autoclave. Además, con un
procedimiento de este tipo que ya no ofrece contacto directo entre
el calor creado y el molde, la utilización de sistemas de
refrigeración del molde ya no es obligatoria pues las deformaciones
debidas a las altas temperaturas del horno en los procedimientos de
la técnica anterior se han disminuido considerablemente. Es, por
tanto, una de las principales ventajas de la invención el presentar
un procedimiento en el que la estufa que sirve para calentar el
casco está constituida especialmente por el molde mismo.
Otra ventaja de la invención es la limitación de
los costes de los medios de producción utilizados. El molde hembra
constituye la estufa para la realización de la pieza. Cumple a la
vez las funciones de maquinaria y las funciones de medio de
cocción. Tampoco es necesario, por tanto, disponer de un horno o de
un autoclave. Además, según un modo particular de realización de la
invención, este molde no se mecaniza en una pieza metálica, sino
que se realiza en material compuesto, reduciendo entonces más los
problemas debidos a la dilatación del molde bajo el efecto del
calor.
El procedimiento según la invención propone
ventajosamente una realización precisa de las dimensiones de la
pieza. El molde hembra no está constituido por un ensamblaje de
diferentes moldes; está constituido por un solo elemento y se
mecaniza en las dimensiones de la pieza que se ha de realizar.
Ventajosamente, existe la posibilidad de
controlar precisamente los ciclos de temperatura. El molde estufa
se une a una central de acondicionamiento que permite refrescar el
aire ambiente durante la instalación de los elementos preimpregnados
y asegurar después un ciclo de calentamiento hasta 150ºC para
permitir su reticulación.
Otras características y ventajas de la invención
aparecerán en la descripción detallada, no limitativa, a
continuación.
Esta descripción se hará con respecto a los
dibujos adjuntos, entre los cuales:
- la figura 1 representa un corte transversal
parcial esquemático de una pieza en curso de realización según el
procedimiento objeto de la invención durante la etapa de
calentamiento de la pieza que se ha de cocer;
- la figura 2 es un corte parcial del detalle A
de la figura 1 que representa un molde asociado a la pieza en
materiales compuestos destinado a ser cocido.
Con referencia a la figura 1, la invención tiene
por objeto un procedimiento de fabricación de pieza en materiales
compuestos del tipo casco 10. Este casco comprende una cara
interior 10a y una cara exterior 10b, estando la cara exterior 10b
destinada a estar en contacto con un molde 20 cuando la pieza 10
que se ha de cocer se ha colocado en el interior de este molde. Una
vez colocada, la etapa siguiente del procedimiento según la
invención consiste en la cocción del casco 10 en el interior de una
estufa 60, por medio de medios de calentamiento del tipo que genera
aire caliente. Sin embargo, este aire caliente no está en contacto
directo con el conjunto constituido por el molde y el casco, sino
únicamente con la cara interior 10a de este casco 10. Esto se va a
realizar entonces tomando el molde 20 como constituyente de una
parte de la estufa 60 en donde está destinado a cocerse el casco
10.
Siempre con referencia a la figura 1, se propone
realizar una bóveda de submarino identificada por la pieza 10. Esta
bóveda tiene unas dimensiones de aproximadamente 8,9 metros de
diámetro y una altura de aproximadamente 6,75 metros. Se trata, por
tanto, de una pieza de gran dimensión, pudiéndose fabricar piezas
de dimensiones más pequeñas, por supuesto, con la ayuda del
procedimiento según la invención. Este casco 10 se compone de
diferentes capas de materiales compuestos preimpregnados. Se fabrica
con la ayuda de una maquinaria específica constituida por el molde
estufa hembra 20. Este molde 20 se ha realizado previamente en
materiales compuestos, a las cotas de la pieza final. Hay que notar
que este último se puede representar también bajo una forma clásica
de molde conocido de la técnica anterior, del tipo molde de acero.
En un modo preferente de realización, está constituido, como se
presenta en la figura 2, por una piel interior 11, denominada piel
caliente, en contacto con la pieza 10 que se ha de realizar. Esta
piel caliente está separada de la piel exterior 13, denominada piel
fría, por un alma 12 de espuma que asegura el aislamiento entre las
dos pieles. Esta realización permite, entre otros, disminuir el
riesgo de dilatación del molde con respecto al que existe con un
molde de acero, pero participa igualmente en la provisión de una
cierta homogeneidad en el reparto de calor generado por los medios
de calentamiento 40, 41, 42, 43, 50.
El conjunto formado por el casco 10 y el molde 20
se sostiene sobre el suelo mediante un bastidor de soporte 30.
En esta realización preferente tal como se
representa en la figura 1, el molde 20, que constituye una parte de
la estufa en la que se va a cocer el casco 10, tiene una forma
sensiblemente comparable a un semielipsoide de revolución, en el
interior del cual está destinado a colocarse el casco 10. En la
parte superior de este molde 20, podemos encontrar la primera parte
40, 41, 42, 43 de los medios de calentamiento 40, 41, 42, 43, 50
que servirá igualmente de parte complementaria al molde 20 para la
realización de la estufa 60 al venir a cerrar el volumen creado por
este molde 20.
Disponemos primero de un tapón de caldeo 40, o
tapadera del molde estufa 20, constituido por un cajón metálico
enteramente aislado. Consta, en la parte baja, de las rejillas 41,
que aseguran la distribución periférica del aire caliente
representado en la figura 1 por flechas que simbolizan su movimiento
en el interior del volumen creado por la geometría específica del
molde 10 y, por tanto, de la estufa 60. Estas rejillas 41 equipadas
de aletas permiten el ajuste de la velocidad de paso en cada boca de
salida, asegurando así una homogeneidad mayor del calor en contacto
con el casco 10 que se ha de cocer.
El tapón de caldeo 40 está equipado igualmente en
su parte central con una boca de aspiración del aire refrigerado en
el fondo del molde. Esta boca está constituida por una chimenea 42
y una campana 43 que canaliza el aire hacia el tapón.
Por último, la segunda parte que constituye los
medios de calentamiento comprende un generador de aire caliente 50
o también denominado central de acondicionamiento. Este generador
permite, durante las fases de instalación de los materiales
compuestos preimpregnados, expulsar el aire y mantener una
temperatura suficientemente baja para permitir su manipulación.
Asegura después, en fase de reticulación, la expulsión de aire
caliente y el reciclaje del aire refrigerado después de su
aspiración efectuada por la chimenea 42 y la campana 43.
Aunque esto no esté representado en la figura 1,
los medios de calentamiento 40, 41, 42, 43, 50 están compuestos
también por un sistema que permite el control de la emisión de aire
así como el control de su temperatura. Integra, por último, un
sistema de trazabilidad que asegura el registro de los ciclos de
cocción.
El proceso de fabricación de una pieza del tipo
bóveda de submarino comprende cuatro fases principales que son las
siguientes.
- -
- La realización de un molde bruto;
- -
- La realización de un bastidor de soporte y la fijación de éste último con el molde bruto;
- -
- El acabado del molde en la cota definitiva;
- -
- El moldeado del casco.
La primera fase de este procedimiento según un
modo de realización preferente de la invención consiste en realizar
un molde bruto 20 que está destinado a servir para la fabricación
de la pieza final 10. Para hacerlo, se realizan las etapas
siguientes.
- -
- La fabricación, a menor coste y sin búsqueda de precisión, de un modelo macho de forma geométrica tosca. Su realización se efectúa mediante blasones contrachapados y obra de abeto;
- -
- La puesta en forma y la colocación en este modelo, con la ayuda de una película adhesiva de doble cara, de placas finas de materiales compuestos equipadas de una película de deslaminación en las dos caras;
- -
- La estratificación de este ensamblaje de placas mediante resina de maquinaria de epoxi y vidrio. Este ensamblaje constituye entonces la piel caliente del futuro molde 20;
- -
- El depósito sobre esta piel caliente del material aislante 22. Este material puede ser del tipo espuma de polimetacrilato de imida, de madera de balsa o de cualquier otro material similar;
- -
- La estratificación de la piel fría 23 del molde sobre el material aislante, mediante un procedimiento tradicional del tipo de vía húmeda mecanizada con la ayuda de un material de impregnación.
La segunda fase consiste en realizar un bastidor
de soporte, después solidarizar éste con el molde antes de volver
este conjunto una vez constituido. Para hacerlo, se efectúan las
etapas siguientes.
- -
- La realización paralelamente a la de la primera fase, de un bastidor de soporte 30 del molde 20, constituido por elementos de emparedado de vidrio/epoxi con un alma en madera de balsa;
- -
- La colocación de este bastidor sobre el molde bruto y la fijación a éste último mediante estratificación de bandas compuestas integrando igualmente cantoneras de materiales compuestos de vidrio/epoxi en cada intersección para permitir una continuación de los esfuerzos;
- -
- El desmontaje por el interior del modelo de madera;
- -
- La vuelta del conjunto constituido por el molde bruto 20 y bastidor de soporte 30.
La tercera fase debe permitir disponer, una vez
terminada su realización, de un molde fabricado a las cotas finales
de la pieza que se ha de efectuar. Hay que emprender las
operaciones siguientes.
- -
- La prefabricación de placas de material mecanizable con la ayuda de una matriz de epoxi cargada de polvo de aluminio. Estas placas tienen por dimensiones aproximadamente 1 m x 0,5 m y un espesor variable de 30 a 40 mm;
- -
- La colocación de las placas de material mecanizable prefabricadas, sobre la piel caliente del molde, con la ayuda de un adhesivo de agarre. La película de deslaminación presente sobre esta piel caliente se quita previamente;
- -
- El montaje de los medios de calentamiento 40, 41, 42, 43, 50 tal como se presentan en la figura 1 descansando sobre la parte superior del molde 20, y la estabilización del material colocado sobre la piel caliente mediante un ciclo de cocción a 150ºC;
- -
- El mecanizado a la cota final, a más o menos 2 mm, del interior del molde, mediante una unidad de mecanizado (del tipo torno), que viene a ponerse en el lugar de los medios de calentamiento;
- -
- Después del control fotogramétrico del mecanizado, la superficie interior del módulo recibe la aplicación de un producto de acabado del tipo CAPA SUPERIOR, que se recuece a 150ºC con la ayuda del dispositivo de caldeo, y, por último, se lustra con la ayuda de una crema de lustrado, para obtener un acabado perfecto.
Al final de esta tercera fase, se dispone de un
molde definitivo, a las dimensiones precisas del casco que se ha de
realizar. La cuarta y última fase reagrupa, por tanto, las
diferentes etapas necesarias para la realización de la pieza en sí,
que se pueden describir de la manera siguiente.
- -
- La aplicación de las capas de materiales compuestos preimpregnados. Durante esta puesta en práctica, el dispositivo de caldeo se puede utilizar para mantener una temperatura ideal de manipulación de los materiales preimpregnados;
- -
- La reticulación de los materiales compuestos realizando ciclos de calentamiento a una temperatura del orden de 150ºC;
- -
- El desmoldeo de la pieza después de la refrigeración;
Se pueden considerar variantes de realización del
procedimiento para la fabricación de cualquier otra pieza
compuesta, de pequeña o de gran dimensión y de cualquier otra
forma. Las piezas no tienen ninguna obligación de presentarse bajo
una forma de revolución, siendo la condición esencial adaptar el
sistema de flujo de aire en sopladura y en aspiración, en el
interior del molde estufa, en función de las diferentes formas
específicas para cada casco.
Claims (7)
1. Procedimiento de fabricación de pieza en
materiales compuestos del tipo casco (10) apto para ser colocado en
un molde (20) y destinado a ser cocido con la ayuda de medios de
calentamiento (40, 41, 42, 43, 50) en una estufa (60) constituido
por el molde (20), caracterizado porque el molde (10)
comprende una capa de aislante térmico (12) recubierto de una y
otra parte por, respectivamente, una piel interior (11) y una piel
exterior (13), asegurando la piel interior (11) el contacto con la
cara exterior (10b) del casco que se ha de cocer (10).
2. Procedimiento de fabricación de pieza en
materiales compuestos según la reivindicación 1,
caracterizado por que la piel interior (11) y la piel
exterior (13) del molde (10) se realizan en materiales del tipo
materiales compuestos estratificados y que la capa de aislante (12)
se realiza en materiales del tipo polimetacrilato de imida.
3. Procedimiento de fabricación de pieza en
materiales compuestos según una cualquiera de las reivindicaciones
precedentes, caracterizado porque los medios de
calentamiento (40, 41, 42, 43, 50) comprenden un tapón de caldeo
(40) dotado de rejillas (41) que aseguran la distribución del aire
caliente producido por un generador de aire caliente (50) que
comunica con el tapón de caldeo (40), así como una chimenea (42)
dotada de una campana (43) y que comunica con el tapón de caldeo
(40) para aspirar el aire refrigerado en el fondo del molde
(20).
4. Procedimiento de fabricación de pieza en
materiales compuestos según una cualquiera de las reivindicaciones
precedentes, caracterizado porque los medios de
calentamiento (40, 41, 42, 43, 50) constituyen la parte
complementaria del molde (20) para la realización de la estufa
(60).
5. Procedimiento de fabricación de pieza en
materiales compuestos según una cualquiera de las reivindicaciones
precedentes, caracterizado porque el molde (20) está
mantenido por un bastidor de soporte (30) constituido especialmente
por elementos de emparedado del tipo vidrio-epoxi
con un alma realizada en madera de balsa.
6. Procedimiento de fabricación de pieza en
materiales compuestos según una cualquiera de las reivindicaciones
precedentes, caracterizado porque los medios de
calentamiento (40, 41, 42, 43, 50) permiten la puesta en práctica de
los materiales que constituyen el casco (10) en condiciones
nominales óptimas.
7. Procedimiento de fabricación de pieza en
materiales compuestos según una cualquiera de las reivindicaciones
precedentes, caracterizado porque el procedimiento se
realiza según las etapas siguientes:
- a)
- la realización de un molde bruto;
- b)
- la realización de un bastidor de soporte del molde y la fijación de éste último sobre el molde;
- c)
- el acabado del molde a la cota definitiva;
- d)
- el moldeado del casco.
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