ES2255860B1 - Sistema y metodo de monitorizacion del curado de materiales compuestos. - Google Patents

Sistema y metodo de monitorizacion del curado de materiales compuestos. Download PDF

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Abstract

Sistema y método de monitorización del curado de materiales compuestos basado en el uso de sensores de material piezoeléctrico. Mediante la excitación externa de actuadores piezoeléctricos capaces de generar ondas elásticas que son recibidas por otros sensores piezoeléctricos distribuidos por la pieza a monitorizar y posteriormente tratadas con un sistema de recepción de señales capaz de realizar un control del proceso.

Description

Sistema y método de monitorización del curado de materiales compuestos.
Objeto de la invención
La presente invención describe un sistema y un método dirigido al seguimiento de diferentes procesos de curado de resinas y materiales compuestos avanzados, fabricados a partir de fibras de pequeño diámetro, diversa disposición y distinta naturaleza, embebidas en una matriz de resina de diferentes composiciones. El sistema es de especial aplicación, aunque no está restringido, al curado de elementos de estructuras aeronáuticas.
Antecedentes de la invención
Existen gran número de patentes relacionadas con la monitorización del curado de materiales compuestos que emplean diversos sistemas y procedimientos. La patente U.S. 4,891,591 usa un sistema basado en la variación del campo electromagnético para medir el grado de curado; este método presenta el inconveniente de que sólo es aplicable a materiales que presenten propiedades conductoras de la electricidad. La patente U.S. 4,921,415 hace referencia a un sistema basado en ultrasonidos adecuado para proceso de curado de alta temperatura. La patente U.S. 5,009,104 también describe un sistema basado en ultrasonidos. La patente U.S. 5,436,565 presenta un método de monitorización del curado basado en la medida de la capacidad eléctrica apto, únicamente, para materiales dieléctricos, como las resinas epoxi. La patente U.S. 5,770,155 hace uso de sensores de fibra óptica (redes de Bragg) para el mismo fin, al igual que la CN 1350174; los sensores de fibra óptica presentan el inconveniente de que sólo aporta información útil del proceso de curado hasta el punto de gelificación de la resina, mientras que el sistema que se presenta en este documento es capaz de aportar información del proceso de curado completo. La patente U.S. 5,911,159 trata de la monitorización de muestras de resinas mediante el empleo de ondas acústicas guiadas lo que implica la introducción de un elemento conductor de las ondas acústicas para medir la variación de la velocidad de propagación de dichas ondas a lo largo de dicho elemento. Finalmente la patente U.S. 6,675,112 B1 describe la monitorización de curado empleando la respuesta del sistema a excitaciones basadas en ondas de presión de muy baja frecuencia; el método aquí descrito emplea excitaciones de más alta frecuencia para obtener una respuesta más acusada de los distintos modos de vibración del sistema o pulsos para medir el tiempo de vuelo de la señal, y de este obtener la rigidez del material durante el proceso de curado.
Descripción de la invención
Los materiales compuestos han experimentado un gran desarrollo en los últimos años debido a la ligereza de las estructuras resultantes, con un grado de resistencia adecuado, y la capacidad para adaptarse a formas diversas requeridas en el diseño. Una de las fases más críticas del proceso de fabricación es el curado de la resina que sirve de matriz, y que, realizado de forma inadecuada, puede llevar a desechar la pieza fabricada. Durante el proceso de curado se somete a la pieza a una combinación de condiciones de temperatura y presión, generalmente establecidas de forma experimental por el fabricante de la materia prima, de forma que se consigue la solidificación de la matriz.
Sin embargo, los procesos de curado estándar están fijados en base a especímenes de laboratorio sencillos y pueden no ser óptimos para piezas reales de geometría más compleja. Además, en zonas de gran espesor de la pieza sometida al proceso de curado se pueden producir gradientes de temperatura elevados que lleven a un curado anómalo. Así mismo, una distribución incorrecta de las fuentes de calor puede dar como resultado un fraguado incompleto de la resina o un quemado de la misma, por exceso de temperatura.
Es por esto que, un sistema que permita controlar de forma continua el proceso de curado permitiría introducir modificaciones en el mismo que eviten los defectos que pudiesen aparecer en la pieza final - haciéndola no apta para su uso - o mejorar el ciclo de curado, reduciendo el tiempo de fabricación y, por tanto, reduciendo costes. El sistema y el método propuesto en este documento permite salvar las dificultades anteriormente mencionadas y mejorar el proceso de producción de piezas fabricadas a partir de material compuesto, abaratando su coste por la menor proporción de piezas inútiles resultantes y la reducción de tiempos de fabricación tal y como se desprende de las siguientes ventajas:
1.
No se tienen problemas con la temperatura del proceso de curado ya que los sensores son capaces de aportar información durante el proceso completo de curado.
2.
El método es valido tanto para la monitorización de resinas como de laminados de fibras en distintas direcciones.
3.
No es necesario introducir un elemento conductor de ondas (U.S. 5,911,159) ya que en el sistema propuesto las ondas se propagan por la propia pieza a fabricar.
4.
No tiene limitación en los materiales de las piezas a fabricar ya que no depende de propiedades electromagnéticas (U.S. 5,009,104) ni de la capacidad eléctrica (U.S. 5,436,565).
Breve descripción de las figuras
Las figuras incluidas en esta patente ayudan a explicar la invención a la que se refiere la misma, apoyando de forma gráfica las descripciones posteriores.
La Fig. 1 representa un esquema de una posible disposición de piezotransductores en una placa simple de material compuesto a someter a proceso de curado.
La Fig. 2 muestra un ejemplo de variación en el tiempo de la respuesta en frecuencia, alrededor de una frecuencia natural, de una placa de material compuesto durante el proceso de curado.
La Fig. 3 presenta la variación en el tiempo del valor de la frecuencia natural de la Fig. 2. (círculos) y su comparación con el valor experimental esperado (línea continua).
La Fig. 4 muestra un ejemplo de evolución del módulo de compresibilidad de curado de una placa de fibra de carbono y resina epoxi en función del tiempo de curado (horas:minutos).
Descripción de la realización práctica
El sistema y método de monitorización del curado aquí descrito es aplicable para los distintos tipos de procesos existentes en la actualidad, incluyendo:
-
Curado con bolsa de vacío
-
Curado en horno
-
Curado en autoclave
-
Moldeo por compresión
-
"Integrally heated tooling"
El sistema objeto de patente incluye:
-
Una red de piezoeléctricos distribuida en la pieza objeto de monitorización (1) como la representada en la Fig. 1 formada por, al menos, un elemento piezoeléctrico con capacidad para ejercer tanto de elemento actuador (5) como de elemento sensor (2), (3) y (4). La distribución de los piezoeléctricos será tal que abarque las zonas de la pieza a curar que se consideren críticas y/o de especial interés en el proceso de curado. Dichos piezoeléctricos se encontrarán embebidos en la pieza. Por embebidos se entenderá colocados entre las láminas que conforman el apilado de la pieza (en caso de tratarse de un material compuesto de fibras y una matriz de resina), totalmente rodeados de resina (en el caso de elementos fabricados únicamente a partir de resina) o en contacto con una superficie externa de la misma (en ambos casos). La conexión entre los elementos piezoeléctricos y los equipos de actuación y registro de señales (abajo descritos) podrá realizarse mediante cables y/o mediante un sistema inalámbrico de transmisión de señales. En cualquier caso se habilitarán los medios oportunos (no descritos en esta patente), tanto en la pieza, como en el molde, como en el horno o en el autoclave, para conducir los cables y/o instalar los equipos inalámbricos que conectan los elementos piezoeléctricos con los equipos de actuación y registro de las señales. El material piezoeléctrico se elegirá de forma que la temperatura de Curie del mismo sea, al menos, el doble de la temperatura máxima del ciclo de curado. Así se podrán usar, por ejemplo pero no únicamente, titanato-zirconato de plomo (PZT) para temperaturas de curado de hasta 100-150°C y tantalato de litio (LiTaO_{3}) o niobiato de litio (LiNbO_{3}) para temperaturas mayores.
-
Un sistema de generación de señales eléctrica capaz de general tanto señales impulsivas como trenes de onda de corta duración y frecuencia monocromática o frecuencia variable en el tiempo (chirrido). En caso de emplear impulso como señales de excitación del sistema se emplearán, al menos, dos elementos piezoeléctricos, operando uno de ellos como actuador y el otro u otros como sensores. El papel de actuador podrá conmutarse entre los distintos piezoelementos que conforman la red (con el sistema conmutador descrito más adelante) desempeñando el resto de piezoeléctricos el rol de sensores. En caso de emplear el segundo tipo de señales (trenes de onda), la frecuencia (señal monocromática) o el rango de frecuencias (chirrido) elegido deberá excitar los modos propios fundamentales de la pieza; en el caso de trenes de onda, igualmente habrá un solo elemento piezoeléctrico actuando como emisor mientras que la recepción se puede efectuar con este mismo elemento y/o con otros piezotransductores diferentes que formen parte de la red. El sistema podrá estar formado, no de forma exclusiva, por un generador de señales autónomo o un sistema de generación de señales basado en un ordenador personal. La amplitud de la señal requerida puede ser, en función de las características disipativas de la pieza objeto de estudio, de entre algunos voltios y varios centenares de voltios, por lo que puede ser necesario complementar el sistema de generación de señales con un amplificador dinámico capaz de llevar la señal generada al nivel de tensión eléctrica requerido, sin alterar, apreciablemente, el contenido en frecuencia.
-
Un sistema de recepción de señales eléctricas capaz de registrar la respuesta del o los piezoeléctricos que actúan como sensores. Generalmente este sistema comprenderá un osciloscopio digital y/o un sistema de adquisición de datos basado en un ordenador personal, aunque no de forma exclusiva. Si el nivel de la señal eléctrica fuese superior al máximo permitido por el sistema registrador de señal se incluiría un divisor de tensión eléctrica, de relación de conversión constante o variable, capaz de transformar la señal recibida a un nivel de tensión eléctrica adecuado para el sistema de registro de señales.
-
Si el sistema cuenta con más de un piezoeléctrico será necesario el empleo de un equipo de conmutación para poder seleccionar el elemento que ejerce el papel de actuador así como el o los elementos que se comportarán como sensores. Dicho equipo podrá ser comandado por un ordenador personal o manualmente.
El método objeto de patente consiste en:
-
La instalación de una red de piezotransductores distribuida en una pieza de material compuesto a curar (Fig. 1) de forma que abarque las zonas críticas y/o de interés durante el proceso de curado. Los piezoelementos se instalarán a una distancia suficiente que permita medir el "tiempo de vuelo" de las señales entre el piezoelemento actuador y el piezoelemento sensor con un error menor del 5%. Si en la pieza a monitorizar tuviese propiedades distintas en función de la dirección, por la disposición específica de las capas de fibras, los piezoeléctricos se colocarán de forma que algunos de los caminos recorridos por las ondas elásticas, al viajar entre el piezoeléctrico que actuase como emisor y el o los que actuasen como receptores, coincida con estas direcciones del material.
-
La conexión de dichos elementos a un sistema de generación y registro de señales como el descrito anteriormente.
-
La generación mediante un sistema de generación de señales conectado al piezoelemento con función de actuador, de señales impulsivas, de muy corta duración (algunos milisegundos), o trenes de onda monocromáticos. En el caso de trenes de onda, la frecuencia de la señal estará comprendida entre los 100 Hz y 20 kHz, formada por entre 3 y 7 ciclos, y, adicionalmente, se le podrá aplicar una ventana de Hanning (u otro tipo) para evitar problemas de "leakage" en la respuesta en frecuencia.
-
Transmisión de la onda elástica generada por el piezoelemento actuador a través de la propia pieza a curar.
-
El registro sincronizado de la señal directa recibida en otro u otros piezoelementos que actúan como sensores, colocados en la pieza que está curando, para la medida del tiempo de vuelo de la señal. Una vez obtenido el tiempo de vuelo de la señal (t_{i}) y conocida la distancia entre piezoelementos (d_{i}) se calcula la velocidad de propagación de las ondas (C_{i}) como:
Ec. (1)C_{i} = \frac{d_{i}}{t_{i}}
Las características de rigidez de la pieza para la dirección i se podrán obtener aplicando las siguiente ecuaciones:
\kappa_{i} = \rho C_{i}^{2}
Ec. (2)
Donde \kappa_{i} es el módulo de compresibilidad y \rho la densidad de la pieza. La evolución de este valor, como el representado en la Fig. 4, comparada con el evolución teórica esperada, da indicación de la marcha del proceso de curado y de cuando se puede dar este por concluido. Mediante la medida de este parámetro durante el proceso de curado en distintos puntos de la pieza se puede asegurar el curado uniforme de la misma.
-
La generación mediante un sistema de generación de señales trenes conectado al piezoelemento con función de actuador, de ondas de frecuencia variable en el tiempo de corta duración (algunas décimas de segundo) y un rango de frecuencias en el que se encuentren una o varias de las frecuencias naturales de la pieza objeto de monitorización, sensibles al cambio de rigidez que ocurre durante el proceso de curado.
-
Transmisión de la onda elástica generada por el piezoelemento actuador a través de la propia pieza a curar.
-
El registro sincronizado de la respuesta en frecuencia del sistema en los puntos donde están colocador el resto de piezotransductores que actúan como sensores, en la pieza que está curando, como se representa en la Fig. 2. En este caso, al ser muy complicado relacionar de manera analítica las frecuencias naturales del conjunto que forman la pieza sometida al proceso de curación y el molde o elemento confinante, se procederá a la comparación de la variación de la o las frecuencias naturales con el tiempo con la variación representativa, que se debe haber obtenido previamente de manera experimental, como se representa en la Fig. 3. Esta comparación permitirá asegurar el correcto desarrollo del proceso de curado e introducir las modificaciones oportunas durante el mismo, para conseguir la correcta curación de la pieza.

Claims (16)

1. Sistema de monitorización del curado de materiales compuestos formados por solo una resina o por distintas láminas de fibra formando un laminado, de los que emplean un sistema de generación de ondas eléctricas y un sistema de recepción de ondas elásticas, caracterizado por constar de una red de elementos piezoeléctricos conectados a los sistemas de generación de ondas eléctricas y de recepción de ondas elásticas, capaces de generar y recibir ondas elásticas, estando los elementos piezoeléctricos en contacto directo con el material y por constar de un equipo de conmutación para seleccionar el elemento piezoeléctrico adecuado.
2. Sistema de monitorización, según reivindicación 1ª, caracterizado porque la red de piezoeléctricos está compuesta por al menos un elemento piezoeléctrico con capacidad de actuar como emisor y receptor de ondas elásticas.
3. Sistema de monitorización, según reivindicación 1ª, caracterizado porque los elementos piezoeléctricos se encuentran o bien embebidos en la pieza a monitorizar o bien posicionados sobre su superficie.
4. Sistema de monitorización, según reivindicación 1ª, caracterizado por tener un equipo de conmutación para seleccionar el elemento piezoeléctrico que ejerce el papel de actuador así como el o los elementos que se comportan como sensores.
5. Sistema de monitorización, según reivindicación 1ª, caracterizado porque la conexión entre el sistema de generación de ondas eléctricas y el piezoeléctrico actuador puede realizarse bien sea mediante cables o mediante un sistema inalámbrico.
6. Método de monitorización del curado de materiales compuestos, caracterizado porque
-
la distribución de los elementos piezoeléctricos permite realizar mediciones y es coincidente con una dirección determinada,
-
el material del elemento piezoeléctrico permite altas temperaturas, las ondas elásticas se transmiten por la propia pieza y
-
se generan ondas impulsivas de corta duración y frecuencia variable mediante el sistema de generación de señales eléctricas,
7. Método de monitorización, según reivindicación 6ª, caracterizado porque la distribución de los elementos piezoeléctricos permite medir el tiempo de vuelo de la onda entre el piezoeléctrico emisor y el receptor.
8. Método de monitorización, según reivindicación 6ª, caracterizado porque la distribución de los elementos piezoeléctricos en la pieza a monitorizar, cuando se trate de una pieza formada por láminas de fibra, es tal que la dirección que une los piezoeléctricos coincide con una de las direcciones de las fibras del laminado de las piezas a fabricar.
9. Método de monitorización, según reivindicación 6ª, caracterizado porque el material del que está formado el piezoeléctrico tiene una temperatura de Curie por lo menos el doble que la máxima temperatura que se emplee en el ciclo de curado de la pieza a monitorizar.
10. Método de monitorización, según reivindicación 6ª, caracterizado porque las ondas elásticas que viajan entre los elementos piezoeléctricos se transmiten por la propia pieza a monitorizar sin necesidad de elementos transmisores.
11. Método de monitorización, según reivindicación 6ª, caracterizado porque el sistema de generación de señales eléctricas es capaz de generar señales impulsivas y/o trenes de onda de corta duración y frecuencia monocromática y/o trenes de onda de corta duración y frecuencia variable.
12. Método de monitorización, según reivindicación 6ª, caracterizado porque en caso de que la señal eléctrica generada sea del tipo tren de onda de frecuencia monocromática o variable, las frecuencias empleadas sean tal que exciten a la pieza a monitorizar en alguno de sus modos fundamentales de vibración.
13. Método de monitorización, según reivindicación 6ª, caracterizado porque el sistema de recepción es capaz de registrar y almacenar las señales elásticas de los piezoeléctricos receptores.
14. Método de monitorización, según reivindicación 6ª, caracterizado porque en el caso de que la señal eléctrica generada sea del tipo impulsivo es necesario la presencia de al menos dos piezoeléctricos uno actuando como emisor y otro como receptor.
15. Método de monitorización, según reivindicación 6ª, caracterizado porque en el caso de que la señal eléctrica generada sea del tipo tren de onda es necesario la presencia de solo un elemento piezoeléctrico con capacidad de actuar como emisor y receptor.
16. Método de monitorización, según reivindicación 6ª, caracterizado porque la amplitud de la señal eléctrica generada ha de ser mayor de 5 voltios y menor que 1000 voltios.
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