ES2396299T5 - Método y utillaje eficiente en material para moldeo continuo por compresión - Google Patents
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Description
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DESCRIPCION
Metodo y utillaje eficiente en material para moldeo continuo por compresion ANTECEDENTES DE LA INVENCION
Esta descripcion se refiere generalmente a procesos y equipamientos para moldeo continuo por compresion de estratificados termoplasticos compuestos y trata mas particularmente de un metodo de moldeo continuo por compresion y un utillaje relacionado que reducen la cantidad de material necesario para fabricar los estratificados.
El moldeo continuo por compresion (CCM) es un proceso usado para fabricar estratificados compuestos termoplasticos (TPC) en longitudes continuas. Un proceso de CCM se describe en la Solicitud de Patente Alemana DE 4017978 C2, publicada el 30 de septiembre de 1983. Este proceso es capaz de producir TPCs de diversas formas y tamanos de una manera semicontinua. Tramos largos o continuos de capas de estratificado son alimentados mediante una operacion de preformado en la que las capas se conforman como una preforma continua que se hace pasar posteriormente a traves de una operacion de consolidacion. La operacion de consolidacion incluye una prensa de compresion continuamente operativa que fuerza las capas una contra otra y las consolida con la forma final de la pieza.
Una desventaja del proceso de CCM anteriormente descrito es el desecho de material en los extremos delantero y trasero de cada lote de produccion. Este desecho es el resultado de la posicion de la unidad de avance con respecto al punto de comienzo del proceso de consolidacion, asf como de la necesidad de mantener un hueco consistente en la prensa para lograr una alineacion adecuada. Este desecho tiene comunmente la forma del perfil de la pieza y puede tener una longitud tfpica de 1,80m a 2,40m (6 a 8 pies) por ejemplo en algunas aplicaciones. Esta cantidad de desecho puede no considerarse significativa en lotes de produccion grandes o lotes de produccion que usen materiales menos caros. Sin embargo, en el caso de lotes de produccion que usan materiales mas caros, o lotes de produccion relativamente cortos, el desecho de material puede comprender una cantidad sustancial del coste de produccion de las piezas.
El documento US 2005/0053765A1 muestra un panel de forro transparente infundido con resina y un metodo para fabricar el mismo junto con moldes convencionales.
Ademas, el documento WO 88/10186 A1 muestra un metodo y una disposicion para la fabricacion, en moldes, de componentes a partir de materiales fibrocompuestos.
En consecuencia, existe la necesidad de un metodo y un utillaje relacionado que reduzcan el desecho de material. Realizaciones de la descripcion estan dirigidas a satisface esta necesidad.
SUMARIO
Segun la invencion, se proporciona un metodo segun la reivindicacion 1 y una pieza termoplastica estratificada segun la reivindicacion 10.
BREVE DESCRIPCION DE LAS ILUSTRACIONES
La figura 1 es una ilustracion digramatica de una lmea de moldeo continuo por compresion para fabricar piezas compuestas termoplasticas.
La figura 2 es una ilustracion en perspectiva simplificada de la lmea de moldeo mostrada en la figura 1.
La figura 3 es una ilustracion en perspectiva de una pieza compuesta termoplastico antes de haber recortado material desperdiciado de la pieza.
La figura 4 es una ilustracion en perspectiva de un utillaje segun una realizacion que puede usarse en la lmea de moldeo mostrada en las figuras 1 y 2.
La figura 5 es una vista similar a la figura 4, pero que muestra una pieza sujeta dentro de un rebajo del utillaje. La figura 6 es una ilustracion similar a la de la figura 2, pero mostrando el uso del utillaje representado en las figuras 4 y 5.
La figura 7 es una ilustracion de una vista lateral del area designada como “A” en la figura 6.
La figura 8 es una ilustracion de una vista lateral similar a la figura 7, pero mostrando una forma alternativa de un rebajo de utillaje.
DESCRIPCION DETALLADA
Las realizaciones de la descripcion proporcionan un utillaje eficiente en material para formar estratificados compuestos termoplasticos (TPC) y piezas estratificadas usando tecnicas de moldeo continuo por compresion (CCM). Segun se describira a continuacion con mas detalle, los estratificados y las piezas estratificadas pueden fabricarse segun un proceso continuo con un reducido desperdicio de material. Las realizaciones de la descripcion pueden emplearse en una amplia gama de aplicaciones y son especialmente adecuadas para formar miembros rigidizados con TPC usados en aplicaciones aeronauticas, que pueden incluir, sin limitaciones, forros de fuselaje, forros de ala, superficies de control, paneles de puerta y paneles de acceso, vigas de quilla, vigas de suelo y vigas
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de cubierta. Pueden fabricarse diversas geometnas en seccion transversal de las piezas incluyendo, sin limitaciones, secciones en I, secciones en Z, secciones en U, secciones en T, etc. Estas piezas pueden tener un grosor uniforme o no uniforme, y pueden ser curvas o rectas a lo largo de su longitud.
El proceso basico para formar piezas de TPC del tipo antes descrito se describe en la patente norteamericana numero 7.807.005, presentada el 2 de febrero de 2006, la solicitud de patente norteamericana numero US 2007 0175755 A1, presentada el 20 de octubre de 2006, y la solicitud de patente alemana DE 4017978 C2, publicada el 30 de septiembre de 1993.
Haciendo referencia a la figura 1, una lmea de produccion 10 de CCM puede incluir, en sentido amplio, una zona 20 de preformacion y un puesto 30 de consolidacion. Se suministran multiples capas 12, 14 de materiales compuestos desde rollos continuos (no mostrados) o con la forma de pilas unidas por puntos de soldadura (no mostradas) de piezas en tosco precortadas. Las capas 12, 14 de material compuesto se alimentan junto con mandriles 16 formadores de miembros de lamina a la zona 20 de preformacion. Unas grnas 18 u otros elementos de utillaje pueden usarse para alinear previamente y guiar las capas 12, 14 junto con los mandriles 16, asf como materiales de relleno opcionales (no mostrados) hacia la zona 20 de preformacion. Las capas 12, 14 de material preformadas y los mandriles 16 pueden hacerse pasar a traves de un horno (no mostrado) para elevar la temperatura de los materiales de capa con el fin de facilitar las operaciones de preformacion en la zona 20 de preformacion. Pueden preformarse diversas caractensticas, tales como pestanas (no mostradas) de una pieza, por ejemplo, en la zona 20 de preformacion usando presion aplicada a las capas 12, 14 y empleando rodillos 18 u otras herramientas formadoras.
La pieza preformada 22, que tiene la forma general de la pieza final, sale de la zona 20 de preformacion y se mueve hacia la operacion 30 de consolidacion. La operacion 30 de consolidacion incluye una pluralidad de matrices de herramienta estandarizadas indicadas generalmente con 36, que se conjugan individualmente con miembros de herramienta (no mostrados) que tienen superficies exteriores lisas acopladas con las matrices estandarizadas, y superficies interiores que tienen caractensticas labradas. Estas caractensticas labradas se imparten a la pieza preformada 22 durante el proceso de consolidacion. La comunalidad de las superficies entre las matrices estandarizadas 36 y las superficies exteriores de los miembros de herramienta elimina la necesidad de matrices conjugadas para piezas espedficas.
La operacion 30 de consolidacion incluye un mecanismo 40 de accionamiento pulsante que mueve la pieza preformada 22 hacia delante dentro de la operacion 30 de consolidacion y hacia fuera de la zona 20 de preformacion, en pasos incrementales continuos. Mientras la pieza preformada 22 se mueve hacia delante, la pieza preformada 22 entra en primer lugar en una zona 26 de calentamiento que calienta la pieza preformada 22 hasta una temperatura que permite el flujo libre del componente polfmero de la resina de matriz en las capas 12, 14.
A continuacion, la pieza preformada 22 se mueve hacia delante dentro de una zona u operacion 32 de prensado en donde las matrices estandarizadas 36 se bajan colectiva o individualmente a presiones predefinidas suficientes para comprimir y consolidar (es decir, permiten el flujo libre de la resina de matriz) las diversas capas 12, 14 con la forma y grosores deseados. Cuando se abren las matrices 36, la pieza preformada 22 es hecha avanzar incrementalmente dentro de la operacion 30 de consolidacion, tras lo cual las matrices 36 se cierran de nuevo, provocando que secciones sucesivas de la pieza 22 sean comprimidas dentro de zonas de temperatura diferentes, y consolidando asf las capas de estratificado en la seccion comprimida. Este proceso se repite para cada zona de temperatura de la matriz 36 mientras la pieza 22 es hecha avanzar incrementalmente a traves de la operacion 30 de consolidacion.
La pieza 22 totalmente formada y comprimida (consolidada) entra entonces en una zona 34 de enfriamiento que esta separada de la zona 32 de prensado, en donde la temperatura se rebaja por debajo de la temperatura de libre flujo de la resina de matriz en las capas 12, 14, provocando asf que la pieza fundida o consolidada 22 se endurezca hasta su forma prensada final. La pieza consolidada y enfriada 38 sale entonces de la operacion 30 de consolidacion, en donde los mandriles 16 son recogidos en los rodillos 42. La pieza de TPC formada final 44 se retira al final de la lmea 10.
Aunque se ha descrito anteriormente un proceso de CCM con fines ilustrativos, debera observarse que pueden usarse otros procesos de moldeo, incluyendo, pero sin limitarse a ellos, pultrusion o formacion con rodillos.
La figura 2 es una vista simplificada de la lmea 10 de CCM mostrada en la figura 1, en la que una pluralidad de capas 74 unidas por puntos de soldadura se hacen avanzar incrementalmente a traves de la zona 20 de preformacion y de la operacion 30 de consolidacion. El movimiento de las capas 74 unidas por puntos de soldadura es provocado por el mecanismo 40 de accionamiento pulsante, el cual agarra efectivamente el extremo 83, mostrado en la figura 3, de la pieza acabada totalmente formada 76 cuando sale de la operacion 30 de consolidacion.
Al final de un lote de produccion, sobra cierta cantidad de los materiales 74 de capa debido a que algunas porciones de los materiales 74 de capa permanecen dentro de la lmea 10 de CCM cuando finaliza la produccion. Este material sobrante se ilustra en la figura 3, en donde la pieza acabada 76 tiene una longitud acabada 78 con vmculos
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conectados de material sobrante designados como desperdicio 80, 82, respectivamente, en los extremos trasero y delantero de la longitud acabada 78. La principal razon de que el desperdicio 82 este en el extremo delantero de la pieza 76 es debida al hecho de que el mecanismo 40 de accionamiento pulsante se extiende mas alla de la zona 30 de consolidacion, y una longitud de la pieza totalmente formada 76 debe hacerse avanzar mas alla de la zona 30 de consolidacion antes de que el mecanismo 40 de accionamiento pulsante pueda agarrar el extremo de la pieza 76. La distancia entre el mecanismo 40 de accionamiento pulsante y el extremo de la operacion 30 de consolidacion se corresponde, por tanto, con la longitud del desperdicio 82 en el extremo delantero de la pieza 76.
La principal causa de que el desperdicio 80 este en el extremo trasero de la pieza 76 es el resultado de la necesidad de mantener un hueco constante en toda la longitud de las prensas en las operaciones 30 de consolidacion. Mas particularmente, es necesario tener los elementos de prensa (no mostrados) en la operacion 30 de consolidacion aplicando una presion constante sobre la pieza 76 hasta que esta haya salido totalmente de las operaciones 30 de consolidacion. De otra manera, puede aplicarse una presion desigual por los platos de prensa al extremo de la pieza 76 durante el proceso de consolidacion, lo que podna deformar algunas porciones de la pieza 76 o dar como resultado la aplicacion de presiones desiguales durante el proceso de consolidacion.
Segun se expuso anteriormente, la longitud del desperdicio 80, 82 al final de un lote de produccion puede no ser significativa cuando los materiales que se estan usando son baratos o cuando los lotes de produccion son de gran volumen; sin embargo, en el caso de uso de materiales caros, o lotes de produccion corta, el coste de los desperdicios 80, 82 puede ser significativo. Segun las realizaciones descritas, este desperdicio puede eliminarse usando el utillaje 84 mostrado en las figuras 4-7.
En el ejemplo ilustrado, la pieza acabada 76 tiene una seccion transversal en forma de U (figura 3) y tiene un grosor de pared uniforme en toda su longitud. El utillaje 84 incluye un cuerpo 86 de herramienta que tiene una seccion central 92, y unos extremos delantero y trasero 98, 100, respectivamente en extremos opuestos de la seccion central 92. El cuerpo 86 de herramienta tiene una seccion transversal en forma de U definida por una pared superior 86a y unas paredes laterales 86b, 86c que poseen un grosor “t”. La seccion central 92 del cuerpo 86 de herramienta tiene un grosor de pared reducido que define un rebajo 88 en la superficie exterior de todas las tres paredes 86a, 86b, 86c. Segun se ve mejor en la figura 7, la profundidad del rebajo 88 es sustancialmente igual al grosor de pared de la pieza 76, de modo que la superficie exterior de la pieza 76 y el cuerpo 86 de herramienta sean sustancialmente coplanares despues de que se haya consolidado totalmente la pieza 76. La longitud del rebajo 88 se corresponde con la longitud de la pieza acabada 76.
El rebajo 88 define un par de resaltos 96 opuestamente orientados dentro del grosor de las paredes 86a, 86b y 86c, contra los cuales pueden apoyarse los extremos de la pieza 76 con el fin de impedir un movimiento longitudinal de la pieza 76 con respecto al cuerpo 84 de herramienta.
Aunque el utillaje 84 se ha descrito con relacion a su uso para formar una pieza relativamente sencilla con seccion en U y de grosor de pared constante pueden emplearse otras configuraciones del cuerpo 86 de herramienta para fabricar otras formas de pieza. Por ejemplo, el rebajo 88 puede poseer caractensticas de superficie o una profundidad no uniforme con el fin de producir una pieza 76 que tenga las mismas caractensticas superficies o un grosor no uniforme. Ademas, el cuerpo 86 de herramienta puede curvarse a lo largo de su longitud con el fin de producir piezas 76 que tambien esten curvadas a lo largo de su longitud.
La figura 8 ilustra un cuerpo 86 de herramienta con un rebajo 88a que tiene un fondo inclinado 102 que se extiende a lo largo de al menos una porcion de la longitud del cuerpo 86. Sin embargo, debera observarse que la profundidad del rebajo 88a tambien puede variar a traves de la anchura y/o la longitud del cuerpo 86. El rebajo 88a puede tener areas que son de profundidad uniforme y no uniforme, o ambas. El fondo inclinado 102 crea una variacion de profundidad en el rebajo 88a que, durante el proceso de consolidacion, provoca la formacion de una pieza 76a que tiene un grosor de pared estrechado. El rebajo 88a puede tener caractensticas de utillaje, tal como el area elevada 104, que producen formas correspondiente en la pieza 76a. En el ejemplo ilustrado de la figura 8, el area elevada 104 forma una cavidad 106 en una superficie inferior de la pieza 76a.
En uso, segun se ve mejor en la figura 6, las capas 74 de estratificado unidas por puntos de soldadura se colocan dentro del rebajo 88 del cuerpo 86 de herramienta, acoplandose los extremos de las capas 74 con los resaltos 96 en la pared superior 86a. La combinacion del cuerpo 84 de herramienta y las capas de estratificado 74 se alimenta dentro de la zona 20 de preformacion, en donde las capas de estratificado 74 se forman parcialmente sobre superficies exteriores del cuerpo 84 de herramienta, que en la realizacion ilustrada comprenden las superficies exteriores de las paredes 86b, 86c. El extremo delantero 98 del cuerpo 84 de herramienta permite que el mecanismo 40 de accionamiento pulsante tire del cuerpo 84 de herramienta junto con la pieza 76 a traves de la lmea 10 de CCM.
Durante el proceso de alimentacion inicial, el extremo delantero 98 del cuerpo 84 de herramienta atraviesa el mecanismo 40 de accionamiento pulsante justo antes de que las capas 74 de estratificado alcancen la zona 20 de
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preformacion. En otras palabras, la longitud del extremo delantero 98 del cuerpo 84 de herramienta es tal que el mecanismo 40 de accionamiento pulsante es capaz de agarrar el cuerpo 84 de herramienta, y comenzar a avanzar el cuerpo 84 de herramienta antes de que las capas 74 de estratificado alcancen realmente la zona 20 de preformacion. Aunque no se muestra espedficamente en las figuras 2-7, los mandriles (figura 1), que comprenden laminas delgadas de acero, pueden aplicarse a los lados no labrados de la pieza 76.
Cuando el mecanismo 40 de accionamiento pulsante tira del cuerpo 84 de herramienta hacia delante, las capas 74 de estratificado son prensadas sobre el cuerpo 84 de herramienta con el fin de preformar la pieza, tras lo cual la pieza preformada, designada con 76a en la figura 6, entra en las operaciones 30 de consolidacion, en donde las capas de estratificado son calentadas y comprimidas usando las tecnicas de moldeo continuo por compresion descritas previamente. Los elementos de prensado (no mostrados) del puesto 30 de consolidacion se apoyan contra los mandriles 16 (figura 1), los cuales aplican presion a la pieza preformada 76a hasta que la pieza alcanza la forma deseada y se consolida totalmente.
El movimiento continuado del cuerpo 84 de herramienta transporta totalmente la pieza acabada 76 a traves de las operaciones de consolidacion, permaneciendo el extremo trasero 100 del cuerpo 84 de herramienta en el puesto 30 de consolidacion hasta que la pieza acabada 76 haya emergido completamente del mecanismo 40 de accionamiento pulsante y de cualquier otro equipamiento de procesamiento relacionado, y hasta que la pieza 76 puede retirarse del cuerpo 84 de herramienta. El extremo trasero 100 del cuerpo 84 de herramienta funciona, en realidad, como un suplemento al ajuste para mantener la alineacion de las prensas dentro de las operaciones 30 de consolidacion hasta que la pieza 76 finaliza el ciclo de consolidacion. Debido a que el extremo trasero 100 del cuerpo 84 de herramienta permanece dentro de las operaciones 30 de consolidacion hasta que finaliza la consolidacion de la pieza 76, permanecen constantes los huecos dentro de los elementos de prensa en las operaciones 30 de consolidacion, incluso cuando el extremo trasero de la pieza acabada 76 emerja de las operaciones 30 de consolidacion.
Puede apreciarse que, usando el utillaje 84 con un cuerpo 86 de herramienta que tiene unos extremos extendidos delantero y trasero 98, 100, se elimina el desperdicio representado en 80, 82, mostrado en la figura 3, dado que estas dos secciones de desperdicio 80, 82 sirvieron previamente para un proposito similar al de los extremos delantero y trasero 98, 100.
El cuerpo 84 de herramienta puede construirse de cualquiera de diversos metales tales como acero inoxidable, pero sin limitarse a este, y pueden volverse a usar. El rebajo 88 del cuerpo 86 de herramienta puede crearse por mecanizacion de la superficie exterior del cuerpo 84 de herramienta hasta una profundidad igual al grosor de las capas de estratificado consolidadas de la pieza 76.
Aunque las realizaciones de esta descripcion se han descrito con respecto a ciertas realizaciones tomadas como ejemplo, se ha de entender que las realizaciones espedficas tienen fines ilustrativos y no limitativos, dado que a los expertos en la tecnica se les ocurriran otras variaciones dentro del alcance de las reivindicaciones anexas.
Claims (11)
- 51015202530354045505560REIVINDICACIONES1. Un metodo para fabricar una pieza de estratificado termoplastico (76), que tiene forma de U en seccion transversal y tiene un grosor de pared uniforme en toda su longitud, que utiliza una lmea (10) de moldeo continuo por compresion y un utillaje (84) que incluye un cuerpo de herramienta (86) que tiene una seccion transversal en forma de U definida por una pared superior (86s) y paredes laterales (86b, 86c) que poseen un grosor (t) y que tiene una seccion central (92) y extremos delantero y trasero (98, 100) en los extremos opuestos de la seccion central (92), la seccion central (92) teniendo un grosor de pared reducido que define un rebaje (88) en una superficie exterior de la pared superior (86a) y las paredes laterales (86b, 86c), la profundidad del rebaje (88) siendo sustancialmente igual de grosor de pared de la pieza (76) de manera que la superficie exterior de la pieza (76) y el cuerpo de herramientas (86) son sustancialmente coplanares despues de que la pieza (76) haya sido consolidada, con la longitud del area rebajada (88) que corresponde a la longitud de la pieza finalizada (76), el area rebajada (88) definiendo un par de resaltos (96) enfrentados de manera opuesta dentro del grosor de la pared superior (86a) y paredes laterales (86b, 86c) contra los que los extremos de la pieza (76) pueden sobresalir de manera que eviten el movimiento longitudinal de la pieza (76) en relacion con el cuerpo de la herramienta (86), el metodo comprendiendo los pasos de:(A) colocar una capa de estratificado en un rebajo (88) formado en un utillaje (84); y(B) mover el utillaje (84) a traves de la lmea (10) de moldeo,(C) pasar el utillaje (84) a traves de una operacion (20) de preformacion;(D) conformar la capa de estratificado como una pieza preformada (22) cuando el utillaje (84) atraviesa la operacion (20) de preformacion;(E) pasar el utillaje (84) a traves de una operacion (30) de consolidacion;(F) consolidar la pieza preformada (22) cuando el utillaje (84) atraviesa la operacion (30) de consolidacion; y(G) retirar la pieza del utillaje (84) despues de haber finalizado el paso (F).
- 2. El metodo de la reivindicacion 1, en el que el paso (B) se ejecuta tirando del utillaje (84) a traves de la lmea (10) de moldeo.
- 3. El metodo de la reivindicacion 2, en el que la accion de tirar del utillaje (84) a traves de la lmea de moldeo se ejecuta usando un mecanismo de accionamiento pulsante (40) para hacer avanzar incrementalmente el utillaje (84) a traves de la lmea (10) de moldeo.
- 4. Una pieza termoplastica estratificada y un utillaje para transportar una estratificacion de capas (74) de estratificado a traves de una lmea de moldeo continuo por compresion durante la fabricacion de la pieza termoplastica estratificada (76), que comprende:un cuerpo ngido alargado (86) que tiene una seccion central (92) y unos extremos primero y segundo (98, 100) y que tiene una seccion transversal en forma de U definida por una pared superior (86a) y unas paredes laterales (86b, 86c) que poseen un grosor (t),en donde la seccion central (92) del cuerpo ngido (86) tiene un grosor de pared reducido que define un area rebajada (88) en una superficie exterior de la pared superior (86a) y las paredes laterales (86b, 86c) en las que la pieza (76) es recibida y transportada,extendiendose los extremos primero y segundo (98, 100) del cuerpo ngido (86) mas alla del area rebajada (88),en donde el area rebajada (88) tiene una profundidad sustancialmente igual a un grosor de la pieza (76).
- 5. La pieza de plastico estratificada y el utillaje de la reivindicacion 4, en el que el area rebajada (88) define unos resaltos (96) primero y segundo en el cuerpo (86) para acoplarse respectivamente con un extremo de la pieza (76).
- 6. La pieza de plastico estratificada y el utillaje de la reivindicacion 4, en el que el area rebajada (88) tiene una profundidad tal que algunas superficies exteriores del utillaje son sustancialmente coplanares con superficies exteriores de la pieza.
- 7. La pieza de plastico estratificada y el utillaje de la reivindicacion 4, en el que el cuerpo (86) tiene una forma en seccion transversal que generalmente coincide con la forma en seccion transversal de la pieza consolidada.
- 8. La pieza de plastico estratificada y el utillaje de la reivindicacion 4, en el que los extremos (98, 100) primero y segundo del cuerpo tienen una superficie exterior que se extiende sustancialmente coplanar con una superficie exterior de la pieza.
- 9. La pieza de plastico estratificada y el utillaje de la reivindicacion 4, en el que el area rebajada (88) tiene la forma general de la pieza termoplastica y la pieza esta alojada en el area rebajada.
- 10. La pieza de plastico estratificada y el utillaje de la reivindicacion 4, en el que el area rebajada (88) tiene una profundidad que vana en al menos una direccion a traves del area rebajada.5
- 11. La pieza de plastico estratificada y el utillaje de la reivindicacion 4, en el que el cuerpo (86) incluye caractensticas de utillaje dentro del area rebajada para producir formas en una pieza.
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