ES2451016T3 - Dispositivo separador para separar haces de filamentos de fibras, así como dispositivo de elaboración de preformas dotado del mismo - Google Patents

Abstract

Dispositivo (20) de separación para separar un haz (32) de filamentos de fibras en forma de una banda (14)de fibras, con al menos un borde (80) de separación curvado convexamente, que puede moverse con por lo menosuna componente direccional perpendicularmente a la extensión longitudinal de un haz (32) de filamentos de fibra aseparar con respecto a este de modo que el haz (32) de filamentos de fibra pueda ser sometido a tensión sobre elborde (80) de separación curvado convexamente, y seguidamente vuelva a moverse alejándose con por lo menosuna componente direccional perpendicularmente al haz (32) de filamentos de fibra, para liberarlo del borde (80) deseparación, donde el por lo menos un borde (80) de separación se ha configurado en un resalto (82) radial rotativode un árbol (84) rotativo; donde por lo menos dos árboles (84, 86) rotativos se han provisto de resaltos (82) radiales;donde los árboles (84, 86) rotativos giran de manera mutuamente antagónica; donde se han previsto varias zonas deborde, de las cuales por lo menos una se ha realizado como borde (80) de separación curvado convexamente y lascuales pueden moverse en direcciones opuestas al haz (32) de filamentos de fibra; donde en los árboles (84, 86)rotativos impulsados antagónicamente se ha realizado varias aletas (94), que forman los resaltos (82, 88) radiales,las cuales se extienden sensiblemente en dirección radial y en cuyas zonas más exteriores radialmente se hanconfigurado las zonas (80, 90) de borde; caracterizado por que los árboles (84, 86) rotativos se han dispuestogirando de tal modo que, en cada caso, una aleta (94) de un árbol (84) rotativo encaje entre dos aletas del otro árbol(86) rotativo de manera que las zonas de borde configuradas en las aletas (94) puedan moverse de tal modo que elhaz de filamentos de fibra introducido bajo tensión a tracción en el dispositivo de separación pueda separarse entrelas zonas de borde con fuerza tensora variable.

Description

Dispositivo separador para separar haces de filamentos de fibras, así como dispositivo de elaboración de preformas dotado del mismo

La invención se refiere a un dispositivo separador para separar haces de filamentos de fibras para formar una banda 5 de fibras según el preámbulo de la reivindicación 1 adjunta, tal como se conoce a partir del documento FR 21 48 729

A. El dispositivo separador según la invención es apropiado, en especial, para emplear en un procedimiento y un dispositivo de elaboración de una preforma para una estructura compuesta de fibras adecuada para el flujo de fuerza. La invención se refiere, además, a un dispositivo de elaboración de un preforma dotado de semejante dispositivo separador.

10 En la construcción de vehículos de todo tipo, en especial, en la construcción de aparatos aeronáuticos y espaciales, pero también en otras ramas de la industria como la construcción mecánica existe cada vez más la necesidad de materiales resistentes y, sin embargo, ligeros y lo más económicos posible. En especial, los materiales compuestos de fibras ofrecen un potencial constructivo ligero sobresaliente. El principio consiste en que, en especial, las fibras de alta resistencia y rígidas pueden embutirse en una matriz adecuadamente para los esfuerzos, con lo cual se

15 forman componentes constructivos de propiedades mecánicas sobresalientes, que con las técnicas actuales son típicamente un 25% más ligeras que el aluminio y 50% más ligeras que las estructuras de acero de eficacia productiva comparable. Un inconveniente consiste en los elevados costes de material y, en especial, en el acabado costoso la mayor parte manual.

Existe, por ello, el deseo de crear una elaboración automatizada, que posibilite la disposición mecánica de las fibras

20 en el espacio. Hoy en día, los plásticos reforzados con fibras, en especial, con el empleo de fibras largas orientadas, por ejemplo, fibras de carbono, se caracterizan por una resistencia y una rigidez muy elevadas con un peso reducido. Disponen además de una capacidad de absorción energética elevada por peso específico y buenas propiedades contra la fatiga.

Hasta ahora se consigue esto de modo que fibras sin fin adecuadas para esfuerzos se inserten en una matriz (por

25 ejemplo, una resina epoxi). Según la dirección del refuerzo pueden producirse materiales anisótropos, que poseen propiedades mecánicas direccionales. Así, por ejemplo, un material puede presentar unas propiedades diferentes en su longitud que en su anchura. En los modernos vehículos aeronáuticos o espaciales, ya existe hoy en día un elevado potencial del peso estructural en plásticos reforzados con fibras.

El principal procedimiento de acabado más importante se pasa actualmente en la llamada tecnología Prepreg

30 (productos preimpregnados). En este caso, las fibras reforzantes se disponen paralelamente (unidireccionalmente) y se embuten en una matriz. Después de una etapa de curado, se forman semiproductos, que se enrollan como capa delgada en un rollo. En el mecanizado, se recortan dichas capas de acuerdo con el contorno del componente constructivo y se laminan, preferentemente a mano, capa a capa en una herramienta. Seguidamente tiene lugar el curado bajo presión y temperatura en una autoclave. Los componentes constructivos producidos presentan un

35 elevado potencial de construcción ligera, aunque el acabado sea muy laborioso y caro. Por ello, ocupa desde hace varios decenios a los investigadores de materiales la cuestión de cómo se pueden disponer tridimensionalmente, en un proceso automatizado, las fibras adecuadas para los esfuerzos y lo más cerca posible del contorno definitivo del componente constructivo desde su contorno.

Para elaborar estructuras compuestas de fibras con fibras dispuestas según el flujo de la fuerza, se han fabricado

40 hasta ahora, junto a Prepegs para utilizaciones escogidas, las llamadas preformas como semiproductos textiles. En este caso, se trata de productos mayormente bi o tridimensionales con orientación de las fibras reforzadas de modo a textil a los esfuerzos. Hasta ahora, se han colocado, para ello, fibras sin fin en la dirección de los esfuerzos con medios de la tecnología textil y se han prefijado con medios de la tecnología textil, por lo general, por cosido, técnicas de tricotar o similares. Ejemplos de dispositivos y procedimientos para elaborar tales preformas se

45 encuentran en los documentos DE 30 03 666 A1, DE 196 24 912 A1, DE 197 26 831 A1 así como DE 100 05 202 A1.

No obstante, los procedimientos para fabricar preformas son complicados en el empleo y en la técnica de procesos. En especial, en aquellos componentes constructivos, en los que se esperan líneas de flujo de fuerzas curvadas con espesores variables, no es posible la elaboración de un componente constructivo concebido según flujos de fuerzas

50 adecuados con los métodos conocidos hasta ahora. En especial, las fibras no se puede orientar discrecionalmente a lo largo de pistas manifiestamente curvas y el contenido de fibras no se puede variar localmente.

Para elaborar los semiproductos textiles, se tejen previamente, con los procedimientos de elaboración de preformas hasta ahora conocidos explicados más arriba, los llamados rovings para el molde de la preforma textil. Por ejemplo, se emplean rovings-12k con 12.000 filamentos individuales. Una inserción homogénea de dichos rovings en el material de la matriz es muy difícil de realizar. Además, en el sitio del roving existen también elevadas concentraciones de fibras y entremedias solo una proporción de fibras reducida, de tal modo que es difícil variar la proporción de fibras localmente de acuerdo con los requerimientos individuales en el componente constructivo.

En la tecnología textil, ya se conocen desde hace mucho, para otros campos de aplicación completamente

5 diferentes, distintas técnicas de separación para separar haces de filamentos de fibras. Así, pues, la figura 4 muestra un croquis del fundamento de un antiguo principio de separación mecánica ya conocido a partir del documento DE 715801 A. En este caso, una mecha 14 de fibras recorre sucesivamente una barra 76 arqueada y luego una barra 78 recta. La combinación de una barra recta y una arqueada se encarga de que la fuerza de tracción, que actúa sobre las fibras, se desvíe en el separador radial básicamente conocido, representado en la figura 4. Actúa entonces

10 también una fuerza, que ejerce presión sobre las fibras contra la barra arqueada. En el punto más alto de la desviación, actúa sobre los filamentos la mayor fuerza. Con el alejamiento creciente de este punto, la fuerza va siendo menor. Es decir, los filamento pueden evitar la carga, cuando se mueven hacia fuera sobre la barra arqueada. Al mismo tiempo, el aspecto del resultado de la separación depende, no obstante, de la fuerza de tracción sobre las fibras, del rozamiento entre fibras y barras, de la posición de las barras entre sí y de la curvatura de la

15 barra. Con una curvatura extrema, la diferencia de las fuerzas incidentes entre el punto más alto y una posición exterior es tan grande que el rozamiento superficial de la barra ya no tiene importancia alguna. Los filamentos se mueven bruscamente hacia fuera, es decir, la mecha 14 de fibras resbalaría o se separaría. Si la curvatura es demasiado pequeña, resulta entonces la relación de separación demasiado baja. Por consiguiente, la relación de separación es muy irregular, se obtiene una distribución de fibras irregular. El resultado de la separación depende,

20 en especial, en gran medida de la calidad del material.

A partir del documento DE 42 21 163 A1, se revela un dispositivo de separación para separar fibras individuales a partir de haces de filamentos de fibras, donde los haces de filamentos de fibras se tienden entre parejas de cilindros y entre cuerpos moldeados insertados entre las respectivas parejas de cilindros. Los cuerpos moldeados poseen zonas de borde curvadas convexamente para llevar a cabo la separación. Los haces de filamentos de fibras

25 marchan continuamente sobre los cuerpos moldeados. Se revela adicionalmente una forma de realización, en la que el haz de filamentos de fibras a separar marchan sucesivamente sobre varios cuerpos moldeados con zonas de borde arqueadas.

A partir del documento FR 2 148 729 A mencionado al principio, se conoce un dispositivo de separación, que se puede aplicar para elaborar paños de hilos de plástico. El conocido dispositivo de separación presenta dos árboles 30 rotativos con resaltos radiales. Los resaltos radiales tienen zonas de borde curvadas convexamente. Un primer árbol rotativo ataca desde un primer lado un haz de hilos a separar. Un segundo árbol rotativo ataca por el segundo lado opuesto el haz de hilos. Los árboles rotativos se han dispuesto consecutivamente en el recorrido de las fibras, donde entremedias se ha previsto una pareja de cilindros. Los haces de fibras se separan, por consiguiente, entre la pareja de cilindros y las zonas de borde respectivamente individuales curvadas convexamente de uno de los árboles

35 rotativos.

Partiendo del estado actual de la técnica previamente mencionado, es, por ello, misión de la invención crear un dispositivo de separación sencillo para separar haces de filamentos de fibras, en el que la calidad del material tenga una influencie reducida sobre el resultado de la separación.

Esa misión se resuelve mediante un dispositivo de separación según la adjunta reivindicación 1. Un empleo

40 ventajoso del dispositivo de separación se da en la reivindicación 8. Un dispositivo de elaboración de preformas provisto de tal dispositivo de separación es objeto de la reivindicación 7.

Configuraciones ventajosas de la invención son objeto de las reivindicaciones subordinadas.

En el dispositivo de separación según la invención, se resuelven problemas de calidad de material de los haces de filamentos de fibras a separar, siempre que el haz de filamentos de fibras se vuelva a superponer siempre de nuevo 45 sobre por lo menos un borde de separación curvado convexamente. Para ello, el dispositivo de separación presenta por lo menos un borde separación curvado convexamente, que se mueve con respecto al haz de filamentos de fibras con por lo menos una componente direccional perpendicularmente a la extensión longitudinal del haz de filamentos de fibras de tal modo que este sea colocado bajo tensión sobre el borde de separación curvado convexamente y se mueva seguidamente separándose con por lo menos una componente direccional perpendicularmente al haz de

50 filamentos de fibras de modo que este se libere del borde de separación.

El dispositivo de separación según la invención presenta dos árboles rotativos de marcha antagónica con resaltos radiales en forma de aletas, en cuyas zonas radiales más exteriores se formen zonas de borde, con las cuales se forme por lo menos un borde de separación formado como borde separación curvado convexamente. Los árboles rotativos se han dispuesto antagónicamente rotativos de modo que el haz de filamentos de fibras insertado bajo

tensión de tracción en el dispositivo de separación pueda separarse entre las zonas de borde con fuerza de tensión cambiante.

En un procedimiento previsto como utilización ventajosa del dispositivo de separación para fabricar una preforma con estructura compuesta de fibras dotada de adecuado flujo de fuerzas, se puede fabricar una preforma de modo que primero se separe de forma aplanada un haz de filamentos fibras, preferiblemente un roving, de este haz de filamentos de fibras separadas, se recorta luego una pieza de banda de fibras, llamada también patch en la descripción siguiente, preferiblemente de longitud prefijada. Seguidamente, se recoge la pieza de banda de fibras mediante un aparato de colocación y se coloca en una posición predefinida. Se fija allí la pieza de banda de fibras mediante una sustancia aglutinante. El recortado, colocado y fijado de las piezas de bandas de fibras se repite, colocándose y fijándose las piezas de banda de fibras en diferentes posiciones prefijadas. Esto tiene lugar preferiblemente de modo que a partir de los diversos patches fijados juntamente y/o en componentes eventuales adicionales de la preforma, se forme la deseada preforma con la correspondiente orientación de fibras con flujo de fuerzas adecuado. Se puede reforzar selectivamente con ello, por ejemplo, también una zona de una preforma elaborada convencionalmente, por ejemplo, siempre que se pongan en lugares especialmente sobrecargados patches de adecuado flujo de fuerzas.

Visto de forma general, un procedimiento semejante, que se puede llamar también “Fiber-PatchPerforming_Technologie” (tecnología de formación de patches de fibras), posibilita por un proceso especial de capas la aplicación posicionalmente exacta de piezas de fibra cortas (patches). Por medio de la orientación y el número de fibras de los fragmentos de fibras, se pueden satisfacer las propiedades requeridas de la preforma.

Con la invención, se puede separar de forma especialmente plana y homogénea un haz de filamentos de fibras, en especial, un roving. Empleando en el procedimiento previamente mencionado, se puede evitar, por consiguiente, engrosamientos u otras concentraciones de fibras indeseadas, y las fibras individuales se pueden embutir mejor en la matriz. Pero el invento se puede utilizar también para otros objetos de aplicación, donde sea deseable una separación plana y homogénea de los haces de fibras formados por fibras individuales.

Como haz de filamentos, que se separa con el dispositivo de separación, se utiliza preferiblemente un roving, en especial, un roving de carbono.

Con el dispositivo de separación según la invención, es posible, en especial, una separación más amplia de los distintos filamentos de un roving que con la tecnología conocida hasta ahora. En configuración ventajosa, se puede proponer así una banda de fibras lo más plana posible de las menos capas posibles de distintos filamentos adyacentes. En una configuración, el dispositivo de separación presenta, para ello, un aparato de separación y un aparato de cardado pospuesto.

Ejemplos de realización de la invención se explican más detalladamente, a continuación, a base de los dibujos representados. En ellos se muestra:

Figura 1 una representación sinóptica esquemática de un dispositivo para elaborar una preforma con el fin de producir estructuras compuestas de fibras de adecuado flujo de fuerzas;

Figura 1a una representación esquemática de una configuración alternativa del dispositivo de la figura 1 en un plano separador indicado mediante una línea de puntos y trazos;

Figura 2 una representación esquemática de un dispositivo de desenrollado utilizable en el dispositivo de la figura 1 para desenrollar un haz de filamentos de fibras tratable en el dispositivo según la figura 1;

Figura 3 una representación esquemática en perspectiva del sensor de posición utilizable en el dispositivo de desenrollado según la figura 2, así como un diagrama de su curva característica;

Figura 4 una vista en perspectiva de un dispositivo separador conocido por sí mismo para explicar el

principio de acción de una separación de un haz de filamentos de fibras aplicado en el dispositivo

según la figura 1;

Figura 5 una representación esquemática en perspectiva de un dispositivo separador utilizable en el dispositivo según la figura 1;

Figura 6a un alzado lateral esquemático de un aparato de cardado utilizable en el dispositivo según la figura 1;

Figura 6b una representación esquemática del principio de acción del aparato de cardado según la figura 6a;

Figura 7 un alzado lateral esquemático de un aparato de aglutinación utilizable en el dispositivo de la figura 1;

Figura 8 un alzado lateral esquemático de una combinación de aparato de corte y aparato de colocación 5 aplicado en una forma de realización de un dispositivo para fabricar una preforma;

Figuras 9/10 representaciones esquemáticas del principio de acción del dispositivo de corte de la figura 8;

Figura 11 una representación esquemática de las pistas previamente dadas para la colocación de fibras mediante un dispositivo según la figura 1 o la figura 8;

Figura 12 una fila de piezas de banda de fibras colocada por medio del dispositivo según la figura 1;

10 Figura 13 una representación esquemática de una preforma elaborable con un dispositivo según la figura 1 a la 8;

Figura 14 una vista esquemática de la sección transversal a través de un cabezal de colocación utilizable en un aparato de colocación de la figura 8 o la figura 1;

Figura 15 una vista por debajo del cabezal de colocación de la figura 14; y

15 Figura 16 una representación en perspectiva esquemática, detallada del aparato de colocación de la figura 8.

En la figura 1 se ha representado en una vista general un dispositivo de elaboración de preformas indicado con la referencia 1 en conjunto. Con este dispositivo de elaboración de preformas se puede elaborar con sencillez un semiproducto textil complicado con filamentos de fibras, que discurran según el flujo de fuerzas adecuado, para elaborar estructuras compuestas de fibras incluso con un diseño complicado del semiproducto. Tales semiproductos 20 textiles se llaman preformas. La elaboración de dichas preformas se realiza en el dispositivo según la figura 1 a base de piezas de fibras cortas individuales fijadas con un material aglutinante, cuyas piezas se han recortado previamente de una mecha de filamentos de fibras o banda de fibras preparada previamente. El dispositivo de elaboración de preformas se puede subdividir, por consiguiente, en un grupo 12 de preparación para preparar la mecha 14 de fibras y en un grupo 16 de corte y colocación para cortar piezas de banda de fibras y colocar las

25 mismas. Con una línea de puntos y trazos, se ha indicado la posible separación 17 entre dichos grupos 12 y 16.

La figura 1 muestra un primer ejemplo de realización de un grupo 16 de corte y colocación semejante; un segundo ejemplo de realización de tal grupo 16 de corte y colocación se ha representado en la figura 8.

En primer lugar, se explica a base de la figura 1 la estructura conjunta así como el principio de acción del dispositivo 10 de elaboración de preformas, después de lo cual se explican entonces sus distintos grupos constructivos a base

30 de las figuras adicionales.

Como puede observarse en la figura 1, el dispositivo 10 de elaboración de preformas presenta un aparato 18 de desenrollado, un aparato 20 de separación, un aparato 22 de aglutinación, un aparato 24 de corte, un aparato 26 de transporte, un aparato 28 de colocación así como un molde 30 de preforma. Estas distintos aparatos 18, 20, 22, 24, 26, 28 y 30 son respectivamente capaces de moverse por sí mismos y pueden utilizarse también sin los otros

35 respectivos aparatos para satisfacer sus objetos de aplicación. La revelación presente comprende, por ello, también los respectivos dispositivos 12, 16, 18, 20, 22, 24, 26, 28, 30 respectivamente separadamente y solos.

El dispositivo 18 de desenrollado sirve para suministrar un fragmento de filamentos de fibras, por ejemplo, un roving

32. El dispositivo 18 de desenrollado, tal como se explicará aún más detalladamente, a continuación, se configura de

tal modo que sea posible un desenrollado del roving 32 sin torsión. Para elaborar componentes constructivos 40 reforzados (CFK) con fibras de carbono se utiliza un roving de carbono en el ejemplo de realización representado.

El dispositivo 20 de separación sirve para separar lo más ampliamente posible los distintos filamentos del roving 32 para proporcionar así una banda 14 de fibras lo más aplanada posible, compuesta de fibras individuales adyacentes de las menores capas posibles. Para ello, el dispositivo 20 de separación presenta un aparato 34 de separación y un aparato 36 de cardado.

El dispositivo 22 de aglutinación sirve proveer de un material 38 aglutinante a los filamentos de la banda 14 de fibras y/o a distintas piezas de banda de fibras, que sirve para fijar las piezas de banda de fibras en la preforma. En la forma de realización mostrada en la figura 1, el dispositivo 22 de aglutinación forma parte del grupo 12 de preparación y se emplea así para proveer de material 38 aglutinante a la banda 14 de fibras separada. En formas de realización no representadas del dispositivo 10 de elaboración de preformas, se puede asociar adicional o alternativamente un dispositivo 22 de aglutinación al grupo 16 de corte y colocación para proveer entonces a las piezas de fibras ya cortadas de material 38 aglutinante.

El dispositivo 24 de corte se ha realizado para cortar fragmentos de determinada longitud de la banda 14 de fibras (piezas de fibras). Las distintas piezas de banda de fibras se designarán, a continuación, por patches 40, 40’, 40’’.

El aparato 26 de transporte sirve para separar los patches 40 y para transportar los mismos al dispositivo 28 de colocación.

El dispositivo 28 de colocación se ha configurado de tal modo que pueda recoger los distintos patches 40 y los pueda colocar en posiciones prefijadas, en este caso, en el molde 30 de la preforma. El molde 30 de la preforma sirve para dar a la preforma 42 una configuración superficial tridimensional prefijada.

El dispositivo 10 de elaboración de preformas presenta además un dispositivo 44 de control, que dispone en este caso de varios controles 44a, 44b, que controlan los distintos dispositivos 12, 18, 20, 22, 26, 30 de tal modo que se forme la preforma 42 al modo de una cubierta de trabajo de patches compuesto de o con patches 40 individuales.

Con el dispositivo 10 de elaboración de preformas, se puede llevar a cabo, por consiguiente, el siguiente procedimiento de elaboración para elaborar una preforma 42 para una estructura compuesta de fibras adecuada para un flujo de cargas:

En primer lugar, se separa un haz de filamentos de fibra existente en forma del roving 32 y se provee del material 38 aglutinante térmicamente activable en el ejemplo de realización presente. La banda 14 de fibras aglutinada así proporcionada se corta seguidamente en piezas de longitud definida – patches 40 -. Los patches 40 se separan y se transportan al dispositivo 28 de colocación. El dispositivo 28 de colocación emplaza cada patch 40 en la respectiva posición 46 prefijada en el molde 30 de la preforma y se hace presión sobre el patch 40 en el molde 30 de la preforma.

Con el dispositivo 10 de elaboración de preformas, se puede llevar a cabo, por tanto, una tecnología de preformado de patches de fibra, que posibilita la aplicación exacta en posición de las piezas de fibras cortas por medio de un proceso de colocación especial. Mediante la orientación y el número de piezas de fibra, se pueden satisfacer las propiedades requeridas por la preforma 42. Con ello, se pueden orientar las fibras a lo largo de pistas curvas definidas; y se puede variar localmente el contenido de fibras.

Mediante la colocación de piezas de banda de fibras – patches 40 – separadas y cortadas en unidades cortas se pueden elaborar preformas 42 optimizadas en flujo de fuerzas. Un aparato de corte de fibras corta las bandas 14 de fibras aglutinadas, especialmente prefabricadas, en piezas cortas, y las transfiere a una cinta 50 de transporte de vacío de un aparato 26 de transporte.

La transferencia de los patches 40 desde la cinta 50 de transporte de vacío a un cabezal 52 de colocación del dispositivo 28 de colocación tiene lugar pasando por encima de una combinación de módulos de aspiración y soplado. El cabezal 52 de colocación calienta el patch durante el transporte al punto de colocación y activa, con ello, el material 38 aglutinante. El cabezal 52 de colocación hace presión sobre el patch 40 en el lugar prefijado y lo suelta luego con un impulso de soplado. El cabezal 52 de colocación vuelve, después de ello, a la posición de partida.

Esta tecnología permite la producción totalmente automatizada de preformas de fibra complejas. Parámetros como contenido de fibras, orientación de fibras y radios de curvatura pueden variarse ampliamente.

En las formas de realización representadas aquí, se utilizan, para la elaboración de las preformas 42, fibras de carbono separadas en vez de semiproductos textiles. La longitud de las fibras es muy corta (pocos centímetros) en comparación con tejidos preconfeccionados, que utilizan fibras largas. Mediante una colocación especial de las fibras cortas – en los patches 40 -, pueden conseguirse, de forma similar, valores mecánicos elevados característicos como en los compuestos de fibras largas.

Las fibras cortas pueden colocarse de modo relativamente exacto a lo largo de pistas complejas de flujo de cargas. En los recortes textiles aplicados antes para elaborar tales preformas, solo pueden aplicarse orientaciones preferidas. Por ello, con la tecnología representada aquí pueden representarse formas geométricas extremas. El procedimiento de elaboración está completamente automatizado y se pueden obtener variaciones de espesor dentro de una preforma y/o contenidos volumétricos de fibras modificados.

En el ejemplo de realización del dispositivo 10 de elaboración de preformas representado en la figura 1, se emplea un láser 54 como aparato de corte de fibras en el grupo 16 de corte y colocación, cuyo láser 54 puede moverse

5 controlado procesador exactamente respecto a la banda 14 de fibras. Se ha indicado, además, en la figura 1 un brazo de robot como aparato 184 de colocación para mover el cabezal 52 de colocación. El molde 30 de la preforma es exacta y definidamente móvil y rotativo con respecto a ello para poder producir fácilmente diferentes estructuras complejas en tres dimensiones de las preformas 42.

Resumiendo, hay una idea fundamental en la forma de realización aquí representada de la tecnología de

10 preformación de patches de fibras, separar rovings 32 de fibras de carbono del modo lo más abierto posible, revestir con polvo aglutinante y cortar con una nueva técnica de corte en piezas de longitud definida, los llamados patches

40. Esos patches 40 son recogidos luego por el dispositivo 28 de colocación especial, colocados en una posición prefijada y fijados mediante el material 38 aglutinante. Con ello, se pueden producir las más distintas geometrías de componentes constructivos y de arquitecturas de fibras.

15 En el proceso de elaboración representado aquí, se emplean fibras separadas. Una separación de fibras constituye una base para evitar acumulaciones locales de extremos de fibras dentro del ulterior material compuesto, ya que producen concentraciones de esfuerzos y, en el caso más grave, podrían dar lugar al fallo de los componentes constructivos. Gracias a una separación, se reduce el espesor del roving 32. Por consiguiente, más fibras generales pueden llegar a la zona de influencia de un extremo de fibras y compensar puntas de esfuerzos. Por lo demás, en

20 caso de colocación solapada, se reduce el escalón en el extremo de corte de un roving 32. Un escalón semejante podría ser de hasta 250 μm de altura en un roving sin separar y daría lugar a la desviación de las fibras de carbono, que descansa encima, respecto de la orientación del flujo de fuerzas. Adicionalmente, podría formarse allí una zona muy resinosa, que actuaría negativamente sobre la resistencia del material.

Para llevar a cabo una separación lo más efectiva posible, deberían evitarse torsiones del roving 32, ya que los

25 filamentos transversales podrían liar de nuevo un roving separado. La tensión dentro del roving 32 debería ser constante en estado separado, ya que podrían ser afectadas la apertura del extendido y la calidad del extendido por las diferencias de tensión.

El dispositivo 18 de desenrollado, que a continuación se explicará más detalladamente mediante la figura 2, sirve para suministrar sin torsión un roving 32 a partir de una bobina 56 de alimentación y para compensar el movimiento

30 pendular del roving 32 al retirarlo de la bobina 56 de alimentación. El dispositivo 18 de desenrollado presenta para ello una suspensión 58 móvil de la bobina 56 de alimentación de modo que la bobina 56 de alimentación se mueva siguiendo la posición de la zona del roving 32 a desenrollar justo en ese instante, de manera que la posición de desenrollado permanezca lo más constante posible.

Para ello, la suspensión 58 presenta un carro 62 apoyado a lo largo de una guía 60 lineal. El carro 62 puede

35 moverse mediante motores paso a paso y, en el ejemplo aquí representado, mediante un husillo de accionamiento en la dirección del eje de rotación de la bobina 56 de alimentación. El movimiento del carro 62 se acciona por medio de un motor 66 con control integrado. Un sensor 68 observa la posición actual del roving 32 y controla, con ello, el movimiento rotativo del motor 68.

Como sensor 68 sirve, en este caso, un fotodiodo 72 localmente resolutivo, que se ha representado junto con su

40 curva característica en la figura 3. Una línea de diodo del fotodiodo 72 registra la sombra del roving 32 y da la posición por medio de un circuito de refuerzo (no representado explícitamente) como señal analógica. El punto central de una sombra corresponde, en función de la posición, a un valor de la tensión determinado. La señal analógica se transfiere como señal de tensión bipolar al control del motor 66, correspondiendo los 0 voltios al centro del sensor. Adicionalmente, se lanzan destellos al sensor 68 con un foco IR-LED (diodo emisor de luz infrarroja) con

45 una determinada frecuencia, por ejemplo, 10 Khz, para evitar un influjo de la señal de medición por la luz ambiental. Dicho sensor 68 se optimiza para los requerimientos especiales de un desenrollado compensador de la posición del rovng 32 en la bobina 56 de alimentación y permite aún ajustes adicionales como, por ejemplo, el desplazamiento del punto central y la adaptación de la flexión. La combinación de fotodiodo 72 localmente resolutivo y servomotor 66 controlado tiene la ventaja de que el movimiento antagónico se inicia en función de la velocidad actual del

50 movimiento del roving 32. Con velocidades de tracción lentas, se inician movimientos de compensación relativamente lentos, mientras que las velocidades de tracción elevadas inician los correspondientes movimientos antagónicos rápidos. Con ello, se desenrolla el roving 32 considerablemente libre de oscilaciones como cinta 74 aplanada. Al final del dispositivo 18 de desenrollado, el roving 32 rodea con un movimiento en forma de S dos pequeños rodillos 75, en este caso dos rodillos de acero inoxidable tallados, que moderan las últimas oscilaciones

55 adicionales. El dispositivo 18 de desenrollado puede accionarse, de modo diferente al representado en la figura 1, de forma completamente autónoma de los restantes grupos y solo requiere básicamente un suministro de energía, por ejemplo, una conexión de corriente eléctrica.

El roving 32 recorre, a continuación del dispositivo 18 de desenrollado, un tramo de separación en el dispositivo 20 de separación.

5 El dispositivo 20 de separación presenta, como ya se ha mencionado más arriba, primero el aparato 34 de separación, que se ha representado con mayor precisión en la figura 5 y cuyo principio de acción se explicará primero a base de la figura 4.

La figura 4 muestra un esquema del fundamento de un antiguo principio mecánico de separación ya conocido a partir del documento DE 715801. En este caso, un roving 32 recorre sucesivamente una barra 76 curvada y luego 10 una barra 78 recta. La combinación de una barra recta y otra curvada se encarga, en la separación radial conocida en su fundamento y representada en la figura 4, de que la fuerza de tracción ejercida sobre las fibras sea desviada. Actúa entonces también una fuerza, que ejerce presión sobre las fibras en la barra. En el lugar más alto de la desviación, se ejerce la mayor fuerza sobre los filamentos. A distancia creciente de dicho lugar, será menor la fuerza. Es decir, los filamentos pueden evitar la carga, cuando se desplazan por la barra curvada hacia fuera. Pero 15 al mismo tiempo, depende de la fuerza de tracción sobre las fibras, del rozamiento entre las fibras y la barra, de la posición de las barras entre sí y de la curvatura de la barra, qué aspecto tiene el resultado de la separación. Con una curvatura extremada, la diferencia de las fuerzas incidentes entre el lugar más alto y una posición exterior es tan grande que el rozamiento superficial de la barra deja de ser muy importante. Los filamentos se moverán bruscamente hacia fuera, o sea, el roving 32 resbalaría o se abriría. Si la curvatura es demasiado pequeña, resulta

20 entonces demasiado baja la relación de separación.

Debido a ello, el separador radial representado en la figura 4 no es adecuado para el tratamiento industrial de rovings 32 para la preparación a escala industrial de la elaboración de preformas. En especial, darían lugar a defectos en el roving 32 como, por ejemplo, torsiones, aperturas, pliegues para resbalar o para abrirse en el material separado.

25 El dispositivo 34 de separación representado en la figura 5 resuelve los problemas de la calidad de material de los rovings o de otros haces de filamentos de fibras a separar, siempre que el roving 32 o bien el haz de filamentos de fibras se asiente siempre de nuevo en al menos un borde de separación curvado convexamente. Para ello, el aparato 34 de separación presenta por lo menos un borde 80 de separación curvado convexamente, que se mueve respecto del roving 32 con por lo menos una componente direccional perpendicularmente a la extensión longitudinal

30 del roving 32 o bien del otro haz de filamentos de fibras, de manera que dicho roving 32 coloque bajo tensión sobre el borde 80 curvado convexamente, y seguidamente se retire del roving 32 o del haz de filamentos de fibra con por lo menos una componente direccional perpendicularmente al “roving 32” o al haz de filamentos de fibras, de manera que se libere del borde 80 de separación.

En una configuración práctica, el por lo menos un borde 80 de separación se materializa en un saliente 82 radial de 35 un árbol 84 rotativo.

En la configuración preferida según el ejemplo de realización de la figura 5, se pueden mover por lo menos dos bordes, de las cuales uno por lo menos se ha configurado como borde 80 de extendido curvado convexamente, en sentidos contrarios sobre el roving 32 o bien sobre el haz de filamentos de fibras. En un ejemplo de realización, se han previsto para ello dos árboles 84, 86 rotativos con salientes 82 radiales, girando los árboles 84, 86 rotativos de 40 modo mutuamente antagónico. Junto a primeros salientes 82 radiales, en los que se han realizado bordes 80 de separación curvados convexamente, se han previsto también en una configuración preferida unos segundos salientes 88 radiales, que funcionan con bordes 90 rectos. Con ello, se ha creado un dispositivo de separación en el que pueden moverse por lo menos un borde 80 de separación curvado convexamente y por lo menos un borde 90 recto en sentidos antagónicos sobre el roving 32 o sobre el haz de filamentos de fibras, hasta que el roving 32 o bien

45 el haz de filamentos de fibras sea separado de modo similar a la manera representada en la figura 4 entre los bordes 80, 90. Los bordes 80, 90 se pueden conducir hacia atrás nuevamente en direcciones opuestas para descarga del roving 32 o bien de los haces de filamentos de fibras.

Resulta esto especialmente sencillo en la configuración según la figura 5, realizada de modo que en los árboles 84, 86 rotativos, accionados aquí por medio de un engranaje 92 de ruedas dentadas, se configuren varias aletas 94 que

50 formen los salientes 82, 88 radiales, que se extienden sensiblemente en dirección axial y en cuyas zonas radialmente exteriores se forman los bordes 80 o 90. Además, a una aleta 94 con el borde 90 recto, la sigue en dirección perimetral una aleta con el borde 80 de separación curvado convexamente radialmente hacia fuera y, detrás de ella, nuevamente una aleta 94 con borde 90 recto y así sucesivamente.

En otra realización, se configuran los bordes de todas las aletas como bordes 80 de separación curvados convexamente radialmente hacia fuera. Por la disposición de los órganos de movimiento móviles antagónicamente, en el ejemplo de realización los dos árboles 84, 86 rotativos, las fibras se extienden respectivamente entre dos bordes 80 de separación curvados antagónicamente.

De ese modo, el aparato 34 de separación se configura, por así decirlo, como separador de aletas, que se encarga siempre de una otra vez renovada colocación del roving 32 sobre los bordes 80 de separación. Adicionalmente, se abre capa aglutinante existente sobre el roving 32 o sobre el haz de filamentos de fibra por la flexión alternante y los filamentos se pueden mover independientemente unos de otros.

En el dispositivo 20 de separación, al aparato 34 de separación, configurado como separador de aletas, le sigue a continuación, en la dirección de transporte del roving 32, el aparato 36 de cardado, que en la realización presentada aquí se ha configurado como cámara de aspiración según el llamado principio de Fukui. La cámara 96 de aspiración puede ser del tipo, que se ha descrito en el documento US-A-6 032 342. El roving 32 cardado y previamente separado es atraído, en este caso, a la cámara 96 de aspiración por una fuerte corriente 98 de aire laminar. Los distintos filamentos 100 son rodeados por el aire y pueden deslizarse de manera relativamente fácil unos sobre otros. Por lo demás, la cámara 96 de aspiración puede compensar ligeras oscilaciones de la tensión de los rovings

32.

En la elaboración de fibras de plástico, se conducen los haces de filamentos, a menudo, libremente y guiados a través de ojetes. Al mismo tiempo, partes de los filamentos 100 pueden girar alrededor del resto de los haces y dar lugar a encordonados de rovings ya durante la elaboración. Tras el enrollado para formar una bobina de rovings, no se pueden apreciar al principio apenas esos defectos, ya que se estira del haz de filamentos de forma aplanada. Tras el cardado del haz de filamentos en el aparato 34 de separación, pueden observarse, no obstante, claramente piezas de rovings desplazándose transversalmente. Este efecto puede dar lugar a intersticios y desplazamientos en el roving, que influyen negativamente en la calidad de la separación.

Para conseguir una imagen de la separación lo más homogénea posible, se ha previsto, en una forma de realización no representada explícitamente de la invención, una separación en varias etapas, en la que la relación de separación se aumenta escalonadamente. Para ello, se prevé primero un primer aparato 34 de separación y un primer aparato 36 de cardado para separar el roving 32 en una primera medida de anchura, por ejemplo, en un valor de entre 8 y 16 mm. Sigue, después, una etapa adicional con un aparato 34 de separación más y un aparato 36 de cardado más, con mayores dimensiones que el primer aparato de separación y el primer aparato de cardado, para llevara a cabo así una separación a una mayor anchura, por ejemplo, a un valor de entre 20 y 35 mm.

Después de ello, el roving 32 se presenta como banda delgada ancha, la banda 14 de fibras.

En el recorrido ulterior, aún se dota a esta banda 14 de fibras de una pequeña cantidad de material 38 aglutinante.

Teóricamente, en un roving-12k de 30 mm de anchura, perfectamente separado, quedan nada más que tres filamentos superpuestos. Al mismo tiempo, se aceptó un diámetro de los filamentos 100 de 7 μm y una densidad de relleno muy alta. No obstante, en la realidad un roving 32 presenta siempre defectos de separación, que pueden dar lugar en algunas partes a una zona más gruesa y, con ello, a un número más elevado de extremos de filamentos.

La provisión al roving 32 así separado de material 38 aglutinante se lleva a cabo en el dispositivo 22 de aglutinación, cuyo principio se ha representado en la figura 7. El dispositivo 22 de aglutinación se realiza en su fundamento a la manera de un difusor de polvo, tal como se describe en el documento US-A-3 518 810, el US-A-2 489 846, el US-A2 394 657, el US-A-2 057 538 o el US-A-2 613 633. Según ello, dispone de una tolva 102, por delante de cuya salida pasa un cilindro 106 provisto de elevaciones 104 radiales.

El cilindro 106 es un cilindro de acero moleteado, que con su superficie rugosa se encarga del transporte de polvo. Dicho cilindro 106 es trabajado, a su vez, por un cilindro 108 de cepillado, que retira el material 38 aglutinante pulverulento del cilindro 106 y lo esparce sobre la banda 14 de fibras, que pasa por debajo.

Entre la banda 14 de fibras y el mecanismo de aplicación, se puede aplicar una tensión U de manera que el polvo se deposite electrostáticamente en la banda 14 de fibras, como en un revestimiento de esmalte en polvo.

El cilindro 106 de transporte así como el cilindro 108 de cepillado son accionados por dos motores 110 y 112 eléctricos separados para poder ajustar lo más libremente posible los parámetros de control. El control se lleva a cabo por medio de un aparato 114 de control, que puede formar parte del dispositivo 44 de control.

Para evitar que el polvo pueda bloquear y atascar partes de maquinaria en lugares estrechos, la tolva 102 no está fijada sólidamente al resto del dispositivo 22 de aglutinación, sino en un soporte 116, que permite movimientos de compensación. Una ventaja del soporte 116 es además que la tolva 102 en funcionamiento marchante puede oscilar y el polvo se compactará automáticamente hacia abajo. El polvo es esparcido en cantidad exactamente dosificable sobre la superficie del roving 32, que pasa por debajo a una velocidad definida, por ejemplo, de 3 a 6 m/min. El polvo sobrante cae afuera del roving 32 en un recipiente recolector (no representado) y luego puede volver a ser introducido en el proceso.

Las mediciones han demostrado que la cantidad esparcida de material aglutinante depende casi linealmente de la velocidad de rotación del cilindro 106.

El dispositivo 22 de aglutinación presenta además un aparato 118 calentador para fijar las partículas de polvo del material 38 aglutinante, que se derriten por la temperatura de calentamiento, en la superficie de los filamentos 100.

En la forma de realización representada, el dispositivo 118 de calentamiento presenta un tramo de calentamiento de aproximadamente 100 a 500 mm. La configuración preferida del equipo 118 de calentamiento es con radiadores eléctricos, en este caso equipado con radiadores 120 eléctricos de infrarrojos. El rendimiento calorífico del equipo 118 de calentamiento se puede ajustar con precisión por medio del aparato 114 de control-

Las partículas de aglutinante se funden fácilmente y se aglutinan con la superficie de las fibras.

Después, – tal como se ha indicado en la figura 1a – la banda 14 de fibras terminada puede enrollarse en una bobina 121 para películas especial y almacenarse transitoriamente para ulterior utilización.

En el ejemplo de realización representado en la figura 1, se suministra la banda 14 de fibras especialmente prefabricada al dispositivo de corte, donde se subdivide en patches 40, 40’, 40’’ y seguidamente se coloca por medio del dispositivo 28 de colocación.

La figura 1a muestra una realización con grupos 12, 16 separados utilizando las bobinas 121 para películas como ejemplo para un almacenamiento transitorio. Los grupos 12, 16 también podrían estar así en lugares de producción separados.

En la figura 8, se ha representado más detalladamente una segunda forma de realización del dispositivo 16 de corte y colocación. En esta configuración según la figura 8, el dispositivo 24 de corte presenta un equipo 122 de corte de fibras con un aparato 124 de cuchillas y un cilindro 126 antagónico así como por lo menos uno o, como se ha representado aquí, varios cilindros 128 transportadores.

El aparato 124 de cuchillas se puede accionar en función de la velocidad de rotación del cilindro 126 antagónico y/o de los cilindros 128 transportadores para cortar patches 40 de longitud definida.

El aparato 124 de cuchillas presenta, en especial, un mecanismo de acoplamiento (no representado), que acopla un accionamiento del aparato 124 de cuchillas con un accionamiento para los cilindros 126, 128.

El aparato 124 de cuchillas se ha provisto, en el ejemplo representado, de un cilindro 130 de cuchillas, que presenta como saliente radial por lo menos una, en este caso varias, aristas 132 de cuchillas. El cilindro 130 de cuchillas se puede acoplar adicionalmente, en el ejemplo de realización representado, por medio del mecanismo de acoplamiento, no representado con mayor detalle, de tal modo al accionamiento del cilindro 126 antagónico que las aristas 132 de cuchillas se muevan a la misma velocidad periférica que la superficie del cilindro 126 antagónico.

El dispositivo de corte, representado en la figura 8 y con mayor detalle en la figura 9, presenta según dichas figuras un aparato 134 de corte de acoplamiento, en el que dos parejas de cilindros 128 transportadores y un cilindro 126 antagónico engomado son accionados mediante un motor, no representado con mayor detalle, a través de un engranaje central en unión positiva de forma, por ejemplo, mediante una correa dentada (no representada). Los cilindros 128 transportadores tiran de una banda de fibras sin fin – en este caso, en especial la banda 14 de fibras separada – y la conducen sobre el cilindro 126 antagónico, que gira a la misma velocidad.

Sobre el cilindro 126 antagónico hay una barra 136 cortadora en posición de espera. Si hubiese de realizarse un corte, un acoplamiento electromagnético acopla la barra 136 cortadora al movimiento del aparato de corte. En el punto de contacto, la barra 136 cortadora y el cilindro 126 antagónico tienen la misma velocidad de rotación. El material a cortar es partido por una hoja 138 de cuchilla. Después de ello, se desacopla la barra 136 cortadora y se

retiene con un aparato de frenado, por ejemplo, un freno electromagnético – no representado -. La segunda pareja de cilindros 128 transportadores transporta los recortes.

El aparato 134 de corte de acoplamiento hace posible el corte libre de estirado de las bandas de fibras separadas. El ritmo de corte o bien la longitud de corte pueden variarse además controlándose por ordenador con el funcionamiento ininterrumpido.

El dispositivo de frenado (no representado explícitamente) se encarga de que el cilindro 130 de cuchillas esté siempre enclavado, cuando el embrague no esté conectado. El proceso de embrague y el de frenado funciona por medio de un relé conmutador común (no representado), se evitan, con ello, los fallos por faltas de programación. Una unidad de sensor no representado con mayor detalle, por ejemplo, un conmutador inductivo de proximidad, registra la posición de la cuchilla y se encarga del frenado de la cuchilla en posición horizontal. Si se iniciase una orden de corte por parte del control conectado, por ejemplo, el dispositivo 44 de control, embraga el cilindro 130 de cuchillas, acelera y realiza un corte. Cuando, como se ha previsto en el ejemplo de realización, el cilindro 130 de cuchillas tiene en este momento la misma velocidad periférica que el cilindro 126 antagónico, no se oculta la hoja 138 de la cuchilla, y resulta un tiempo de espera de la cuchilla sensiblemente más largo, comparable a una sencilla cuchilla de impulsión. Después del proceso de corte, se desembraga el cilindro 130 de cuchillas y frena en la misma posición que al principio y se asegura. La longitud de corte se programa en un soporte lógico de control.

La figura 10 muestra el curso esquemático del control del aparato de corte. Como puede observarse en la figura 10, se prefija el ritmo de corte en función de la velocidad de avance del aparato de corte. La longitud mínima de corte resulta debido a las dimensiones del cilindro 130 de cuchillas y del cilindro 126 antagónico y queda, por ejemplo, en un orden de magnitud de la anchura de la banda 14 de fibras separada. La longitud máxima de corte es teóricamente ilimitada.

En las dos formas de realización presentadas aquí del grupo 16 de corte y de colocación, se transfieren los patches 40, 40’, 40’’, después del dispositivo 24 de corte, al aparato 26 de transporte, que evacua afuera del dispositivo 24 de corte los patches 40, 40’, 40’’ con una mayor velocidad de transporte que la velocidad de movimiento de la banda 14 de fibras hacia o en el dispositivo 24 de corte. De este modo, se proveen los patches 40, 40’, 40’’ individualmente y con una separación suficiente grande entre ellos. El aparato 26 de transporte está equipado con un aparato de retención, que retiene los patches 40, 40’, 40’’ en el aparato de transporte, y está provisto con un aparato de entrega, que entrega los patches 40, 40’, 40’’ al cabezal 52 de colocación del dispositivo 28 de colocación.

El aparato de retención y el aparato de entrega se han realizado, en este caso, en forma de cinta 50 transportadora de vacío. Una cámara 140 de aspiración de gran volumen distribuye la fuerza de aspiración de una fuente de depresión no representada con mayor detalle, por ejemplo, un ventilador de aspiración, sobre todo el aparato 26 de transporte. Una cinta dotada de muchos poros pasantes, por ejemplo, una cinta de polipropileno, es conducida sobre una chapa 142 perforada que recubre la cámara 140 de aspiración.

El aparato 26 de transporte se acciona por un acoplamiento a una unidad impulsora del dispositivo 24 de corte. En el ejemplo representado aquí, la cinta 50 transportadora de vacío está acoplada al engranaje de unión positiva de forma, que impulsa los cilindros 128 transportadores y el cilindro 126 antagónico. Al mismo tiempo, una adecuada relación de transferencia, por ejemplo, una relación de transferencia de 1 a 2, se encarga de que haya una separación suficientemente grande entre los patches 40, 40’, 40’’. Al final del tramo de transporte, hay una cámara 144 aspirante-soplante, que es accionada con un módulo de vacío neumático. En tanto que una pieza de fibras – patch 40 – sea conducida por encima de la cámara 144 de aspiración-soplado, se encuentra esta en funcionamiento de aspiración. Cuando la cabeza de colocación esté en una posición 146 de entrega prefijada, se activa en el momento oportuno un impulso de soplante, que mueve el patch 40 al cabezal 52 de colocación.

El cabezal 52 de colocación aspira el patch 40, lo calienta y lo transporta con orientación prefijada a su posición prefijada.

Al mismo tiempo, como se ha representado en la figura 11, se depositan los patches 40, 40’, 40’’ a lo largo de trayectorias 148 curvadas prefijadas sobre el molde 30 de la preforma. Con la referencia 150, se han indicado los patches mal colocados con la correspondiente orientación a lo largo de dichas trayectorias 148 y su solape. En las zonas de solape, se fijan mutuamente los patches 40 gracias al material 38 aglutinante calentado por el cabezal 52 de colocación.

Con el dispositivo de corte, representado en la figura 1, y utilizando el láser 54 (u otro procedimiento de corte por rayos) también se pueden producir, no obstante, formas de aristas de corte más complicadas. En la figura 12, se ha representado una forma de bordes cortantes especialmente ventajosa con bordes 152, 154 cortantes curvados convexa o bien cóncavamente mutuamente complementarios. Los bordes 152, 154 cortantes orientados opuestamente en cada patch 40 están curvados en forma arco circular. Por ello, los bordes 152, 154 cortantes de

patches 40, 40’, 40’’ dispuestos sucesivamente pueden quedar estrechamente adyacentes unos de otros incluso en caso de acodamiento de los patches 40, 40’, 40’’, sin que reproduzcan intersticios o engrosamientos. De ese modo, pueden cubrirse también radios de curvatura menores de las trayectorias 148 con las correspondientes orientaciones de las fibras con una disposición de piezas de fibras. La fijación de los patches 40, 40’, 40’’ puede llevarse a cabo por solape con patches (no representada) vecinos o superpuestos o puestos por debajo.

De ese modo, se pueden representar también preformas 42 muy complicadas como las que se han indicado, por ejemplo, en la figura 13. Se ha configurado, en este caso, a la manera de un “patchwork” (trabajo hecho de varias piezas), una preforma 192 con las piezas cortas de fibras para una estructura compuesta de fibras según el flujo de cargas para una bocina de ventana, por ejemplo, para un cuerpo de un aparato aeronáutico o espacial. Los patches 40, 40’, 40’’ está orientados según las líneas de flujo de cargas.

La forma anular representada se puede conseguir por técnica de procesos, por ejemplo, mediante un molde 30 de preforma definidamente rotativo, como se ha representado por las flechas 156 en la figura 1.

A base de las figuras 14 a 16, no se explica más detalladamente nada más que el dispositivo 28 de colocación y su cabezal 52 de colocación de la forma de realización representada con más detalles en la figura 8 del grupo 16 de corte y colocación.

El cabezal 52 de colocación debe satisfacer la función de recibir una pieza de fibras o patch 40, 40’, 40’’ y transportarla a la respectiva posición próxima prefijada en el molde 30 de la preforma, donde ha de colocarse un patch 40, 40’, 40’’. Con este objeto, el cabezal 52 de colocación tiene un dispositivo de retención. Aún cuando también pueden imaginarse otros dispositivos de retención, se ha configurado, pues, en el ejemplo representado aquí el aparato de retención como aparato 158 de aspiración con objeto de recibir con más sencillez el patch por el aparato 26 de transporte.

Resulta ventajoso además que el material 38 aglutinante, con el que está provisto el patch 40, se active con el cabezal 52 de colocación durante el transporte. Para ello, el cabezal 38 de colocación presenta un dispositivo de activación para activar el material 38 aglutinante. El dispositivo de activación se configura de acuerdo con el material aglutinante. Si se emplea, por ejemplo, un material aglutinante activable por un aditivo, entonces el cabezal de colocación presenta un aparato para suministrar dicho aditivo. En otra configuración, no representada aquí, se suministra al cabezal de colocación igualmente material aglutinante activo como, por ejemplo, una cola, ya durante el transporte del patch. En una configuración semejante, el cabezal de colocación presenta un aparato para suministrar el material aglutinante. Para emplear en el dispositivo 10 de elaboración de preformas explicado anteriormente, que utiliza material 38 aglutinante térmicamente activable, el aparato de activación se ha configurado en la forma de realización representada como aparato 160 calentador.

Además resulta ventajoso que el cabezal 52 de colocación pueda aplicar el patch 40, 40’, 40’’ con seguridad en configuraciones superficiales tridimensionales complicadas del molde 30 de la preforma. Para ello, el cabezal 52 de colocación está provisto de un mecanismo de hacer presión, que sea apropiado para ejercer presión sobre los patches 40 transportados a diferentes configuraciones superficiales. El mecanismo de hacer presión presenta en una configuración preferida una superficie 164 flexible, en la que el patch 40 pueda ser retenido por medio del aparato de retención. La superficie 164 flexible se configura además preferiblemente en un elemento 166 de soporte elástico.

La figura 14 muestra una sección transversal a través de una cabeza 168 de colocación del cabezal 52 de colocación, el cual reúne el aparato de retención, el aparato de activación y el mecanismo de ejercer presión. La cabeza 168 de colocación representada en la figura 14, presenta, por tanto, el aparato 158 de aspiración, el aparato 160 de calentamiento así como el mecanismo 162 de ejercer presión con la superficie 164 flexible en el elemento 166 de soporte.

La figura 15 muestra una vista por debajo de la superficie 164 flexible.

Con la cabeza 168 de colocación, pueden colocarse exactamente posicionadas piezas de fibras (patches) según un plano de colocación (por ejemplo, el plan de colocación reproducido en la figura 11) aglutinadas según la tecnología de Fiber-Patch-Preforming y cortadas en geometrías definidas. La cabeza 168 de colocación es un componente central de la técnica de colocación y puede utilizarse también en otras variaciones geométricas. Pueden imaginarse cabezas de colocación en forma de paralelepípedo o de rodillo.

En el ejemplo de realización, en concreto de la figura 14, la cabeza 168 de colocación se ha configurado como cabeza de silicona. La adecuación de la superficie de la cabeza de silicona se asemeja a la técnica de impresión de un tampón. Aunque aquí tiene lugar el empleo correspondiente en una región tecnológica completamente diferente.

La cabeza 168 de colocación está en disposición de recibir rápida y cuidadosamente recortes de fibras por medio de una aspiración integrada – aparato 158 de aspiración - y transportarlos a un lugar de apilamiento definido. Durante el transporte, una calefacción integrada – aparato 160 de calefacción – en la superficie de contacto calienta el material y activa, con ello, un medio de aglutinante – material 38 aglutinante – sobre el recorte de fibras. El recorte de fibras

5 es presionado sobre la superficie, adaptándose el material blando del sello a la geometría superficial. Cuando la cabeza 168 de colocación se aleja de la superficie, se inicia el impulso de soplado, se enfría el material 38 aglutinante y el material de las fibras permanece en el lugar de colocación.

La cabeza 168 de colocación posibilita la elaboración de preformas 42 de patches de fibras.

En la figura 14, se ha representado el elemento 166 de soporte elástico – cuerpo de presión elástico – con una

10 distribución 170 de aire, que forma parte del aparato 158 de aspiración. La parte no representada del aparato 158 de aspiración está provista de fuentes neumáticas habituales y controles neumáticos (no representados). Se ha representado además la superficie 164 flexible como superficie 172 de calentamiento elástica con canales 174 aspiración y soplado.

El elemento 166 de soporte elástico descansa sobre una placa 4 de acoplamiento, que está provista de elementos

15 de fijación liberables (no representados) para fijar la cabeza 168 de colocación en un aparato 176 de posicionado (véase la figura 16).

Se ha previsto además un termoelemento 178 como parte de control del aparato 160 de calentamiento. Una conducción 180 de flujo altamente elástica une el termoelemento 178 con la superficie 172 de calentamiento elástica.

20 En la figura 15, se ha representado la superficie de aspiración – superficie 164 flexible – con los canales 174 de aspiración y soplado.

A continuación, se explica más detalladamente la utilización de la cabeza 168 de colocación así como más detalles del dispositivo 28 de colocación a base de su utilización en el dispositivo 10 de elaboración de preformas.

En la tecnología de Fiber-Patch-Preforming presentada aquí, se disponen patches 40 de fibras individuales

25 formando una preforma 42 tridimensional. Para ello, una técnica de colocación apropiada transforma un plano de formación en la realidad. El dispositivo 28 de colocación recoge los patches 40 de fibras aglutinados y recortados de la cinta 50 de transporte de vacío, que está asociada al dispositivo 24 de corte, y coloca los patches 40 de fibras al ritmo lo más rápido posible sobre una superficie. En el ejemplo de realización representado, los patches 40, 40’, 40’’ de fibras se depositan en una superficie del molde 30 de la preforma.

30 Además, los patches 40, 40’, 40’’ para la conformación de una preforma 42 estable se comprimen sobre la superficie conformadora. La cabeza 168 de colocación debe además ser lo más blanda posible para poder adaptarse con fuerza homogénea a una superficie tridimensional. Resulta ventajoso, además, para la configuración aquí representada que, poco antes de la colocación, pueda proporcionarse una determinada cantidad de calor para activar el material 38 aglutinante. Para ello, se ha dotado a la superficie 164 flexible del aparato 160 de

35 calentamiento, que afecta lo menos posible a las propiedades mecánicas del material de la cabeza. De modo similar que en la cinta 50 transportadora de vacío, resulta también ventajosa una fijación superficial de los patches 40 de fibras de filigrana en la cabeza 168 de colocación. Para ello, la superficie 164 flexible tiene también una función de aspiración.

La elaboración de la cabeza 168 de colocación se basa en la elaboración de cabezas de impresión de tampón de la

40 técnica de impresión. Para la elaboración de cabezas de impresión de tampón, existen una serie de siliconas especiales, que pueden soportar las cargas mecánicas cambiantes continuas durante largo tiempo. A partir de dichas siliconas, se elige un caucho de silicona, que corresponde lo mejor posible a los requerimientos adicionales debidos el aparato 160 de calentamiento así como al contacto con el material 38 aglutinante. Puesto que en la cabeza 168 de colocación se integra una calefacción, se hicieron ensayos de estabilidad térmica del material de la

45 cabeza sello. Resulta además ventajoso que la cabeza 168 de colocación pueda soportar temperaturas continuas de hasta 200ºC. Se selecciona un ablandador para el material de silicona de acuerdo con dichos requerimientos.

Para poder calentar la superficie de colocación del sello 168 de colocación, se pueden aplicar diversos aparatos 160 de calentamiento. Vienen al caso, por ejemplo, calefacciones eléctricas, circuitos de líquidos o aire caliente. En técnica de acabado, lo más sencillo es transformar la variante de un aparato 160 de calentamiento eléctrico. Esto

50 ofrece, al mismo tiempo, la posibilidad de unos rendimientos térmicos muy elevados con ajuste térmico exacto.

Para no afectar la flexibilidad del elemento 166 de soporte elástico, se conforman las conducciones 180 de flujo, por conveniencia, por medio de un hilo de fibras de carbono. La elevada flexibilidad de un hilo semejante no da lugar una rigidización de la superficie 164 flexible. Además, una fibra semejante soporta varios ciclos de carga de 100.00.

La capacidad conductiva del calor del elemento 166 de soporte puede aumentarse mezclando medios conductivos 5 del calor en la silicona.

Por ejemplo, la superficie flexible posee con una proporción de medios conductores del calor de aproximadamente 10 a 30 por ciento en peso una suficiente conductibilidad térmica, de manera que un elemento térmico del aparato 160 de calentamiento y la superficie 164 flexible puedan mantenerse a casi la misma temperatura.

En la superficie 164 flexible de la cabeza 168 de colocación se integraron los canales 174 de aspiración y soplado,

10 que conducen conjuntamente en el interior de la cabeza 168 de colocación a través de una cámara 182. En la cámara 168, se ha intercalado un flujo de aspiración (no representado), que evita una colaboración al comprimir la cabeza 168 de colocación.

Para evitar cargas electrostáticas, resulta ventajoso que la superficie 164 flexible esté formada por un material flexible de propiedades antiestáticas.

15 A continuación, se explicará más detalladamente a base de la figura 16 la mecánica de colocación del dispositivo 28 de colocación.

El mecanismo 184 de colocación reproducido en la figura 16 sirve para mover la cabeza 168 de colocación con el fin de transportar patches 40 de fibras desde el dispositivo 24 de corte a la posición 46 prefijada. El mecanismo 184 de colocación permite un rápido ritmo de colocación y un ángulo de colocación ajustable.

20 Como ya se explicó anteriormente, el patch 40 es trasladado sin contactos desde la cinta 50 transportadora de vacío a la cabeza 168 de colocación. Para ello, el dispositivo 44 de control inicia un impulso de soplado de la cámara 144 de aspiración/soplado de la cinta 50 transportadora de vacío tras un tiempo de retardo ajustado en función de una orden de corte. El patch 40 es trasladado por un recorrido aéreo de pocos milímetros (aproximadamente de 0,5 a 10 mm) en la cabeza 168 de colocación. Después de ello comienza el curso del movimiento del mecanismo 184 de

25 colocación.

El mecanismo 184 de colocación presenta un primer accionamiento de translación para transportar la cabeza 168 de colocación desde la posición de recogida a una posición por encima de la posición prefijada anteriormente. Este primer accionamiento se ha realizado como cilindro 186 neumático horizontal en la forma de realización representada de el mecanismo 184 de colocación. Este cilindro 186 neumático horizontal puede desplazar la cabeza

30 168 de colocación desde su posición de recogida sobre el lugar de colocación. Un segundo accionamiento, en este caso en forma de un cilindro 188 neumático vertical, presiona la cabeza 168 de colocación sobre la superficie, preferiblemente con presión ajustable.

Durante el proceso de desplazamiento, se mantiene permanentemente la superficie de la cabeza a una temperatura ajustable, para que el aglutinante pueda activar su adhesividad. Tan pronto como el patch 40 toque la superficie, se

35 enfría el material 38 aglutinante y se endurece. Se activa luego un impulso de soplado en el aparato 158 de aspiración de la cabeza 168 de colocación, controlado desde el aparato 44 de control; la cabeza de colocación se libera con ello y se mueve seguidamente hacia atrás a su posición de partida. Además, las propiedades disociadoras de la silicona resultan ventajosas, porque no queda material 38 aglutinante alguno en la cabeza.

Por medio de un tercer accionamiento, que se ha configurado en el ejemplo de realización en forma de un motor 190

40 paso a paso con un sistema 191 de árboles estriados, puede ser girada la cabeza 168 de colocación. Con ello, pueden producirse también fajas de patches 40 oblicuos sin que haya que girar todo el cabezal de colocación (por ejemplo, la cabeza 168 de colocación con el aparato 184 de colocación).

Para conseguir un proceso de colocación económico, se planificó una cadencia de ritmo muy elevada de más de dos procesos de colocación por segundo. Por ejemplo, se llevan a cabo cinco procesos de colocación o más por

45 segundo. Con una longitud de patch de 60 mm y empleando un roving de 12k, se llega así a un caudal de fibras teórico de 14,4 gr/min. Si se desease recubrir, por ejemplo, un metro cuadrado, con patches 40 de fibras con el espesor de un recubrimiento biaxial (aproximadamente 500 g/m2), entonces el dispositivo 10 de elaboración de preformas necesitaría, para ello, unos 35 min. Pueden lograrse tiempos menores utilizando varios dispositivos 28 de colocación, por ejemplo, utilizando varios robots, que trabajen conjuntamente en una superficie.

Debido a las aún relativamente bajas velocidades conseguidas actualmente, la técnica de FPP es apropiada en la forma presentada en la actualidad, en especial, para el refuerzo de otros tipos de preformas así como para componentes constructivos complejos y de paredes delgadas. Así, por ejemplo, puede imaginarse el refuerzo de bordes de orificios en recubrimientos multiaxiales o tejidos. Un embudo de ventana, cuya preforma 192 se ha

5 representado en la figura 13, se podría elaborar asimismo de paredes muy delgadas y con colocación de fibras prefijada.

Para distintos tipos de preformas, se requerirían menos grados de libertad en una instalación de FPP - dispositivo 10 de elaboración de preformas -. Si solo se hubiesen de elaborar, por ejemplo, perfiles de refuerzo, entonces se pueden simplificar los distintos grupos constructivos y agruparse en una línea de producción. Los grupos

10 constructivos no utilizados pueden suprimirse, o el dispositivo puede dividirse en varias unidades constructivas intercalando material de semiproductos.

Con ello, pueden tanto bajarse los costes de instalación como también aumentarse la productividad.

LISTA DE NÚMEROS DE REFERENCIA

10

Dispositivo de elaboración de preformas

12

Grupo de preparación

14

Banda de fibras

5

16 Grupo de corte y colocación

17

División

18

Dispositivo de desenrollado

20

Dispositivo de separación

22

Dispositivo de aglutinado

10

24 Dispositivo de corte

26

Aparato de transporte

28

Dispositivo de colocación

30

Molde de la preforma

32

Roving

15

34 Aparato de separación

36

Aparato de cardado

38

Material aglutinante

40, 40’, 40’’

Patch (secciones de una banda de fibras; piezas de banda de fibras)

42

Preforma

20

44 Dispositivo de control

46

Posición prefijada

50

Cinta transportadora de vacío

52

Cabezal de colocación

54

Láser

25

56 Bobina de alimentación

58

Suspensión

60

Conducción lineal

62

Carro

64 Husillo de accionamiento 66 Motor 68 Sensor 70 Posición

5 72 Fotodiodo 74 Banda aplanada 75 Rodillo 76 Barra arqueada 78 Barra recta

10 80 Borde de separación 82 Primer resalto radial 84 Árbol rotativo 86 Árbol rotativo 88 Segundo resalto radial

15 90 Borde recto 92 Engranaje de ruedas dentadas 94 Ala 96 Cámara de aspiración 98 Corriente de aire laminar

20 100 Filamentos 102 Embudo 104 Elevaciones radiales 106 Cilindro 108 Cilindro de cepillado

25 110 Motor eléctrico 112 Motor eléctrico 114 Aparato de control 116 Sujetador

118 Aparato calentador 120 Radiador calentador de infrarrojos 122 Aparato de corte de fibras 124 Aparato de cuchillas

5 126 Cilindro antagónico 128 Cilindro de transporte 130 Cilindro de cuchillas 132 Bordes de cuchillas 134 Aparato de corte de acoplamiento

10 136 Barra de cuchillas 138 Hoja de cuchilla 140 Cámara de aspiración 142 Chapa agujereada 144 Cámara de aspiración/soplado

15 146 Posición de transferencia 148 Pistas curvadas 150 Patches solapantes 152 Borde de corte 154 Borde de corte

20 156 Movilidad del molde de la preforma – multidimensional – 158 Aparato de aspiración 160 Aparato calentador 164 Superficie flexible 166 Elemento elástico de soporte

25 168 Cabeza de colocación 170 Distribución de aire 172 Superficie elástica calentadora 174 Canales de aspiración y soplado

175 Placa de acoplamiento 176 Aparato de posicionamiento 178 Termoelemento 180 Conducción de corriente

5 182 Cámara 184 Mecanismo de colocación 186 Cilindro neumático horizontal (primer accionamiento) 188 Cilindro neumático vertical (segundo accionamiento) 190 Motor paso a paso (tercer accionamiento)

10 191 Sistema de árboles estriados 192 Preforma para embudo de ventana

Claims (8)

1. REIVINDICACIONES

   1. Dispositivo (20) de separación para separar un haz (32) de filamentos de fibras en forma de una banda (14) de fibras, con al menos un borde (80) de separación curvado convexamente, que puede moverse con por lo menos una componente direccional perpendicularmente a la extensión longitudinal de un haz (32) de filamentos de fibra a separar con respecto a este de modo que el haz (32) de filamentos de fibra pueda ser sometido a tensión sobre el borde (80) de separación curvado convexamente, y seguidamente vuelva a moverse alejándose con por lo menos una componente direccional perpendicularmente al haz (32) de filamentos de fibra, para liberarlo del borde (80) de separación, donde el por lo menos un borde (80) de separación se ha configurado en un resalto (82) radial rotativo de un árbol (84) rotativo; donde por lo menos dos árboles (84, 86) rotativos se han provisto de resaltos (82) radiales; donde los árboles (84, 86) rotativos giran de manera mutuamente antagónica; donde se han previsto varias zonas de borde, de las cuales por lo menos una se ha realizado como borde (80) de separación curvado convexamente y las cuales pueden moverse en direcciones opuestas al haz (32) de filamentos de fibra; donde en los árboles (84, 86) rotativos impulsados antagónicamente se ha realizado varias aletas (94), que forman los resaltos (82, 88) radiales, las cuales se extienden sensiblemente en dirección radial y en cuyas zonas más exteriores radialmente se han configurado las zonas (80, 90) de borde; caracterizado por que los árboles (84, 86) rotativos se han dispuesto girando de tal modo que, en cada caso, una aleta (94) de un árbol (84) rotativo encaje entre dos aletas del otro árbol

   (86) rotativo de manera que las zonas de borde configuradas en las aletas (94) puedan moverse de tal modo que el haz de filamentos de fibra introducido bajo tensión a tracción en el dispositivo de separación pueda separarse entre las zonas de borde con fuerza tensora variable.

2. 2.

   Dispositivo de separación según la reivindicación 1, caracterizado por que los árboles (84,86) rotativos se accionan antagónicamente por medio de un engranaje de ruedas dentadas.

3. 3.

   Dispositivo de separación según una de las reivindicaciones 1 o 2, caracterizado por que varias zonas de borde, que sirven para separar, se han configurado como bordes (80) de separación curvados convexamente radialmente hacia fuera, donde zonas de borde a asentarse consecutivamente en el haz (32) de filamentos de fibras se han dispuesto en los árboles (84, 86) rotativos, que giran antagónicamente, de tal manera que las fibras puedan separarse respectivamente entre dos bordes (80) de separación curvados en sentidos opuestos.

4. 4.

   Dispositivo de separación según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por que se ha previsto, en la dirección de transporte del haz (32) de filamentos de fibra por detrás de un aparato (34) de separación, que presenta el por lo menos un borde (80) de separación, un aparato (36) de cardado para cardar el haz (32) de filamentos de fibra separado.

5. 5.

   Dispositivo de separación según la reivindicación 4, caracterizado por que el aparato (36) de cardado presenta una cámara (96) de aspiración.

6. 6.

   Dispositivo de separación según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por varios aparatos

   (34) de separación pospuestos para aumentar escalonadamente la relación de separación.

7. 7.

   Dispositivo (10) de elaboración de preformas para elaborar una preforma con un dispositivo (20) de separación según una de las reivindicaciones precedentes.

8. 8.

   Utilización de un dispositivo de separación, según una de las reivindicaciones 1 a 6, en un procedimiento para elaborar estructuras compuestas de fibras según el flujo de fuerzas para suministrar un tramo de fibras aplanado separado con objeto de elaborar una preforma.