ES2562952T3 - Método de fabricación de telas reforzadas de bajo volumen para procesos de moldeo a baja presión - Google Patents

Método de fabricación de telas reforzadas de bajo volumen para procesos de moldeo a baja presión Download PDF

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Abstract

Un método de fabricación que comprende: formar una capa de fibra (318) y una capa termoplástica (312) adherente y porosa para formar una acumulación de fibras unidireccional, donde la capa de fibra de la banda de material compuesto unidireccional se esparce para crear separaciones o rendijas entre haces de fibras adyacentes dentro de un margen deseado; calentar a presión la acumulación de fibras (318) para formar una banda (314, 410) de material compuesto unidireccional para mantener sustancialmente las fibras en una configuración deseada; construir una primera capa a partir de la banda de material compuesto; construir, a partir de la banda de material compuesto, una segunda capa sobre la primera capa a un ángulo predeterminado con respecto a la primera capa; y consolidar la primera y la segunda capas para formar una tela (322, 416) de material compuesto.

Description

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maquina de tejer por urdimbre que se utilice para producir la tela. Pueden llevarse tiras adicionales de banda 314 hasta la superficie, colocarlas según múltiples orientaciones y tejerlas juntas para formar la tela 322. De esta manera, las diferentes realizaciones ventajosas usan la banda 314 para crear la tela 322, en lugar de crear la tela 322 directamente a partir de los haces 310.
5 Posteriormente, la unidad 306 de acumulación puede usar la tela 322 con la herramienta 324 para crear la pieza 326 de material compuesto. La herramienta 324 puede ser, por ejemplo y sin limitación, un molde en el que pueden acumularse porciones de tela 322 para darles la forma de la pieza 326 de material compuesto. La unidad 306 de acumulación para la pieza 326 de material compuesto puede depositar la tela 322 sobre la herramienta 324. Una vez que la tela 322 ha sido depositada sobre la herramienta 324 para formar el material depositado 328, el material depositado 328 existente sobre la herramienta 324 puede ser colocado dentro del horno 308 para su curado.
En estos ejemplos, el horno 308 puede ser un horno de baja presión, en el que suele ser innecesaria una presión adicional para crear la pieza 326 de material compuesto. Con este tipo de curado, los problemas con respecto al
15 espesor de la tela 322 dejan de ser un problema, gracias al material estabilizado de la banda 314 que se usa para crear la tela 322. Por el contrario, con las telas disponibles en la actualidad y los procesos para crear telas que incluyan materiales de entrecapa entre los pliegos, el volumen o espesor de las capas dentro de la tela pueden no cumplir los diseños o especificaciones cuando se usan procesos de curado a baja presión. Como consecuencia, puede evitarse el uso de los procesos de curado a presión, proporcionados a raves de autoclaves, para producir telas con un volumen y/o espesor deseados.
Con referencia ahora a la Figura 4, se representa la ilustración de un diagrama de bloques para fabricar una tela de material compuesto de acuerdo con una realización ventajosa. En este ejemplo, el proceso forma una capa 400 de fibra y una capa 402 adherente y porosa para formar una acumulación unidireccional de fibras 404. En esta
25 realización ilustrativa, se aplica calor y presión 406 a la acumulación unidireccional de fibras 404 para formar una banda unidireccional 408 de material compuesto. La banda unidireccional 408 de material compuesto es cortada a una anchura deseada para formar la banda unidireccional 410 de material compuesto cortada. La banda unidireccional 410 de material compuesto cortada es cargada después en la máquina multiaxial 412. La máquina multiaxial 412 construye una capa 414 con un primer ángulo y luego construye una capa 416 con un segundo ángulo sobre la capa 414 que está con el primer ángulo. Estas dos capas forman una tela 416 de material compuesto. Aunque solo se muestran dos capas en este ejemplo, pueden usarse capas adicionales, tales como, por ejemplo y sin limitación, cinco, siete y diez, dependiendo de la implementación particular. En estos ejemplos, la producción de tela 416 de material compuesto se efectúa y consolida en un proceso continuo.
35 Con referencia ahora a la Figura 5, se representa una ilustración de una unidad 500 de producción de tela de acuerdo con una realización ventajosa. En esta realización ilustrativa, la unidad 500 de producción de tela es un ejemplo de la unidad 304 de producción de tela de la Figura 3. En estos ejemplos, la unidad 500 de producción de tela es una máquina multiaxial. Una máquina multiaxial es una máquina capaz de depositar materiales según diferentes orientaciones para fabricar una tela.
La unidad 500 de producción de tela incluye un lecho transportador 502, que proporciona una superficie 504 para formar una tela 506. La unidad 500 de producción de tela incluye también un conjunto de unidades de deposición de banda, las unidades 508, 510, 512 y 514 de deposición de banda. La frase “un conjunto” según se usa en este documento se refiere a uno o más ítems. Por ejemplo, un conjunto de unidades de deposición de banda es una o
45 más unidades de deposición de banda. Como otro ejemplo, un conjunto de carretes de banda es uno o más carretes de banda.
En estos ejemplos, las unidades 508, 510, 512 y 514 de deposición de banda pueden depositar banda para la tela 506 según diferentes orientaciones. Estas diferentes unidades pueden depositar banda para diferentes capas o pliegos de tela 506. La unidad 508 de deposición de banda incluye un brazo móvil 516, que puede moverse a lo largo de un eje X, según se muestra por la línea 517, en este ejemplo. Un cabezal 518 de banda puede moverse a lo largo de un eje Y a lo largo del brazo móvil 516, según se muestra por la línea 519. Adicionalmente, el cabezal 518 de banda puede moverse arriba y abajo, según se muestra por la línea 521 y puede ser rotativo alrededor de un eje Z o alrededor de la línea 521. Esta rotación del cabezal 518 de banda puede producirse para cambiar la orientación 55 con la que la banda 520 del carrete 522 puede ser depositada sobre el lecho transportador 502 para formar la tela
506. Un carrete que sujeta la banda puede denominarse también carrete de banda. La unidad 510 de deposición de banda también incluye un brazo móvil 524, un cabezal 526 de banda y un carrete 528 con una banda 530. De modo similar, la unidad 512 de deposición de banda también incluye un brazo móvil 532, un cabezal 534 de banda y un carrete 536 con una banda 546.
Adicionalmente, cada una de estas unidades de deposición de banda puede cambiar la orientación según la cual puede depositarse la banda dentro de una capa, así como en diferentes capas. En este ejemplo, la unidad 508 de deposición de banda crea la capa 548, mientras que la unidad 510 de deposición de banda crea la capa 550. La unidad 512 de deposición de banda crea la capa 552, mientras que la unidad 514 de deposición de banda crea la
65 capa 554, en estos ejemplos.
Adicionalmente, la unidad 500 de producción de tela puede incluir también un cabezal 556 de coser, que puede conectar las diferentes capas entre sí usando unos hilos 558 para consolidar las capas para formar la tela. En estos ejemplos pueden usarse los hilos 558 para generar una costura de baja densidad para sujetar las diferentes capas de tela 506 las unas a las otras. En otras realizaciones ilustrativas, las diferentes capas dentro de la tela 506 pueden
5 ser conectadas las unas a las otras a través de otros mecanismos, tales como, por ejemplo y sin limitación, pegado por puntos con o sin calor.
En estos ejemplos, la unidad 500 de producción de tela incluye cuatro unidades de deposición de banda. Por supuesto, en otras realizaciones ventajosas, pueden usarse otros números de unidades de deposición de banda. Por ejemplo, pueden emplearse tres, seis, ocho o algún otro numero adecuado de unidades de deposición de banda, dependiendo de la implementación particular. La unidad 500 de producción de tela puede ser implementada mediante cualquier herramienta convencional con modificaciones. Por ejemplo, sin limitación, la unidad 500 de producción de tela puede ser implementada usando una Copcentra MAX 5 CNC, de LIBA Maschinenfabrik GmbH, modificada para usar banda unidireccional en lugar de haces esparcidos obtenidos de bobinas de haces
15 individuales.
Con referencia ahora a la Figura 6, se representa una ilustración de una vista en sección de una banda 600 de acuerdo con una realización ventajosa. En este ejemplo, la banda 600 incluye una capa 602 adherente y porosa, una capa de fibra 604 y una capa 606 adherente y porosa. La banda 600 es un ejemplo de la banda 314 de la Figura 3 que puede producirse por medio de la unidad 302 de producción de banda de la Figura 3. La capa 604 de fibra, en estos ejemplos, se forma esparciendo las fibras de un haz para formar un haz esparcido, tal como el haz esparcido 318 de la Figura 3. Los materiales para la capa 604 de fibra pueden ser, por ejemplo y sin limitación, carbono, fibra de vidrio, boro, basalto, viscosa (por ejemplo, Rayon®), óxidos refractarios (a base de alúmina (por ejemplo, Nextel®) o a base de circonio), carburo de silicio, aramida (por ejemplo, Zylon®), o cualquier otro material
25 adecuado.
En este ejemplo, la capa 602 adherente y porosa puede formarse mediante un material tal que, por ejemplo y sin limitación, un termoplástico adherente por fusión, tal como un material termoplástico poroso, poliamida, poliimida, poliamida-imida, poliéster, polibutadieno, poliuretano, polipropileno, polieterimida, polisulfona, polietersulfona, polifenilsulfona, sulfuro de polifenileno, polietercetona, polieteretercetona, poliarilamida, policetona, poliftalamida, polifenileter, tereftalato de polibutileno, tereftalato de polietileno, o cualquier otro material adecuado. Por supuesto, las capas 602 y 606 adherentes y porosas pueden formarse por medio de cualquier material poroso que pueda adherirse a la capa 604 de fibra.
35 En las diferentes realizaciones ventajosas, pueden usarse materiales termoplásticos porosos tales como, por ejemplo y sin limitación, velos de fibras termoplásticas tejidas o no tejidas. Por supuesto, en las diferentes realizaciones ventajosas puede usarse cualquier material capaz de adherirse a la capa 604 de fibra. Estas capas adherentes pueden ser capas porosas, de tal modo que las resinas aplicadas a la banda 314, o a una tela fabricada a partir de la banda 314 de la Figura 3, puedan fluir dentro y/o alrededor de la capa 604 de fibra durante un proceso de curado, después de haber fabricado la tela a partir de la banda 600. La capa 606 adherente y porosa puede formarse usando el mismo tipo de material.
La banda 600 puede procesarse aplicando calor y presión a estas capas para adherir la capa 602 adherente y porosa y la capa 606 adherente y porosa a la capa 604 de fibra. En estos ejemplos se usa un proceso de adherencia 45 por fusión. El calor y la presión pueden ser aplicados a la banda 600 para comprimir la capa 604 de fibra hasta un espesor deseado. Adicionalmente, la adherencia de la capa 602 adherente y porosa y la capa 606 adherente y porosa a la capa 604 de fibra puede producirse de manera que se impida o se reduzca que las fibras de la capa 604 de fibra se expandan o “retornen elásticamente” al espesor anterior a la aplicación de calor y presión. En otras palabras, la presión y el calor aplicados para formar la banda 600 pueden mantener sustancialmente las fibras de la capa 604 de fibra en una configuración deseada. Esta configuración deseada puede ser, por ejemplo y sin limitación, fijar las fibras en lugares que eliminen o controlen las separaciones entre haces de fibras adyacentes. La configuración deseada puede ser también, por ejemplo y sin limitación, mantener un espesor de fibra más delgado en comparación con la fibra antes de ser procesada. Adicionalmente, la fibra puede tener también una anchura particular, por haber sido esparcida durante el proceso, y que debe ser sustancialmente mantenida. La fibra debe ser
55 esparcida para crear separaciones o rendijas entre haces de fibras adyacentes dentro de un margen deseado antes de la adherencia por fusión.
La banda 600 puede tener un espesor de 0,30 mm aproximadamente. Después de aplicar calor y presión, la banda 600 puede tener un espesor de 0,20 mm aproximadamente. Este espesor se presenta como un ejemplo no limitativo, y pueden usarse otros espesores, dependiendo de la implementación. Por ejemplo, una tela unidireccional puede tener un espesor consolidado de 0,25-0,30 mm antes de la aplicación de calor y presión, en lugar de los 0,20 mm de espesor que se desean. Las capas adherentes porosas pueden estar cada una entre 10 y 100 micrones antes de la aplicación de calor y presión, lo que reducirá su espesor un 50-90 por ciento. Solo las capas adherentes porosas experimentan un cambio de espesor durante este proceso, ya que las fibras estructurales a las que son 65 adheridas por fusión normalmente no se fundirán a las temperaturas requeridas para adherir por fusión las capas porosas. Aunque en estos ejemplos se muestran dos capas adherentes, puede usarse una sola capa adherente en
lugar de dos, dependiendo de la implementación.
Pasando ahora a la Figura 7, se representa una ilustración de una tela 700 de acuerdo con una realización ventajosa. En este ejemplo, la tela 700 es un ejemplo de la tela 322, que puede usarse para fabricar la pieza 324 de 5 material compuesto de la Figura 3. En este ejemplo, la tela 700 se fabrica a partir de una banda, tal como la banda 314 de la Figura 3. Las secciones 702, 704, 706, 708, 710 y 712 se forman a partir de tiras de banda 314 que pueden sacarse y cortarse de la banda 314. Estas secciones pueden tener orientaciones diferentes a las secciones 714, 716, 718 y 720, que son las secciones mostradas por las líneas de trazos. En este ejemplo se forma otra capa
o pliego más a partir de las secciones 722, 724, 726 y 728, que se muestran por líneas de puntos. Estas secciones pueden tener otra orientación con respecto a las otras secciones.
En este ejemplo, las orientaciones de las secciones 702, 704, 706, 708, 710 y 712 pueden estar aproximadamente a cuarenta y cinco grados con respecto a las secciones 714, 716, 718 y 720. En este ejemplo, las secciones 722, 724, 726 y 728 están aproximadamente a noventa grados con respecto a las secciones 714, 716, 718 y 720. En otras 15 realizaciones ventajosas, pueden colocarse capas adicionales de banda sobre las capas representadas para la tela
700. Estas capas pueden tener diferentes orientaciones con respecto a las capas presentemente representadas.
En este ejemplo, estas capas o pliegos de banda se muestran en la tela 700. En otras realizaciones ventajosas pueden usarse otros números de capas. Por ejemplo, pueden usarse dos capas, cinco capas y/u ocho capas para la tela 700. En estos diferentes ejemplos, las diferentes secciones de la capa pueden ser conectadas las unas a las otras. Adicionalmente, las diferentes capas ilustradas también pueden ser conectadas las unas a las otras. Estas diferentes conexiones pueden hacerse por medio de una herramienta, tal como la unidad 304 de producción de tela de la Figura 3. En particular, como ejemplo no limitativo, puede usarse una herramienta de tejer para producir la tela
700.
25 Con referencia ahora a la Figura 8, se representa un diagrama de flujo de un proceso de fabricación de acuerdo con una realización ventajosa. El proceso ilustrado en la Figura 8 puede ser implementado en un sistema de fabricación, tal como el sistema de fabricación 300 de la Figura 3.
El proceso se inicia formando una acumulación de fibras (operación 800). La acumulación de fibras puede incluir una capa de fibra situada entre dos capas adherentes porosas. En algunas realizaciones puede usarse una sola capa adherente porosa. La acumulación de fibra puede ser calentada a presión para formar una banda de material compuesto (operación 802). Puede aplicarse la presión para compactar o esparcir las fibras hasta aproximadamente un espesor deseado. Puede aplicarse el calor para fundir la capa adherente porosa o provocar que la capa
35 adherente porosa se adhiera a las fibras de la capa de fibra. Esta adherencia o unión puede ser tal que las fibras de la capa de fibra permanezcan en un estado compactado que tenga un espesor aproximado al espesor deseado.
El tratamiento de esta acumulación de fibras puede ser efectuada de tal modo que pueda mantenerse la porosidad de la capa adherente para permitir que las resinas penetren en, y se combinen con, las fibras de la capa de fibra durante el curado de este material al usarlo en una tela para formar un componente de material compuesto. Este proceso de acumulación de fibra forma la banda de material compuesto.
A continuación, puede construirse una capa a partir de la banda de material compuesto (operación 804). Esta capa forma una capa para una tela. Una capa de la tela puede denominarse también un pliego. La capa puede ser 45 depositada según una orientación seleccionada. Esta orientación puede ser diferente a la de otras capas que puedan usarse para formar la tela. Por ejemplo, puede colocarse una capa a un ángulo de cero grados, mientras se coloca otra capa a un ángulo de 45 grados. Puede colocarse una capa más a un ángulo de 90 grados y puede colocarse otra capa a un ángulo de menos 45 grados. En estos ejemplos, estos ángulos pueden ser con respecto a una referencia seleccionada. La referencia puede ser con respecto a la superficie sobre la cual se colocan las fibras.
Se toma una decisión sobre si son o no necesarias capas adicionales (operación 806). Si se necesitan capas adicionales, el proceso retorna a la operación 804. Esta decisión puede tomarse en base a cuantas capas se hayan colocado o construido para formar una capa o pliego en la tela en comparación con el número deseado de capas.
55 Cuando ya no se necesiten más capas para la tela en la etapa 806, el proceso puede acumular porciones de la tela de material compuesto sobre una herramienta (operación 808). Esta herramienta puede ser, por ejemplo y sin limitación, un molde sobre el cual se colocan porciones de la tela. Este molde puede tener la forma del componente de material compuesto que debe fabricarse. La tela de material compuesto todavía no contiene resina para formar la pieza acabada tras la infusión y el curado. Entonces puede infundirse la resina en la preforma situada en la herramienta (operación 710).
Una vez ensambladas sobre la herramienta las porciones de la tela de material compuesto, la tela de material compuesto situada sobre la herramienta puede ser infundida con resina y luego curada para formar el componente de material compuesto (operación 812), terminando a continuación el proceso. En estos ejemplos, el componente de
65 material compuesto puede curarse mediante un proceso a baja presión en el que no es necesario colocar la herramienta o molde en un autoclave.
Así pues, las diferentes realizaciones ventajosas proporcionan un método y un aparato de fabricación. Pueden formarse una capa de fibra y una capa correspondiente para formar una acumulación de fibras. La acumulación de fibras puede ser calentada a presión para formar una banda de material compuesto. Puede construirse una primera capa a partir de la banda de material compuesto y puede construirse sobre la primera capa una segunda capa a
5 partir de la banda de material compuesto, con un ángulo predeterminado con respecto a la primera capa, para formar una tela de material compuesto.
Pueden acumularse porciones de la tela de material compuesto en la herramienta con la forma del componente de material compuesto. La tela de material compuesto situada sobre la herramienta puede ser curada para formar el
10 componente de material compuesto.
Como resultado, las diferentes realizaciones ventajosas proporcionan la capacidad de acumular componentes de material compuesto en tamaños que pueden no caber en muchos autoclaves. Adicionalmente, también puede ser innecesario comprar autoclaves más grandes y costosos si se usa la tela fabricada bajo las diferentes realizaciones
15 ventajosas para producir componentes de material compuesto. Las diferentes realizaciones ventajosas proporcionan una tela de material compuesto que generalmente tiene un espesor de aproximadamente el espesor deseado para acumular componentes de material compuesto. Como resultado, la presión y el calor requeridos para consolidar la tela a un espesor deseado ya no son necesarios.
20 La descripción de las diferentes realizaciones ventajosas se ha presentado con fines de ilustración y descripción, y no pretende ser exhaustiva ni limitada a las realizaciones en la forma descrita. A los expertos en la técnica se les ocurrirán muchas modificaciones y variaciones. Por ejemplo, las diferentes realizaciones ventajosas se han descrito con respecto a la fabricación de componentes de material compuesto para aviación. Algunas realizaciones ventajosas pueden ser aplicadas a la producción de componentes de material compuesto para otros ítems. Por
25 ejemplo, y sin limitación, la tela de material compuesto de las diferentes realizaciones puede ser usada para producir componentes de material compuesto para naves espaciales, submarinos, automóviles, camiones, edificios y barcos. Adicionalmente diferentes realizaciones ventajosas pueden proporcionar diferentes ventajas en comparación con otras realizaciones ventajosas. La realización o realizaciones seleccionadas se eligen y describen con el fin de explicar mejor los principios de las realizaciones, la aplicación práctica, y para permitir que otros expertos en la
30 técnica comprendan la divulgación en cuanto a las diversas realizaciones y con las diversas modificaciones que sean adecuadas para el uso particular contemplado.

Claims (1)

  1. imagen1
ES08253598.0T 2007-11-08 2008-11-04 Método de fabricación de telas reforzadas de bajo volumen para procesos de moldeo a baja presión Active ES2562952T3 (es)

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