ES2683701T3

ES2683701T3 - Deposición de polímeros reforzados con fibras extruidas

Info

Publication number: ES2683701T3
Application number: ES15180372.3T
Authority: ES
Inventors: Gregg Robert BOGUCKI; Gregory James Schoepen Hickman; Michael William Hayes
Original assignee: Boeing Co
Current assignee: Boeing Co
Priority date: 2014-09-18
Filing date: 2015-08-10
Publication date: 2018-09-27
Anticipated expiration: 2035-08-10
Also published as: US20180207851A1; US10836091B2; TR201811227T4; CA2900778A1; EP3012077A1; EP3395527A1; CN105437544B; CN105437544A; PT3012077T; KR102338837B1; US9931778B2; CA2900778C; US20160082641A1; EP3012077B1; EP3395527B1; KR20160033596A

Abstract

Un método de fabricación de deposición, que comprende: establecer una corriente presurizada de un polímero (80) a través de un tubo (68) capilar de un barril (66) de arrastre; alimentar sueltamente un refuerzo (76) de fibra en un tubo (74) guía del barril (66) de arrastre de manera que el refuerzo (76) de fibra no se fuerce hacia el tubo (74) de guía y se coloque en cualquier cantidad sustancial de compresión, convergiendo el polímero (80) y el refuerzo (76) de fibra en una región(86) de convergencia del barril (66) de arrastre y el arrastre del refuerzo (76) de fibra dentro y por la corriente presurizada; depositar una perla (44) del polímero (80) y el refuerzo (76) de fibra del tubo (68) capilar sobre un sustrato (23).

Description

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DESCRIPCION

Deposicion de polimeros reforzados con fibras extruidas Informacion de antecedentes

1. Campo:

La presente divulgacion se refiere en general a tecnicas de fabricacion aditiva, y se refiere mas particularmente a un metodo y aparato para la deposicion de polimeros reforzados con fibras, tales como polimeros termoplasticos.

2. Antecedentes

La fabricacion aditiva es un proceso en el cual las partes fisicas se producen directamente a partir de un archivo CAD 3-D (tridimensional) (diseno asistido por ordenador). En un tipo de fabricacion aditiva conocida como modelado de deposicion fusionada (FDM®) y a veces denominada impresion tridimensional, una pieza se produce mediante la extrusion de pequenas perlas de material de polimero termoplastico para formar capas del material que se solidifica despues de ser extruido desde una boquilla. La boquilla de extrusion se puede mover a lo largo de una senda o "rastreada" mediante un mecanismo controlado numericamente para construir la pieza desde abajo hacia arriba en una plataforma de construccion, una capa a la vez.

Las piezas producidas por procesos de fabricacion de aditivos conocidos, como FDM®, pueden no ser adecuadas para su uso en algunas aplicaciones que requieren un alto rendimiento estructural, como en la industria aeroespacial. Para lograr un mayor rendimiento estructural, las piezas termoplasticas utilizadas en estas aplicaciones requieren tipicamente el uso de un refuerzo incrustado, como fibras discontinuas o continuas. Sin embargo, la integracion de un refuerzo continuo de fibra en un polimero termoplastico extruido durante el modelado de deposicion fundida no ha sido hasta ahora practica.

Es conocido introducir fibras de refuerzo discontinuas (por ejemplo "cortadas") en un polimero extruido. Por ejemplo, se ha desarrollado un proceso conocido como PUSHTRUSION® para moldear materiales compuestos de polimeros reforzados utilizando un proceso directo de composicion y moldeo en linea, en el que la carga del molde comprende granulos de polimero extruido o hebras reforzadas con fibras discontinuas. Sin embargo, el proceso PUSHTRUSION® utiliza equipos industriales grandes y pesados destinados a proporcionar hebras polimericas reforzadas con fibras discontinuas o granulos para moldeo, y no es adecuado para su uso en procesos de fabricacion aditiva como FDM.

En consecuencia, existe la necesidad de un proceso de fabricacion aditiva tal como FDM que permita la integracion de un refuerzo en un cordon de polimero depositado en capas para formar las caracteristicas de una pieza. Tambien existe la necesidad de un efector final para llevar a cabo el proceso descrito anteriormente que permita el arrastre de un refuerzo continuo en un polimero licuado a medida que el efector final construye las caracteristicas de la pieza.

El documento US5936861 divulga un metodo de deposicion de una perla de polimero reforzado por fibras. El documento US6387179 divulga un metodo de impregnacion de fibras con una resina curable.

Resumen

Las realizaciones divulgadas proporcionan un metodo y un aparato para fabricar piezas de polimero reforzadas usando una tecnica de fabricacion aditiva. El refuerzo puede ser continuo y se integra en una perla fundida del polimero a medida que el polimero se deposita en capas para formar caracteristicas de la pieza, similar al modelo de deposicion fusionado. Las realizaciones permiten la fabricacion de piezas que tienen requisitos de rendimiento estructural mas altos. La deposicion de alta resolucion de polimeros reforzados continuamente es posible.

De acuerdo con una realizacion descrita, se proporciona un metodo de fabricacion de deposicion. El metodo comprende establecer una corriente presurizada de un polimero fundido a traves de un tubo, arrastrar un refuerzo de fibra dentro de la corriente presurizada y depositar una perla del polimero y el refuerzo de fibra del tubo sobre un sustrato. El refuerzo de fibra se arrastra introduciendolo en el tubo. El refuerzo de fibra puede comprender un filamento, una estopa, una mecha o un hilo. El refuerzo de fibra puede ser arrastrado alimentando uno de un refuerzo de fibra seca y un refuerzo de fibra preimpregnado del tubo. El refuerzo de fibra puede calentarse. En una variacion, una pluralidad de refuerzos de fibra discontinuos se puede acoplar entre si en una cadena, y la cadena se puede arrastrar atrayendola hacia la corriente presurizada. El metodo tambien puede incluir encapsular el refuerzo de fibra en un polimero que tiene una temperatura de fusion que es mas alta que la temperatura de fusion del polimero en la corriente presurizada. Se puede mantener una viscosidad del polimero deseada aplicando una cantidad variable de calor al tubo a lo largo de su longitud. Opcionalmente, el metodo puede incluir ademas depositar una perla de polimero sobre el sustrato en el que el polimero esta desprovisto del refuerzo de fibra. La corriente presurizada se establece inyectando el polimero bajo presion en el tubo. La inyeccion del polimero bajo presion en el tubo incluye establecer un diferencial de presion entre un extremo aguas arriba y un extremo aguas abajo del tubo. El metodo tambien puede incluir extraer el refuerzo de fibra a traves del tubo junto con el polimero usando la corriente presurizada y/o accion capilar. El refuerzo de fibra puede ser arrastrado introduciendolo en un

extremo aguas arriba del tubo. El polimero se introduce en el tubo anularmente alrededor del refuerzo de fibra. De acuerdo con otra realizacion, se proporciona un metodo para fabricar una parte compuesta. Un cabezal de deposicion es rastreado sobre un sustrato. Las caracteristicas de la pieza se forman aditivamente mediante la extrusion de un polimero que tiene un refuerzo desde el cabezal de deposicion sobre un sustrato. El metodo puede 5 incluir arrastrar un refuerzo discontinuo en el polimero, o alternativamente, arrastrar un refuerzo continuo en el polimero. En una variacion, las caracteristicas pueden extruirse de tal manera que estan desprovistas del refuerzo. La extrusion incluye introducir el polimero y el refuerzo en un extremo aguas arriba de un tubo, forzando al polimero a fluir a traves del tubo hacia un extremo aguas abajo del tubo, y arrastrando el refuerzo a traves del tubo hacia el extremo aguas abajo del tubo utilizando el flujo de polimero a traves del tubo para arrastrar el refuerzo junto con el 10 flujo del polimero. El metodo tambien puede incluir el uso de accion capilar para ayudar a extraer el refuerzo a traves del tubo. El polimero se introduce inyectando el polimero bajo presion alrededor del refuerzo. La extrusion incluye forzar el polimero y el refuerzo arrastrado a traves de una matriz. El metodo tambien puede incluir cortar el polimero y el refuerzo durante el rastreado del cabezal de deposicion. Se proporciona un efector de extremo para realizar la deposicion de un polimero reforzado con fibras. El efector de extremo incluye un suministro de un refuerzo continuo 15 de fibra y un suministro de un polimero fluible. Se proporciona un cabezal de deposicion que tiene una entrada de polimero y un extremo de suministro de material configurado para recibir un suministro de un refuerzo de fibra continuo. El cabezal de deposicion tambien incluye un extremo de deposicion configurado para depositar una perla del polimero que tiene el refuerzo de fibra continuo arrastrado en el mismo. El efector de extremo puede comprender ademas un calentador para calentar el barril de arrastre, que incluye al menos una bobina de calentamiento que 20 tiene una pluralidad de vueltas de bobina que varian en numero a lo largo de una longitud del barril de arrastre. El cabezal de deposicion incluye un barril de arrastre configurado para arrastrar el refuerzo continuo de fibra. El barril de arrastre incluye una region de convergencia en la que convergen el refuerzo continuo de fibra y el polimero fluible. El barril de arrastre tambien incluye una matriz de extrusion acoplada con el extremo de deposicion. El barril de arrastre incluye adicionalmente un tubo capilar acoplado con la region de convergencia y configurado para 25 arrastrar el refuerzo continuo de fibra en el polimero.

Breve descripcion de los dibujos

Loa rasgos que se creen caracteristicos de las realizaciones ilustrativas se exponen en las reivindicaciones adjuntas. Las realizaciones ilustrativas, sin embargo, asi como un modo de uso preferido, objetivos y ventajas adicionales de la misma, se entenderan mejor por referencia a la siguiente descripcion detallada de una realizacion ilustrativa de la 30 presente divulgacion cuando se lee junto con los dibujos adjuntos, en donde:

La figura 1 es una ilustracion de un bloque general y diagrama de un aparato para fabricar una pieza reforzada con fibra usando una tecnica de fabricacion aditiva;

La figura 1A es una ilustracion del area designada como "FIG. 1A" en la FIG. 1, partes de una perla extruida que se rompen para revelar un refuerzo de fibra arrastrado en polimero;

35 La figura 2 es una ilustracion de una vista en seccion transversal de un cabezal de deposicion que forma parte del aparato mostrado en la figura 1;

La figura 3 es una ilustracion de una vista en seccion tomada a lo largo de la linea 3-3 en la figura 2;

La figura 4 es una ilustracion de una vista ampliada de la seccion designada como "FIG. 4 " en la figura 2;

La figura 5 es una ilustracion de un diagrama de flujo de una realizacion de un metodo de deposicion;

40 La figura 6 es una ilustracion de un diagrama de flujo de un metodo de fabricacion de una pieza compuesta;

La figura 7 es una ilustracion de una vista en perspectiva inferior de una matriz de cabezal de deposicion para la deposicion de un polimero reforzado con fibras;

La figura 8 es una ilustracion de un diagrama de flujo de la produccion de aeronaves y la metodologia de servicio.

La figura 9 es una ilustracion de un diagrama de bloques de una aeronave.

45 Descripcion detallada

Con referencia a la figura 1, las realizaciones divulgadas comprenden un efector 20 de extremo que puede ser rastreado a traves del espacio tridimensional sobre un sustrato 23 tal como una plataforma 24 mediante cualquier manipulador 30 adecuado. El manipulador 30 puede comprender, por ejemplo y sin limitacion, un mecanismo de portico controlado numericamente (no mostrado), y un brazo robotico articulado (no mostrado) o un mecanismo 50 similar. Tanto el efector 20 de extremo como el manipulador 30 son operados por la combinacion de un controlador 32 y programas 38 de construccion o software similar. El controlador 32 puede comprender, sin limitacion, un ordenador programado de proposito especial o de proposito general, tal como una PC (ordenador personal) o un PLC (controlador logico programable).

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El efector 20 final construye una pieza 26 de polimero tridimensional reforzada con fibra, capa 22 por capa 22 sobre la plataforma 24 que se mueve hacia abajo 28 a medida que se completa cada capa 22 de polimero reforzado. La pieza 26 de polimero, a veces denominada aqui como pieza 26 compuesta, esta definida por uno o mas archivos 34 CAD (diseno asistido por ordenador) que se convierten en archivos 36 de formato STL (estereolitografia) que definen las superficies de la pieza 26. Usando los archivos 36 STL, y uno o mas programas 38 de construccion, el controlador 32 controla el funcionamiento del efector 20 de extremo y el manipulador 30. El manipulador 30 rastrea el efector 20 de extremo sobre la plataforma 24 para depositar las perlas 44 fundidas de polimero blando reforzado con fibras que se solidifican posteriormente. Como se muestra en la figura 1A, cada una de las perlas 44 fundidas comprende un polimero 80 extruido que tiene un refuerzo 76 de fibra continuo arrastrado en su interior. A medida que se solidifica el polimero reforzado, las capas 22 se fusionan para formar las diversas caracteristicas de la pieza 26 compuesta reforzada con fibra.

El efector 20 final incluye un cabezal 40 de deposicion que puede estar provisto de una boquilla o matriz 42 de extrusion a traves de la cual se deposita una perla 44 fundida reforzada con fibra de polimero reforzado sobre la plataforma 24, o sobre una capa 22 subyacente. Como se menciono anteriormente, la perla 44 incluye un refuerzo 76 de fibra (Figuras 1, 2, 3 y 4) que se arrastra en el polimero 80 extruido a medida que las perlas 44 se extruyen para formar las capas 22 que luego se solidifican y fusionan. La boquilla 42 de extrusion puede tener una abertura 42a de boquilla (figura 2) para extruir una perla 44 de polimero que tiene el refuerzo 76 de fibra arrastrado. La abertura 42a de la boquilla puede tener una forma de seccion transversal deseada tal como, sin limitacion, una forma de seccion transversal circular, cuadrada, eliptica, de cinta o rectangular.

El efector 20 de extremo comprende ademas un suministro de fibra y alimentacion 48, un suministro 50 de polimero presurizado y uno o mas calentadores 52 adecuados. El suministro 50 de polimero puede incluir una o mas valvulas de control y reguladores de presion (no mostrados) que pueden ser necesarios para controlar el flujo y la presion del polimero que se suministra al cabezal 40 de deposicion. El calentador 52 calienta el polimero hasta que se licua y se hace fluible, y tambien proporciona calor al cabezal 40 de deposicion para mantener la viscosidad deseada del polimero hasta que el polimero 80 y el refuerzo 76 de fibras arrastradas salen de la boquilla 42 de extrusion. La viscosidad del polimero deseada puede depender de una variedad de factores, que incluyen, sin limitacion, la temperatura a la que se calienta el polimero, la cantidad de absorcion de calor por el refuerzo 76 de fibra, el polimero 80 particular que se usa y su velocidad de cizalladura, la capacidad del refuerzo 76 de fibra para ser humedecido por el polimero 80, la velocidad de extrusion deseada desde el cabezal 40 de deposicion y la velocidad a la que el efector 20 de extremo se rastrea sobre el sustrato 23. Generalmente, sin embargo, el polimero 80 deberia tener una viscosidad que sea lo suficientemente baja como para humedecer el refuerzo 76 de fibra y extruirse desde el cabezal 40 de deposicion.

Opcionalmente, el calentador 52 se puede usar para calentar el refuerzo 76 de fibra antes y/o cuando se alimenta al cabezal 40 de deposicion y queda arrastrado en el polimero 80. El efector 20 de extremo tambien puede incluir un cortador 46 adecuado que corta la perla 44 de polimero reforzado con fibras despues de que se haya depositado una capa 22. El cortador 46 puede comprender, por ejemplo y sin limitacion, un cortador laser, un cuchillo ultrasonico o un cortador mecanico tal como una cuchilla de guillotina (no se muestran todos) que atraviesa tanto el polimero 80 como el refuerzo 76 de fibras arrastradas.

El polimero 80 suministrado al cabezal 40 de deposicion puede ser cualquier polimero de fase variable que reduce la viscosidad cuando se calienta al menos a su temperatura de transicion vitrea, y luego se solidifica y se endurece cuando se enfria. Por ejemplo, y sin limitacion, el polimero 80 arrastrado al cabezal 40 de deposicion desde el suministro 50 de polimero puede comprender cualquier polimero termoplastico amorfo o cristalino adecuado, termoestable o un copolimero termoplastico.

El refuerzo 76 de fibra que esta arrastrado en el polimero 80 puede comprender uno o mas filamentos de fibra, cable de filamentos, mechas o hilazas que son compatibles con el polimero 80, tales como fibras de carbono, vidrio, ceramica o metal, o combinacion de tales fibras. El refuerzo 76 de fibra puede tener la forma de, sin limitacion, uno o mas cables de filamento, mechas o hilazas, mechas o hilazas, mechas o hilazas, comprendiendo cada uno una multiplicidad de filamentos individuales. En algunas realizaciones, por ejemplo, el refuerzo 76 puede comprender un unico cable de filamento, mecha o hilaza que comprenden un peso lineal entre 2 y 16 tex, en el que un "tex" es la masa en gramos de 1.000 metros de un hilo del cable de filamento, mecha o hilaza. El refuerzo 76 de fibra puede ser un refuerzo de fibra seca o puede ser un refuerzo de fibra preimpregnado.

El cable de filamento, la mecha o la hilaza pueden comprender filamentos secos, sin embargo, en algunas realizaciones, el cable de filamento puede estar preimpregnada con un polimero que es igual o diferente del polimero 80 extraido del suministro 50 de polimero. Tambien puede ser posible formar una hebra de refuerzo al encapsular un cable de filamento, mecha o hilaza en un primer polimero que tiene una temperatura de fusion relativamente alta, y luego alimentar el cable de filamento encapsulado a traves del cabezal 40 de deposicion donde es arrastrado dentro de un segundo polimero 80 que tiene una temperatura de fusion que es menor que la del primer polimero. En otras realizaciones, el refuerzo 76 de fibra puede comprender refuerzos de fibra discontinuos (por ejemplo, fibras cortadas) que pueden o no alinearse y estan acopladas entre si, como por un aglutinante, en una cadena (no mostrada) que puede extraerse o "halarse" a traves del cabezal 40 de deposicion mediante una corriente que fluye del polimero 80 en la que esta arrastrada refuerzos 76 de fibras discontinuas.

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La atencion se dirige ahora a las figuras 2, 3 y 4 que ilustran detalles del cabezal 40 de deposicion que comprende la parte de formacion del efector 20 de extremo. El cabezal 40 de deposicion incluye un barril 66 de arrastre alargado que tiene un extremo 70 de suministro de material, y un extremo 72 de deposito de material desde el que se extruye y deposita una perla 44 fundida (Figura 1) de polimero reforzado con fibras, como se explico anteriormente. El barril 66 de arrastre incluye un tubo 68 capilar interno que tiene un primer extremo 68a aguas arriba, y un segundo extremo 68b aguas abajo opuesto al extremo 68a aguas arriba. El tubo 68 capilar se extiende longitudinalmente desde el extremo 72 de deposito de material del barril 66 de arrastre hasta una region 86 de convergencia donde el refuerzo 76 de fibra se introduce y converge con una corriente fluyente del polimero 80 que se introduce en el barril 66 de arrastre aguas arriba de la region 86 de convergencia.

Cuando el refuerzo 76 de fibra se introduce en la corriente fluyente del polimero 80, la interaccion viscosa entre el refuerzo 76 de fibra y el polimero 80 hala del refuerzo 76 de fibra hacia el extremo 68a aguas arriba y luego a traves del tubo 68 capilar. Al entrar en la region 86 de convergencia, el refuerzo 76 de fibra queda arrastrado en la corriente de flujo del polimero 80 y es transportado junto con el polimero 80 a traves del tubo 68 capilar al extremo 72 de deposito de material del barril 66 de arrastre donde el polimero 80 y el refuerzo 76 de fibra arrastrada se extruye conjuntamente como una perla 44.

El extremo 68b aguas abajo del tubo 68 capilar se puede acoplar con una matriz 42 de extrusion con el fin de extruir una perla 44 de polimero que tiene una forma de seccion transversal deseada. En algunas aplicaciones, la matriz 42 de extrusion puede no ser necesaria. El tubo 68 capilar tiene un diametro "D" interno que dependera de una variedad de factores, que incluyen la aplicacion particular de deposicion, la resolucion de impresion de la pieza 26 (figura 1) y la fraccion de volumen del refuerzo 76 de fibra que se desea. La fraccion de volumen del refuerzo 76 de fibra contenido en el polimero es una funcion tanto del diametro "D" interior del tubo 68 capilar, como del numero y diametro de las fibras que forman el refuerzo 76 de fibra. La longitud del tubo 68 capilar tambien puede afectar la cantidad de interaccion de polimero a fibra arrastrada que se necesita para mover el refuerzo 76 de fibra a traves del tubo 68 capilar.

El extremo 70 de suministro de material del barril 66 de arrastre esta provisto de un tubo 74 de guia situado centralmente en el que el refuerzo 76 de fibra puede alimentarse longitudinalmente desde el suministro y alimentacion 48 de fibra (figura 1). El extremo 74a aguas abajo del tubo 74 de guia esta ahusado e incluye una abertura 82 central (figuras 3 y 4) que estan coaxialmente alineadas con el tubo 68 capilar. Despues de ser alimentado al tubo 74 de guia, el refuerzo 76 de fibra se guia a traves de la abertura 82, en alineacion axial con el tubo 68 capilar, y entra en la region 86 de convergencia donde converge, se expone y se humedece mediante polimero fundido que fluye por el exterior del tubo 74 de guia al interior del tubo 68 capilar. Cuando el refuerzo 76 de fibra entra en la region 86 de convergencia, queda arrastrado dentro del polimero 80 que fluye a traves de la region 86 de convergencia dentro del tubo 68 capilar.

El extremo 70 de suministro de material del barril 66 de arrastre incluye ademas un paso 69 de polimero anular que rodea el tubo 74 de guia. En una realizacion, el polimero 80 fundido fluible puede introducirse en el pasaje 69 de polimero anular a traves de una entrada 69a de polimero en el extremo 70 de suministro de material (como se ilustra), en una direccion generalmente paralela a la direccion en la que se alimenta el refuerzo 76 de fibra hacia el tubo 74 guia. Alternativamente, en otra realizacion (no mostrada), el polimero 80 fundido fluible se puede alimentar de forma cruzada a traves del lado del barril 66 de arrastre en el pasaje 69 en una direccion que es transversal a la direccion en la que se alimenta el refuerzo 76 de fibra hacia el tubo 74 guia.

El polimero 80 se inyecta desde el suministro 50 de polimero a la entrada 69a de polimero a una presion "P1", y fluye hacia el interior a traves del pasaje 69 anular. El pasaje 69 anular se estrecha y converge con el extremo 74a ahusado del tubo 74 de guia, haciendo que el polimero 80 que fluye fluya mas alla y sobre el refuerzo 76 de fibra hacia el extremo 68a aguas arriba del tubo 68 capilar. La presion "P1" es mayor que la presion atmosferica "Pa" en el extremo 72 de deposicion del material del barril 66 de arrastre, en consecuencia, existe un diferencial de presion de P1-Pa entre los extremos 68a, 68b opuestos del tubo 68 capilar. Este diferencial de presion ayuda a estirar y arrastrar el refuerzo 76 de fibra hacia el polimero 80 que fluye.

El calentador 52 mostrado en la figura 1 puede incluir una o mas bobinas 52a de calentamiento electricas que rodean o estan embebidas en el barril 66 de arrastre como se muestra en la figura 2. Las bobinas 52a de calentamiento electricas proporcionan el calor necesario para mantener el polimero 80 en un estado fluible con una viscosidad deseada. Puede ser deseable mantener la temperatura del barril 66 de arrastre en el extremo 70 de suministro de material a una temperatura mayor que la temperatura en el extremo 72 de deposicion de material para asegurar una humectacion adecuada del refuerzo 76 de fibra tal como se extrajo inicialmente hacia el tubo 68 capilar. Con el fin de variar la cantidad de calor suministrado al polimero 80 a medida que se desplaza a lo largo de la longitud del barril 66 de arrastre y controla de esta manera la viscosidad del polimero 80, las bobinas 52a de calentamiento pueden tener un mayor numero de vueltas de bobina en el extremo 70 de suministro de material en el barril 66 de arrastre en comparacion con el numero de vueltas de la bobina en el extremo 72 de deposicion del material.

En uso, uno o mas refuerzos 76 de fibra se alimentan sin apretar hacia el tubo 74 de guia de manera que no se colocan en ninguna cantidad sustancial de compresion, es decir, no se fuerzan hacia el tubo 74 de guia, y

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consecuentemente el pandeo de los refuerzos 76 de fibra es evitado. Como se menciono anteriormente, el barril 66 de arrastre se calienta a una temperatura que mantiene el polimero 80 fluible y asegura una humectacion sustancialmente completa del refuerzo 76 de fibra. El polimero 80 bajo presion Pi se introduce hacia la entrada de polimero 69a, llenando el pasaje 69 anular y estableciendo un flujo del polimero 80 a traves de la region 86 de convergencia hacia el extremo 68a aguas arriba del tubo 68 capilar. El diferencial de presion de polimero Pi-Pa establecido entre la entrada 69a de polimero y el extremo 72 de deposicion de material mantiene el flujo de polimero 80 al tubo 68 capilar. En otras palabras, el polimero 80 busca equilibrarse fluyendo desde la entrada 69a de polimero a una presion Pi relativamente alta hasta el extremo 72 de deposicion de material a una presion Pa relativamente menor.

El flujo del polimero 80 a traves de la region 86 de convergencia producida por el diferencial de presion Pi-Pa hace que el polimero 80 se "agarre" y extraiga el refuerzo 76 de fibra junto con el polimero 80 que fluye hacia el extremo 68a aguas arriba del tubo 68 capilar donde queda atrapado en el polimero 80. Adicionalmente, el refuerzo 76 de fibra es extraido a traves del tubo 68 capilar mediante accion capilar producida por fuerzas intermoleculares entre el polimero 80 y el tubo 68 capilar circundante. Cuando el refuerzo 76 de fibra se introduce en el tubo 68 capilar, el refuerzo 76 de fibra queda arrastrado dentro del polimero 80 que fluye y se extruye y luego se deposita junto con el polimero 80 en una perla 44 fundida (Figura 1) para formar capas 22 sucesivas de la pieza 26 en la medida en que el efector 20 de extremo se rastrea sobre el sustrato 23.

Cuando se ha formado una capa 22 u otra caracteristica de la pieza 26, el cortador 46 corta la perla 44, y el suministro 50 de polimero puede cerrarse hasta que el efector 20 de extremo este listo para depositar la siguiente capa 22. El corte de la perla 44 da como resultado el corte tanto del polimero 80 como del refuerzo 76 de fibra arrastrado en el polimero 80. En algunas aplicaciones, puede ser posible interrumpir temporalmente la alimentacion del refuerzo 76 de fibra con el fin de depositar perlas 44 que son puramente polimero 80 (sin refuerzos de fibra) para formar capas 22 que no contienen un refuerzo.

La atencion se dirige ahora a la figura 5 que ilustra ampliamente un metodo de fabricacion de deposicion que emplea un efector 20 de extremo del tipo descrito anteriormente. Comenzando en 54, se establece una corriente presurizada de un polimero 80 a traves de un tubo 68 capilar. La corriente presurizada del polimero 80 puede establecerse estableciendo un diferencial de presion entre la entrada 69a de polimero (figura 2) y el extremo 68b corriente abajo del tubo 68 capilar. En 56, un refuerzo 76 de fibra es arrastrado dentro de la corriente de polimero presurizado. En algunas realizaciones, el metodo puede incluir opcionalmente calentar el refuerzo 76 de fibra antes de ser arrastrado en la corriente presurizada del polimero 80. En 58, una perla 44 del polimero 80 que tiene el refuerzo 76 de fibra arrastrado en el mismo se deposita del tubo sobre un sustrato 23. La corriente presurizada del polimero 80 puede establecerse suministrando el polimero 80 al extremo 68a aguas arriba del tubo 68 capilar a una presion Pi que es mas alta que la presion Pa en la que sale el polimero en el extremo 68b aguas abajo del tubo 68 capilar y se deposita desde el extremo 72 de deposicion de material.

La figura 6 ilustra ampliamente un metodo de fabricacion de una pieza 26 compuesta mediante la tecnica de fabricacion aditiva descrita anteriormente. En 60, un cabezal 40 de deposicion se rastrea sobre un sustrato 23. En 62, las caracteristicas de la pieza 26 compuesta se forman aditivamente mediante la extrusion de un polimero 80 que tiene un refuerzo 76 de fibra continua arrastrada desde el cabezal 40 de deposicion sobre el sustrato 23. La extrusion del polimero 80 junto con el refuerzo 76 de fibra continua arrastrada se puede lograr haciendo fluir una corriente presurizada del polimero 80 a traves de un tubo 68 capilar generado por un diferencial de presion Pi-Pa, entre un extremo 68a aguas arriba y un extremo 68b aguas abajo del tubo 68 capilar.

En algunas aplicaciones, para aumentar la velocidad de fabricacion, puede ser necesario o deseable emplear un efector 20 de extremo que tenga mas de un cabezal 40 de deposicion unico. Con referencia a la figura 7, una pluralidad de los cabezales 40 de deposicion pueden estar agrupados juntos en una disposicion 88 en un unico efector 20 de extremo (figura i). Cada uno de los cabezales 40 de deposicion puede incluir una boquilla 42 de extrusion a partir de la cual puede depositarse una perla (no mostrado) de polimero reforzado con fibra sobre un sustrato 23 (figura i) para formar caracteristicas aditivas de la pieza.

Las realizaciones de la divulgacion pueden encontrar uso en una variedad de aplicaciones potenciales, particularmente en la industria del transporte, que incluyen, por ejemplo, aplicaciones aeroespaciales, marinas, de automotrices y otras aplicaciones en las que se pueden usar partes de polimero reforzadas con fibra. Por lo tanto, haciendo referencia ahora a las figuras 8 y 9, las realizaciones de la divulgacion se pueden usar en el contexto de un metodo 90 de fabricacion y servicio de aeronaves como se muestra en la figura 8 y una aeronave 92 como se muestra en la figura 9. Las aplicaciones aeronauticas de las realizaciones divulgadas pueden incluir, por ejemplo, sin limitacion, componentes de prototipo, partes de baja produccion y estructuras reforzadas que pueden ser dificiles o costosas de fabricar usando procedimientos convencionales. Durante la preproduccion, el metodo 90 de ejemplo puede incluir la especificacion y el diseno 94 de la aeronave 92 y la adquisicion de material 96. Durante la produccion, tiene lugar la fabricacion 98 del componente y el subconjunto y la integracion 100 del sistema de la aeronave 92. Durante la fabricacion 98 del componente y del subconjunto, el metodo y el aparato descritos pueden emplearse para producir componentes o subconjuntos que luego son integrados como parte de la integracion 100 del sistema. Ademas, las realizaciones se pueden usar para producir componentes que permitan ensamblar y/o integrar otros componentes. Despues de eso, la aeronave 92 puede pasar por la certificacion y la entrega 102 para

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ser colocada en el servicio 104. Mientras esta en servicio 104 por un cliente, la aeronave 92 esta programada para el mantenimiento de rutina y el servicio 106, que tambien puede incluir modificacion, reconfiguracion, reacondicionamiento, etc. Las realizaciones divulgadas se pueden usar para fabricar piezas o componentes que se usan para reparar o reemplazar componentes como parte del mantenimiento y servicio 106.

Cada uno de los procesos del metodo 90 puede ser realizado o llevado a cabo por un integrador de sistema, un tercero y/o un operador (por ejemplo, un cliente). Para los propositos de esta descripcion, un integrador de sistema puede incluir, sin limitacion, cualquier numero de fabricantes de aeronaves y subcontratistas de sistemas principales; un tercero puede incluir, sin limitacion, cualquier cantidad de proveedores, subcontratistas y proveedores; y un operador puede ser una aerolinea, una compania de arrendamiento, una entidad militar, una organizacion de servicio, etc.

Como se muestra en la figura 9, la aeronave 92 producida por el metodo 90 de ejemplo, puede incluir un fuselaje 108 con una pluralidad de sistemas 110 y un interior 112. Los ejemplos de sistemas 110 de alto nivel incluyen uno o mas de un sistema 114 de propulsion, un sistema 116 electrico, un sistema 122 hidraulico y un sistema 120 ambiental. Se puede incluir cualquier cantidad de otros sistemas. Aunque se muestra un ejemplo aeroespacial, los principios de la divulgacion pueden aplicarse a otras industrias, como las industrias maritima y automotriz. Las realizaciones divulgadas se pueden emplear para fabricar componentes o partes de polimeros reforzados con fibras de prototipo disenado a medida o de baja produccion utilizados en el fuselaje 108, cualquiera de los sistemas 110 o el interior 112.

Los sistemas y metodos incorporados aqui se pueden emplear durante una cualquiera o mas de las etapas del metodo 90 de produccion y servicio. Por ejemplo, los componentes o subconjuntos correspondientes al proceso 98 de produccion pueden fabricarse o elaborarse de manera similar a los componentes o subconjuntos producidos mientras la aeronave 120 esta en servicio. Ademas, una o mas realizaciones de aparatos, realizaciones de metodos, o una combinacion de los mismos, pueden utilizarse durante las etapas 98 y 100 de produccion, por ejemplo, agilizando sustancialmente el ensamblaje o reduciendo el costo de una aeronave 92. De manera similar, una o mas de las realizaciones del aparato, realizaciones del metodo, o una combinacion de las mismas se pueden utilizar mientras la aeronave 92 esta en servicio, por ejemplo y sin limitacion, para mantenimiento y servicio 106.

Tal como se usa en el presente documento, la frase "al menos uno de", cuando se usa con una lista de articulos, significa que se pueden usar diferentes combinaciones de uno o mas de los articulos enumerados y que solo se necesita uno de cada elemento de la lista. Por ejemplo, "al menos uno del articulo A, articulo B y articulo C" puede incluir, sin limitacion, el articulo A, el articulo A y el articulo B, o el articulo B. Este ejemplo tambien puede incluir el articulo A, el articulo B y el articulo C articulo B y articulo C. El articulo puede ser un objeto, cosa o categoria en particular. En otras palabras, al menos uno de los medios puede usar cualquier articulo de combinacion y numero de articulos de la lista, pero no todos los articulos de la lista son obligatorios.

Claims

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REIVINDICACIONES

1. Un metodo de fabricacion de deposicion, que comprende:

establecer una corriente presurizada de un polimero (80) a traves de un tubo (68) capilar de un barril (66) de arrastre; alimentar sueltamente un refuerzo (76) de fibra en un tubo (74) guia del barril (66) de arrastre de manera que el refuerzo (76) de fibra no se fuerce hacia el tubo (74) de guia y se coloque en cualquier cantidad sustancial de compresion, convergiendo el polimero (80) y el refuerzo (76) de fibra en una region(86) de convergencia del barril (66) de arrastre y el arrastre del refuerzo (76) de fibra dentro y por la corriente presurizada;

depositar una perla (44) del polimero (80) y el refuerzo (76) de fibra del tubo (68) capilar sobre un sustrato (23).
2. El metodo de fabricacion de deposicion de la reivindicacion 1, en el que el arrastre del refuerzo (76) de fibra incluye alimentar al menos uno de un cable de filamentos, una mecha y una hilaza hacia el tubo (68) capilar.
3. El metodo de fabricacion de deposicion de la reivindicacion 1, en el que arrastrar el refuerzo (76) de fibra incluye alimentar uno de un refuerzo de fibra seca y un refuerzo de fibra preimpregnado en el tubo (68) capilar
4. El metodo de fabricacion de deposicion de la reivindicacion 1, en el que arrastrar el refuerzo (76) de fibra incluye alimentar uno de un refuerzo de fibra continuo y un refuerzo de fibra discontinuo en el tubo (68) capilar.
5. El metodo de fabricacion de deposicion de la reivindicacion 1, que comprende, ademas:

acoplar juntos una pluralidad de refuerzos de fibra discontinuos en una cadena, y en el que arrastrar un refuerzo de fibra incluye extraer la cadena hacia la corriente presurizada.
6. El metodo de fabricacion de deposicion de la reivindicacion 1, que comprende, ademas:

encapsular el refuerzo (76) de fibra en un polimero que tiene una temperatura de fusion que es mayor que la temperatura de fusion del polimero en la corriente presurizada de la misma.
7. El metodo de fabricacion de deposicion de la reivindicacion 1, que comprende, ademas:

mantener una viscosidad deseada del polimero (80) aplicando una cantidad variable de calor al tubo (68) capilar a lo largo de una longitud del tubo.
8. El metodo de fabricacion de deposicion de la reivindicacion 1, en el que el establecimiento de la corriente presurizada incluye inyectar el polimero (80) a presion en el tubo (68) capilar
9. El metodo de fabricacion de deposicion de la reivindicacion 8, en el que inyectar el polimero (80) a presion en el tubo (68) capilar incluye establecer un diferencial de presion entre un extremo aguas arriba y un extremo aguas abajo del tubo.
10. Un efector (20) extremo para realizar la deposicion de un polimero reforzado con fibras, que comprende:

un suministro (48) de un refuerzo (76) de fibra continuo para alimentar sueltamente dicho refuerzo (76) de fibra en un tubo (74) guia de manera que el refuerzo (76) de fibra no se fuerce hacia el tubo (74) guia y no se coloque en cualquier cantidad sustancial de compresion;

un suministro (50) de un polimero (80) fluible; y un cabezal (40) de deposicion que tiene un barril (66) de arrastre, una entrada (69a) de polimero y un extremo (70) de suministro de material configurado para recibir dicho suministro de refuerzo (76) de fibra continuo, donde dicho suministro (50) de polimero (80) fluible esta conectado a dicha entrada (69a) de polimero de dicho cabezal (40) de deposicion y configurado para establecer una corriente presurizada de polimero (80) en un tubo (68) capilar del cabezal (40) de deposicion, en el que dicho tubo (68) capilar esta acoplado con una region (86) de convergencia y configurado para arrastrar el refuerzo (76) de fibra dentro y por la corriente presurizada, incluyendo el cabezal (40) de deposicion ademas un extremo (72) de deposicion configurado para depositar una perla (44) del polimero (80) que tiene el refuerzo (76) de fibra continuo arrastrado en el mismo.
11. El efector de extremo de la reivindicacion 10, en el que el barril (66) de arrastre incluye ademas una matriz (42) de extrusion acoplada con el extremo (72) de deposicion
12. El efector final de la reivindicacion 11 donde: el tubo (68) capilar incluye un extremo aguas arriba acoplado con la region (86) de convergencia y un extremo aguas abajo configurado para extruir el polimero (80) que tiene el refuerzo (76) de fibra continuo arrastrado alli.
13. El efector final de la reivindicacion 10 que comprende, ademas: un calentador (52) para calentar el barril (66) de arrastre, incluyendo el calentador al menos una bobina (52a) de calentamiento que tiene una pluralidad de vueltas de bobina que varian en numero a lo largo de una longitud del barril (66) de arrastre.