ES2854023T3 - Sistema y método de colocación de fibras con calentamiento de escaneo láser modulado - Google Patents

Abstract

Un sistema (10) de colocación de fibras que comprende: un rodillo (12) de compactación giratorio alrededor de un eje de rotación (A), definiendo dicho rodillo (12) de compactación al menos parcialmente una región (25) de doblez de compactación; y un conjunto (14) de calentamiento por láser que comprende: un láser (52) que emite un haz (30) de radiación electromagnética; un cabezal (50) de escaneo que define un campo (86) de escaneo, estando dicho campo (86) de escaneo alineado con dicha región (25) de doblez de compactación, en donde dicho cabezal (50) de escaneo escanea dicho haz (30) dentro de dicho campo (86) de escaneo; y un controlador (58); en donde dicho cabezal (50) de escaneo escanea dicho haz (30) en una fila (100, 102, 104, 106, 108, 110) de escaneo que se extiende a través de dicho campo (86) de escaneo, en donde dicho haz (30) tiene una potencia óptica la cual se controla de tal manera que se varíe la cantidad de calentamiento a partir de la fila (100, 102, 104, 106, 108, 110) de escaneo a la fila (100, 102, 104, 106, 108, 110) de escaneo.

Description

DESCRIPCIÓN

Sistema y método de colocación de fibras con calentamiento de escaneo láser modulado

Campo

Esta solicitud se refiere a la colocación de fibras y, más particularmente, a la colocación de fibras asistida por láser.

Antecedentes

Las estructuras de material compuesto se utilizan comúnmente como materiales de alta resistencia, bajo peso y, por lo tanto, encuentran diversas aplicaciones en las industrias aeroespacial y automotriz. Una estructura de material compuesto incluye una o más capas de material compuesto, en donde cada capa de material compuesto incluye un material de refuerzo y un material de matriz. El material de refuerzo puede incluir fibras. El material de matriz puede ser un material polimérico, tal como una resina termoestable o una resina termoplástica.

Las estructuras de material compuesto reforzadas con fibra se pueden fabricar colocando múltiples capas de fibra de estopa para formar un laminado de refuerzo. La fibra de estopa incluye en general un manojo de fibras (material de refuerzo) impregnado con un material de matriz. En las tecnologías de colocación de fibras, la fibra de estopa es en general suministrada en forma de tira/cinta a partir de un carrete a granel y se presiona sobre el laminado subyacente en un doblez de compactación utilizando un rodillo de compactación. El laminado de refuerzo totalmente ensamblado es luego curado y/o consolidado, como sea necesario, a partir de la estructura de material compuesto.

Cuando el material de matriz de la fibra de estopa es una resina termoplástica, el proceso de laminado requiere típicamente calentamiento para ablandar la resina termoplástica y obtener la consolidación de capa a capa dentro del laminado de refuerzo. Típicamente, se proyecta un haz láser (por ejemplo, un haz láser infrarrojo) hacia el doblez de compactación para calentar la fibra de estopa y/o el laminado subyacente durante la colocación de la fibra. Sin embargo, el calentamiento por láser puede ser difícil de controlar, lo que da como resultado el sobrecalentamiento de la fibra de estopa y/o el laminado subyacente.

En consecuencia, aquellos expertos en la técnica continúan con los esfuerzos de búsqueda y desarrollo en el campo de la colocación de fibras asistidas por láser.

El documento US 2006/0048881 A1 establece, de acuerdo con su resumen, un método para formar estructuras de preforma a partir de materiales compuestos de fibra en un proceso de colocación de cinta automatizado, para la infusión y calentamiento de resina posteriores. La radiación láser pulsada se dirige en una región de doblez de un rodillo de compactación durante la formación de una estructura de preforma de material compuesto para calentar selectivamente áreas discretas en un velo de resina termoplástica a un material de cinta de fibra entrante y una superficie de un sustrato, para controlar con más precisión el embaste del velo de resina de termoplástico a la cinta de fibra y la superficie de un sustrato en ubicaciones predeterminadas.

El documento US 2008/0157437 A1 establece, de acuerdo con su resumen, que para fabricar un artículo de material compuesto se activa una fuente de calor infrarrojo y se distribuye un material compuesto. El material compuesto incluye un refuerzo y una resina. Además, el material compuesto se aplica a un sustrato de material compuesto aplicado previamente. La fuente de calor infrarrojo está configurada para emitir una longitud de onda de radiación electromagnética que es absorbida por la resina en un alcance relativamente mayor que la longitud de onda de radiación electromagnética absorbida por el refuerzo.

Resumen

En una realización de la invención reivindicada, el sistema de colocación de fibras comprende un rodillo de compactación giratorio alrededor de un eje de rotación, definiendo dicho rodillo de compactación al menos parcialmente una región de doblez de compactación; y un conjunto de calentamiento por láser que comprende: un láser que emite un haz de radiación electromagnética; definiendo un cabezal de escaneo un campo de escaneo, estando dicho campo de escaneo alineado con dicha región de doblez de compactación, en donde dicho cabezal de escaneo escanea dicho haz dentro de dicho campo de escaneo; y un controlador; en donde dicho cabezal de escaneo escanea dicho haz en una fila de escaneo que se extiende a través de dicho campo de escaneo, en donde dicho haz tiene una potencia óptica la cual se controla de tal manera que se varía la cantidad de calentamiento de una fila de escaneo a otra.

En otra realización de la invención reivindicada, un método para colocar una chapa de material compuesto sobre un sustrato comprende: colocar un rodillo de compactación contra dicho sustrato para definir un doblez entre ellos y una región de doblez de compactación próxima al doblez; escanear un haz de radiación electromagnética emitido por un láser mediante un cabezal de escaneo que define un campo de escaneo, estando dicho campo de escaneo alineado con dicha región de doblez de compactación, en donde dicho cabezal de escaneo escanea dicho haz dentro de dicho campo de escaneo próximo a dicho doblez; y pasar dicha chapa de material compuesto a través de dicho doblez, en donde dicho cabezal de escaneo escanea dicho haz en una fila de escaneo que se extiende a través de dicho campo de escaneo, en donde dicho haz tiene una potencia óptica la cual se controla de tal manera que se varía la cantidad de calentamiento de una fila de escaneo a otra.

Breve descripción de los dibujos

La Figura 1 es una vista en alzado lateral esquemática de una realización del sistema de colocación de fibras divulgado.

La Figura 2 es una representación esquemática del cabezal de escaneo del conjunto de calentamiento por láser del sistema de colocación de fibras de la Figura 1;

La Figura 3 es una vista direccional de la máquina (eje y) de la región de doblez de compactación del sistema de colocación de fibras de la Figura 1;

Las Figuras 4A-4C son representaciones gráficas de la potencia del haz frente al tiempo para el conjunto de calentamiento por láser del sistema de colocación de fibras de la Figura 1;

La Figura 5 es un diagrama de flujo que representa una realización del método de colocación de fibras divulgado.

La Figura 6 es un diagrama de flujo de una metodología de fabricación y servicio de aeronaves; y

La Figura 7 es un diagrama de bloques de una aeronave.

Descripción detallada

Con referencia a la Figura 1, una realización del sistema de colocación de fibras divulgado, en general designado como 10, incluye un rodillo 12 de compactación, un conjunto 14 de calentamiento por láser, y puede incluir un carrete 16 a granel de la chapa 18 de material compuesto. Sin apartarse del alcance de la presente divulgación, el sistema 10 de colocación de fibras puede incluir diversos componentes adicionales, tales como uno o más rodillos 20 de guía para guiar la chapa 18 de material compuesto a partir del carrete 16 a granel al rodillo 12 de compactación y/o un mecanismo de accionamiento para impulsar el rodillo 12 de compactación y el conjunto 14 de calentamiento por láser en la dirección que se muestra por la flecha Y.

En este punto, aquellos expertos en la técnica apreciarán que el sistema 10 de colocación de fibras divulgado puede asociarse con una máquina de Colocación Automática de Fibras (AFP). Por ejemplo, el rodillo 12 de compactación y el conjunto 14 de calentamiento por láser del sistema 10 de colocación de fibras pueden alojarse al menos parcialmente dentro del cabezal de aplicación de una máquina de Colocación Automática de Fibras. El cabezal de aplicación de la máquina de Colocación Automática de Fibras es movible, tal como a través de un brazo robótico.

La composición de la chapa 18 de material compuesto suministrada a partir del carrete 16 a granel del sistema 10 de colocación de fibras divulgado puede variar dependiendo de la necesidad/aplicación. En una realización, la chapa 18 de material compuesto puede ser un material reforzado con fibras que incluye un material de refuerzo y un material de matriz. El material de refuerzo puede ser (o puede incluir) fibras, tal como fibras de carbono. Las fibras pueden estar orientadas en una sola dirección (por ejemplo, unidireccional) o en dos o más direcciones (por ejemplo, bidireccional). El material de matriz puede ser (o puede incluir) un material de matriz polimérico, tal como una resina termoplástica o, alternativamente, una resina termoestable. En otra realización, la chapa 18 de material compuesto puede no estar reforzada (por ejemplo, un material solo de resina).

Como ejemplo específico no limitativo, la chapa 18 de material compuesto puede ser una estopa termoplástica (o cinta cortada). La estopa termoplástica puede incluir un material de refuerzo (por ejemplo, fibra de carbono) y un material de matriz de polímero termoplástico. Los ejemplos específicos de polímeros termoplásticos que se pueden utilizar para formar una estopa termoplástica adecuada para uso como la chapa 18 de material compuesto que incluye, sin limitación, poliéter éter cetona (PEEK), poliéter cetona cetona (PEKK), sulfuro de polifenileno (PPS), polietileno, polipropileno y poliestireno.

El rodillo 12 de compactación del sistema 10 de colocación de fibras divulgado es giratorio alrededor de un eje de rotación A (perpendicular a la página en la Figura 1), y puede colocarse contra un sustrato 22 para definir un doblez 24 entre el rodillo 12 de compactación y la superficie 26 del sustrato 22. El sustrato 22 puede ser cualquier estructura o disposición de material capaz de recibir la chapa 18 de material compuesto sobre su superficie 26. Como un ejemplo, el sustrato 22 puede ser una láminado de refuerzo que incluye una o más capas aplicadas previamente de la chapa 18 de material compuesto. Como otro ejemplo, el sustrato 22 puede ser un material de respaldo compuesto, tal como una tela de respaldo.

La chapa 18 de material compuesto puede desenrollarse del carrete 16 a granel, puede pasar sobre el rodillo 20 de guía, puede extenderse sobre el rodillo 12 de compactación y, finalmente, puede pasar a través del doblez 24. A medida que la chapa 18 de material compuesto pasa a través del doblez 24, el rodillo 12 de compactación puede impulsar la chapa 18 de material compuesto contra la superficie 26 del sustrato 22. Además, cuando el rodillo 12 de compactación se mueve con relación al sustrato 22 (por ejemplo, en la dirección que se muestra por la flecha Y), se puede formar una capa 28 de material compuesto sobre la superficie 26 del sustrato 22. Se pueden aplicar múltiples capas (similares a la capa 28 de material compuesto) al sustrato 22 de tal manera.

El conjunto 14 de calentamiento por láser del sistema 10 de colocación de fibras divulgado puede colocarse para proyectar un haz 30 de radiación electromagnética en la región 25 de doblez de compactación próxima (en o cerca) del doblez 24 entre el rodillo 12 de compactación y el sustrato 22 Por lo tanto, el haz 30 puede calentar una porción de la chapa 18 de material compuesto y/o una porción del sustrato 22 justo antes a, o simultáneamente con, esas porciones de la chapa 18 de material compuesto y el sustrato 22 que pasan a través del doblez 24. Cuando la chapa 18 de material compuesto y/o el sustrato 22 incluyen un material termoplástico, el calor del conjunto 14 de calentamiento por láser puede ablandar el material termoplástico, volviéndolo pegajoso y facilitando la consolidación entre la chapa 18 de material compuesto y el sustrato 22.

El haz 30 de radiación electromagnética emitido por el conjunto 14 de calentamiento por láser tiene una longitud de onda. La longitud de onda del haz 30 puede ser una consideración de diseño. En una expresión, el haz 30 puede tener una longitud de onda que varía de aproximadamente 0.75 |jm a aproximadamente 1.4 |jm (infrarrojo cercano (NIR)). En otra expresión, el haz 30 puede tener una longitud de onda que varía a partir de aproximadamente 1.4 jm a aproximadamente 3 jm (infrarrojos de longitud de onda corta (SWlR)). En otra expresión, el haz 30 puede tener una longitud de onda que varía a partir de aproximadamente 3 jm a aproximadamente 8 jm (infrarrojo de longitud de onda media (MWlR)). En otra expresión, el haz 30 puede tener una longitud de onda que varía a partir de aproximadamente 8 jm a aproximadamente 15 jm (infrarrojo de longitud de onda larga (LWIR)). En aún otra expresión, el haz 30 puede tener una longitud de onda que varía a partir de aproximadamente 15 jm a aproximadamente 1,000 jm (infrarrojo lejano (FIR)).

Todavía con referencia a la Figura 1, el conjunto 14 de calentamiento por láser incluye un cabezal 50 de escaneo, un láser 52, una fuente 54 de potencia (opcional), una fibra 56 óptica (opcional), y un controlador 58. El conjunto 14 de calentamiento por láser puede incluir componentes adicionales, tales como componentes electrónicos adicionales, componentes ópticos adicionales y/o componentes estructurales adicionales, sin apartarse del alcance de la presente divulgación.

El cabezal 50 de escaneo del conjunto 14 de calentamiento por láser puede colocarse con relación al rodillo 12 de compactación y el sustrato 22 para proyectar el haz 30 próximo al rodillo 12 de compactación y, más específicamente, en la región 25 de doblez de compactación próxima al doblez 24 entre el rodillo 12 de compactación y el sustrato 22. En una expresión, el cabezal 50 de escaneo puede estar separado aproximadamente 7,62 cm (3 pulgadas) a aproximadamente 91,44 cm (36 pulgadas) a partir del doblez 24. En otra expresión, el cabezal 50 de escaneo puede estar separado aproximadamente 10,16 cm (4 pulgadas) a aproximadamente 60,96 cm (24 pulgadas) del doblez 24. En aún otra expresión, el cabezal 50 de escaneo puede estar separado aproximadamente 15,24 cm (6 pulgadas) a aproximadamente 30,38 cm (12 pulgadas) a partir del doblez 24.

Con referencia a la Figura 2, el cabezal 50 de escaneo puede incluir una carcasa 60, un conjunto 62 de galvo, y un elemento 64 óptico. La carcasa 60 puede definir un volumen 66 interno y una abertura 68 en el volumen 66 interno. El conjunto 62 de galvo puede colocarse en el volumen 66 interno de la carcasa 60. El elemento 64 óptico puede colocarse al menos parcialmente dentro de la carcasa 60, y puede alinearse con la abertura 68 en la carcasa 60.

El conjunto 62 de galvo del cabezal 50 de escaneo puede incluir un dispositivo 70 de galvanómetro del eje x y un dispositivo 72 de galvanómetro del eje y. El dispositivo 70 de galvanómetro del eje x puede incluir un primer espejo 74 conectado a un primer motor 76 mediante un primer árbol 78. El primer motor 76 puede girar el primer árbol 78 y, por lo tanto, el primer espejo 74 alrededor de un primer eje de rotación R1. Asimismo, el dispositivo 72 de galvanómetro del eje y puede incluir un segundo espejo 80 conectado a un segundo motor 82 por un segundo árbol 84. El segundo motor 82 puede girar el segundo árbol 84 y, por lo tanto, el segundo espejo 80 alrededor de un segundo eje de rotación R2.

A la vez que el conjunto 62 de galvo del cabezal 50 de escaneo se muestra y describe que tiene ambos dispositivos 70, 72 de galvanómetro en el eje x y en el eje y, el uso de un conjunto 62 de galvo con un solo dispositivo galvanómetro no dará como resultado una desviación del alcance de la presente divulgación. Además, utilizar un conjunto 62 de galvo con más de dos dispositivos de galvanómetro no resultará en una desviación del alcance de la presente divulgación.

El cabezal 50 de escaneo puede acoplarse ópticamente con el láser 52 a través de la fibra 56 óptica, como se muestra en la Figura 1. Por lo tanto, como se muestra en la Figura 2, el cabezal 50 de escaneo puede recibir el haz 30 emitido por el láser 52, y puede dirigir el haz 30 al conjunto 62 de galvo. El conjunto 62 de galvo puede facilitar el escaneo del haz 30 en la manera dictada por el controlador 58 (Figura 1). Específicamente, el espejo 80 del dispositivo 72 de galvanómetro del eje y puede recibir el haz 30 entrante y, con rotación controlada alrededor del segundo eje de rotación R2, el espejo 80 puede escanear el haz 30 a lo largo del eje y. El espejo 74 del dispositivo 70 de galvanómetro del eje x puede recibir el haz 30 reflejado por el dispositivo 72 de galvanómetro del eje y, y, con rotación controlada alrededor del primer eje de rotación R1, el espejo 74 puede escanear el haz 30 a lo largo del eje x.

Por lo tanto, el conjunto 62 de galvo puede definir un campo 86 de escaneo bidimensional. Cuando el conjunto 62 de galvo incluye un dispositivo 70 de galvanómetro del eje x y un dispositivo 72 de galvanómetro del eje y, el campo 86 de escaneo puede extenderse tanto en la dirección del eje x (la dirección lateral) como la dirección del eje y (la dirección de la máquina), como se muestra en la Figura2.

Como se muestra en la Figura 1, el controlador 58 puede estar en comunicación con el cabezal 50 de escaneo. El controlador 58 puede ser cualquier aparato o sistema (por ejemplo, un microprocesador) capaz de generar y comunicar señales de comando para lograr un resultado deseado a partir de un dispositivo controlado (por ejemplo, el conjunto 62 de galvo, la fuente 54 de potencia, el láser 52). Las señales de comando pueden ser con base en instrucciones (por ejemplo, entradas de un usuario) y/o señales de retroalimentación. Por lo tanto, volviendo a la Figura 2, el controlador 58 (Figura 1) puede estar en comunicación con el conjunto 62 de galvo del cabezal 50 de escaneo para proporcionar comandos de movimiento a los motores 76, 82 que accionan los espejos 74, 80 de los dispositivos 70, 72 de galvanómetro del conjunto 62 de galvo.

Como se muestra en la Figura 1, y con referencia a la Figura 2, el cabezal 50 de escaneo puede estar orientado con respecto al rodillo 12 de compactación y el sustrato 22 de tal manera que el campo 86 de escaneo definido por el conjunto 62 de galvo esté alineado con (por ejemplo, superpuesto sobre) la región 25 de doblez de compactación próxima al doblez 24 entre el rodillo 12 de compactación y el sustrato 22. Por lo tanto, al controlar el conjunto 62 de galvo (por ejemplo, controlando las orientaciones de los espejos 74, 80 a través de los motores 76, 82 asociados), el controlador 58 puede proyectar el haz 30 en cualquier ubicación deseada dentro de la región 25 de doblez de compactación. Con un control robusto de los espejos 74, 80, el controlador 58 puede efectuar un escaneo de alta velocidad del haz 30 dentro de la región 25 de doblez de compactación.

Por lo tanto, el cabezal 50 de escaneo puede facilitar el escaneo (por ejemplo, rasterización) del haz 30 dentro de la región 25 de doblez de compactación tanto en la dirección del eje x como en la dirección del eje y. Como tal, un solo cabezal 50 de escaneo puede calentar toda la región 25 de doblez de compactación sin la necesidad de una serie de láseres y/o un dispositivo de articulación que articule un láser para efectuar el movimiento del haz asociado.

Con referencia de nuevo en la Figura 2, el elemento 64 óptico del cabezal 50 de escaneo puede colocarse para recibir el haz 30 que sale del conjunto 62 de galvo. El elemento 64 óptico puede manipular el haz 30 recibido del conjunto 62 de galvo y puede dirigir el haz 30 hacia la región 25 de doblez de compactación.

El elemento 64 óptico puede ser (o puede incluir) un lente, tal como un lente de objetivo. El haz 30 recibido por el cabezal 50 de escaneo a partir de la fibra 56 óptica puede ser un haz divergente. Por lo tanto, cuando el elemento 64 óptico es/incluye un lente, el haz 30 puede enfocarse en un punto 90 que tiene la dimensión D transversal máxima deseada (por ejemplo, diámetro). En una expresión, la dimensión D transversal máxima del punto 90 formado por el haz 30 puede variar a partir de aproximadamente 0,00254 cm (0.001 pulgadas) a aproximadamente 2,54 cm (1 pulgada). En otra expresión, la dimensión D transversal máxima del punto 90 formado por el haz 30 puede variar a partir de aproximadamente 0,0254 cm (0.01 pulgadas) a aproximadamente 0,254 cm (0.1 pulgadas). Como un ejemplo específico, no limitativo, el punto 90 formado por el haz 30 puede tener un diámetro D de aproximadamente 1,27 cm (0.05 pulgadas).

En una construcción particular, el elemento 64 óptico puede ser (o puede incluir) un lente telecéntrico. Aquellos expertos en la técnica apreciarán que el uso de un lente telecéntrico como (o dentro) del elemento 64 óptico puede producir un punto 90 que tiene una dimensión D transversal máxima que no varía sustancialmente dentro del campo 86 de escaneo como una función de la distancia a partir de el cabezal 50 de escaneo. Por lo tanto, el punto 90 puede ser sustancialmente uniforme, incluso cuando el punto 90 se mueve por todo el campo 86 de escaneo.

Volviendo a la Figura 1, el controlador 58 controla uno o más parámetros del haz 30 que es suministrado por el láser 52 y, finalmente, proyectado en la región 25 de doblez de compactación. En una implementación, el controlador 58 puede controlar la potencia óptica del haz 30. En otra implementación, el controlador 58 puede controlar la frecuencia de pulso del haz 30. En aún otra implementación, el controlador 58 puede controlar tanto la potencia óptica del haz 30 como la frecuencia de pulso del haz 30. También se contempla el control de otros parámetros del haz (por ejemplo, ciclo de trabajo) con el controlador 58.

El láser 52 del conjunto 14 de calentamiento por láser puede estar acoplado eléctricamente con la fuente 54 de potencia. Por ejemplo, la fuente 54 de potencia puede ser una fuente de corriente eléctrica alterna. El láser 52 puede generar el haz 30 cuando es alimentado por la fuente 54 de potencia. El haz 30 puede tener una potencia óptica, y la potencia óptica puede ser una función de la potencia eléctrica suministrada por la fuente 54 de potencia. Por ejemplo, cuando el láser 52 es suministrado por 500 vatios, el láser 52 puede emitir un haz 30 que tiene una potencia óptica total. Sin embargo, a medida que se reduce la potencia suministrada, la potencia óptica se reduce en una cantidad correspondiente (un porcentaje de potencia total).

El controlador 58 del conjunto 14 de calentamiento por láser puede estar en comunicación con la fuente 54 de potencia. Por lo tanto, el controlador 58 puede controlar la cantidad de energia eléctrica suministrada al láser 52 y, por lo tanto, la potencia óptica del haz 30 emitida por el láser 52, controlando la fuente 54 de potencia.

El controlador 58 del conjunto 14 de calentamiento por láser también puede estar en comunicación con el láser 52 para controlar la activación del láser 52 y/o la frecuencia de pulso del haz 30 emitido por el láser 52. En una implementación, el láser 52 puede ser un láser de onda continua (CW), y el controlador 58 puede modular el haz 30 emitido por el láser 52 para lograr la frecuencia de pulso deseada. En otra implementación, el láser 52 puede ser un láser pulsado, y puede emitir un haz 30 que tiene la frecuencia de pulso deseada.

La frecuencia de pulso del haz 30 puede ser con base en, entre otros posibles factores, la velocidad a la cual el conjunto 62 de galvo (Figura 2) del cabezal 50 de escaneo escanea el haz 30. En una expresión, la frecuencia de pulso del haz 30 puede variar a partir de aproximadamente 0 (haz continuo, sin pulso) a 10 kHz. En otra expresión, la frecuencia de pulso del haz 30 puede variar a partir de aproximadamente 1 kHz a aproximadamente 10 kHz. En otra expresión, la frecuencia de pulso del haz 30 puede variar a partir de aproximadamente 2 kHz a aproximadamente 8 kHz. En otra expresión, la frecuencia de pulso del haz 30 puede variar a partir de aproximadamente 3 kHz a aproximadamente 6 kHz. En aún otra expresión, la frecuencia de pulso del haz 30 puede variar a partir de aproximadamente 1 kHz a aproximadamente 5 kHz.

Por consiguiente, el conjunto 14 de calentamiento por láser del sistema 10 de colocación de fibras divulgado puede escanear un haz 30 dentro de un campo 86 de escaneo alineado con la región 25 de doblez de compactación próxima al doblez 24 entre el rodillo 12 de compactación y el sustrato 22, a la vez que se controla la potencia óptica del haz 30 y/o la frecuencia de pulso del haz 30. Otros parámetros del haz 30 (por ejemplo, ciclo de trabajo) también pueden controlarse a la vez que el haz 30 se escanea dentro del campo 86 de escaneo. Por lo tanto, el conjunto 14 de calentamiento por láser se puede utilizar para obtener diversos perfiles de calentamiento dentro de la región 25 de doblez de compactación.

La Figura 3 ilustra un perfil de calentamiento de ejemplo que puede obtenerse en la chapa 18 de material compuesto y el sustrato 22 utilizando el conjunto 14 de calentamiento por láser del sistema 10 de colocación de fibras divulgado. En el ejemplo específico, no limitativo de la Figura 3, el haz 30 (Figuras 1 y 2) es escaneado por el conjunto 14 de calentamiento por láser para producir múltiples filas 100, 102, 104, 106, 108, 110 de escaneo. Cada fila 100, 102, 104, 106, 108, 110 de escaneo puede extenderse de manera lateral (eje x) a través del campo 86 de escaneo (Figura 2) para producir una columna 112 de filas 100, 102, 104, 106, 108, 110 de escaneo que se extienden en la dirección de la máquina (eje y) a lo largo del campo 86 de escaneo. Las filas 100, 104, 108 de escaneo pueden formarse en la superficie 26 del sustrato 22 dentro de la región 25 de doblez de compactación, a la vez que las filas 102, 106, 110 de escaneo pueden formarse en la chapa 18 de material compuesto dentro de la región 25 de doblez de compactación.

Al controlar la potencia óptica del haz 30 (Figuras 1 y 2), se varía la cantidad de calentamiento a partir de la fila 100, 102, 104, 106, 108, 110 de escaneo a la fila 100, 102, 104, 106, 108, 110 de escaneo. Como se muestra en la Figura 3 con densidad de punteado variable, las filas 100, 102 de escaneo, las cuales pueden estar más cercanas al doblez 24, pueden formarse utilizando un haz 30 que tiene mayor potencia óptica que el haz 30 utilizado para formar las filas 104, 106, 108, 110 de escaneo, a la vez que las filas 104, 106 de escaneo pueden formarse utilizando un haz 30 que tiene mayor potencia óptica que el haz 30 utilizado para formar las filas 108, 110 de escaneo. Por lo tanto, se puede aplicar un mayor calentamiento a las porciones de la chapa 18 de material compuesto y el sustrato 22 a punto de compactarse en el doblez 24 (véanse las filas 100, 102 de escaneo), a la vez que las porciones adyacentes pueden precalentarse gradualmente (véanse las filas 104, 106, 108, 110 de escaneo).

Además, al controlar la frecuencia de pulso del haz 30 (Figuras 1 y 2) para lograr una frecuencia de pulso distinta de cero, pueden establecerse zonas 120 de calor y zonas 122 muertas dentro de las filas 100, 102, 104, 106, 108, 110 de escaneo. Las zonas 120 de calor corresponden a porciones de las filas 100, 102, 104, 106, 108, 110 de escaneo que recibieron radiación electromagnética (el ciclo de encendido del pulso), a la vez que las zonas 122 muertas corresponden a porciones de las filas 100, 102, 104, 106, 108, 110 de escaneo que no recibieron radiación electromagnética (el ciclo de apagado del pulso).

Por lo tanto, la forma de onda que se muestra en la Figura 4A representa el haz 30 (Figuras 1 y 2) que producen las filas 100, 102 de escaneo, a la vez que la forma de onda que se muestra en la Figura 4B representa el haz 30 que producen las filas 104, 106 de escaneo y la forma de onda que se muestra en la Figura 4C representa el haz 30 que producen las filas 108, 110 de escaneo. En este punto, aquellos expertos en la técnica apreciarán que se pueden obtener variaciones en el perfil de calentamiento alterando la velocidad de escaneo, la potencia óptica del haz 30 y/o la frecuencia de pulso del haz 30.

También se divulga un método de colocación de fibras, el cual se puede utilizar para colocar una chapa de material compuesto sobre un sustrato. Con referencia a la Figura 5, con referencia adicional a las Figuras 1 y 2, una realización del método de colocación de fibras divulgado, en general designado como 200, comienza en el bloque 202 con la etapa de ubicar un rodillo 12 de compactación contra un sustrato 22 para formar un doblez 24 entre el rodillo 12 de compactación y el sustrato 22.

En el bloque 204, se escanea un haz 30 de radiación electromagnética próximo al doblez 24. El haz 30 se escanea dentro de un campo 86 de escaneo, y el campo 86 de escaneo está alineado con (por ejemplo, superpuesto sobre) una región 25 de doblez de compactación próxima al doblez 24 entre el rodillo 12 de compactación y el sustrato 22. Por ejemplo, el haz 30 se puede rastrear a través del campo 86 de escaneo.

En el bloque 206, se puede controlar al menos un parámetro del haz 30. En una implementación, puede controlarse la potencia óptica del haz 30. En otra implementación, puede controlarse la frecuencia de pulsos del haz 30. En aún otra implementación, se pueden controlar tanto la potencia óptica del haz 30 como la frecuencia de pulso del haz 30.

En el bloque 208, una chapa 18 de material compuesto (por ejemplo, una estopa termoplástica) se pasa a través del doblez 24 entre el rodillo 12 de compactación y el sustrato 22. Por lo tanto, la chapa 18 de material compuesto y/o el sustrato 22 pueden calentarse mediante el haz 30 de radiación electromagnética cuando pasa a través del doblez 24.

Por lo tanto, el método 200 de colocación de fibras puede facilitar el calentamiento radiactivo controlado de una chapa 18 de material compuesto cuando la chapa 18 de material compuesto pasa a través de un doblez 24. Específicamente, al escanear el haz 30 a la vez que se controla la potencia óptica del haz y/o la frecuencia de pulsos del haz 30, el riesgo de sobrecalentamiento de la chapa 18 de material compuesto y el sustrato 22 puede reducirse significativamente (si no eliminarse).

Se pueden describir ejemplos de la presente divulgación en el contexto de un método 500 de fabricación y servicio de aeronaves como se muestra en la Figura 6 y una aeronave 600 como se muestra en la Figura 7. Durante la preproducción, el método 500 ilustrativo puede incluir especificación y diseño, como se muestra en el bloque 502, de la aeronave 600 y adquisición de material, como se muestra en el bloque 504. Durante la producción, pueden tener lugar la fabricación de componentes y subconjuntos, como se muestra en el bloque 506, y la integración del sistema, como se muestra en el bloque 508, de la aeronave 600. A partir de entonces, la aeronave 600 puede pasar por la certificación y entrega, como se muestra en el bloque 510, para ser puesta en servicio, como se muestra en el bloque 512. A la vez que está en servicio, la aeronave 600 puede programarse para un mantenimiento y servicio de rutina, como se muestra en el bloque 514. El mantenimiento y servicio de rutina pueden incluir la modificación, reconfiguración, renovación, etc. de uno o más sistemas de la aeronave 600.

Cada uno de los procesos del método 500 ilustrativo puede ser realizado o llevado a cabo por un integrador de sistemas, un tercero, y/o un operador (por ejemplo, un cliente). Para los propósitos de esta descripción, un integrador de sistemas puede incluir, sin limitación, cualquier número de fabricantes de aeronaves y subcontratistas de sistemas principales; un tercero puede incluir, sin limitación, cualquier número de proveedores, subcontratistas y distribuidores; y un operador puede ser una aerolínea, una empresa de arrendamiento financiero, una entidad militar, una organización de servicios, etc.

Como se muestra en la Figura 7, la aeronave 600 producida por el método 500 ilustrativo (Figura 6) puede incluir una estructura 602 con una pluralidad de sistemas 604 de nivel superior y el interior 606. Los ejemplos de sistemas 604 de nivel superior pueden incluir uno o más del sistema 608 de propulsión, el sistema 610 eléctrico, el sistema 612 hidráulico, y el sistema 614 ambiental. Puede incluirse cualquier número de otros sistemas. Aunque se muestra un ejemplo aeroespacial, los principios divulgados en el presente documento pueden aplicarse a otras industrias, tales como las industrias automotriz y marina. Por consiguiente, además de la aeronave 600, los principios divulgados en el presente documento pueden aplicarse a otros vehículos (por ejemplo, vehículos terrestres, vehículos marinos, vehículos espaciales, etc.).

El sistema y método de colocación de fibras divulgado con calentamiento de escaneo láser modulado pueden emplearse durante una o más de las etapas del método 500 de fabricación y servicio. Por ejemplo, componentes o subconjuntos correspondientes a la fabricación de componentes y subconjuntos (bloque 506) se pueden fabricar o construir utilizando el sistema y método de colocación de fibras divulgado con calentamiento de escaneo láser modulado. Además, el sistema de colocación de fibras divulgado y el método con calentamiento de escaneo láser modulado se pueden utilizar durante las etapas de producción (bloques 506 y 508), por ejemplo, acelerando sustancialmente el ensamblaje o reduciendo el coste de la aeronave 600. De manera similar, el sistema y método de colocación de fibras divulgado con calentamiento de escaneo láser modulado se puede utilizar, por ejemplo y sin limitación, a la vez que la aeronave 600 está en servicio (bloque 512) y/o durante la etapa de mantenimiento y servicio (bloque 514).

Aunque se han mostrado y descrito diversas realizaciones del sistema y método de colocación de fibras divulgado con calentamiento de escaneo láser modulado, a aquellos expertos en la técnica se les pueden ocurrir modificaciones tras la lectura de la especificación. La presente solicitud incluye dichas modificaciones y está limitada únicamente por el alcance de las reivindicaciones.

Claims (13)

REIVINDICACIONES

1. Un sistema (10) de colocación de fibras que comprende:

un rodillo (12) de compactación giratorio alrededor de un eje de rotación (A), definiendo dicho rodillo (12) de compactación al menos parcialmente una región (25) de doblez de compactación; y

un conjunto (14) de calentamiento por láser que comprende:

un láser (52) que emite un haz (30) de radiación electromagnética;

un cabezal (50) de escaneo que define un campo (86) de escaneo, estando dicho campo (86) de escaneo alineado con dicha región (25) de doblez de compactación, en donde dicho cabezal (50) de escaneo escanea dicho haz (30) dentro de dicho campo (86) de escaneo; y

un controlador (58);

en donde dicho cabezal (50) de escaneo escanea dicho haz (30) en una fila (100, 102, 104, 106, 108, 110) de escaneo que se extiende a través de dicho campo (86) de escaneo, en donde dicho haz (30) tiene una potencia óptica la cual se controla de tal manera que se varíe la cantidad de calentamiento a partir de la fila (100, 102, 104, 106, 108, 110) de escaneo a la fila (100, 102, 104, 106, 108, 110) de escaneo.

2. El sistema (10) de colocación de fibras de la reivindicación 1, en donde dicho cabezal (50) de escaneo comprende un conjunto (62) de galvo que comprende al menos un dispositivo (70, 72) galvanómetro.

3. El sistema (10) de colocación de fibras de la reivindicación 1 o 2, en donde dicho conjunto (62) de galvo comprende un dispositivo (70) de galvanómetro del eje x y un dispositivo (72) de galvanómetro del eje y.

4. El sistema (10) de colocación de fibras de la reivindicación 2 o 3, en donde dicho cabezal (50) de escaneo comprende además un elemento (64) óptico.

5. El sistema (10) de colocación de fibras de la reivindicación 4, en donde dicho elemento (64) óptico comprende un lente telecéntrico.

6. El sistema (10) de colocación de fibras de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en donde dicho haz (30) tiene una frecuencia de pulso.

7. El sistema (10) de colocación de fibras de la reivindicación 6, en donde dicha frecuencia de pulso varía a partir de aproximadamente 1 kHz a aproximadamente 10 kHz.

8. El sistema (10) de colocación de fibras de la reivindicación 6 o 7, en donde dicho conjunto (14) de calentamiento por láser comprende además un controlador (58) configurado para controlar dicha frecuencia de pulso.

9. El sistema (10) de colocación de fibras de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en donde dicho haz (30) tiene una potencia óptica, y en donde dicho conjunto (14) de calentamiento por láser comprende además un controlador (58) configurado para controlar dicha potencia óptica.

10. El sistema (10) de colocación de fibras de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, en donde dicho haz (30) tiene una longitud de onda que varía a partir de aproximadamente 0.75 |jm a aproximadamente 1.4 |jm.

11. Un método (200) para colocar una chapa (18) de material compuesto sobre un sustrato (22) que comprende: posicionar (202) un rodillo (12) de compactación contra dicho sustrato (22) para definir un doblez (24) entre ellos y una región (25) de doblez de compactación próxima al doblez (24);

escanear (204) un haz (30) de radiación electromagnética emitido por un láser (52) mediante un cabezal (50) de escaneo que define un campo (86) de escaneo, estando dicho campo (86) de escaneo alineado con dicha región (25) de doblez de compactación, en donde dicho cabezal (50) de escaneo escanea dicho haz (30) dentro de dicho campo (86) de escaneo próximo a dicho doblez (24); y

pasar (208) dicha chapa (18) de material compuesto a través de dicho doblez (24),

en donde dicho cabezal (50) de escaneo escanea dicho haz (30) en una fila (100, 102, 104, 106, 108, 110) de escaneo que se extiende a través de dicho campo (86) de escaneo, en donde dicho haz (30) tiene una potencia óptica la cual se controla de tal manera que se varíe la cantidad de calentamiento a partir de la fila (100, 102, 104, 106, 108, 110) de escaneo a la fila (100, 102, 104, 106, 108, 110) de escaneo.

12. El método (200) de la reivindicación 11, en donde dicho haz (30) tiene una frecuencia de pulso, y comprende además controlar (206) dicha frecuencia de pulso.

13. El método (200) de la reivindicación 11 o 12, en donde dicho escaneo (204) de dicho haz (30) comprende la rasterización de dicho haz (30).