ES2856178T3 - Sistema y procedimiento para conformar apilados de materiales compuestos - Google Patents

Sistema y procedimiento para conformar apilados de materiales compuestos Download PDF

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Abstract

El sistema para conformar apilados de materiales compuestos comprende: una forma (1) que define la sección que se desea proporcionar a un apilado (2) de material compuesto colocado sobre la misma para obtener un apilado conformado (2'); una contraforma (3), que junto con la forma (1), conforma y obtiene el apilado conformado (2'); caracterizado porque también comprende unos elementos de transición (4) deformables, que adoptan una sección variable desde una sección inicial en uno de sus extremos y la sección final definida por la forma (1) en el otro de sus extremos. Permite cambiar la geometría durante el conformado del laminado, para obtener laminados de sección variable a lo largo de su longitud. Para ello la forma y contraforma deben tener una geometría variable a voluntad.

Description

DESCRIPCIÓN
Sistema y procedimiento para conformar apilados de materiales compuestos
Objeto de la invención
La presente invención se refiere a un sistema para conformar apilados de materiales compuestos; donde dicho sistema tiene aplicación en el campo técnico de los sistemas de conformación de apilados de materiales compuestos preimpregnados, particularmente en el área de los sistemas de producción en continuo de perfiles de estos apilados.
Este sistema tiene como finalidad automatizar el procedimiento de conformado de apilados de materiales compuestos, formado a partir de distintas entidades físicas y etapas, donde tal número de entidades y etapas es altamente flexible de cara a conformar geometrías complejas de dichos apilados de materiales compuestos.
Antecedentes de la invención
A modo de introducción, es conocido que las piezas obtenidas a partir de apilados de materiales compuestos ("composites"), como por ejemplo los formados por láminas de fibras de carbono o fibras de vidrio preimpregnadas con resina ("prepreg"), son ampliamente empleadas en la industria, por ejemplo, como componentes en la industria aeronáutica tales como larguerillos, rigidizadores y refuerzos estructurales. Estos componentes están caracterizados por su bajo peso y su gran resistencia mecánica (resistencia específica).
Una de las tecnologías existentes para la conformación de apilados de composites laminados en continuo se basa en un sistema de rodillos y mandril ("roll-forming"), originalmente ideados para la fabricación de secciones metálicas. Los rodillos metálicos presionan el composite contra la superficie del mandril compactando el composite y dándole la forma del mandril. La parte obtenida es posteriormente curada en un autoclave.
El documento US-7249943-B2 desvela un aparato para conformar rigidizadores y otros elementos de refuerzo de composites, que comprende una base que, en su parte superior, presenta un mandril longitudinal con la forma que se desea dar al laminado dispuesto sobre éste, así como uno o varios rodillos montados en uno o varios soportes, de tal forma que los rodillos ruedan sobre el composite presionándolo contra el mandril para conformarlo y obtener la parte de composite con la geometría deseada y lista para ser curada. La superficie de rodadura de los rodillos presenta una configuración complementaria a la sección transversal del mandril. Si bien este aparato permite la fabricación de secciones estructurales rectos con cambios de espesor y curvados, no es capaz de fabricar geometrías más complejas, tal como, por ejemplo, geometrías con cambios de plano para salvar obstáculos ("joggles"), geometrías con torsión, etc.
Además, incluso para obtener formas geométricas sencillas, tal como, por ejemplo, componentes de sección transversal en omega, es necesario disponer de varios rodillos, todos ellos provistos con sus respectivos sistemas de ajuste de presión, lo cual complica y encarece la estructura de tales sistemas y puede comprometer la calidad de la parte obtenida debido a la aparición de arrugas cuando los rodillos actúan sobre el composite.
El inconveniente principal de estos sistemas conocidos es que no permiten conformar laminados de sección variable, puesto que estos cambios de geometría implican cambios de rodillos.
Para superar estos inconvenientes se diseñó el sistema descrito en el documento PCT/EP2011/069330, del mismo solicitante que el de la presente solicitud, y no publicada en el momento de presentación de la presente solicitud. Este documento describe el uso de una cubierta neumática con un fluido a presión en su interior, que presiona el laminado contra un mandril para su conformado.
Por lo tanto, el propósito de la presente invención es mejorar el sistema descrito en el documento PCT/EP2011/069330, proporcionando una serie de ventajas que se indicarán posteriormente.
El documento US5078821 desvela un dispositivo móvil para la consolidación completa de capas de material que exhiben propiedades termoplásticas para la conformación de un composite de las capas sobre un sustrato contorneado complejo. El dispositivo proporciona calentamiento en el rango de temperatura fundida del material termoplástico, aplicando suficiente presión a las capas para causar el flujo del plástico durante un tiempo suficiente para lograr la plena consolidación de las capas, y enfriando rápidamente la estructura para evitar la delaminación u otra acción de no consolidación.
Descripción de la invención
Con el sistema para conformar apilados de materiales compuestos de la presente invención se consiguen resolver los inconvenientes citados, presentando otras ventajas adicionales que se describirán a continuación.
El sistema para conformar apilados de materiales compuestos de la presente invención comprende:
- una forma que define la sección que se desea proporcionar a un apilado de materiales compuestos colocados sobre la misma para obtener un apilado conformado;
- una contraforma que, junto con la forma, conforma y obtiene el apilado conformado y
- unos elementos de transición deformables, que adoptan una sección variable desde una sección inicial, preferentemente plana, en uno de sus extremos y la sección de extremo definida por la forma en el otro de sus extremos.
Dichos elementos de transición se colocan por encima y a continuación dicho apilado de material compuesto, definiendo una boquilla flexible y adaptable a diferentes geometrías.
Ventajosamente, que dicha contraforma o dicho material compuesto apilado o dichos elementos de transición son desplazables longitudinalmente a lo largo del sistema.
Preferentemente, dichos elementos de transición proporcionan calor.
Ventajosamente, dicha contraforma es de forma adaptable y, de acuerdo con una realización, dicha contraforma está formada por un contenedor flexible.
En esta realización, dicho contenedor flexible que forma la contraforma puede comprender un relleno, tal como una pluralidad de partículas.
De acuerdo con una realización, dichos elementos de transición pueden estar formados por membranas o tejidos. Además, si se desea, dicha forma es de sección transversal variable a lo largo de su longitud.
De acuerdo con una realización alternativa, dichos elementos de transición están formados por una pluralidad de varillas longitudinales, y la forma y la contraforma están formadas por unos soportes colocados en uno de los extremos de dichas varillas longitudinales.
En esta realización, dichas varillas longitudinales que forman la forma están colocadas por debajo de dicho apilado de material compuesto, y dichas varillas longitudinales que forman la contraforma están colocadas por encima de dicho material compuesto apilado.
El sistema de presente invención presenta las siguientes ventajas:
Los elementos de transición definen una boquilla flexible y adaptable a diferentes geometrías, dependiendo de la forma y de la contraforma que se utilice.
Permite cambiar la geometría durante el conformado del laminado para obtener laminados de sección variable a lo largo de su longitud. Para este fin, la forma y contraforma deben tener una geometría variable a voluntad.
Permite conformar laminados de espesor y composición variable. Por lo tanto, se pueden conformar laminados de sección variable y de geometría no recta.
Permite que el enhebrado del laminado dentro de la boquilla pueda realizarse de forma automática, pues puede conformarse la boquilla y la parte inicial del laminado al mismo tiempo. Es decir, el laminado puede estar ya de forma plana entre los dos elementos de transición en el momento de conformar la boquilla con la forma y la contraforma final, con lo que el principio del laminado quedará ya conformado en parte y enhebrado en la boquilla. Una ventaja importante sobre el conformado en mandril mediante rodillos, ya sean rígidos, elásticos, inflables o de partículas, es que los elementos de transición generan por rozamiento una tracción que tensa el laminado y evita la aparición de arrugas, que en caso de los rodillos sí podrían formarse y quedar en el laminado al ser presionado por los rodillos.
En particular, respecto al documento PCT/EP2011/069330 no publicado citado anteriormente, las ventajas del sistema de la presente invención son las siguientes:
- Los elementos de transición regulan perfectamente la temperatura;
- Los elementos de transición ejercen una fuerza de tracción en todo el laminado, lo que evita la formación de arrugas;
- los elementos de transición permiten trabajar sobre un útil frío, ya que solamente se calienta el área que se utiliza para la conformación, limitando los problemas inherentes a las dilataciones y contracciones térmicas y evitando así la aparición de arrugas y/o la necesidad de uso de materiales con un coste elevado en determinados componentes del sistema de la presente invención, al mismo tiempo que se posibilita la reducción del consumo energético;
- los elementos de transición pueden complementarse por rodillos o no;
- para laminados de directriz recta, los elementos de transición permiten conformar boquillas sin necesidad de mandril de la longitud de los laminados.
- permite realizar la conformación con elementos estándar no hechos a medida para una geometría concreta.
Breve descripción de los dibujos
Para complementar la descripción que se está realizando, y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, se acompañan como parte integrante de dicha descripción, una serie de dibujos en los que, con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
Las figuras 1 a 3 son vistas en perspectiva del sistema para conformar apilados de materiales compuestos de la presente invención, según una primera realización, que representan las etapas del conformado de un apilado; la figura 4 es una vista en perspectiva de una variante del sistema para conformar apilados de materiales compuestos de la presente invención, según una alternativa de dicha primera realización;
las figuras 5 a 7 son vistas en perspectiva del sistema para conformar apilados de materiales compuestos de la presente invención, de acuerdo con una segunda realización, que representan las etapas del conformado de un apilado;
la figura 8 es una vista en perspectiva de una variante del sistema para conformar apilados de materiales compuestos de la presente invención, según una alternativa de dicha segunda realización;
las figuras 9 a 12 son vistas en perspectiva del sistema para conformar apilados de materiales compuestos de la presente invención, de acuerdo con una tercera realización, que representan las etapas del conformado de un apilado.
Descripción de realizaciones preferentes de la invención
En las figuras 1 a 3 se muestra una primera realización del sistema para conformar apilados de materiales compuestos de acuerdo con una primera realización.
De acuerdo con esta primera realización, el sistema de la presente invención comprende una forma 1, por ejemplo, un mandril alargado 1. Esta forma 1 tiene una geometría compleja, por ejemplo, en forma de Q, que es la que se quiere proporcionar a un apilado 2 de material compuesto, el cual se coloca sobre dicha forma 1 (parte derecha de las figuras 1 a 3).
El sistema de la presente invención también comprende unos elementos de transición 4, que pueden proporcionar calor. La función de estos elementos de transición 4 es la de definir una boquilla flexible y adaptable a diferentes geometrías.
En el caso de que proporcionen calor, también tienen la función de calentar el apilado 2 y preconformarlo. Dicho apilado puede comprender diferentes tipos de materiales, tales como materiales termoestables, que se conforman a una temperatura de aproximadamente 8o °C, y/o materiales termoplásticos, que se conforman a una temperatura de aproximadamente 300 °C.
Dichos elementos de transición 4 están colocados en este caso por encima y por debajo del apilado 2, y pueden estar formados por membranas o tejidos. En la realización representada, dichos elementos de transición 4 son tejidos, por ejemplo, mantas térmicas.
Debe indicarse que es importante que los elementos de transición 4 sean adaptables, es decir, que puedan adaptarse a la forma definida por la forma 1.
El sistema de la presente invención también comprende una contraforma 3, que en esta realización también es flexible o adaptable, es decir, también se adapta a la forma definida por dicha forma 1.
De acuerdo con esta primera realización, dicha contraforma 3 está formada por un contenedor, tal como una cámara, que puede contener un relleno, por ejemplo, partículas, perdigones, partículas magnéticas, o aire a presión, o una combinación de las mismas. La función de dicho relleno de partículas es permitir una mejor adaptación de la contraforma 3 a la forma compleja definida por la forma 1, particularmente si se definen radios de pequeñas dimensiones. Debe indicarse que las dimensiones de las partículas, en su caso, corresponderán a dicha forma compleja.
En la realización representada, dicha contraforma 3 es desplazable a lo largo de la forma 1, tal como se aprecia en las figuras 1 a 3.
El procedimiento de conformado del apilado 2 es el siguiente: En primer lugar (figura 1), se coloca el apilado sobre la forma 1 longitudinalmente, estando los elementos de transición 4 colocados por encima y por debajo de dicho apilado 2, proporcionando al apilado 2 una temperatura adecuada para su calentamiento y preconformado, en tal caso.
Dichos elementos de transición 4, además, deben estar suficientemente tensos para que no se produzcan arrugas y se adapten perfectamente a la forma definida por la forma 1. La geometría inicial viene dada por dos placas de acero planas 5, colocadas en el extremo anterior de los elementos de transición.
Una vez el apilado 2 está a la temperatura adecuada, (figura 2) se moverá la contraforma 3 desplazándola a lo largo de la forma 1 en la dirección representada por la flecha de la figura 3. Cuando la contraforma se coloca sobre los elementos de transición presiona sus extremos contra la forma, y les obliga a adoptar dicha geometría, quedando así conformada la boquilla de transición con el extremo del apilado enhebrado en la misma, tal como se representa en la figura 2. Así queda confirmada la boquilla de transición con el extremo del laminado 2 dentro, y también conformada la transición de este y enhebrado en la boquilla.
A continuación, el conjunto que conforma la boquilla se desplaza a lo largo del apilado y el mandril para conformar el apilado en toda su longitud (2'), tal como se presenta en la figura 3.
En la figura 4 se ha representado una variante de esta primera realización, en la que la forma 1 es de sección variable. En este caso, cuando los elementos de transición 4 y la contraforma 3 se desplazan a lo largo de la forma, los elementos de transición 4 también van cambiando de sección a lo largo de su longitud gracias a su naturaleza flexible o adaptable, y conformarán el laminado 2 adaptándose a las diferentes secciones de la forma 1 en toda su longitud, así como a las curvas que ésta presente.
En las figuras 5 a 7 se representa una segunda realización del sistema de la presente invención. Por motivos de simplicidad, en la descripción de esta realización se utilizan las mismas referencias numéricas para designar elementos equivalentes.
En comparación con la primera realización, aquí la boquilla definida por los elementos de transición 4, que también son mantas, la forma 1 y la contraforma 3 permanecen estáticos, y se tracciona el laminado 2 que va pasando a través de la boquilla, de forma que entra plano por un lado y sale conformado por el otro.
Se dispone el extremo del laminado 2 entre los dos elementos de transición 4, aun planos, y se calientan, de manera que calienta también el laminado 2. A continuación, se confina el extremo posterior de los elementos de transición 4, prensándolos entre la forma 1 y la contraforma 3.
Así, queda configurada la boquilla de transición con el extremo del laminado 2 dentro y con la transición conformada también en el laminado 2. Entonces, se tira del laminado 2 para hacerlo pasar por la boquilla así conformada para que vaya calentándose y conformándose.
En la figura 8 se ha representa una variante de esta realización, en la que la sección transversal de la forma 1 y de la contraforma 3 es variable.
En las figuras 9 a 12 se representa una tercera realización del sistema de la presente invención. Por motivos de simplicidad, en la descripción de esta realización se utilizan las mismas referencias numéricas para designar elementos equivalentes.
En esta realización, los elementos de transición 4 están formados por una pluralidad de varillas longitudinales, y dichas varillas se consideran que forman una boquilla flexible, ya que su posición relativa puede variarse entre ellos vertical y transversalmente, como se puede ver en las figuras. También en este caso, debe indicarse que las varillas tendrán un diámetro adecuado para adaptarse perfectamente a la forma definida por la forma 1 y la contraforma 3. En esta tercera realización, la forma 1 y la contraforma 3 están formados por unos soportes situados en uno de los extremos de dichas varillas, estando los soportes de la forma 1 por debajo del laminado 2 y los soportes de la contraforma 3 por encima del laminado 2.
Tal como se muestra mediante las flechas de la figura 12, dichos soportes son desplazables vertical y transversalmente para definir la sección del laminado 2 que se desee.
En esta tercera realización, igual que en la segunda realización, el conformado del laminado 2 se realiza traccionando del propio laminado 2, tal como se indica mediante la flecha de la figura 11.
A la vista de esta descripción y conjunto de figuras, el experto en la materia podrá entender que las realizaciones de la invención que se han descrito pueden ser combinadas de múltiples maneras dentro del objeto de la invención. La invención ha sido descrita de acuerdo con algunas realizaciones preferentes de la misma, pero para el experto en la materia resultará evidente que múltiples variaciones pueden ser introducidas en dichas realizaciones preferentes sin exceder el objeto de la invención reivindicada.

Claims (14)

REIVINDICACIONES
1. Sistema para conformar apilados de materiales compuestos, que comprende:
- una forma (1) que define la sección que se desea proporcionar a un apilado (2) de material compuesto colocado sobre la misma para obtener un apilado conformado (2');
- una contraforma (3) que, junto con la forma (1), conforma y obtiene el apilado conformado (2');
- elementos de transición (4) deformables, que adoptan una sección variable a partir de una sección inicial en uno de sus extremos y la sección final definida por la forma (1) en el otro extremo,
caracterizado porque dichos elementos de transición (4) se colocan por encima y por debajo de dicho apilado (2) de material compuesto, definiendo una boquilla flexible y adaptable a diferentes geometrías, generando los elementos de transición (4) por fricción una tracción que aprieta la pila (2).
2. Sistema para conformar apilados de materiales compuestos de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dicha contraforma (3) o dicho apilado (2) de material compuesto o dichos elementos de transición (4) son desplazables longitudinalmente a lo largo del sistema.
3. Sistema para conformar apilados de materiales compuestos de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dichos elementos de transición (4) proporcionan calor.
4. Sistema para conformar apilados de materiales compuestos de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dicha contraforma (3) es adaptable.
5. Sistema para conformar apilados de materiales compuestos de acuerdo con la reivindicación 4, en el que dicha contraforma (3) consiste en un contenedor flexible.
6. Sistema para conformar apilados de materiales compuestos de acuerdo con la reivindicación 5, en el que dicho contenedor flexible que forma la contraforma (3) comprende un relleno.
7. Sistema para conformar apilados de materiales compuestos de acuerdo con la reivindicación 6, en el que dicho relleno es una pluralidad de partículas.
8. Sistema para conformar apilados de materiales compuestos de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dichos elementos de transición (4) están formados por membranas o tejidos.
9. Sistema para conformar apilados de materiales compuestos de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dicha forma (1) es de sección transversal variable a lo largo de su longitud.
10. Sistema para conformar apilados de materiales compuestos de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dichos elementos de transición (4) consisten en una pluralidad de varillas o una pluralidad de placas longitudinales.
11. Sistema para conformar apilados de materiales compuestos de acuerdo con la reivindicación 10, en el que la forma (1) y la contraforma (3) se forman por soportes colocados en uno de los extremos de dichas varillas longitudinales.
12. Sistema para conformar apilados de materiales compuestos de acuerdo con la reivindicación 11, en el que dichas varillas longitudinales que conforman la forma (1) se colocan por debajo de dicho apilado (2) de material compuesto.
13. Sistema para conformar apilados de materiales compuestos de acuerdo con la reivindicación 11, en el que dichas varillas longitudinales que forman la contraforma (3) se colocan por encima de dicho apilado (2) de material compuesto.
14. Procedimiento para conformar apilados de materiales compuestos, caracterizado porque comprende las siguientes etapas:
- colocar un apilado sobre una forma (1) longitudinalmente, posicionando los elementos de transición (4) por encima y por debajo de dicho apilado (2), proporcionando al apilado (2) una temperatura para el calentamiento y el preformado,
- tensar dichos elementos de transición (4) para estar suficientemente tensados para evitar que se produzcan arrugas y para adaptarse perfectamente a la forma definida por la forma (1);
- mover una contraforma (3) a lo largo de la forma (1);
- cuando la contraforma (3) se coloca sobre los elementos de transición (4) presionando sus extremos contra la forma (1), requiriendo que adopten su geometría, formando una boquilla de transición con el extremo del apilado; y
- mover el conjunto que forma la boquilla a lo largo del apilado y un mandril para formar la pila a lo largo de toda su longitud.
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