ES2858124T3 - Fabricación automatizada de una preforma fibrosa - Google Patents

Abstract

Un procedimiento para producir una preforma fibrosa sobre la superficie de una herramienta (12), que comprende: (a) fijar una capa desechable sobre la superficie de la herramienta (12), comprendiendo dicha capa desechable un material absorbente de radiación, en forma de partículas, dispersado dentro de la capa y partículas de un aglutinante polimérico o resinoso (16) sobre una superficie expuesta que no está en contacto con la superficie de la herramienta (12); (b) disponer una primera capa constitutiva de material fibroso (11) sobre la capa desechable mediante automatización; (c) utilizar una fuente de energía de radiación (13) para emitir radiación hacia la capa desechable antes de que la primera capa constitutiva entre en contacto con la capa desechable para calentar la capa desechable, (d) presionar la primera capa constitutiva contra la capa desechable con un dispositivo de compactación (14); (e) disponer sucesivamente una o más capas constitutivas adicionales de material fibroso (11) sobre la primera capa constitutiva mediante automatización, y presionar cada capa constitutiva subsiguiente contra la capa constitutiva dispuesta previamente con el dispositivo de compactación (14), en el que el material fibroso (11) comprende más del 50% en peso de fibras de refuerzo y es poroso.

Description

DESCRIPCIÓN

Fabricación automatizada de una preforma fibrosa

Breve descripción de los dibujos

La figura 1 ilustra un procedimiento automatizado ejemplar para colocar una primera capa constitutiva de cintas de fibras sobre la superficie de una herramienta.

La figura 2 ilustra una película flexible que puede utilizarse en el procedimiento de la figura 1.

Descripción detallada

Se pueden formar piezas de material compuesto tridimensionales a partir de una matriz polimérica reforzada con fibra. Estas piezas se pueden fabricar mediante diferentes procedimientos, uno de los cuales es la infusión de resina líquida. El moldeo por transferencia de resina (RTM) y el VARTM son ejemplos de procesos de fabricación que implican inyectar o infundir una resina líquida en una preforma fibrosa. La preforma fibrosa es lo suficientemente porosa como para permitir que la resina se infunda o la impregne completamente durante la operación de infusión de resina. Los ejemplos de aplicaciones de dichos procedimientos incluyen revestimientos y fuselajes de alas de aviones.

Durante el proceso de RTM, la preforma fibrosa se coloca en una cavidad de molde cerrada y la resina se inyecta en la cavidad bajo presión. El molde con la preforma a menudo se pone al vacío para que el vacío elimine todo el aire de la preforma y acelere el proceso de RTM. Una vez que la resina líquida llena la cavidad del molde, la resina se cura, lo que da como resultado la formación de una pieza de material compuesto. El VARTM es similar al RTM excepto que normalmente se utiliza una herramienta de un solo lado con ensacado al vacío, y el vacío empuja la resina líquida al interior de la preforma. Estas técnicas son muy adecuadas para la fabricación de piezas estructurales con formas muy complejas. El documento US 2014/261993 describe un procedimiento para producir una preforma para la fabricación de una pieza moldeada de plástico reforzado con fibra. El procedimiento incluye: fijar una película equipada con resina desenrollada desde un estado de rollo que incluye una película antiadherente y una resina de fijación y que contiene una resina termoendurecible parcialmente curada a una superficie de la tela de fibras seca desenrollada desde un rollo con la resina de fijación interpuesta entre las mismas, obteniéndose así una primera tela de fibras seca; fijar por separado la película equipada con resina a una superficie de la tela de fibras seca desenrollada desde un rollo con la resina de fijación interpuesta entre las mismas, y retirar la película antiadherente, obteniendo así una o más segundas telas de fibras secas; y laminar las segundas telas de fibras secas sobre una superficie de la primera tela de fibras seca con la resina de fijación de las segundas telas de fibras secas interpuesta entre las mismas.

Tradicionalmente, la preforma fibrosa seca para formar la pieza de material compuesto mediante moldeo líquido se prepara mediante una operación de colocación manual, en la que se disponen capas superpuestas de materiales fibrosos secos sobre una herramienta que define sustancialmente la forma de la pieza de material compuesto. Las capas de materiales fibrosos pueden encontrarse en forma de telas no tejidas o tejidas, por ejemplo, telas no rizadas (NCF), que no se han preimpregnado con resina. Al colocar las capas sobre la herramienta, el operador debe tener cuidado de hacer que adopten la forma de la herramienta sin inducir la formación de arrugas o puentes. Esta operación manual es laboriosa y lenta.

Otro procedimiento de fabricación para formar piezas de material compuesto es un proceso de disposición de material preimpregnado, mediante el cual se colocan capas de material compuesto impregnado con resina, una encima de otra, en una disposición de apilamiento sobre la superficie de la herramienta que puede reproducir la forma de la pieza de material compuesto. A continuación, la disposición de capas de material compuesto se consolida y se cura para producir una pieza de material compuesto endurecida. Los procedimientos de colocación automatizada tales como la colocación de refuerzo automatizada (ATL) y la colocación de fibras automatizada (AFP) se han utilizado para construir, capa por capa, una pieza de material preimpregnado curable. El proceso ATL o AFP implica dispensar automáticamente una pluralidad de tiras planas de material compuesto de anchura estrecha, una al lado de la otra, sobre la superficie de una herramienta para crear una capa de grandes dimensiones, denominada "capa constitutiva". Se construyen secuencialmente capas constitutivas adicionales sobre la capa constitutiva previamente dispuesta para producir una disposición con el grosor deseado. Cada tira de material compuesto, también denominada "cinta de material preimpregnado", está compuesta de fibras de refuerzo impregnadas con una resina o un material polimérico. Las fibras de refuerzo pueden ser fibras de carbono unidireccionales impregnadas con una resina termoendurecible que se endurecerá al curar o se embeberá en una matriz termoplástica que se puede moldear con calor para dar la forma deseada. El término "unidireccional" se refiere al alineamiento en una dirección. Dicha fibra preimpregnada es normalmente pegajosa (o adherente) al tacto a temperatura ambiente o se vuelve así cuando se calienta a, o por encima de, la temperatura de ablandamiento o de fusión de la resina o el polímero. Este procedimiento de colocación automatizado se realiza a alta velocidad y normalmente es capaz de disponer cintas de material preimpregnado en una diversidad de configuraciones correspondientes a la superficie de una superficie de herramienta seleccionada que reproduce la forma de la pieza de material compuesto final.

Una máquina ATL o AFP generalmente incluye un cabezal de colocación de fibras, un sistema robótico para mover el cabezal de colocación de fibras en diferentes direcciones a través de la superficie de una herramienta, filetas de almacenamiento en las que se enrollan tiras continuas de cintas de material preimpregnado y mecanismos para guiar las cintas desde las filetas al cabezal de colocación de fibras. El cabezal de colocación de fibras incluye un rodillo de compactación giratorio y medios de transporte para transportar las cintas desde las filetas al rodillo de compactación. El rodillo de compactación está configurado para entrar en contacto contra la superficie de la herramienta con el fin de aplicar las cintas contra la superficie de la herramienta o contra una capa constitutiva de cintas previamente dispuesta. La máquina incluye además medios de corte, por ejemplo, una cuchilla, para cortar la longitud del refuerzo continuo de la fileta de suministro. El cabezal de colocación puede configurarse para depositar múltiples cintas simultáneamente durante una sola pasada.

El cabezal de colocación está unido al sistema robótico que controla su movimiento. El sistema robótico se programa informáticamente para dirigir todos los movimientos laterales y verticales requeridos del cabezal de colocación de fibras. El sistema robótico puede incluir un brazo robótico poliarticulado convencional de seis ejes, montado en el suelo o montado en un eje lineal, con una articulación de muñeca final a la que se fija el cabezal de colocación de fibras, u operar mediante un robot de coordenadas cartesianas equipado con una articulación final de muñeca que porta el cabezal de colocación. "Robot de coordenadas cartesianas" se refiere a un robot con tres ejes lineales de control principales que forman un ángulo recto entre sí. Es decir, el robot se mueve en línea recta en lugar de girar. Las tres articulaciones de deslizamiento corresponden al movimiento de la muñeca de arriba hacia abajo, de adentro hacia afuera y de atrás hacia adelante.

Las máquinas ATL/AFP disponibles comercialmente con cabezales robóticos de colocación de fibras de Coriolis Composites, MTorres y Automated Dynamics son ejemplos de las máquinas ATL/AFP mencionadas anteriormente.

En una operación típica de ATL/AFP, el cabezal de colocación realiza pasadas repetidas sobre la superficie de la herramienta para colocar múltiples cintas, una al lado de la otra, en un patrón definido hasta que se forma una primera capa constitutiva de las dimensiones deseadas. Durante cada pasada, el cabezal de colocación de fibras aplica (o deposita) una o más cintas continuas desde la(s) fileta(s) de suministro sobre la superficie de la herramienta mientras el cabezal de colocación se mueve con respecto a la superficie de la herramienta. La longitud del o de los refuerzo(s) continuo(s) se corta al final de cada pasada. Durante la formación de la primera capa constitutiva, el rodillo de compactación presiona las cintas contra la superficie de la herramienta para facilitar la adhesión de las cintas. Se forman múltiples capas constitutivas de cintas, capa por capa, mediante pasadas continuas del cabezal de colocación sobre la capa constitutiva colocada previamente. El rodillo de compactación presiona las cintas colocadas subsiguientemente contra las cintas colocadas previamente para compactar, es decir, consolidar, las cintas superpuestas. El rodillo de compactación puede comprender un cuerpo cilíndrico de material flexible, deformable elásticamente por compresión. Por ejemplo, el cuerpo cilíndrico puede estar compuesto por un material elastomérico no expandido, tal como silicona, polisiloxano o poliuretano.

Los procedimientos de colocación automatizados mencionados anteriormente se pueden utilizar para formar una preforma fibrosa a partir de la cual se formará una pieza de material compuesto mediante infusión de resina líquida. El procedimiento de colocación automatizado aumentará la velocidad de procesamiento y reducirá los costes en comparación con las operaciones manuales convencionales que se han utilizado para producir preformas fibrosas. En lugar de cintas de material preimpregnado, se utiliza un material fibroso seco en forma de cintas de fibras de anchura estrecha o telas más anchas en un procedimiento de colocación automatizado. El material fibroso seco se considera "seco" porque está seco al tacto (es decir, no pegajoso) a temperatura ambiente y no está completamente impregnado con resina o embebido en una matriz de resina. Contiene principalmente fibras de refuerzo (más del 50% en peso). Como tal, el material fibroso seco permanece poroso y es permeable al líquido, particularmente a la resina líquida que se utiliza para RTM y VARTM.

En el presente documento se proporciona una solución para superar el problema relacionado con la colocación de la primera capa de material fibroso seco sobre la superficie de una herramienta en un proceso de colocación automatizado tal como ATL y AFP. Con ese fin, se coloca una capa desechable que contiene una pequeña cantidad de material absorbente de radiación sobre la superficie de la herramienta antes de colocar la primera capa de material fibroso. La capa desechable puede tener la forma de una película polimérica flexible que se retirará después de haber producido la preforma y no tiene ninguna otra función durante el proceso de fabricación del artículo de material compuesto. Alternativamente, la capa desechable puede ser un material que tenga una función más adelante en el proceso de fabricación. Como ejemplos, la capa desechable puede ser una capa constitutiva desprendible, una película antiadherente o una tela de vidrio recubierta de polímero. El término "capa desechable", tal como se utiliza en el presente documento, se refiere a una capa que se utiliza en la fabricación de un artículo de material compuesto y después se desecha una vez se ha fabricado el artículo de material compuesto final.

El material absorbente de radiación dispuesto en la capa desechable se elige de forma que absorba energía a la misma frecuencia o intervalo de frecuencia que la fuente de energía de radiación instalada en el cabezal de colocación de fibras del aparato de colocación automatizado. Para mejorar aún más la adhesión de la primera capa de material fibroso a la capa desechable durante la colocación automatizada, se puede aplicar previamente una pequeña cantidad de aglutinante polimérico o resinoso sobre la superficie superior de la capa desechable. En dichas formas de realización, es necesario calentar el aglutinante sobre la capa desechable antes de colocar la primera capa de material fibroso sobre la capa desechable. Si la primera capa tiene que adherirse a la superficie de una herramienta sin un aglutinante o un auxiliar de adhesión de alguna forma, es probable que el proceso de unión falle.

Según una forma de realización de la presente divulgación, se produce una preforma fibrosa mediante un procedimiento automatizado que incluye:

(a) fijar una capa desechable sobre la superficie de la herramienta, comprendiendo la capa desechable un material absorbente de radiación, en forma de partículas, dispersado dentro de la capa;

(b) disponer una primera capa constitutiva de material fibroso sobre la capa desechable de una forma automatizada;

(c) utilizar una fuente de energía de radiación para emitir radiación hacia la capa desechable antes de que la primera capa constitutiva entre en contacto con la capa desechable para calentar la capa desechable,

(d) presionar la primera capa constitutiva contra la capa desechable con un dispositivo de compactación, por ejemplo, un rodillo de compactación;

(e) disponer sucesivamente una o más capas constitutivas adicionales de material fibroso sobre la primera capa constitutiva de una forma automatizada, y presionar cada capa constitutiva subsiguiente contra la capa constitutiva dispuesta previamente con el dispositivo de compactación.

Se dispone una serie de capas constitutivas hasta que se produce una preforma del grosor deseado. Cada capa constitutiva de material fibroso es porosa y permeable a la resina líquida, por lo que la preforma resultante está lista para recibir resina líquida a través de un proceso de infusión de resina posterior tal como RTM y VaRTM. Después de la infusión de resina, la preforma infundida con resina se cura para producir una estructura de material compuesto endurecida.

En una forma de realización, el material fibroso tiene la forma de cintas de fibras de anchura estrecha, alargadas o continuas. Cada cinta de fibras tiene una longitud longitudinal que es mucho mayor que su anchura, por ejemplo, 100 veces su anchura. En esta forma de realización, la primera capa constitutiva se forma en la etapa (b) colocando una pluralidad de cintas de fibras una al lado de la otra sobre la capa desechable de una forma automatizada. La fuente de energía de radiación dispuesta sobre el cabezal robótico de colocación de fibras emite radiación hacia la capa desechable antes de que cada cinta de fibras entre en contacto con la capa desechable, y el dispositivo de compactación presiona la cinta de fibras contra la capa desechable después de que cada cinta de fibras se haya colocado sobre la capa desechable. A continuación, se disponen capas constitutivas sucesivas de cintas de fibras una al lado de la otra sobre la primera capa constitutiva de la misma forma. La fuente de energía de radiación emite radiación hacia las cintas de fibras colocadas previamente antes de que las cintas de fibras subsiguientes entren en contacto con las cintas colocadas previamente.

Según una forma de realización alternativa, el mismo procedimiento de colocación automatizado se lleva a cabo utilizando láminas de tela más anchas que pueden depositarse mediante automatización en lugar de cintas de fibras. Las láminas de tela pueden tener una anchura (o dimensión lineal más corta) de hasta 5 m (o 197 pulgadas), y pueden tener una longitud (o dimensión lineal más larga) de hasta 150 m (o 492 pies), pero las dimensiones pueden varían en función del tamaño y la forma de la preforma que se va a producir. Cuando se utilizan láminas de tela más anchas para construir una preforma, las láminas de tela individuales, cada una con las dimensiones predeterminadas, se pueden colocar una encima de la otra en una disposición de apilamiento hasta que se alcanza el grosor deseado, lo que da como resultado una disposición de láminas de tela superpuestas. Cada capa de la disposición puede estar compuesta por varias piezas de tela o por una sola pieza de tela.

La colocación automatizada de materiales fibrosos puede realizarse en una máquina ATL/AFP descrita anteriormente, que está equipada con un cabezal robótico de colocación de fibras, sobre el que se instalan la fuente de energía de radiación y el dispositivo de compactación. El cabezal robótico de colocación de fibras se controla para que se mueva con respecto a la superficie de la herramienta en varias direcciones.

En algunas formas de realización, la fuente de energía de radiación es capaz de emitir radiación en el intervalo de longitud de onda de 10 nm a 1 cm. Una fuente de energía de radiación adecuada es un láser tal como los láseres de diodo, Nd:YAG, CO2 y láseres de fibra. En algunas formas de realización, el láser es un láser infrarrojo que opera en el intervalo de longitud de onda de 750 nm a 1500 nm, particularmente, de 800 nm a 1000 nm. Las fuentes de energía de radiación alternativas incluyen lámparas de destellos, lámparas infrarrojas, filamentos incandescentes y lámparas de arco.

El material absorbente de radiación (también denominado en el presente documento "absorbente de radiación") puede ser cualquier material que pueda absorber la radiación emitida por la fuente de energía de radiación y convertir la energía de radiación en energía térmica. Como tal, la capa desechable que contiene el absorbente de radiación se calienta cuando la fuente de energía de radiación emite radiación sobre la misma. Los absorbentes de radiación adecuados incluyen negro de humo, óxidos inorgánicos y colorantes. La "forma de partículas" incluye partículas, escamas, nanotubos y otras estructuras discretas de cualquier forma. El negro de humo puede estar en forma de partículas o escamas de carbono, o nanotubos de carbono. Los ejemplos de tintes absorbentes de radiación adecuados incluyen tintes de indolinociamina, trifenilmetano, naftalocianina y complejo metálico de indonaftol. La cantidad de absorbente de radiación puede encontrarse en el intervalo del 0,5% al 30% en peso con respecto al peso total de la capa desechable.

Capa desechable

La capa desechable puede ser una película polimérica flexible con el absorbente de radiación incorporado en la misma de forma que el absorbente de radiación esté presente a lo largo de toda la película. Como ejemplos, la película polimérica flexible puede estar formada por un material seleccionado de entre: poliamida (por ejemplo, nailon), polietileno (PE), copolímeros de etileno-tetrafluoroetileno (ETFE), copolímero de etileno-propileno fluorado (FEP) y poli(fluoruro de vinilo) (PVF), polipropileno (PP), poliariletercetona tal como polieteretercetona (PEEK), poliimida (tal como Kapton), poliuretano, poli(alcohol vinílico) (PVOH), silicona, poli(cloruro de vinilo) (PVC), poli(difluoruro de vinilideno) (PVDF) y etileno-clorotrifluoroetileno (ECTFE) y combinaciones de los mismos. El grosor de la película flexible puede ser de hasta 0,20 mm y, en algunas formas de realización, se encuentra en el intervalo de 0,01 mm a 0,10 mm.

La película polimérica se puede formar mezclando uno o más polímeros fundidos con el absorbente de radiación, en forma de partículas, y extruyendo la mezcla en forma de una película.

Para mejorar la adhesión, se puede aplicar previamente a esta película polimérica una pequeña cantidad de aglutinante polimérico o resinoso sobre una superficie superior (la superficie que no está en contacto con la herramienta). El aglutinante puede encontrarse en forma de partículas sólidas o polvo esparcido sobre la superficie de la película polimérica.

Alternativamente, la capa desechable puede ser una capa constitutiva desprendible que comprende fibras que contienen material absorbente de radiación, en forma de partículas, dispersadas dentro de las propias fibras o dispuestas formando un revestimiento sobre las fibras. En una forma de realización, la capa constitutiva desprendible es una lámina de tela tejida, por ejemplo, una tela con un tejido de canasta. Es texturizada, porosa y no se adhiere permanentemente a (es decir, se puede desprender de) la preforma infundida con resina después del curado de la misma. Después del curado, la capa constitutiva desprendible se retira de la estructura de material compuesto curada para producir una superficie adherente que se puede adherir a otra estructura o a una superficie lista para pintar. Las fibras de la capa constitutiva desprendible pueden estar formadas por poliéster, poliamida, vidrio, polipropileno y polietileno. En el caso de que las fibras de la capa constitutiva desprendible sean fibras poliméricas, el absorbente de radiación, por ejemplo, partículas de carbono, puede incorporarse a las fibras poliméricas durante la fabricación de las fibras. Por ejemplo, se pueden incorporar partículas de material absorbente de radiación en un polímero fundido antes de la extrusión del polímero fundido para formar fibras.

Alternativamente, la capa desechable puede ser una tela de vidrio recubierta de polímero, por ejemplo, una tela de vidrio recubierta de politetrafluoroetileno (PTFE) que contiene absorbente de radiación. El absorbente de radiación, en forma de partículas, se incorpora al revestimiento de polímero antes de su aplicación sobre la tela de vidrio. El grosor de la tela de vidrio revestida con polímero puede encontrarse en el intervalo de 0,05 mm a 0,30 mm. Esta tela de vidrio revestida con polímero funciona como una capa antiadherente que puede desprenderse de la preforma infundida con resina después del curado, es decir, la estructura de material compuesto endurecida. En algunos casos, la capa constitutiva desprendible se utiliza en combinación con la tela de vidrio recubierta de polímero. En dichos casos, se requiere que solo uno de estos materiales contenga el absorbente de radiación, el adyacente a la primera capa constitutiva de material fibroso.

Alternativamente, la capa desechable puede ser una película antiadherente no porosa fabricada de polímeros no adherentes tales como fluoropolímeros, incluidos copolímeros de etileno-tetrafluoroetileno (ETFE), copolímero de etileno-propileno fluorado (FEP), poli(difluoruro de vinilideno) (PVDF), clorotrifluoroetileno (CTFE), etilenoclorotrifluoroetileno (ECTFE), policlorotrifluoroetileno (PCTFE) y poli(fluoruro de vinilo) (PVF), poliolefinas, incluido polietileno (PE), HDPE y LDPE, polipropileno (PP), polimetilpenteno (PMP), poliuretano (PU), poli(alcohol vinílico) (PVOH), poliimida (PI), copolímeros de los mismos y combinaciones de los mismos. Dicha película antiadherente proporciona una superficie que es resistente a la adhesión con la preforma infundida con resina después del curado de la misma, de tal forma que la película antiadherente se puede desprender de la estructura curada. El grosor de la película antiadherente puede encontrarse en el intervalo de 0,01 mm a 0,10 mm.

La capa desechable descrita anteriormente se puede colocar manualmente sobre la superficie de la herramienta o mediante el sistema de colocación automatizado divulgado anteriormente.

Para mejorar la adhesión con la primera capa constitutiva de material fibroso, se aplica una pequeña cantidad de aglutinante polimérico o resinoso a la superficie superior de la capa desechable. La cantidad de aglutinante puede encontrarse en el intervalo de 0,1 gsm (g/m2) a 50 gsm. En algunas formas de realización, el aglutinante se encuentra en forma de partículas poliméricas o resinosas que se ablandan y/o se vuelven pegajosas cuando se calientan. Como tal, cuando la primera capa constitutiva se coloca sobre la capa desechable mientras se expone a la emisión de radiación, la primera capa constitutiva se fija a la capa desechable gracias a la presencia de las partículas de aglutinante ablandadas/pegajosas.

Forma de realización ejemplar

La figura 1 ilustra un procedimiento automatizado ejemplar para colocar una primera capa constitutiva de cintas de fibras sobre la superficie de una herramienta. Con referencia a la figura 1, un cabezal de colocación de fibras 10 de un sistema AFP está controlado por un sistema de movimiento robótico (no mostrado) para colocar cintas de fibras 11 de anchura estrecha, una al lado de la otra, sobre la superficie superior de una herramienta 12. Las cintas de fibras contienen principalmente fibras y están sustancialmente desprovistas de resina excepto por una pequeña cantidad (por ejemplo, menos del 15% en peso) de aglutinante polimérico o resinoso suficiente para mantener las fibras juntas. Un láser infrarrojo 13 está instalado en el cabezal de colocación de fibras 10 para emitir radiación hacia la superficie de la herramienta durante la operación de colocación de refuerzo. El cabezal de colocación de fibras 10 también incluye un rodillo de compactación 14. Antes de colocar la primera capa constitutiva de cintas de fibras secas sobre la superficie de la herramienta, se dispone una película flexible 15 que contiene un absorbente de radiación sobre la superficie de la herramienta. La película flexible 15 también presenta una pequeña cantidad de aglutinante polimérico o resinoso 16 aplicado sobre su superficie superior, tal como se ilustra en la figura 2, antes de la deposición de la primera capa constitutiva. En una forma de realización, el aglutinante se encuentra en forma de partículas compuestas por una mezcla de un polímero termoplástico y una resina termoendurecible. Las partículas de aglutinante son sólidas a temperatura ambiente (20 °C-25 °C) y se ablandarán a una temperatura elevada por encima de dicha temperatura ambiente. Cuando se calienta a una temperatura predeterminada, las partículas sólidas de aglutinante pasan a un estado fundido y/o pegajoso. Como tal, cuando se coloca la primera capa constitutiva de cintas de fibras, las cintas de fibras se fijan a la película flexible gracias a las partículas aglutinantes fundidas/pegajosas calentadas.

El grosor de la película flexible 15 puede ser de hasta 0,20 mm y, en algunas formas de realización, se encuentra en el intervalo de 0,01 mm a 0,10 mm.

En una forma de realización, la fuente de radiación es un láser infrarrojo y la película flexible es una película de poliamida (es decir, nailon) que contiene una pequeña cantidad de negro de humo, por ejemplo, el 0,5% en peso con respecto al peso total de la película, en la que el negro de humo está presente en forma de partículas a lo largo de toda la película.

La película flexible se puede fijar a la superficie de la herramienta mediante aspiración. Por ejemplo, la superficie de la herramienta puede estar provista de una pluralidad de orificios que están conectados a una fuente de vacío. Alternativamente, la película flexible puede fijarse a la superficie de la herramienta utilizando medios de fijación mecánicos convencionales tales como abrazaderas. Por ejemplo, la película flexible se puede estirar sobre la superficie de la herramienta, cubriendo los bordes de la herramienta, y utilizarse abrazaderas para fijar la película estirada a los bordes de la herramienta.

Durante la aplicación de la primera capa constitutiva, se emite la radiación láser sobre la película flexible justo antes de que las cintas se coloquen sobre la película flexible, el absorbente de radiación dispuesto en la película flexible absorbe la energía de radiación del láser y el aglutinante de la película flexible se ablanda y/o se vuelve pegajoso. El rodillo de compactación del cabezal de colocación de fibras presiona las cintas de fibras contra la película flexible y la superficie de la herramienta subyacente. El calor generado al absorber la radiación del láser se transfiere de la película flexible a las cintas, lo que hace que el aglutinante de las cintas se caliente. La presencia del aglutinante fundido/pegajoso caliente sobre la película flexible facilita la adhesión de la primera capa constitutiva de cintas a la película flexible.

Durante la formación de capas constitutivas superpuestas subsiguientes, el láser emite energía de radiación sobre las cintas colocadas previamente justo antes de que se apliquen las cintas subsiguientes, haciendo que el aglutinante de las cintas colocadas previamente se ablande y/o se vuelva pegajoso. El rodillo de compactación presiona las cintas de fibras contra las cintas de fibras colocadas previamente de forma que se facilita la adhesión de las cintas depositadas entre sí. Después de la deposición de capas constitutivas superpuestas para formar una preforma fibrosa con un grosor y una forma deseados, se inyecta o se infunde a la pieza resultante una resina líquida. En el caso de la infusión de resina con una resina curable o termoendurecible, la preforma infundida con resina se cura posteriormente, por ejemplo, en un horno o un autoclave para producir una estructura de material compuesto endurecida.

La potencia del láser y la extensión del rayo láser se pueden ajustar según la temperatura de ablandamiento o fusión del aglutinante aplicado sobre la superficie de la película flexible y las dimensiones de las cintas de fibras.

Aglutinante

Los aglutinantes adecuados para su aplicación sobre la capa desechable incluyen composiciones que comprenden polímero(s) termoplástico(s) o resina(s) termoendurecible(s), o combinaciones de los mismos, como componente principal (es decir, que constituyen al menos el 50% en peso del aglutinante). Como ejemplo, las resinas termoendurecibles adecuadas incluyen resinas epoxi y resinas epoxi modificadas. Los polímeros termoplásticos adecuados incluyen, pero sin limitación, poliuretano y poliuretano modificado, polihidroxiéter (o fenoxi), poliariléter; poliarilsulfona, combinaciones de los mismos y copolímeros de los mismos.

En algunas formas de realización, el aglutinante es un sólido a una temperatura de hasta 50 °C, tiene un punto de ablandamiento (medido por el calorímetro diferencial de barrido (DSC)) a una temperatura superior a 50 °C, por ejemplo, en el intervalo de 65 °C a 125 °C, y comprende una mezcla de resina epoxi y polímero termoplástico. En algunas formas de realización, el aglutinante está desprovisto de cualquier catalizador o agente de reticulación que sea activo por encima de 65 °C. El polímero termoplástico en el aglutinante puede ser un polímero poliaromático que comprende unidades repetidas unidas a éter y opcionalmente unidades repetidas unidas a tioéter, seleccionándose las unidades de entre:

-(Ph-A-Ph)n-

y opcionalmente

-(Ph)a-

en las que A es CO o SO2, Ph es fenileno, n = 1 a 2 y puede ser una fracción, a = 1 a 4 y puede ser una fracción, siempre que cuando a sea mayor de 1, los fenilenos estén unidos linealmente mediante un enlace químico simple o un grupo divalente distinto de -CO- o -SO2-, o se fusionen directamente o mediante un resto cíclico seleccionado del grupo que consiste en un grupo alquilo ácido, un (hetero)aromático, una cetona cíclica, una amida cíclica, una imida, una imina cíclica y combinaciones de los mismos. En algunas formas de realización, el polímero poliaromático es una poliarilsulfona seleccionada de entre polietersulfona (PES), polieteretersulfona (PEES) y copolímero de PES-PEES. El procedimiento para fabricar este aglutinante sólido se puede encontrar en la patente de Estados Unidos N° 8.927.662. Un aglutinante adecuado es el aglutinante termoplástico-epoxi divulgado en la patente de Estados Unidos N° 8.927.662. Dicho aglutinante se puede aplicar en forma de polvo a la película flexible mediante pulverización o mediante una técnica de recubrimiento convencional, tal como el recubrimiento de barra seca, mediante la cual el polvo seco se aplica sobre un papel antiadherente utilizando un dispositivo de recubrimiento de rollo sobre rollo o cuchilla sobre rollo, y el polvo se transfiere después sobre la película.

En algunas formas de realización, el aglutinante de la superficie de la capa desechable puede contener el material absorbente de radiación descrito anteriormente. Las ventajas de incorporar el absorbente de radiación en el aglutinante incluyen:

- Se podría utilizar una película más barata producida en serie.

- Algunos láseres emiten a frecuencias que los monómeros/polímeros del aglutinante pueden absorber, eliminando la necesidad de un absorbente específico adicional en la película.

- Proporciona resistencia mecánica adicional al aglutinante.

- La carga del aglutinante con negro de humo o nanotubos de carbono puede mejorar la conductividad eléctrica de la superficie de material compuesto, mejorar el blindaje de interferencia electromagnética (EMI) y la protección contra rayos.

- Los absorbentes tales como el negro de humo pueden servir como material de carga económico, reduciendo así el coste del material.

Cintas y telas de fibras secas

Las cintas de fibras para su uso en el procedimiento de colocación automatizado descrito anteriormente pueden tener una anchura muy estrecha de 1/8 a 1,5 pulgadas (o 3,17 mm - 38,1 mm), en particular, % - / pulgadas (o 6,35 mm -12,77 mm), que es típica de AFP. Las cintas de fibras pueden tener una anchura más ancha, por ejemplo, de 6 a 12 pulgadas (o 152 mm a 305 mm), que es típica de ATL. Las láminas de tela más anchas descritas anteriormente pueden tener una anchura de hasta 5,0 m (o 197 pulgadas).

Las cintas de fibras y las láminas de tela son flexibles y pueden adaptarse al contorno de las superficies de la herramienta, incluidas las superficies curvas y las superficies con configuraciones tridimensionales complejas. Las cintas de fibras y las láminas de tela también son porosas y permeables a los líquidos, en particular, las resinas líquidas que se utilizan para los procesos de infusión de resina líquida tales como RTM y VARTM. A diferencia de la cinta preimpregnada (o de material preimpregnado) convencional, la cinta de fibras o la lámina de tela para formar la preforma están sustancialmente desprovistas de resina excepto por una pequeña cantidad de aglutinante, que es suficiente para mantener las fibras juntas. El contenido total de aglutinante en la cinta de fibras o la lámina de tela puede ser de aproximadamente el 15% o inferior en peso, por ejemplo, de entre el 0,1 y el 15% en peso, con respecto al peso total de la cinta de fibras o la lámina de tela. Las fibras constituyen el componente principal de la cinta de fibras o la lámina de tela, por ejemplo, más del 80% en peso con respecto al peso total de la cinta de fibras o la lámina de tela.

En una forma de realización, la cinta de fibras está compuesta por una capa de fibras unidireccionales laminadas a un velo no tejido al menos en un lado. Las fibras "unidireccionales" se refieren a fibras que están alineadas de forma paralela entre sí en la misma dirección. Las fibras unidireccionales son fibras de refuerzo de alta resistencia, tales como fibras de carbono, fibras de grafito, fibras de vidrio, fibras cerámicas y fibras de aramida. El velo no tejido puede comprender fibras termoplásticas, fibras de carbono o una combinación de las mismas. Las fibras del velo pueden estar orientadas aleatoriamente o no dependiendo de las condiciones del proceso de fabricación del velo. En algunas formas de realización, el peso superficial del velo no tejido es de 10 gsm o menos. Alternativamente, el velo no tejido puede tener la forma de una rejilla termoplástica o una membrana termoplástica porosa con un patrón controlado de aberturas. La apertura del velo no tejido (ya sea en forma de fibras aleatorias, rejilla o membrana porosa) es importante para facilitar la eliminación de aire y el flujo de resina durante el proceso de infusión de resina. Cuando se utiliza el velo termoplástico, también funciona como un aglutinante para mantener las fibras unidireccionales en su lugar y se ablandará al calentarlo durante el procedimiento de colocación automatizado divulgado en el presente documento.

En una forma de realización, la cinta de fibras está compuesta por un velo de carbono no tejido laminado a un lado de una capa de fibras de carbono unidireccionales y contiene una composición aglutinante en una cantidad suficiente para mantener el velo y las fibras unidireccionales en su lugar.

Para las formas de realización en las que el o los velo(s) de carbono no tejido se lamina(n) a las fibras unidireccionales, se puede aplicar un aglutinante, particularmente un aglutinante líquido, durante la fabricación de la cinta de fibras para mejorar la cohesión de la estructura de refuerzo. Además, durante la fabricación de la cinta de fibras, se puede aplicar un aglutinante para mejorar la unión del o de los velo(s) a las fibras unidireccionales. El o los aglutinante(s) de la cinta de fibras pueden seleccionarse de entre los materiales aglutinantes descritos anteriormente para el aglutinante aplicado sobre la capa desechable. Si el o los velo(s) no tejido(s) son una lámina o fibras dispuestas aleatoriamente, dichos velos contiene una pequeña cantidad de aglutinante que se añadió durante la fabricación de los velos. Los ejemplos de aglutinantes que pueden estar presentes en el velo incluyen poli(alcohol vinílico) (PVA), poliéster, poliéster reticulado, poliestireno, acrílico, polifenol, poliuretano y sus copolímeros y combinaciones de los mismos.

Detalles adicionales para la fabricación de cintas de fibras que comprenden velos no tejidos laminados a fibras unidireccionales, incluidos los tipos de aglutinantes utilizados durante la fabricación, se pueden encontrar en la solicitud publicada US 2015/375461, con fecha de publicación del 31 de diciembre de 2015.

Las láminas de tela para formar la preforma pueden ser de cualquier material textil que sea poroso y permeable a la resina líquida adecuada para la infusión de resina. Las láminas de tela proporcionan fibras de refuerzo que son adecuadas para fabricar estructuras de material compuesto reforzadas con fibras. Dichas fibras de refuerzo pueden incluir fibras de carbono, fibras de grafito, fibras de vidrio, fibras cerámicas y fibras de aramida. Los ejemplos de telas adecuadas incluyen, pero sin limitación, todas las telas tejidas, telas tricotadas, telas trenzadas. Todas las telas multiaxiales, ejemplos de las cuales incluyen, pero sin limitación, telas tricotadas de múltiples urdimbres y telas no rizadas (NCF). NCF se refiere a una tela que se puede fabricar apilando una o más capas de fibras unidireccionales continuas y después cosiendo las capas entre sí. Las fibras unidireccionales pueden estar orientadas en cada capa en direcciones diferentes con respecto a las fibras de la capa adyacente. Los hilos de cosido mantienen juntas las capas de fibras unidireccionales y permiten la manipulación de la tela. También son adecuadas las telas multicapa que contienen estera(s) no tejida(s) o velo(s) poroso(s) unido(s) (por ejemplo, mediante adherencia) a fibras unidireccionales continuas.

Cada lámina de tela puede contener una pequeña cantidad de aglutinante para unir las fibras y/o un velo termoplástico poroso para estabilizar la lámina de tela. La estabilización se refiere a mantener la cohesión de una sola capa o múltiples capas de fibras en la lámina de tela para que la lámina de tela se pueda mover, cortar, transportar, infundir resina o manipular de forma típica sin deshilacharse, deshacerse, separarse, doblarse, arrugarse o distorsionarse de otra forma la integridad de la tela. Cuando están presentes, dicho aglutinante y/o velo termoplástico se calientan mediante la fuente de energía de radiación durante el proceso de colocación automatizado divulgado en el presente documento, mejorando así la adhesión de las láminas de tela entre sí y con la capa desechable.

Claims (15)

REIVINDICACIONES

1. Un procedimiento para producir una preforma fibrosa sobre la superficie de una herramienta (12), que comprende: (a) fijar una capa desechable sobre la superficie de la herramienta (12), comprendiendo dicha capa desechable un material absorbente de radiación, en forma de partículas, dispersado dentro de la capa y partículas de un aglutinante polimérico o resinoso (16) sobre una superficie expuesta que no está en contacto con la superficie de la herramienta (12);

(b) disponer una primera capa constitutiva de material fibroso (11) sobre la capa desechable mediante automatización;

(c) utilizar una fuente de energía de radiación (13) para emitir radiación hacia la capa desechable antes de que la primera capa constitutiva entre en contacto con la capa desechable para calentar la capa desechable,

(d) presionar la primera capa constitutiva contra la capa desechable con un dispositivo de compactación (14); (e) disponer sucesivamente una o más capas constitutivas adicionales de material fibroso (11) sobre la primera capa constitutiva mediante automatización, y presionar cada capa constitutiva subsiguiente contra la capa constitutiva dispuesta previamente con el dispositivo de compactación (14),

en el que el material fibroso (11) comprende más del 50% en peso de fibras de refuerzo y es poroso.

2. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que la capa desechable es una película polimérica (15) flexible que comprende partículas de material absorbente de radiación dispersadas por toda la película.

3. El procedimiento de la reivindicación 2, en el que la película polimérica (15) flexible comprende un componente polimérico seleccionado de entre: poliamida, polietileno (PE), copolímeros de etileno-tetrafluoroetileno (ETFE), copolímero de etileno-propileno fluorado (FEP) y poli(fluoruro de vinilo) (PVF), polipropileno (PP), poliariletercetona tal como polieteretercetona (PEEK), poliimida (tal como Kapton), poliuretano, poli(alcohol vinílico) (PVOH), silicona, poli(cloruro de vinilo) (PVC), poli(difluoruro de vinilideno) (PVDF) y etileno-clorotrifluoroetileno (ECTFE).

4. El procedimiento de la reivindicación 3, en el que la película polimérica (15) flexible comprende poliamida como componente principal, que constituye más del 50% en peso de la película polimérica.

5. El procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 2 a 4, en el que el grosor de la película polimérica (15) flexible es de hasta 0,20 mm, incluido el intervalo de 0,01 mm a 0,10 mm.

6. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que la capa desechable se selecciona de entre:

(i) una película antiadherente no porosa que comprende:

un componente polimérico seleccionado de entre: fluoropolímeros, incluidos copolímeros de etilenotetrafluoroetileno (ETFE), copolímero de etileno-propileno fluorado (FEP), poli(difluoruro de vinilideno) (PVDF), clorotrifluoroetileno (CTFE), etileno-clorotrifluoroetileno (ECTFE), policlorotrifluoroetileno (PCTFE) fluoruro de vinilo (PVF), poliolefinas, incluido polietileno (PE), HDPE y LDPE, polipropileno (PP), polimetilpenteno (PMP), poliuretano (PU), poli(alcohol vinílico) (PVOH), poliimida (PI), copolímeros de los mismos y combinaciones de los mismos ; y partículas de material absorbente de radiación dispersadas por toda la película antiadherente;

(ii) una tela de vidrio revestida de polímero que comprende un revestimiento polimérico con partículas de material absorbente de radiación dispersadas en el mismo;

(iii) una capa constitutiva desprendible que comprende una lámina de fibras poliméricas tejidas, preferentemente fibras formadas de un material seleccionado de entre poliéster, poliamida, vidrio, polipropileno y polietileno, y las partículas de material absorbente de radiación están incorporadas dentro de dichas fibras poliméricas.

(iv) una capa constitutiva desprendible que comprende una lámina de fibras tejidas, preferentemente fibras formadas de un material seleccionado de entre poliéster, poliamida, vidrio, polipropileno y polietileno, y las partículas de material absorbente de radiación están aplicadas sobre las fibras tejidas.

7. El procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el material absorbente de radiación se selecciona de entre: negro de humo, indolinociamina, trifenilmetano, naftalocianina y complejo metálico de indonaftol, preferentemente negro de humo.

8. El procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el aglutinante (16) dispuesto sobre la capa desechable es un material sólido a una temperatura ambiente de 20 - 25 °C, que se ablanda o se funde durante el calentamiento mediante la fuente de energía de radiación (13) en (c), comprendiendo preferentemente el aglutinante (16) un componente principal seleccionado de entre: resina termoendurecible, polímero termoplástico y una combinación de los mismos, y en el que dicho componente principal constituye al menos el 50% en peso del aglutinante (16).

9. El procedimiento según la reivindicación 8, en el que el aglutinante (16) dispuesto sobre la capa desechable comprende una mezcla de al menos una resina epoxi y un polímero termoplástico, seleccionándose el polímero termoplástico preferentemente de entre: polietersulfona (PES), polieteretersulfona (PEES) y copolímero de PES y PEES.

10. El procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la fuente de energía de radiación (13) emite radiación hacia la capa constitutiva de material fibroso (11) colocada previamente antes de que la capa constitutiva subsiguiente entre en contacto con la capa constitutiva colocada previamente, siendo preferentemente la fuente de energía de radiación (13) un láser.

11. El procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que la colocación automatizada de las capas constitutivas de material fibroso (11) se realiza mediante un cabezal robótico de colocación de fibras (10), sobre el que están instalados la fuente de energía de radiación (13) y el dispositivo de compactación (14), y el cabezal robótico de colocación de fibras (10) se controla para que se mueva con respecto a la superficie de la herramienta (12) en varias direcciones.

12. El procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el material fibroso (11) comprende fibras de refuerzo seleccionadas de entre: fibras de carbono, fibras de vidrio, fibras cerámicas y fibras de aramida.

13. El procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que cada capa constitutiva de material fibroso (11) está compuesta por una pluralidad de cintas de fibras alargadas (11) colocadas una al lado de la otra, teniendo cada cinta de fibras alargadas una longitud longitudinal mayor que su anchura, encontrándose su anchura, preferentemente, en el intervalo de 152 mm a 305 mm o de 3,17 mm a 38,1 mm, y cada cinta de fibras alargadas comprende un velo no tejido o poroso laminado en al menos un lado de una capa de fibras unidireccionales,

la colocación de la primera capa constitutiva de material fibroso (11) en (b) comprende depositar mediante automatización una pluralidad de cintas de fibras alargadas una al lado de la otra sobre la capa desechable, y

la colocación de una o más capas constitutivas adicionales en (e) comprende depositar mediante automatización una pluralidad de cintas de fibras (11) alargadas subsiguientes una al lado de la otra sobre las cintas de fibras (11) colocadas previamente y presionar las cintas de fibras (11) subsiguientes contra la cintas de fibras (11) colocadas previamente con el dispositivo de compactación (14), y

en el que la fuente de energía de radiación (13) emite radiación hacia las cintas de fibras (11) colocadas previamente antes de que las cintas de fibras (11) subsiguientes entren en contacto con las cintas colocadas previamente.

14. El procedimiento según la reivindicación 24 o 25, en el que cada cinta de fibras alargadas comprende un velo no tejido laminado en al menos un lado de una capa de fibras de carbono unidireccionales, y el velo no tejido comprende fibras dispuestas aleatoriamente seleccionadas de entre fibras termoplásticas, fibras de carbono y una combinación de las mismas, comprendiendo preferentemente cada cinta de fibras un aglutinante polimérico o resinoso (16) incorporado en su estructura.

15. El procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, en el que cada capa constitutiva de material fibroso (11) es una sola lámina de tela o varias piezas de tela.