ES2908235T3 - Una preforma con refuerzo local - Google Patents

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Abstract

Un método de fabricación de una preforma (120) que comprende las etapas de: formar un tejido de refuerzo mediante: depositar una primera capa (112) de fibra; y, depositar una segunda capa (114) de fibra, en donde la segunda capa (114) se extiende parcialmente sobre el área definida por la primera capa (112); cortar una pluralidad de preformas (120) del tejido de refuerzo después de la etapa de formar el tejido de refuerzo; en donde una capa comprende estopas de fibras unidireccionales que se extienden en una dirección; el método comprende además las etapas de: proporcionar una máquina (102) de fabricación de tejido no plegado; y formar el tejido de refuerzo en la máquina (102) de fabricación de tejido no plegado; en donde el tejido de refuerzo se forma de forma continua en una primera dirección (X).

Description

DESCRIPCIÓN
Una preforma con refuerzo local
Introducción
La presente invención se refiere a un método de fabricación de preformas compuestas y, en particular, con un método de fabricación de preformas que tiene un libro de láminas orientado a la trayectoria de carga.
Antecedentes
Por "preforma" nos referimos a una disposición bidimensional o tridimensional de láminas de fibra que tiene múltiples capas, estando la disposición en una condición precurada. Las preformas también se forman o se cortan a la forma en que se moldearán.
Los materiales compuestos son bien conocidos y se utilizan en muchos campos de la ingeniería. Los materiales compuestos comprenden al menos dos fases construidas a partir de materiales física y/o químicamente distintos: un refuerzo y una matriz. En los compuestos reforzados con fibra, la fibra suele ser un material con alta resistencia a la tracción, pero baja rigidez. La matriz es usualmente menos fuerte, pero tiene una rigidez relativamente alta. Cuando las fibras se colocan en (impregnan) con la matriz, se proporciona un material compuesto que tiene alta resistencia, alta rigidez y densidad relativamente baja (ambas fases tienen una densidad relativamente baja en comparación con, por ejemplo, el acero).
Debido a estas propiedades, y debido a otras propiedades beneficiosas tal como la resistencia a la corrosión y la baja expansión térmica, el uso de materiales de polímeros reforzados con fibra (FRP) está aumentando. La combinación de propiedades hace que estos materiales sean favorables en comparación con los materiales tradicionales (por ejemplo, metales) en muchas aplicaciones en los campos aeroespacial y automotriz y más allá.
Una característica de los materiales FRP es que las fibras (que normalmente se proporcionan en capas o láminas) son altamente anisotrópicas. La resistencia en la dirección del eje de la fibra es significativamente mayor que en cualquier otra dirección. Por lo tanto, en formas continuas o de fibra larga, es común que se proporcionen varias láminas en capas, teniendo cada lámina o capa fibras orientadas en una dirección diferente a la lámina o capas adyacentes. De esta manera, las propiedades direccionales del material se pueden adaptar para ajustarse a la aplicación.
La figura 1 muestra una preforma 10 típica de una lámina de polímero reforzada con fibra de carbono en la que se proporcionan tres capas 12, 14, 16 con fibras orientadas a ±45 grados (capa 12), 90 grados (capa 16) y 0 grados (capa 14) con respecto al eje X respectivamente. Esta combinación de una pluralidad de capas, o láminas, a menudo se denomina "libro de láminas". Cada capa está formada por una lámina de fibra creada a partir de tiras de estopa de fibra de carbono depositada. Las estopas se depositan en una orientación predeterminada en cada capa. En este ejemplo, las láminas se construyen a partir de tejidos no plegados (NCFs). Los tejidos no plegados (NCFs), se fabrican depositando la estopa de fibra sobre un lecho antes de unir la estopa con costura o adhesivo. Esto significa que en lugar de estar, por ejemplo tejida, la estopa de fibra se mantiene en forma de lámina para evitar cualquier plegado de las fibras. Los NCFs tienen generalmente mejores características mecánicas que sus contrapartes plegadas/tejidas. El tejido en capas se corta a la forma deseada, se forma y se impregna mediante, por ejemplo una operación de moldeo por transferencia de resina (RTM) o "prensado en húmedo" como se conoce en la técnica.
El documento US 2009/163292 divulga un método de fabricación de una preforma que comprende las etapas de: formar un tejido de refuerzo depositando una primera capa de fibra; y depositando una segunda capa de fibra, en donde la segunda capa se extiende parcialmente sobre el área definida por la primera capa; cortar una preforma del tejido de refuerzo después de la etapa de formación del tejido de refuerzo.
Una desventaja de los materiales FRP es su coste. De las dos fases en un material compuesto, la mayor parte del coste del material generalmente se encuentra en la fase de refuerzo/fibra. La fibra de carbono es un material de refuerzo común en aplicaciones de ingeniería de alto rendimiento. Un problema con el carbono es que es costoso procesarlo en la forma de fibra requerida. Las fibras de carbono se crean a partir de un material precursor que necesita ser fibrado y carbonizado en un proceso de energía altamente intensivo. Por lo tanto, es costoso adquirirlo como materia prima para la fabricación de componentes de FRP.
Por lo tanto, es deseable reducir la cantidad de material de refuerzo de fibra utilizado en los componentes de FRP.
En la mayoría de los casos, los componentes de FRP sufrirán cargas específicas dependiendo de su entorno. En el caso de la preforma 10 de la figura 1, estas cargas se gestionan proporcionando tres capas que se extienden por todo el componente.
Se entenderá que en algunas áreas, la fase de refuerzo no lleva cargas significativas y, como tal, es efectivamente redundante. Tomando el ejemplo de la preforma 10 de la Figura 1, en un entorno de carga específico, una proporción significativa de la fibra puede ser redundante. Esto es potencialmente un desperdicio y aumenta el coste de la parte innecesariamente. También puede hacer que la parte sea más pesada de lo que debe ser (las fibras de carbono tienen una densidad mucho mayor que la matriz polimérica, por lo que agregan un peso parasitario).
Resumen de la invención
La presente invención pretende obviar o al menos mitigar el problema descrito anteriormente y/o proporcionar mejoras en general.
De acuerdo con la invención, se proporciona un método como se define en cualquiera de las reivindicaciones adjuntas.
En una realización de la presente invención, se proporciona un método de fabricación de una preforma de acuerdo con el objeto de estudio de la reivindicación 1 independiente.
Para reducir la cantidad de material de refuerzo utilizado en los componentes de FRP, el material de fibra se coloca solo en las áreas en las que lo requiere el entorno de carga y el ciclo de trabajo del componente. En otras palabras, el libro de láminas dentro de la preforma está formado para estar "orientado a la carga".
Por lo tanto la invención puede, proporcionar un libro de láminas orientado a la carga como una fibra de refuerzo NFC continua a partir de la cual se pueden cortar las preformas.
Este es un concepto alternativo al uso de un proceso de colocación automatizada de cinta (ATP) o un proceso de colocación automatizada de fibra (AFP). En ambos casos, las capas formadoras de estopa de fibra se depositan directamente para formar la preforma. Un problema con este enfoque es que tanto ATP como AFP implican un coste de capital significativo para implementarlo. También introducen una etapa que requiere mucho tiempo en la producción de la preforma.
Al depositar directamente las láminas en el patrón/forma requerida antes de que se corten en preformas, no hay necesidad de implementar ATP o AFP. Por lo tanto, la presente invención proporciona las ventajas del libro de láminas orientado a la carga sin la necesidad de las etapas de fabricación de ATP y AFP costosas y que requieren mucho tiempo.
En una realización de la invención, la segunda capa de fibra se extiende solo parcialmente hasta los bordes exteriores de la primera capa de fibra. Preferiblemente, la primera capa de fibra tiene un perímetro que está definido por los bordes exteriores combinados de la primera capa de fibra, y la segunda capa de fibra se extiende a una fracción del perímetro, la fracción entre más pequeña que el perímetro completo de la primera capa de fibras.
La fracción puede comprender 0.2, 0.4, 0.6, 0.8, 0.1 - 0.4, 0.2 - 0.9, 0.3 - 0.8, 0.4 - 0.7, 0.5 - 0.9, 0.6 - 0.95, 0.7 -0.9 y/o una combinación de cualquiera de los valores y/o rangos mencionados.
Preferiblemente, el método comprende la etapa de depositar una capa de fibra adicional, en donde la capa adicional se extiende parcialmente sobre el área definida por la primera capa. La capa adicional puede extenderse parcialmente sobre el área definida por la segunda capa. La capa adicional puede extenderse sobre una parte del área definida por la primera capa, cuya área que no está cubierta por la segunda capa.
Preferiblemente, el método comprende la etapa de conectar las capas entre sí, por ejemplo, adhiriendo y/o cosiendo las capas juntas.
Preferiblemente, la segunda y/o capa adicional está dispuesta en relación con una trayectoria de carga de una parte que se fabrica a partir de la preforma.
En otra realización, se deposita al menos una capa adicional en relación con cualquiera de las capas primera, segunda o capas adicionales.
Preferiblemente, una capa comprende estopas de fibras unidireccionales que se extienden en una dirección. En otra realización, las capas están dispuestas entre sí de modo que la dirección de las estopas en la primera y la segunda capa difieren.
Preferiblemente la segunda capa se deposita en al menos una tira alargada, y en la que las fibras de la segunda capa están alineadas con la tira. En otras palabras, las fibras están orientadas a lo largo del eje largo de la tira.
Preferiblemente, el método comprende las etapas de:
proporcionar una máquina de fabricación de tejido no plegado;
formar el tejido de refuerzo en la máquina de fabricación de tejido no plegado. Preferiblemente, el tejido de refuerzo se forma continuamente en una primera dirección mediante una máquina NCF (la "dirección de alimentación").
La segunda capa puede comprender al menos una tira que abarque la anchura del tejido de refuerzo en una segunda dirección en ángulo con respecto a la primera (es decir, en ángulo en relación con la dirección de alimentación). Una capa adicional puede comprender al menos una tira que se extiende en la primera dirección o en un ángulo diferente en relación con la primera dirección (es decir, en la dirección de alimentación o en ángulo con ella y la tira puede estar cruzando las tiras de la segunda capa). Los ángulos entre la primera capa y cualquier segunda y capa adicional o capas adicionales pueden variar de 0 a /-90 grados en relación con la primera capa, incluyendo cualquier ángulo de /-20 a /-80 grados, /-30 a /-60 grados, y en particular ángulos de /-30 grados, /-45 grados y /-60 grados.
Preferiblemente, la pluralidad de preformas comprende cada una parte de la primera y segunda capas.
Descripción detallada
Las realizaciones de la invención ahora se ilustrarán solo a modo de ejemplo y con referencia a los dibujos adjuntos en los que:
la Figura 1 es una vista esquemática en perspectiva en despiece de una preforma de la técnica anterior;
la Figura 2 es una vista esquemática en perspectiva de una preforma fabricada por el método de acuerdo con la invención;
la Figura 3 es una vista esquemática en plano de un aparato que lleva a cabo un método de acuerdo con la presente invención; y;
La Figura 4 es un diagrama de flujo del método de la Figura 3.
Con referencia a la Figura 2, se muestra una preforma 120 con un libro de láminas orientado a la carga. La primera capa 112 es idéntica a la primera capa 12 de la figura 1, pero la segunda y tercera capas 114, 116 se han proporcionado para abarcar solo parcialmente la preforma 120. Las capas 114, 116 segunda y tercera solo cubren parte del área definida por la primera capa 12. Por lo tanto, las fibras de 0 y 90 grados se proporcionan solo en las áreas en las que se requieren. Claramente, tal parte será menos costosa y más liviana que la parte formada a partir de la preforma 10 como se muestra en la Figura 1.
Con referencia a la Figura 3, una celda 100 de fabricación comprende una máquina 102 NCF que tiene una lecho 104. La celda está configurada para fabricar las preformas 120. La máquina 102 NCF está configurada para depositar estopa de fibra de carbono para producir una longitud continua de tejido no ondulado orientado a la carga en una dirección X. La máquina 102 está configurada para producir la primera capa 112 de ±45 grados de tejido 101 no ondulado que tiene una anchura continua Yl. La máquina está además configurada para generar la segunda capa 114 de tejido de 90 grados. En lugar de que la segunda capa cubra toda la superficie de la primera capa, se deposita en una pluralidad de tiras de anchura X1, separadas en la dirección X. La máquina está configurada además para generar la capa 116 adicional de tejido de 0 grados. La capa adicional corre en la dirección X, pero se deposita en una pluralidad de tiras separadas de anchura Y1 en la dirección Y.
Esta disposición proporciona un libro de láminas orientado a la carga predefinida. Como se muestra en la parte superior de la Figura 3 en líneas discontinuas, las preformas 120 individuales se pueden cortar del tejido. Las preformas 120 se muestran separadas para mayor claridad, pero se entenderá que en la práctica serán adyacentes. Se observará que las preformas 120 no requieren el uso de ATP o AFP para depositar la segunda o tercera capas 114, 116.
Con referencia a la Figura 4, la secuencia de fabricación se muestra con más detalle.
En la etapa 200, la primera capa 112 se deposita en una longitud continua por la máquina 102 NCF. En la etapa 202, la segunda capa 114 se deposita para cubrir una parte de la primera capa 112, en esta realización en tiras en la dirección Y, separadas en la dirección X. Las fibras de la segunda capa 114 están orientadas en la dirección de las tiras (es decir, en la dirección Y, o a 90 grados del eje X). En la etapa 203, la capa 116 adicional se deposita sobre las capas 112, 114 primera y segunda. En esta realización, la capa adicional son tiras en la dirección X, separadas en la dirección Y. Las fibras de la capa 116 adicional están orientadas en la dirección de las tiras (es decir, en la dirección Z, o a 0 grados). En la etapa 204, las fibras de las diversas capas 112, 114, 116 se cosen juntas.
En la etapa 206, una vez que las capas han sido depositadas y conectadas entre sí para formar el tejido 101 orientado a la carga, se cortan las preformas 120.
Las preformas 120 se moldean en la etapa 208 (por ejemplo, mediante la colocación en un molde), se impregnan en la etapa 210 y se curan en la etapa 212 para formar partes que tienen libros de láminas orientados a la carga.
Las variaciones caen dentro del alcance de la presente invención.
Aunque las láminas están cosidas en la realización anterior, pueden estar unidas por otros medios, tal como un adhesivo. Se puede usar un aglutinante de polímero termoplástico, que se puede proporcionar, por ejemplo en forma de polvo y aplicarse entre capas.
Se pueden proporcionar múltiples láminas de fibra incluyendo una primera lámina, una segunda lámina y múltiples láminas adicionales. La etapa importante es que las láminas se depositen de una manera orientada a la carga antes de que las preformas se corten del tejido.
La orientación de la fibra en cada lámina se puede seleccionar en función de la aplicación requerida. No es esencial que la dirección de la fibra sea paralela a cada "tira" que forma la lámina.
Aunque el depósito de láminas en tiras a 0 y 90 grados se adapta bien a la mayoría de las máquinas NCF existentes, esto no es esencial. Las tiras se pueden proporcionar en ángulos variables que van de 0 a 90 grados, preferiblemente de 10 a 80 grados y más preferiblemente de 30 a 60 grados incluyendo 45 grados medido como el ángulo más pequeño entre la dirección de las estopas de fibra de la primera capa en relación con las otras capas. En una realización preferida, la dirección de las estopas en al menos dos capas es simétrica pero en ángulos opuestos en relación con la dirección de las estopas de fibra de una primera capa (por ejemplo /- 45 grados, /- 60 grados).
La presente solicitud no se limita al uso de fibras de carbono y puede implementarse con otras estopas de fibra incluyendo fibra de vidrio, basalto, fibras a base de poliamida, fibras a base de poliolefina y fibras de aramida.
La invención puede ser utilizada con cualquier tipo de configuración NCF (BiAx, TriAx, QuadAx, en dirección 0°, 90°, 45°, -45° y cualquier otra dirección de fibra (todas) en el medio).

Claims (9)

REIVINDICACIONES
1. Un método de fabricación de una preforma (120) que comprende las etapas de:
formar un tejido de refuerzo mediante:
depositar una primera capa (112) de fibra; y,
depositar una segunda capa (114) de fibra,
en donde la segunda capa (114) se extiende parcialmente sobre el área definida por la primera capa (112); cortar una pluralidad de preformas (120) del tejido de refuerzo después de la etapa de formar el tejido de refuerzo; en donde una capa comprende estopas de fibras unidireccionales que se extienden en una dirección;
el método comprende además las etapas de:
proporcionar una máquina (102) de fabricación de tejido no plegado; y
formar el tejido de refuerzo en la máquina (102) de fabricación de tejido no plegado;
en donde el tejido de refuerzo se forma de forma continua en una primera dirección (X).
2. Un método de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende la etapa de depositar una capa (116) de fibra adicional, en donde la capa (116) adicional se extiende parcialmente sobre el área definida por la primera capa (112); opcionalmente en el que la capa (116) adicional se extiende parcialmente sobre el área definida por la segunda capa (114);
preferiblemente en el que la capa (116) adicional también se extiende sobre una parte del área definida por la primera capa (112), cuya área no está cubierta por la segunda capa (114).
3. Un método de acuerdo con la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en donde se deposita al menos una capa adicional en relación con cualquiera de las capas (112, 114, 116) primera, segunda o adicional y/o en donde la primera y la segunda capas (112, 114) están en contacto entre sí.
4. Un método de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, que comprende la etapa de conectar las capas (112, 114, 116) entre sí; comprendiendo opcionalmente la etapa de adherir las capas (112, 114, 116) entre sí y/o coser juntas las capas (112, 114, 116).
5. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde una o más de las respectivas capas (112, 114, 116) se disponen en relación con una trayectoria de carga de una parte que se fabrica a partir de la preforma (120).
6. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que las direcciones de las estopas en al menos la primera y segunda capas (112, 114) difieren.
7. Un método de acuerdo con cualquiera reivindicación anterior, en el que la segunda capa (114) comprende al menos una tira que abarca la anchura del tejido de refuerzo en una segunda dirección de estopa de fibra en un ángulo en el rango de 10 a 90 grados con respecto a la primera dirección de estopa;
y preferiblemente en el que una capa (116) adicional comprende al menos una tira que se extiende en la primera dirección (X), cruzando al menos una tira de la segunda capa (114).
8. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que una pluralidad de preformas (120) comprende cada una parte de la primera y segunda capas (112, 114).
9. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la primera capa (112) de fibra tiene un perímetro que está definido por los bordes exteriores combinados de la primera capa (112) de fibra, y la segunda capa (114) de fibra se deposita para extenderse a una fracción del perímetro de la primera capa (112) de fibras, siendo la fracción menor que el perímetro completo de la primera capa (112) de fibra; preferiblemente en donde la fracción comprende 0.1 - 0.4, 0.2 - 0.9, 0.3 - 0.8, 0.4 - 0.7, 0.5 - 0.9, 0.6 - 0.95, 0.7 - 0.9 y/o una combinación de cualquiera de los rangos antes mencionados.
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