ES2944303T3 - Cabezal de aplicación de fibras con dispositivo de soplado de aire - Google Patents

Abstract

La presente solicitud se refiere, en particular, a un cabezal aplicador de fibras para la producción de piezas de material compuesto, que comprende un sistema de compactación que comprende un rodillo compactador (2) para aplicar una o varias fibras sobre una superficie de aplicación, y un sistema de calentamiento (9) capaz de emitir radiación térmica hacia la fibra o fibras. Dicho cabezal comprende además un sistema de soplado (8) que comprende una boquilla de soplado de aire (81), estando dispuesta dicha boquilla aguas arriba del rodillo, con respecto a la dirección del movimiento, y siendo capaz de formar una cuchilla de aire, paralela al eje del rodillo, hacia el área de pinzamiento entre el rodillo compactador y la superficie de colocación. También se describe un método para producir piezas de material compuesto usando dicho cabezal de aplicación de fibra. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Cabezal de aplicación de fibras con dispositivo de soplado de aire

La presente invención se refiere a un cabezal de aplicación de fibras para una máquina de aplicación de fibras para la realización de piezas de material compuesto, y más particularmente un cabezal denominado de colocación de fibras equipado con un rodillo de aplicación particular. La presente invención también se refiere a un procedimiento de fabricación de piezas de material compuesto por medio de un cabezal de aplicación correspondiente.

Se conocen máquinas de aplicación de fibras, comúnmente denominadas máquinas de colocación de fibras, para la aplicación por contacto sobre una herramienta de drapeado, tal como un molde macho o hembra, de una banda ancha formada por varias fibras planas continuas, de tipo cintas, secas o impregnadas con resina termoendurecible o termoplástica, especialmente fibras de carbono constituidas por una multitud de hilos o filamentos de carbono.

Estas máquinas se utilizan para realizar preformas formadas por varios pliegues superpuestos, estando cada pliegue formado por drapeado en el molde de una o más bandas lado a lado. En el caso de un drapeado de fibras preimpregnadas de resina termoplástica o termoendurecible, convencionalmente en una cantidad de al menos un 40 % en peso, la preforma preimpregnada obtenida después del drapeado se endurece o polimeriza mediante el paso en un horno para obtener una pieza de material compuesto. En el caso de fibras denominadas secas, no preimpregnadas con resinas, las fibras comprenden una cantidad reducida de la denominada resina de unión, también llamada aglutinante, generalmente una resina termoplástica, en una cantidad inferior o igual al 5 % en peso, para conferir un carácter adhesivo a las fibras durante el drapeado. Después del drapeado, la denominada preforma seca se somete a una operación de inyección o de infusión de resina antes de la etapa de endurecimiento.

Estas máquinas, tales como las descritas en el documento de patente WO2006/092514, comprenden convencionalmente un cabezal de aplicación de fibras, un sistema de desplazamiento del dicho cabezal, medios de almacenamiento de fibras, y medios de direccionamiento de fibras para direccionar las fibras de los dichos medios de almacenamiento hacia el cabezal. El cabezal comprende convencionalmente un rodillo de aplicación, también llamado rodillo de compactación, destinado para entrar en contacto contra el molde para aplicar la banda, y medios de guía de las fibras sobre el dicho rodillo de aplicación.

En general, el cabezal comprende además un sistema de calentamiento para calentar las fibras. El rodillo de compactación presiona la banda de fibras contra la superficie de aplicación del molde, o contra la o las bandas de fibras previamente depositadas, con el fin de facilitar la adherencia de las bandas depositadas entre sí, así como para evacuar progresivamente el aire atrapado entre las bandas depositadas. El sistema de calentamiento garantiza un calentamiento de la banda de fibras por aplicar, y/o del molde o de las bandas ya aplicadas antes del rodillo de compactación, justo antes de la compactación de la banda, con el fin de al menos suavizar la resina de preimpregnación o la resina de unión, y así favorecer la adherencia de las bandas entre sí.

En el caso de las resinas termoendurecibles, las fibras preimpregnadas se calientan simplemente para suavizarlas, de manera convencional a temperaturas del orden de 40 °C. El sistema de calentamiento comprende convencionalmente un sistema de calentamiento por infrarrojo que comprende una o más lámparas de infrarrojos.

En el caso de las resinas termoplásticas, las fibras preimpregnadas o provistas de un aglutinante deben calentarse a temperaturas más elevadas, al menos hasta la temperatura de fusión de la resina, es decir, del orden de 200 °C para resinas de tipo nylon, y hasta alrededor de 400 °C para resinas de tipo PEEK.

Para alcanzar estas temperaturas más elevadas, se han propuesto sistemas de antorcha de aire caliente, y más recientemente sistemas de calentamiento de tipo láser para obtener un calentamiento preciso y concentrado. Debido a las elevadas temperaturas de calentamiento, los cabezales de colocación de fibras están equipados convencionalmente con rodillos de compactación metálicos, resistentes al calor, los cuales además pueden enfriarse desde el interior a través de un circuito de agua. Para poder adaptarse al perfil de la superficie de aplicación, se han propuesto rodillos de compactación metálicos segmentados, que comprenden varios segmentos de rodillos independientes montados de lado a lado sobre un mismo eje, siendo cada segmento desplazable radialmente y de manera independiente, y estando solicitado elásticamente contra la superficie de aplicación. Sin embargo, estos rodillos metálicos segmentados resultan ser complejos en estructura e implementación.

También son utilizados los rodillos flexibles formados a partir de un elastómero denominado de alta temperatura, que incluye un estabilizador térmico. Estos rodillos comprenden en general una funda antiadherente termorretráctil y pegada en el cilindro de material elastomérico, tal y como se describe en los documentos de patente FR 2948058 y FR 3009512. Para el enfriamiento, se ha propuesto equipar los cabezales de colocación de un sistema de enfriamiento capaz de entregar un flujo de aire para enfriar el rodillo desde el exterior o desde el interior, como se describe en el documento de patente FR 2948058. A pesar de estos sistemas de enfriamiento, los rodillos flexibles pueden tener tendencia a deteriorarse en el caso de la implementación de resinas termoplásticas. Según las temperaturas de calentamiento utilizadas, la funda antiadherente puede tener tendencia a degradarse rápidamente. El calentamiento por láser puede tener tendencia a deteriorar el pegamento utilizado para pegar la funda y provocar el desmontaje de la funda y el cilindro de material flexible. Además, la capa de pegamento deteriorada absorbe la radiación láser y puede subir hasta temperaturas significativas que pueden deteriorar la funda.

Durante el drapeado, puede aparecer una combustión de la resina de preimpregnación de fibras. Los humos de combustión tienen tendencia a formar depósitos en la funda. Además de la problemática del ensuciamiento de la funda, estos depósitos absorben la radiación láser y pueden provocar la destrucción de la funda.

Los documentos US2007/187021 y FR3009510 divulgan cabezales de aplicación de fibras según el preámbulo de la reivindicación 1. En el documento FR 3009510, se ha propuesto proporcionar boquillas de soplado para difundir un gas inerte previamente calentado, tal como el nitrógeno, para formar localmente una atmósfera protectora y evitar la oxidación de las resinas. Esta difusión de nitrógeno representa un coste significativo. Además, esta difusión de nitrógeno no permite la presencia de un operador en la celda de drapeado durante el drapeado, y requiere una renovación del aire en la celda antes de permitir el acceso.

El objetivo de la presente invención es proponer una solución que pretenda superar al menos uno de los inconvenientes mencionados anteriormente, la cual permita, especialmente, la implementación de una gran variedad de resinas, tanto termoendurecibles como termoplásticas, con una compactación sustancialmente uniforme de la banda aplicada, y la cual sea simple en diseño y realización.

Para este efecto, la presente invención propone un cabezal de aplicación de fibras para la realización de piezas de material compuesto, que comprenda un sistema de compactación que comprende un rodillo de compactación, también llamado rodillo de aplicación, para la aplicación de una o varias fibras, en particular de una banda formada por una o más fibras planas, sobre una superficie de aplicación, y un sistema de calentamiento capaz de emitir radiación térmica en la dirección de la o de las fibras en la dirección de la banda, de preferencia justo antes de la aplicación a través del del rodillo de aplicación, el dicho cabezal comprende además un sistema de soplado que comprende una boquilla de soplado de aire conectada a un sistema de suministro de aire, estando la dicha boquilla dispuesta antes del rodillo con respecto a la dirección de desplazamiento, y es capaz de formar una cuchilla de aire, paralela al eje del rodillo, que presenta una longitud al menos igual a la mitad de la longitud del rodillo en la dirección de la zona de pinzamiento entre el rodillo de compactación y la superficie de drapeado.

Según la invención, el cabezal comprende una boquilla de soplado que entrega una cámara de aire en dirección de la zona de pinzamiento, también llamada zona de contacto, de manera que limite o incluso elimine cualquier depósito de humos de combustión en la superficie exterior del rodillo. La cuchilla de aire permite apagar por soplado las llamas de combustión, o incluso soplar cualquier inicio de llama de combustión. Según la invención, es posible soplar las llamas con una cuchilla de aire garantizando, a pesar del importante flujo de aire, una calidad de drapeado de fibras satisfactoria, y un calentamiento eficaz de la o de las fibras drapeadas, especialmente con un sistema de calentamiento de tipo láser, sin necesidad de calentar previamente el aire para formar la cuchilla de aire.

Este sistema de soplado según la invención permite proteger eficazmente los rodillos flexibles, y especialmente sus fundas antiadherentes exteriores, para la aplicación de fibras a temperaturas elevadas, especialmente superiores a 400 °C, en particular para la aplicación de fibras impregnadas con resinas termoplásticas, especialmente con un sistema de calentamiento de tipo láser. El cabezal según la invención, el cual comprende un rodillo de compactación de diseño simple, ofrece la posibilidad de utilizar una gran variedad de resinas termoendurecibles o termoplásticas combinadas con una gran variedad de fibras, sintéticas o naturales, híbridas o no, especialmente fibras comúnmente empleadas en el campo de los compuestos, tales como las fibras de vidrio, las fibras de carbono, de cuarzo, y de aramida.

Según un modo de realización, la boquilla de soplado comprende una ranura longitudinal de descarga dispuesta de manera paralela al eje del rodillo, o una pluralidad de orificios dispuestos según una línea paralela al eje del rodillo. Esta disposición paralela permite garantizar una cuchilla de aire con un caudal importante, suficiente para soplar las llamas, sin alterar la calidad del drapeado de las fibras, especialmente sin desplazar las fibras al final de la trayectoria.

Según la invención, el sistema de soplado es capaz de formar una cuchilla de aire que presente una longitud al menos igual a la mitad de la longitud del rodillo, estando la cuchilla de aire, de preferencia, centrada con respecto al rodillo.

Según un modo de realización, el sistema de soplado es capaz de suministrar una cuchilla de aire a un caudal de al menos 300 Nl/min, de preferencia de al menos 500 Nl/mín, incluso mejor de al menos 600 Nl/mín, por ejemplo, aproximadamente 700Nl/mín.

Según un modo de realización, el sistema de soplado es capaz de suministrar una cuchilla de aire a un caudal de al menos 50 Nl/mín por centímetro de la cuchilla de aire en longitud, de preferencia de al menos 100 Nl/mín, mejor aún de al menos 120 Nl/mín.

Según un modo de realización, la boquilla de soplado de aire está conectada a una fuente de suministro formada por una fuente de aire comprimido o por una turbina, de preferencia incorporada en el dicho cabezal, que entrega el aire pulsado.

Según un modo de realización, el sistema de soplado comprende varias boquillas de soplado dispuestas de lado a lado, estando cada boquilla conectada a una fuente de aire comprimido o a una turbina.

Según un modo de realización, el dicho rodillo de compactación comprende un tubo central rígido por el cual el dicho rodillo está montado de manera rotativa sobre una estructura de soporte del cabezal y al menos una pieza cilíndrica realizada en un material flexible, deformable elásticamente, ensamblada coaxialmente, de manera directa o indirectamente, sobre el dicho tubo central, y una funda antiadherente que recubre la pieza cilíndrica, la dicha funda antiadherente presenta partes laterales que se extienden más allá de la superficie cilíndrica de la pieza cilíndrica en la dirección del eje de rotación del rodillo, siendo el ensamblaje de la dicha funda con la dicha pieza cilíndrica realizado por las dichas partes laterales, efectuando las dichas partes laterales un bloqueo en traslación y rotación de la funda con respecto a la dicha pieza cilíndrica. La funda de protección es ensamblada por las partes laterales, fuera de la zona de calentamiento. Este ensamblaje permite evitar el pegado de la funda al nivel de la zona de calentamiento y por lo tanto evitar cualquier riesgo de deterioro de la funda ligado a un deterioro del pegado debido a las radiaciones. Este ensamblaje de la funda combinado con la boquilla de soplado garantiza una buena estabilidad de la funda.

Según un modo de realización, el dicho rodillo de compactación comprende una pieza cilíndrica realizada en un material elastomérico, de preferencia no expandido, por ejemplo, una silicona o un poliuretano, de preferencia de silicona, que de preferencia presenta una dureza comprendida entre 25 Shore A y 80 Shore A, de preferencia de al menos 40 Shore A, con el fin de garantizar una buena resistencia de la funda a lo largo del tiempo.

Según un modo de realización, el rodillo de compactación comprende una pieza cilíndrica de espuma, por ejemplo, un elastómero expandido, tal como una espuma de poliuretano, de preferencia de una densidad comprendida entre 200 kg/m3 y 500 kg/m3.

La dicha funda antiadherente está ventajosamente formada por un fluoropolímero, de preferencia un fluoropolímero elegido del grupo constituido por un politetrafluoroetileno (PTFE), un perfluoroalcoxi (PFA), un etileno propileno fluorado (FEP), un etileno tetrafluoroetileno (ETFE), de preferencia un PFA o un FEP, y un fluoroelastómero, por ejemplo, un FPM, FFPM o un FEPM, o una poliimida.

Según un modo de realización, la dicha funda antiadherente está termoformada sobre la pieza cilíndrica, de preferencia termorretráctil, garantizando las partes laterales termoformadas al menos en parte el bloqueo en rotación y en traslación de la funda. La utilización de una funda termorretráctil permite un ensamblaje simple y rápido de la funda a partir de una funda en forma de tubo la cual es posteriormente termorretráctil en la pieza cilíndrica.

Según un modo de realización, el dicho tubo central está provisto de agujeros radiales, la dicha pieza cilíndrica realizada de material flexible que tiene medios de comunicación fluídica capaces de poner en comunicación fluídica los dichos agujeros radiales con la superficie cilíndrica externa de la pieza cilíndrica, comprendiendo el dicho cabezal medios de regulación térmica capaces de inyectar un flujo gaseoso de regulación térmica, ventajosamente un gas a temperatura ambiente o enfriado, en particular de aire, en el paso interno del tubo central, el dicho rodillo comprende una capa intermedia de drenaje intercalada entre la funda antiadherente y la pieza cilíndrica, garantizando la dicha capa intermedia la evacuación del fluido de regulación térmica a través de las caras laterales del rodillo. La utilización de una tal capa de drenaje combinada con un sistema de enfriamiento desde el interior permite mantener eficazmente la funda y la pieza cilíndrica a temperaturas razonables, inferiores a las temperaturas de deterioro de los materiales utilizados.

La dicha capa intermedia está formada de preferencia a partir de fibras de vidrio, de fibras de carbono, de fibras o alambres metálicos, por ejemplo, de cobre o acero inoxidable, o de fibras poliméricas, por ejemplo, de fibras PAN, fibras PEEK, pudiendo la dicha capa presentarse en forma de un fieltro no tejido y/o en forma de un tejido. El espesor y el gramaje de la capa intermedia están definidos de manera que se garantice un paso de flujo gaseoso suficiente para evacuar las calorías. En el caso de fibras de vidrio, la capa intermedia forma una pantalla aislante, limitando el aumento de temperatura por conducción de la pieza cilíndrica de material flexible. En el caso de fibras metálicas, la capa intermedia forma una pantalla contra la radiación emitida por el sistema de calentamiento.

De preferencia, los dichos medios de comunicación fluídica comprenden canales radiales, desembocando cada canal radial en un agujero radial del tubo central y en la superficie externa de la pieza cilíndrica. Los agujeros radiales se distribuyen en la pared cilíndrica del tubo central. El tubo central presenta, por ejemplo, varios conjuntos de agujeros desplazados longitudinalmente a lo largo del eje del rodillo de compactación, comprendiendo cada conjunto una pluralidad de agujeros dispuestos con un espacio angular regular.

Según los modos de realización,

- la dicha capa intermedia comprende fibras de vidrio, de preferencia en forma de un tejido, por ejemplo, en forma de manguito o trenza;

- la capa intermedia presenta partes de extremo que se extienden más allá de la superficie cilíndrica de la pieza cilíndrica, de manera que garanticen la evacuación del gas inyectado;

- cada parte lateral de la funda está ensamblada por su porción de extremo anular a los medios mecánicos de ensamblaje; y/o

- cada parte lateral de la capa intermedia está ensamblada por su porción de extremo anular a los medios mecánicos de ensamblaje, los medios mecánicos pueden comprender dos arandelas ensambladas entre sí por los medios de ensamblaje, tales como tornillos, y entre las cuales la porción de extremo de la funda y/o de la capa intermedia se sujeta; y/o

- el rodillo presenta en cada extremo una parte que define una superficie curva o inclinada dispuesta en la prolongación de la superficie cilíndrica, con el fin de obtener un plegado progresivo de la funda, estando esta parte formada por una pieza añadida a la pieza cilíndrica o siendo monobloque con la parte cilíndrica de la pieza cilíndrica.

Los medios mecánicos pueden ser utilizados solos o en combinación con el termoformado de la funda, para ensamblar la funda y/o la capa intermedia drenante. Según un modo de realización, la funda está termoformada y solo la capa intermedia está ensamblada a través de los medios mecánicos. Los medios mecánicos diferentes pueden ser utilizados para la funda y para la capa intermedia. Según otro modo de realización, la capa intermedia está pegada en la pieza cilíndrica, al nivel de la superficie cilíndrica y/o de las caras laterales.

Según un modo de realización, el cabezal constituye un cabezal de colocación de fibras que comprende medios de corte y medios de redireccionamiento, y eventualmente medios de bloqueo de fibras. Según un modo de realización, el cabezal se utiliza para efectuar una aplicación de tipo enrollamiento de filamentos.

Según un modo de realización, el cabezal comprende un sistema de calentamiento de tipo láser, especialmente de diodos láser, un láser YAG o un láser de fibra, capaz de emitir un haz láser en la dirección de la zona de contacto entre el rodillo y una superficie de drapeado. A pesar del importante flujo de aire de la cuchilla de aire, se puede obtener un calentamiento eficaz de las fibras mediante el sistema de calentamiento de tipo láser. En la variante, el sistema de calentamiento puede comprender una o más lámparas de infrarrojos.

Según un modo de realización, el cabezal comprende además un sistema de soplado secundario que comprende una boquilla secundaria de soplado de aire, estando la dicha boquilla secundaria dispuesta después del rodillo con respecto a la dirección de desplazamiento, y es capaz de formar una cuchilla de aire, paralela al eje del rodillo, en la dirección del rodillo de compactación, para enfriar el rodillo desde el exterior y, por tanto, limitar el aumento de temperatura del rodillo. La utilización de una tal cuchilla de aire con un caudal importante permite enfriar eficazmente el rodillo de compactación.

El sistema de soplado secundario es similar, o incluso idéntico al sistema de soplado mencionado anteriormente dispuesto antes del rodillo:

- la boquilla secundaria comprende una ranura longitudinal de descarga dispuesta de manera paralela al eje del rodillo, o una pluralidad de orificios dispuestos según una línea paralela al eje del rodillo, y/o está conectada a una fuente de suministro formada por una fuente de aire comprimido o una turbina que entrega aire pulsado, y/o

- el sistema de soplado secundario es capaz de formar una cuchilla de aire que presenta una longitud al menos igual a la mitad de la longitud del rodillo, y/o es capaz de entregar una cuchilla de aire a un caudal de al menos 300 Nl/mín, de preferencia de al menos 500 Nl/mín, mejor aún de al menos 600 Nl/mín, y/o es capaz de entregar una cuchilla de aire a un caudal de al menos 50 Nl/mín por centímetro de la cuchilla de aire en longitud, de preferencia de al menos 100 Nl/mín, mejor aún de al menos 120 Nl/mín.

La presente invención también tiene por objetivo un procedimiento de fabricación de una pieza de material compuesto que comprende la aplicación de fibras continuas sobre una superficie de aplicación, caracterizado porque la aplicación de fibras se realiza por medio de un cabezal de aplicación de fibras tal como se ha descrito anteriormente, por desplazamiento relativo del cabezal de aplicación con respecto a la superficie de drapeado según trayectorias de colocación, siendo las fibras compactadas durante su aplicación por medio del dicho rodillo de aplicación, formando la dicha boquilla durante el drapeado una cuchilla de aire, en la dirección de la zona de pinzamiento entre el rodillo de compactación y la superficie de drapeado, de manera que sople las llamas de combustión, es decir, apagar por soplado las llamas de combustión, o incluso para soplar cualquier inicio de llama de combustión.

Las fibras convencionalmente utilizadas son fibras planas continuas, también llamadas mechas, en general unidireccionales, y que comprenden una multitud de filamentos. Las fibras depositadas pueden ser fibras secas o fibras preimpregnadas de resina termoendurecible o termoplástica. Las fibras presentan típicamente anchos de 1/8, 1/4 o 1/2 pulgada, correspondiendo 1 pulgada a 2.54 cm. En el presente documento, el término «fibras» también se refiere a fibras de mayor ancho, superior a 1/2 pulgada, llamadas convencionalmente banda en la tecnología de la colocación.

El procedimiento según la invención es particularmente ventajoso en el caso de la realización de preformas secas realizadas a partir de fibras secas provistas de un aglutinante y/o preformas termoplásticas realizadas a partir de fibras preimpregnadas den resina termoplástica, que requieren temperaturas de calentamiento importantes durante el drapeado para al menos alcanzar el punto de fusión del aglutinante y/o de las resinas termoplásticas.

En el caso de una preforma seca, el procedimiento comprende además una etapa de impregnación de resina en la preforma seca, mediante la adición de una o más resinas de impregnación por infusión o inyección a la preforma seca, y una etapa de endurecimiento para obtener una pieza de material compuesto. En el caso de una preforma termoplástica, la preforma puede, eventualmente, someterse a una etapa de consolidación adicional para obtener una pieza final realizada de material compuesto. Una consolidación in situ también se puede obtener durante la aplicación de las fibras.

La aplicación de fibras se puede efectuar sobre la superficie de aplicación de una herramienta para formar una preforma, tal como se ha descrito anteriormente, mediante la colocación de fibra, colocación de banda, y/o bobinado. Según otro modo de realización, la aplicación de fibras se realiza directamente sobre la superficie de aplicación de una pieza prefabricada, para reforzar esta pieza con refuerzos de fibras unidireccionales, siendo la pieza prefabricada por ejemplo una pieza obtenida por inyección, moldeo o fabricación aditiva, a partir de una o más resinas termoplásticas y/o termoendurecibles.

Según un modo de realización, la aplicación de fibras se realiza con una cuchilla de aire a un caudal de al menos 300 Nl/mín, de preferencia de al menos 500 Nl/mín, mejor aún de al menos 600 Nl/mín, y/o a un caudal de al menos 50 Nl/mín por centímetro de cuchilla de aire en longitud, de preferencia de al menos 100 Nl/mín, mejor aún de al menos 120 Nl/mín.

La invención será mejor comprendida, y otros objetivos, detalles, características y ventajas aparecerán más claramente a lo largo de la descripción explicativa detallada la cual sigue los modos de realización particulares actualmente preferidos de la invención, con referencia a los dibujos esquemáticos adjuntos, en los cuales:

- la Figura 1 es una vista esquemática lateral de un cabezal de aplicación de fibras según la invención, que ilustra el rodillo de compactación, el sistema de calentamiento y el sistema de soplado;

- la Figura 2 es una vista parcial ampliada de la figura 1;

- la Figura 3 es una vista esquemática en perspectiva, con un recorte parcial, del rodillo de compactación de la figura 1;

- la Figura 4 es una vista en perspectiva de un rodillo de compactación con un recorte parcial, según un segundo modo de realización;

- la Figura 5 es una vista en perspectiva de un rodillo de compactación según un tercer modo de realización;

- la Figura 6 es una vista en perspectiva de un rodillo de compactación, con un recorte parcial, según un cuarto modo de realización;

- la Figura 7 es una vista en perspectiva de un rodillo de compactación, con un recorte parcial, según un quinto modo de realización;

- la Figura 8 es una vista en perspectiva de un rodillo de compactación, con un recorte parcial, según un sexto modo de realización; y,

- la Figura 9 es una vista similar a la de la figura 2, que ilustra un cabezal de aplicación de fibras según una variante de realización, que comprende un sistema de soplado secundario.

Con referencia a las figuras 1 y 2, el cabezal 1 de aplicación incluye un rodillo 2 de compactación el cual está montado de manera rotativa alrededor de un eje A sobre una estructura de soporte del cabezal. El cabezal está previsto para la aplicación de una banda formada de varias fibras dispuestas de lado a lado. El cabezal está montado por la dicha estructura de soporte en el extremo de un sistema de desplazamiento, por ejemplo, una muñeca robótica. El cabezal comprende además un sistema 9 de calentamiento montado también sobre la estructura de soporte, antes del rodillo con respecto a la dirección D de avance del cabezal de aplicación durante la aplicación de la banda F de fibras sobre una superficie S de aplicación. El dispositivo de calentamiento es por ejemplo un sistema de calentamiento de tipo láser, cuya radiación se dirige en la dirección de la banda, justo antes de su compactación, así como hacia la o las bandas ya depositadas.

Tal como se ilustra en la figura 1, la radiación 91 es así dirigida oblicuamente hacia la zona de pinzamiento o zona de contacto entre el rodillo de aplicación y la superficie de aplicación, para calentar una sección de banda dispuesta sobre el rodillo, antes de su compactación por este último, así como como la superficie de aplicación y/o una o más bandas previamente aplicadas.

En el caso de una máquina de colocación de fibras, el cabezal comprende medios 11 de guía, los cuales guían las fibras que entran en el cabezal hacia el rodillo 2 de compactación en forma de una banda de fibras, estando las fibras de la banda dispuestas de lado a lado de manera sustancialmente contiguas. Por desplazamiento del cabezal por el robot, el rodillo de compactación se pone en contacto con la superficie de aplicación de un molde S para aplicar la banda.

Las fibras son de preferencia fibras continuas planas, de tipo mechas, preimpregnadas de una resina termoendurecible o una resina termoplástica, o de fibras secas provistas de un aglutinante. El aglutinante está en forma de polvo y/o de una o más velos, de preferencia de tipo termoplástico.

Según la invención, el cabezal comprende además un sistema 8 de soplado, que comprende una boquilla 81 también montada sobre la estructura de soporte, antes del rodillo con respecto a la dirección D de avance, capaz de emitir una cuchilla de aire comprimido en la dirección de la zona de contacto. La boquilla forma una cuchilla de aire, paralela al eje del rodillo, centrada según una dirección ilustrada de manera esquemática bajo la referencia 82. La boquilla está conectada, por ejemplo, a un circuito de suministro de aire comprimido.

Con referencia a la figura 3, el rodillo 2 de compactación comprende una pieza 3 o cuerpo cilíndrico realizada de un material flexible, elásticamente deformable por compresión. La pieza cilíndrica presenta un paso central cilíndrico para su ensamblaje sobre un núcleo de soporte formado por un tubo 4 central rígido cilíndrico, por ejemplo, metálico, tal como el aluminio. La pieza 3 cilíndrica y el tubo 4 central son coaxiales y son solidarios en rotación entre sí. La pieza cilíndrica comprende, en este caso, una sola parte cilíndrica con una superficie 33 cilíndrica y dos caras 34 laterales.

La pieza 3 cilíndrica realizada de material flexible confiere al rodillo de compactación una capacidad de aplastamiento la cual permite al rodillo de compactación adaptarse a las variaciones de curvatura de la superficie de aplicación y así aplicar una presión sustancialmente uniforme sobre el conjunto de la banda depositada. El tubo rígido permite el montaje rotativo del rodillo sobre la estructura de soporte.

La pieza cilíndrica está, por ejemplo, constituida de un elastómero no expandido, tal como una silicona o un polisiloxano, o un poliuretano, de preferencia una silicona, por ejemplo, una silicona bicomponente polimerizable a temperatura ambiente. La pieza cilíndrica presenta una dureza comprendida entre 30 Shore A y 70 Shore A, por ejemplo 40, 50 o 60 Shore A, la cual se elegirá en función de la tasa de aplastamiento deseada del rodillo para un esfuerzo de compactación determinado, siendo esta tasa de aplastamiento especialmente definida en función de la complejidad de la superficie de aplicación.

El tubo central está provisto de agujeros 41 radiales, por ejemplo, cilíndricos, que atraviesan la pared cilíndrica del tubo central de lado a lado. Por tanto, los agujeros radiales desembocan en el paso 42 interno del tubo central y en la pieza cilíndrica. Está última está provista de canales 32 radiales, alineados con los dichos agujeros 41 radiales, y que presentan diámetros sustancialmente idénticos a los de los dichos agujeros radiales. Cada canal 32 radial desemboca en la superficie 33 cilíndrica externa de la pieza 3 cilíndrica. A título de ejemplo, el tubo central comprende seis conjuntos de agujeros 41 radiales desplazados longitudinalmente a lo largo del eje A del rodillo, cada conjunto comprende varios agujeros radiales dispuestos con espacio angular regular, por ejemplo, ocho agujeros radiales a 45° entre sí. La pieza cilíndrica comprende entonces seis conjuntos de canales 32 radiales, comprendiendo cada uno ocho canales radiales a 45° entre sí.

La pieza cilíndrica está revestida con una capa 5 intermedia drenante, formada, en este caso, por un tejido de fibras de vidrio, por ejemplo, en forma de un manguito o trenza. La capa intermedia presenta una determinada elasticidad para seguir las deformaciones de la pieza cilíndrica durante la puesta en apoyo del rodillo contra la superficie de aplicación.

La capa intermedia está revestida exteriormente con una funda 6 antiadherente exterior, formada, en este caso, por una película de PFA termorretráctil sobre la superficie de la pieza cilíndrica, con la capa intermedia drenante intercalada entre la pieza cilíndrica y la funda. La funda antiadherente a través de la cual el rodillo está en contacto con la banda limita la adherencia del rodillo a las fibras, así como el ensuciamiento del rodillo.

La funda antiadherente tiene porciones laterales 61 que se extienden más allá de la superficie cilíndrica a lo largo de las caras laterales 34 de la pieza cilíndrica.

La funda antiadherente está formada por una película tubular de longitud superior a la de la pieza cilíndrica, la cual está encajada sobre la pieza cilíndrica y luego termoformada, de modo que las partes laterales lleguen a aplanarse al menos parcialmente sobre la longitud de las caras laterales. Por tanto, las partes laterales termorretráctiles garantizan el bloqueo en traslación y en rotación de la funda antiadherente y de la capa intermedia sobre la pieza cilíndrica.

La capa 5 intermedia también presenta partes 51 laterales que se extienden más allá de la superficie cilíndrica y las cuales están interpuestas entre las caras 34 laterales y las partes 61 laterales termorretráctiles de la funda.

El montaje del rodillo sobre el cabezal se realiza por medio de una varilla 21 axial montada en el paso interno del tubo 4 central por medio de dos rodamientos 24 de bolas, presentando el tubo central ventajosamente en cada extremo un refrentado para el montaje de un rodamiento. A continuación, el rodillo se monta por los extremos de la varilla axial entre dos bridas 12 de la estructura de soporte del cabezal.

La máquina comprende medios de regulación térmica (no se representan), que permiten inyectar un gas a temperatura ambiente, comprendida entre 15 y 30 °C, o un gas enfriado a una temperatura inferior a 15 °C, en particular de aire, por un extremo de la varilla axial. La varilla 21 axial presenta un paso 22 axial que desemboca en uno 25 de los extremos de la varilla, y un escariado 23 radial que permite poner en comunicación fluídica el dicho paso 22 axial y el paso 42 interno del tubo central, entre los dos rodamientos, siendo los dos rodamientos estancos.

En funcionamiento, el aire inyectado por al menos el extremo abierto de la varilla axial llega al paso 42 interno entre los dos rodamientos estancos, pasa por los agujeros 41 radiales luego por los canales 32 radiales de la pieza cilíndrica, y luego pasa a través de la capa 5 intermedia drenante y se escapa lateralmente por las partes 51 laterales. Este aire inyectado permite enfriar uniformemente, la pieza cilíndrica de material flexible, así como la funda.

El sistema de calentamiento de tipo láser puede comprender diodos láser, dispuestos en una o más filas, que emiten una radiación de longitud(es) de onda comprendida(s) entre 880 y 1030 nm, por ejemplo, un láser de fibra óptica o un láser YAG, que emite a una longitud de onda del orden de 1060 nm.

La cuchilla de aire resultante del sistema 8 de soplado permite soplar las llamas de combustión de resina, más precisamente apagar por soplado las llamas que pueden aparecer durante el calentamiento por láser, o incluso eliminar por soplado cualquier inicio de llama. Por tanto, la cuchilla de aire permite limitar o incluso eliminar cualquier contaminación de la funda ligada a la combustión.

A título de ejemplo, el cabezal está equipado con un rodillo de compactación que presenta una longitud de aproximadamente 6 cm, previsto para drapear una banda de 8 fibras de 6,35 mm (1/4'' de pulgada). La boquilla comprende una fila de orificios de carga que forman en la salida de la boquilla una cuchilla de aproximadamente 5 cm. La boquilla se alimenta con aire comprimido a 5 bares, que corresponde a una cuchilla de aire con un caudal de aproximadamente 700 Nl/mín.

La figura 4 ilustra un segundo modo de realización de la invención en el cual el rodillo 102 de compactación comprende, como antes, un tubo 104 central rígido provisto de agujeros radiales, una pieza 103 cilíndrica realizada de material flexible elásticamente deformable provisto de canales radiales, una capa 105 intermedia con partes 151 laterales, y una funda 106 antiadherente termoformada con las partes 161 laterales.

En este modo de realización, la pieza cilíndrica comprende una parte central cilíndrica que se prolonga lateralmente por dos lengüetas 134 anulares cuyas superficies exteriores forman con la superficie 133 cilíndrica una superficie continua. La pieza cilíndrica y las lengüetas laterales están moldeadas en una sola pieza, presentando las lengüetas una superficie exterior cilíndrica. Las partes 151, 161 laterales de la capa intermedia y de la funda están dispuestas en las dichas lengüetas 134. Durante el termoformado de la funda, las lengüetas se pliegan gradualmente hacia el interior en la dirección de las caras laterales de la pieza cilíndrica, tal como se ilustra en la figura 4. Las lengüetas permiten plegar la funda y la capa intermedia en un ángulo no agudo en el extremo de la pieza cilíndrica, y así evitar el deterioro de la funda con el tiempo al nivel del plegado.

La figura 5 ilustra un tercer modo de realización de la invención en el cual el rodillo 202 de compactación comprende, como antes, un tubo 204 central rígido provisto de agujeros radiales, una pieza 103 cilíndrica realizada de material flexible elásticamente deformable provisto de canales radiales, una capa 205 intermedia con partes 251 laterales, y una funda 206 antiadherente termoformada con las partes 261 laterales.

En este modo de realización, en sustitución de las lengüetas mencionadas anteriormente, el rodillo comprende una pieza o junta 235 tórica dispuesta contra cada cara 234 lateral de la pieza cilíndrica, y la funda 206 antiadherente es termorretráctil por encima de las dichas juntas. Las juntas presentan un diámetro exterior igual al diámetro exterior de la pieza cilíndrica y permiten el plegado de la funda y de la capa intermedia en un ángulo no agudo en el extremo de la pieza cilíndrica. De preferencia, la pieza cilíndrica presenta en el extremo una pequeña lengüeta anular para garantizar una perfecta continuidad de superficie entre la superficie cilíndrica de la pieza cilíndrica y las juntas.

Además, el ensamblaje por termorretracción se completa, en este caso, mediante un ensamblaje mecánico por medio de dos arandelas 271, 272 ensambladas entre sí por medio de tornillos 273 que sujetan entre sí las porciones de extremo anulares de las partes 251, 261 laterales de la funda y de la capa intermedia.

Las arandelas llegan en apoyo entre sí por las zonas de contacto espaciadas angularmente entre sí, para permitir la evacuación del flujo de aire por las partes laterales de la capa intermedia entre dos zonas de contacto. Para realizar esto, al menos una de las arandelas o las dos arandelas está anillada, o una de las arandelas o las dos arandelas presentan en sus caras enfrentadas salientes o pernos distribuidos en el espacio angular regular, por ejemplo, al nivel de las perforaciones de la arandela exterior y/o de los roscados de la arandela interior que sirven para atornillar los tornillos, estando las arandelas apoyadas entre sí por los dichos salientes durante la sujeción de los tornillos.

La figura 6 ilustra un cuarto modo de realización de un rodillo 302 de compactación el cual se diferencia del rodillo 202 de compactación anterior por el hecho de que las dos arandelas 371 anulares presentan pestañas 371a dispuestas en el espacio angular regular y que se extienden radialmente hacia el exterior, las dos arandelas están ensambladas entre sí por medio de tornillos 373 atornillados al nivel de las dichas pestañas, sujetando entre ellas las partes de extremo de la funda antiadherente y de la capa intermedia. Por tanto, en este modo de realización, el aire inyectado por el interior del tubo se escapa por cada zona de las partes laterales de la capa intermedia dispuesta entre dos pestañas adyacentes.

La figura 7 ilustra un quinto modo de realización de un rodillo 402 de compactación el cual se diferencia del rodillo 102 de compactación ilustrado en la figura 4 por el hecho de que, a cada lado del rodillo, la lengüeta 435 anular, la parte 451 lateral de la capa 405 intermedia, así como la parte 461 lateral de la funda 406 se ensamblan en conjunto por medios mecánicos. Estos medios mecánicos comprenden una arandela 471 o corona exterior provista en un espacio angular regular de pestañas 471a inclinadas, y una arandela 472 o anillo interior provisto de una superficie 472a anular inclinada, estando la corona y el anillo ensamblados entre sí mediante tornillos 473, de modo que la lengüeta y las dos partes 451, 461 laterales sean sujetadas entre las pestañas inclinadas y la dicha superficie inclinada del anillo.

La figura 8 ilustra un sexto modo de realización el cual se diferencia del modo de realización de la figura 3 por el hecho de que, a cada lado del rodillo 502, el tubo 504 central presenta una porción 543 de extremo que se extiende más allá de la cara 533 lateral de la pieza 503 cilíndrica, la parte 551 lateral de la capa 505 intermedia se extiende más allá de la parte 461 lateral de la funda 506 antiadherente termoformada, sobre toda la cara lateral de la pieza 533 cilíndrica, y está bloqueada en la porción 543 de extremo del tubo por medio de un anillo 571. A título de ejemplo, el anillo está engastado o atornillado sobre el tubo, o está formado por dos semianillos ensamblados por atornillado.

En este modo de realización, la funda se mantiene en su lugar únicamente mediante termoformado, solo la capa intermedia se ensambla por medios mecánicos.

La figura 9 ilustra una variante de realización en la cual el cabezal comprende además un sistema 7 de soplado secundario, que comprende una boquilla 71 secundaria montada sobre la estructura de soporte, después del rodillo con respecto a la dirección D de avance, capaz de emitir una cuchilla de aire comprimido en la dirección del rodillo. La boquilla secundaria forma una cuchilla de aire, paralela al eje del rodillo centrado, según una dirección ilustrada de manera esquemática bajo la referencia 72. La boquilla secundaria es por ejemplo idéntica a la boquilla 81 dispuesta antes del rodillo, y está conectada a la mismo circuito de suministro de aire comprimido, estando la boquilla por ejemplo alimentada con aire comprimido a 5 bares.

Claims (13)

REIVINDICACIONES

1. Cabezal de aplicación de fibras para la realización de piezas de material compuesto, que comprende un sistema de compactación que comprende un rodillo (2, 102, 202, 302, 402, 502) de compactación para la aplicación de una o más fibras sobre una superficie (S) de aplicación, un sistema (9) de calentamiento capaz de emitir una radiación térmica en la dirección de la o de las fibras, y un sistema (8) de soplado que comprende una boquilla (81) de soplado de aire, estando la dicha boquilla dispuesta antes del rodillo con respecto a la dirección de desplazamiento, caracterizado porque dicha boquilla (81) de soplado es capaz de formar una cuchilla de aire, paralela al eje del rodillo, que presenta una longitud al menos igual a la mitad de la longitud del rodillo, en la dirección de la zona de pinzamiento entre el rodillo de compactación y la superficie de drapeado.

2. Cabezal de aplicación según la reivindicación 1, caracterizado porque la boquilla de soplado comprende una ranura longitudinal de descarga dispuesta de manera paralela al eje del rodillo, o una pluralidad de orificios dispuestos según una línea paralela al eje del rodillo.

3. Cabezal de aplicación según la reivindicación 1 o 2, caracterizado porque el sistema de soplado es capaz de entregar una cuchilla de aire a un caudal de al menos 300 Nl/mín, de preferencia de al menos 500 Nl/mín, mejor aún de al menos 600 Nl/mín.

4. Cabezal de aplicación según la reivindicación 1 a 3, caracterizado porque el sistema de soplado es capaz de entregar una cuchilla de aire a un caudal de al menos 50 Nl/mín por centímetro de la cuchilla de aire en longitud, de preferencia de al menos 100 Nl/mín, mejor aún de al menos 120 Nl/mín.

5. Cabezal de aplicación según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque la boquilla (81) de soplado de aire está conectada a una fuente de suministro formada por una fuente de aire comprimido o de una turbina que entrega aire pulsado.

6. Cabezal de aplicación según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque el dicho rodillo de compactación comprende un tubo (4) central rígido y al menos una pieza (3, 103, 203, 403, 503) cilíndrica realizada de un material flexible, deformable elásticamente, ensamblado sobre el dicho tubo central, y una funda (6, 106, 206, 406, 506) antiadherente que recubre la pieza cilíndrica, la dicha funda antiadherente presenta partes (61, 161, 261, 461, 561) laterales que se extienden más allá de la superficie (33) cilíndrica de la pieza cilíndrica en la dirección del eje (A) de rotación del rodillo, siendo el ensamblaje de la dicha funda antiadherente con la dicha pieza cilíndrica realizado por las dichas partes laterales.

7. Cabezal según la reivindicación 6, caracterizado porque la dicha funda (6, 106, 206, 406, 506) antiadherente está termoformada en la pieza cilíndrica, garantizando las partes laterales termoformadas al menos en parte el bloqueo en rotación y en traslación de la funda.

8. Cabezal según la reivindicación 6 o 7, caracterizado porque

- el dicho tubo (4) central está provisto de agujeros (41) radiales, teniendo la dicha pieza cilíndrica de material flexible medios (32) de comunicación fluídica capaces de poner en comunicación fluídica los dichos agujeros radiales con la superficie (33) cilíndrica externa de la pieza cilíndrica, comprendiendo el dicho cabezal medios de regulación térmica capaces de inyectar un flujo gaseoso de regulación térmica en el paso interno del tubo central,

- el dicho rodillo comprende una capa (5, 105, 205, 405, 505) intermedia drenante intercalada entre la funda antiadherente y la pieza cilíndrica, garantizando la dicha capa intermedia la evacuación del fluido de regulación térmica por las caras laterales del rodillo.

9. Cabezal según una de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque comprende un sistema de calentamiento de tipo láser capaz de emitir un haz láser en la dirección de la zona de contacto entre el rodillo y una superficie de drapeado.

10. Cabezal según una de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque comprende además un sistema (7) de soplado secundario que comprende una boquilla (71) secundaria de soplado de aire, estando la dicha boquilla secundaria dispuesta después del rodillo con respecto a la dirección de desplazamiento, y es capaz de formar una cuchilla de aire, paralela al eje del rodillo, en la dirección del rodillo de compactación.

11. Procedimiento de fabricación de una pieza de material compuesto que comprende la aplicación de fibras continuas sobre una superficie de aplicación, caracterizado porque la aplicación de fibras se realiza por medio de un cabezal de aplicación de fibras según una de las reivindicaciones 1 a 10, por desplazamiento relativo del cabezal de aplicación con respecto a la superficie de drapeado según las trayectorias de colocación, formando la dicha boquilla durante el drapeado una cuchilla de aire, paralela al eje del rodillo, que presenta una longitud al menos igual a la mitad de la longitud del rodillo, en la dirección de la zona de pinzamiento entre el rodillo de compactación y la superficie de drapeado, de manera que sople las llamas de combustión.

12. Procedimiento según la reivindicación 11, caracterizado porque la aplicación de fibras se realiza con una cuchilla de aire a un caudal de al menos 300 Nl/mín, de preferencia de al menos 500 Nl/mín, mejor aún de al menos 600 Nl/mín.

13. Procedimiento según la reivindicación 12 o 13, caracterizado porque la aplicación de fibras se realiza con una cuchilla de aire a un caudal de al menos 50 Nl/mín por centímetro de cuchilla de aire en longitud, de preferencia de al menos 100 Nl/mín, mejor aún de al menos 120 Nl/mín.