ES2950390T3

ES2950390T3 - Sistema de colocación de fibras

Info

Publication number: ES2950390T3
Application number: ES16157634T
Authority: ES
Inventors: Tino Oldani
Original assignee: Ingersoll Machine Tools Inc
Current assignee: Ingersoll Machine Tools Inc
Priority date: 2015-03-02
Filing date: 2016-02-26
Publication date: 2023-10-09
Anticipated expiration: 2036-02-26
Also published as: US10112348B2; US20160257078A1; EP3064341C0; EP3064341A1; EP3064341B1

Abstract

Se proporciona un sistema de colocación de fibras (10). El sistema de colocación de fibras (10) proporciona una pluralidad de zonas de trabajo (I, II, III, IV) con respecto a un sistema de pórtico común (11). Tal configuración permite el uso de una zona de trabajo mientras otra zona de trabajo se carga/descarga con piezas. También se proporciona un método para fabricar piezas compuestas utilizando un sistema de colocación de fibras (10) que tiene una pluralidad de zonas de trabajo (I, II, III, IV) dispuestas con respecto a un pórtico común (11). (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Sistema de colocación de fibras

Referencia cruzada con solicitudes de patente relacionadas

Esta solicitud de patente reivindica el beneficio de la solicitud de patente provisional de EE. UU. n.° 62/126.828, presentada el 2 de marzo de 2015.

Campo de la invención

Esta invención se refiere, en general, a equipos de fabricación y, más específicamente, a maquinaria de colocación de fibras.

Antecedentes de la invención

En la actualidad, las máquinas de colocación automatizada de fibras se usan ampliamente para fabricar piezas, componentes y estructuras a partir de materiales compuestos. Estos sistemas normalmente comprenden un cabezal de colocación de fibras llevado a cabo en el espacio por un posicionador multieje, siendo el cabezal responsable de tender el compuesto de fibra de carbono en un molde estacionario.

Los materiales usados en los cabezales de colocación automatizada de fibras se componen, normalmente, de fibras de carbono unidireccionales preimpregnadas en una resina que aparece como cintas o tiras delgadas, comúnmente conocidas como "estopas".

Cada cabezal suele ser capaz de tender y compactar una pluralidad de estopas de una determinada dimensión (tal como 0,317 cm (1/8 pulgadas), 0,952 cm (3/8 pulgadas), 1,27 cm (1/2 pulgadas), etc.) dispuestas una al lado de la otra para formar una "capa" o "hilera" sobre y en una herramienta. El cabezal tiene, generalmente, todos los medios para tender las estopas/la cinta automáticamente, tal como un rodillo de compactación, medios para cortar o añadir individualmente cada estopa cuando sea necesario, así como medios para calentar las estopas/cinta y/o la zona del sustrato para asegurar suficiente pegajosidad para la adherencia de estopa/cinta. El cabezal también es alimentado automáticamente por un cargador de estopa integrado (denominado "fileta") que suministra la estopa/la cinta en una matriz organizada y con una tensión correcta.

Para lograr flexibilidad, por lo general, un posicionador controlado por CNC es capaz de recoger de forma selectiva y automática un conjunto deseado de cabezal y fileta de un cargador y, siguiendo las instrucciones proporcionadas por medios de control adecuados, es capaz de seguir una trayectoria deseada de tendido de múltiples pases en un molde estacionario o giratorio debidamente anclado al suelo.

Una de las disposiciones de posicionador más comunes adoptadas es una máquina de tipo pórtico que se desplaza sobre una única envolvente de trabajo ubicada dentro de las columnas de desplazamiento del pórtico y que se extiende longitudinalmente a lo largo del eje X de la máquina. Tales máquinas de tipo pórtico se conocen a partir de las solicitudes de patente de EE. UU. US 2014/0322023 A1. En el documento US 2006/0162143 A1 se muestra una máquina de tipo pórtico que se extiende más allá de una de sus columnas. Además, la solicitud de patente de EE. UU. US 2010/0006202 A1 divulga una máquina de tipo pórtico con columnas móviles entre sí para proporcionar una parte que se extiende más allá de al menos una de las columnas.

El posicionador suele usar una parte restringida del área de trabajo del posicionador para acceder al cargador de cabezales. Una configuración de este tipo, aunque se reconoce que permite la fabricación de piezas dentro de la envolvente de trabajo, se limita a esa única envolvente. Como resultado, a medida que las piezas se cargan y descargan de la envolvente de trabajo, la máquina está inactiva. Desafortunadamente, el tiempo de inactividad de esta máquina ha provocado ineficiencias, especialmente teniendo en cuenta la creciente demanda de producción rápida de piezas compuestas. En este sentido, existe una necesidad en la técnica de un sistema de colocación de fibras con mayor eficacia.

La invención proporciona un sistema de este tipo para fabricar piezas compuestas con las características de la reivindicación 1 y un método para fabricar piezas compuestas con las características de la reivindicación 9. Estas y otras ventajas de la invención, así como características inventivas adicionales, serán evidentes a partir de la descripción de la invención proporcionada en el presente documento.

Breve sumario de la invención

En un aspecto, las realizaciones de la invención proporcionan un sistema para fabricar piezas compuestas que usa una pluralidad de zonas de trabajo en relación con un pórtico común.

En otro aspecto, las realizaciones de la invención proporcionan un método para fabricar piezas compuestas usando un sistema de colocación de fibras que tiene una pluralidad de zonas de trabajo dispuestas en relación con un pórtico común.

Otros aspectos, objetivos y ventajas de la invención resultarán más evidentes a partir de la siguiente descripción detallada cuando se tome en conjunto con los dibujos adjuntos.

Breve descripción de los dibujos

Los dibujos adjuntos incorporados y que forman parte de la memoria descriptiva ilustran varios aspectos de la presente invención y, junto con la descripción, sirven para explicar los principios de la invención. En los dibujos:

la figura 1 muestra una vista tridimensional de un ejemplo de realización de un Sistema de colocación automática de fibras ("AFPS") de acuerdo con la presente invención con el cabezal listo para funcionar en la zona de trabajo I;

la figura 2 muestra una vista tridimensional del AFPS de la figura 1 con el cabezal listo para funcionar en la zona de trabajo II; y

la figura 3 muestra una vista tridimensional del AFPS de la figura 1 de acuerdo con una realización alternativa de la figura 1, que cuenta con una tercera zona de trabajo III y una cuarta zona de trabajo IV.

Si bien la invención se describirá en relación con ciertas realizaciones preferidas, no hay intención de limitarla a esas realizaciones. Por el contrario, la intención es cubrir todas las alternativas, modificaciones y equivalentes incluidos dentro del alcance de la invención como se define en las reivindicaciones adjuntas.

Descripción detallada de la invención

Se proporcionan varias realizaciones de un sistema de colocación automática de fibras ("AFPS") que tiene un posicionador de tipo pórtico capaz de funcionar en múltiples zonas de trabajo. Por lo tanto, el AFPS puede funcionar a un nivel más alto de flexibilidad y eficiencia. Sin embargo, como reconocerán los expertos en la materia a partir de la siguiente descripción, realizaciones de este tipo se proporcionan únicamente a modo de ejemplo, no a modo de limitación, y todas las realizaciones alternativas están reservadas en el presente documento.

En la figura 1 se proporciona una realización de un AFPS 10. El AFPS 10 cuenta con un posicionador 11 de tipo pórtico. El posicionador 11 de tipo pórtico generalmente incluye dos columnas 12a, 12b que soportan un travesaño 14. Las columnas 12a, 12b se desplazan a lo largo de las vías 16a, 16b. Las vías 16a, 16b definen un eje lineal de desplazamiento X para el posicionador 11 de tipo pórtico. Dispuesta en el eje lineal X está una primera zona de trabajo I. Como se representa en la figura 1, la zona de trabajo I incluye un molde 18 plano.

Se proporciona un ariete 20 vertical en el travesaño 14. El ariete 20 se desplaza a lo largo de una vía 22 que se extiende a lo largo de una parte sustancial del travesaño 14. En las realizaciones, la vía 22 se extiende más allá del travesaño 14 como se muestra en las figuras 1 a 3. La vía 22, por tanto, define un segundo eje lineal de desplazamiento Y para el ariete 20. Como se muestra en la figura 1, el travesaño 14 se extiende más allá de la columna 12b para colocar el ariete 20 en una segunda zona de trabajo II.

El ariete 20 proporciona movimiento vertical para un cabezal 24 de colocación de fibras a lo largo de un tercer eje lineal de desplazamiento Z. Adicionalmente, una muñeca 25 de máquina acoplada operativamente al ariete 20 proporciona un primer eje de giro A que es perpendicular al tercer eje lineal Z. La muñeca 25 de máquina también proporciona giro alrededor del tercer eje lineal Z como se muestra por la trayectoria curva C.

El cabezal 24 de colocación de fibras está provisto de fibra de una fileta 26. La fileta 26 puede ser un ambiente de clima controlado en ciertas realizaciones y la fileta 26 almacena una pluralidad de carretes de estopa de fibra. Dentro de la fileta 26 hay componentes adicionales que ayudan a dispensar y dirigir las estopas de fibra al cabezal 24 de colocación de fibras. Las estopas de fibra tienen un ancho de, por ejemplo, 0,635 cm (1/4 pulgadas) a 0,952 cm (3/8 pulgadas), aunque cualquier tamaño de estopa es totalmente posible. En una realización, el cabezal 24 de colocación de fibras y la fileta 26 forman parte de un único conjunto modular 27 de modo que las estopas de fibra pueden reponerse o intercambiarse rápida y fácilmente durante el funcionamiento.

El cabezal 24 de colocación de fibras realiza las operaciones necesarias en las estopas de fibra o en el molde para tender (también denominado depositar) las estopas de fibra en el molde (tal como el molde 18 plano). El cabezal 24 de colocación de fibras normalmente incluye un rodillo de compactación y otros componentes que se usan para tender las fibras que pueden incluir calentadores para calentar las estopas o el molde, dispositivos de inspección visual, cortadores de estopa, etc. Estos componentes adicionales no necesariamente tienen que ser parte del cabezal 24 de colocación de fibras y podrían incluirse como parte de otras estructuras, por ejemplo, adyacentes al cabezal 24 de colocación de fibras o fileta 26.

El posicionador 11 de tipo pórtico se mueve a lo largo del primer eje lineal X y el ariete 20 se mueve a lo largo del segundo eje lineal Y para colocar el cabezal 24 de colocación de fibras sobre el molde 18 en la primera zona de trabajo I. El ariete 20 mueve el cabezal 24 de colocación de fibras a lo largo del tercer eje lineal Z para tender las estopas de fibra en el molde 18. Durante el tendido de las fibras, el movimiento de la muñeca 25 para proporcionar giro alrededor del primer eje de giro A y/o alrededor del eje lineal Z a lo largo de la trayectoria C también puede ser necesario, tal como para moldes curvos o para la colocación diagonal de la fibra en un molde. El cabezal 24 de colocación de fibras se manipula de esta manera hasta que se completa la estructura compuesta moldeada.

Convencionalmente, una vez que la estructura compuesta moldeada está completa, el posicionador de tipo pórtico estaría inactivo mientras la zona de trabajo I se prepara para una nueva estructura compuesta moldeada. Sin embargo, usando el AFPS 10 presente, el ariete 20 se puede mover a lo largo del segundo eje lineal Y paralelo al travesaño 14 a la región fuera de la columna 12b a la segunda zona de trabajo II como se muestra en la figura 2.

En la figura 2, la segunda zona de trabajo II es un mandril giratorio 28 con una superficie 30 de tendido. El mandril giratorio 28 tiene una región 32 de cabezal que proporciona giro alrededor de un segundo eje de giro Ci que es paralelo al primer eje lineal X. Como puede verse en la figura 2, el cabezal 24 de colocación de fibras ha sido girado a través de la muñeca 25 de máquina alrededor del primer eje de giro A para aplicar estopas 33 de fibra a la superficie 30 de tendido. El mandril giratorio 28 se puede usar para producir grandes piezas compuestas tal como, por ejemplo, para un fuselaje. Al igual que con la primera zona de trabajo I, el mandril giratorio 28 se puede cargar y descargar mientras el cabezal 24 de colocación de fibras está funcionando en la primera zona de trabajo I. Por tanto, al proporcionar solo estas dos zonas de trabajo I, II aumenta la flexibilidad de fabricación del AFPS 10 que tiene un solo posicionador 10 de tipo pórtico.

Sin embargo, se pueden lograr mejoras adicionales en la eficiencia y flexibilidad de fabricación añadiendo zonas de trabajo adicionales. Como se muestra en las figuras 1 y 2, se proporciona una tercera zona de trabajo III a lo largo del primer eje lineal X dispuesto espacialmente desde la primera zona de trabajo I. Como se representa, la tercera zona de trabajo III proporciona múltiples soportes 34 de almacenamiento para conjuntos modulares 27 adicionales y/u otras herramientas. Haciendo referencia a la figura 1, cada conjunto modular 27 tiene una brida de sujeción 36 que se acopla con una placa de sujeción 38 en la muñeca 25 de máquina. De esta forma, los conjuntos modulares 27 se pueden intercambiar fácilmente para reponer o reemplazar las estopas de fibra, o el conjunto modular 27 se puede reemplazar por una herramienta diferente, tal como una herramienta de acabado, un enrutador, etc., para realizar una función diferente en el material compuesto.

Las estopas de fibra en los conjuntos modulares 27 adicionales del soporte 34 de almacenamiento pueden ser iguales o diferentes de las estopas de fibra en el conjunto modular 27 en uso. Las estopas de fibra pueden ser de diferentes tamaños, grosor o composición. Por ejemplo, los conjuntos modulares 27 en el soporte 34 de almacenamiento pueden ser más gruesos o más delgados en ancho y/o grosor que el conjunto modular 27 en uso. Además, los conjuntos modulares 27 adicionales pueden tener estopas de fibras que contienen fibras de diferentes tamaños o que contienen resinas de diferentes tipos. Asimismo, la fileta 26 del conjunto modular 27 puede proporcionar diferentes ambientes de clima controlado para las estopas de fibra. Por consiguiente, la geometría y la estructura del cabezal 24 de colocación de fibras también pueden variar por conjunto modular para proporcionar una variedad de calentadores para calentar las estopas o el molde, dispositivos de inspección visual, cortadores de estopa y similares.

En una realización adicional representada en la figura 3, una cuarta zona de trabajo IV se proporciona fuera de la columna 12a de modo que el travesaño 14 se extiende más allá de ambas columnas 12a, 12b a lo largo del segundo eje lineal Y. Las líneas discontinuas se usan en la figura 3 para representar la región del travesaño 14 que se extiende más allá de la columna 12a. La cuarta zona de trabajo IV puede proporcionar cualquiera de una variedad de superficies de molde adecuadas, tal como un molde plano dispuesto horizontal o verticalmente, un mandril giratorio, una superficie curva cóncava o convexa, etc.

También, como se muestra en cada una de las figuras 1 a 3, se proporciona una plataforma 40 de operador para controlar el movimiento del posicionador 11 de tipo pórtico entre las zonas de trabajo I, II, III y IV.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un sistema para la fabricación de piezas compuestas, que comprende:

un pórtico (11) que incluye un travesaño (14) soportado entre una primera columna (12a) y una segunda columna (12b),

extendiéndose el travesaño (14) más allá de la segunda columna (12b);

una primera estructura (18) de molde ubicada en una primera zona de trabajo (I) entre la primera columna (12a) y la segunda columna (12b);

una segunda estructura (28) de molde ubicada en una segunda zona de trabajo (II) fuera de la segunda columna (12b); y

un cabezal (24) de colocación de fibras llevado por el pórtico (11) y configurado para aplicar estopas de fibra al ^{menos a la primera y segunda estructuras (18,}28^{) de molde.}

2. El sistema de la reivindicación 1, en donde la segunda estructura (28) de molde es un mandril giratorio que incluye una superficie (30) de tendido curva.

3. El sistema de la reivindicación 1, en donde el travesaño (14) también se extiende más allá de la primera columna (12a) y el sistema además comprende una tercera estructura de molde ubicada en una tercera zona de trabajo (IV) fuera de la primera columna (12a).

4. El sistema de la reivindicación 1, que además comprende una pluralidad de soportes (34) de almacenamiento, siendo cada soporte (34) de almacenamiento capaz de sostener un conjunto modular (27) que incluye un cabezal (24) de colocación de fibras y una fileta (26).

5. El sistema de la reivindicación 1, en donde el sistema es un sistema de colocación automática de fibras, en donde el pórtico (11) proporciona el movimiento del cabezal (24) de colocación de fibras entre al menos la primera zona de trabajo (I) y la segunda zona de trabajo (II).

6. El sistema de la reivindicación 5, en donde la primera estructura (18) de molde ubicada en la primera zona de trabajo (I) y la segunda estructura (28) de molde ubicada en la segunda zona de trabajo (II) son diferentes.

7. El sistema de la reivindicación 5, en donde una pluralidad de soportes (34) de almacenamiento están ubicados en un eje común con la primera zona de trabajo (I) y dispuestas espacialmente desde la primera zona de trabajo (I).

8. El sistema de la reivindicación 5, que además comprende un ariete (20) conectado operativamente al travesaño (14) y capaz de moverse en paralelo al travesaño por al menos toda la longitud del travesaño (14).

9. Un método para la fabricación de piezas compuestas, que comprende las etapas de:

usar un sistema (10) de colocación de fibras que tiene una pluralidad de zonas de trabajo (I, II, III, IV) dispuestas en relación con un pórtico (11) común, comprendiendo el pórtico (11) un travesaño (14) soportado por una primera columna (12a) y una segunda columna (12b), extendiéndose el travesaño (14) más allá de la segunda columna (12b); y un cabezal (24) de colocación de fibras llevado por el pórtico (11) configurado para aplicar estopas de fibra a una pluralidad de estructuras (18, 28) de molde;

colocando el cabezal (24) de colocación de fibras en una primera estructura (18) de molde en una primera zona de trabajo (I) entre la primera y segunda columnas (12a, 12b);

aplicando estopa de fibra a la primera estructura (18) de molde para formar una primera pieza compuesta; reposicionando el cabezal (24) de colocación de fibras en una segunda estructura (28) de molde en una segunda zona de trabajo (II) fuera de la segunda columna (12b); y

aplicando estopa de fibra a la segunda estructura (28) de molde para formar una segunda pieza compuesta mientras la primera pieza compuesta se descarga de la primera estructura (18) de molde en la primera zona de trabajo (I).

10. El método de la reivindicación 9, en donde el travesaño (14) se extiende más allá de la primera columna (12a) así como de la segunda columna (12b) para proporcionar una tercera zona de trabajo (IV) fuera de la primera columna (12a).

11. El método de la reivindicación 9, en donde el cabezal (24) de colocación de fibras forma parte de un conjunto modular (27) que incluye una fileta (26).

12. El método de la reivindicación 11, en donde se proporciona un soporte (34) de almacenamiento que tiene una pluralidad de conjuntos modulares (27) en una de la pluralidad de zonas de trabajo (I, II, III, IV).

13. El método de la reivindicación 12, que además comprende las etapas de mover el cabezal (24) de colocación de fibras al soporte (34) de almacenamiento e intercambiar un primer conjunto modular (27) por un segundo conjunto modular antes de la etapa de reposicionamiento del cabezal de colocación de fibras en una segunda estructura (28) de molde.

14. El método de la reivindicación 13, en donde el segundo conjunto modular tiene un tipo de estopa de fibra diferente del primer conjunto modular.

15. El método de la reivindicación 9, en donde la primera y segunda estructuras (18, 28) de molde se usan para crear piezas compuestas de diferentes geometrías.

16. El método de la reivindicación 15, en donde al menos una de la primera y segunda estructuras (18, 28) de molde es un molde plano.

17. El método de la reivindicación 16, en donde al menos una de la primera y segunda estructuras (18, 28) de molde es un mandril giratorio (28) que tiene una superficie (30) de tendido curva.