ES2973164T3

ES2973164T3 - Método para controlar un proceso de infusión de resina

Info

Publication number: ES2973164T3
Application number: ES20382832T
Authority: ES
Inventors: Sanchez Rubén Buelga; Mélanie Durth; Valderas Rosario Fernandez; Lopez Sergio Gonzalez; Fernando Lasagni; Henry Javier Guerrero; Garcia Luis Rubio
Original assignee: Airbus Defence & Space Sau; Airbus Defence and Space SA
Current assignee: Airbus Defence & Space Sau; Airbus Defence and Space SA
Priority date: 2020-09-21
Filing date: 2020-09-21
Publication date: 2024-06-18
Anticipated expiration: 2040-09-21
Also published as: EP3970956A1; EP3970956B1

Abstract

Método para controlar un proceso de infusión de resina que comprende infundir un flujo de resina desde un tanque de resina (1) en una pluralidad de moldes (2); clasificar los moldes (2) según sus respectivos volúmenes, y; llenar secuencialmente los moldes (2) con resina, comenzando por el molde (2) de mayor volumen; donde el método implica estimar el tiempo que lleva llenar completamente con resina cada molde (2) de la pluralidad de moldes (2), y; después de haber comenzado con la infusión de resina en el molde (2) de mayor volumen, iniciar la infusión de resina en otro molde particular (2) cuando el tiempo estimado restante para el llenado completo del molde (2) de mayor volumen sea igual al tiempo estimado para el llenado completo de ese molde (2) particular adicional de la pluralidad de moldes (2). (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Método para controlar un proceso de infusión de resina

Campo técnico

La presente invención está dirigida a un método para controlar un proceso de infusión de resina en el que se disponen una pluralidad de líneas de infusión de resina para llenar simultáneamente una pluralidad de moldes, de modo que el proceso de infusión de resina en todos los moldes pueda terminarse al mismo tiempo manteniendo un flujo constante de resina que sale del tanque de resina.

Esta invención es preferentemente aplicable en el campo de la fabricación de partes/piezas compuestas para aplicaciones de transporte tales como aeronaves aeronáuticas o aeroespaciales, así como cualquier aplicación donde sea deseable conseguir un buen y bajo equilibrio peso/resistencia en piezas o componentes.

Antecedentes de la invención

Actualmente existen varias soluciones que se han aplicado o pueden aplicarse para el control del proceso de infusión de resina.

El documento EP 1507647 B1 divulga el denominado proceso CAPRI (“Proceso de infusión de resina a presión atmosférica controlada”). Esta tecnología combina el control de la presión de entrada haciéndola por debajo de la presión atmosférica ambiental mientras se mantiene una presión neta de compactación de la preforma durante toda la infusión. La desventaja de esta tecnología es que una vez que se alcanza la presión atmosférica ambiental en el tanque, no se puede modificar el caudal para aumentarlo o reducirlo. Con este proceso tampoco es posible controlar el caudal en varias líneas de infusión de resina dispuestas en paralelo, por lo que resulta inasequible terminar de manera simultánea el proceso de infusión en moldes dispuestos en paralelo.

Otra tecnología existente es el control de flujo mediante la variación de los diámetros de los tubos (área de la sección transversal) de la instalación para el proceso de infusión. En esta tecnología, el diámetro del tubo se reduce localmente pellizcándolo (estrangulándolo). Se trata de una tecnología difícil de automatizar y que no permite una gran variación del caudal con un control preciso, lo que se requiere en una instalación flexible donde se procesan diferentes componentes al mismo tiempo.

La fabricación de varias piezas compuestas mediante la tecnología de infusión de resina a veces se lleva a cabo de forma secuencial, de modo que cuando finaliza el proceso de infusión de resina de un molde o preforma, comienza el proceso de infusión de resina del siguiente molde. Esto supone una gran inversión de tiempo cuando hay que fabricar varias partes o piezas.

Sin embargo, los documentos US 6168408 B1 y JP 2000280276 divulgan el llenado simultáneo de varios moldes.

Descripción de la invención

Con el objetivo de proporcionar una solución a los problemas antes mencionados, la presente invención se refiere a un método para controlar un proceso de infusión de resina.

El método para controlar un proceso de infusión de resina comprende infundir un flujo de resina desde un tanque de resina en una pluralidad de moldes.

El método comprende:

- clasificar los moldes según sus respectivos volúmenes, y;

- llenar secuencialmente los moldes con resina, comenzando por el molde de mayor volumen.

El método implica estimar el tiempo que lleva llenar completamente con resina cada molde de la pluralidad de moldes.

Después de haber comenzado con la infusión de resina en el molde de mayor volumen, el método implica comenzar la infusión de resina en otro molde particular cuando el tiempo estimado restante para el llenado completo del molde de mayor volumen sea igual al tiempo estimado para el llenado completo de ese molde particular adicional de la pluralidad de moldes.

Gracias a esta estrategia de llenado se consigue terminar completamente el llenado de todos y cada uno de los módulos de la instalación de infusión de resina de forma casi simultánea.

El método comprende realizar la etapa de actuar sobre una bomba de presión del tanque para lograr un valor objetivo de la presión, P<0>, dentro del tanque, permitiendo este valor objetivo de la presión, P<0>, dentro del tanque mantener un caudal constante, Q, que fluye fuera del tanque, donde realizar esta etapa comprende:

- establecer un valor predeterminado, Q, para el caudal de resina que fluye fuera del tanque y que se ha de mantener constante;

- calcular un valor de presión objetivo, P<0>(o r(t)), en el tanque, derivado del valor predeterminado, Q; - medir el valor de presión real, y(t) (o P(t)), dentro del tanque;

- calcular la diferencia, e(t), entre el valor de presión objetivo, P<0>, en el tanque y el valor de presión real, y(t), en el tanque;

- calcular una orden de control PID, u(t), derivada de la diferencia calculada, e(t), y;

- introducir la orden de control, u(t), en un actuador que actúa sobre la bomba de presión del tanque. El enfoque descrito anteriormente de actuar sobre la presión, P<0>, en el tanque, para mantener el caudal de resina, Q, que fluye fuera del tanque en un valor constante se considera la forma más efectiva de controlar el caudal mientras se mantiene una filosofía de control sencilla, que evita tener que controlar ni la sección de las tuberías de distribución o conducción, ni el diámetro de la conexión entre las tuberías y los moldes.

Según una realización particular del método de control de un proceso de infusión de resina, el tiempo,tf ln ., para el llenado completo de cada molde “i” de la pluralidad de moldes se estima según la siguiente fórmula:

donde:

rrepresenta la viscosidad de la resina;

prepresenta la densidad de la resina;

Lrepresenta la longitud de una tubería de distribución que se extiende desde el tanque de resina hasta cada tubería de conducción;

Rrepresenta el radio de la tubería de distribución;

representa la longitud de una tubería de conducción que se extiende desde la tubería de distribución hasta el molde “i”;

rtrepresenta el radio de la tubería de conducción;

Strepresenta la sección equivalente del molde “ i”;

fc¡ representa la permeabilidad del molde “i”;

m¡ representa la masa de resina dentro del molde “ i” cuando dicho molde “i” está completamente lleno de resina, y;

DPrepresenta la caída de presión entre el fondo del tanque de resina y una bomba de vacío conectada a todos los moldes de la pluralidad de moldes.

Según una posible realización del método, el valor de presión objetivo, P<0>, derivado del valor predeterminado, Q, para el caudal de resina que fluye fuera del tanque, se calcula según la siguiente fórmula:

donde:

rrepresenta la viscosidad de la resina;

prepresenta la densidad de la resina;

rtrepresenta el radio de la tubería de conducción en la línea de resina “i”;

í¡ representa la longitud de la tubería de conducción en la línea de resina “ i”;

Rrepresenta el radio de la tubería de distribución;

Lrepresenta la longitud de la tubería de distribución;

representa la sección del molde en la línea de resina “i”;

representa la permeabilidad del molde en la línea de resina “i”;

z¡ representa la distancia que ha avanzado la resina dentro del molde en la línea de resina “ i” en c ada momento particular;

hrepresenta la altura de la columna de resina desde la superficie de resina dentro del tanque de resina hasta el fondo del tanque de resina en cada momento particular;

PVacrepresenta la presión generada por la bomba de vacío conectada a todos los moldes;

grepresenta la aceleración de la gravedad;

Qrepresenta el valor predeterminado del caudal de resina que fluye fuera del tanque y que debe mantenerse constante;

P0representa el valor objetivo de la presión en el tanque;

yAtrepresenta un coeficiente de línea de resina que se calcula según la siguiente expresión:

donde representa la masa que ha entrado al molde en la línea de resina “ i” en cada momento particular. La expresión mencionada anteriormente permite calcular, en cada momento particular durante el proceso de infusión de resina, el valor de la presión en el tanque, P<0>, en función del caudal deseado, Q, que fluye fuera del tanque de resina y que se desea mantener constante.

La presente invención se refiere también a un sistema de infusión de resina.

El sistema de infusión de resina comprende un tanque de resina, una pluralidad de moldes, una tubería de distribución que conecta el tanque de resina con una pluralidad de tuberías de conducción, conectando cada tubería de conducción la tubería de distribución con un molde de la pluralidad de moldes; una bomba de vacío conectada a los moldes; una bomba de presión conectada al tanque de resina, y; una válvula principal conectada a la salida del tanque de resina para controlar el flujo de resina a la tubería de distribución. El sistema de infusión de resina comprende adicionalmente:

- una pluralidad de válvulas de entrada del molde, estando cada válvula de entrada del molde conectada entre cada tubería de conducción y cada molde, y;

- un controlador conectado a cada válvula de entrada del molde.

El controlador está configurado para realizar el método de controlar un proceso de infusión de resina como se describe al inicio de esta sección, es decir el método que permite el llenado secuencial de los moldes según sus respectivos volúmenes y el tiempo estimado que lleva llenar completamente cada uno de los moldes de la pluralidad de moldes. El sistema de infusión de resina comprende un sensor de presión dentro del tanque de resina y un módulo de bucle de control PID.

El módulo de bucle de control PID comprende una unidad de control y un actuador, estando configurada la unidad de control para calcular la orden de control PID anteriormente mencionada, u(t), derivada de la diferencia calculada, e(t). El módulo de bucle de control PID está configurado además para introducir la orden de control PID en el actuador, en donde el actuador está configurado para actuar sobre la bomba de presión del tanque de resina.

Gracias al sistema descrito anteriormente, es posible mantener el caudal de resina que fluye fuera del tanque de resina en un valor deseado, Q, simplemente actuando sobre la bomba de presión del tanque con un actuador que actúa al recibir una señal de entrada PID, generándose la señal de entrada PID tras la comparación entre la presión real detectada en el tanque y un valor de presión objetivo, P<0>, en el tanque.

La presente invención se refiere además a un método implementado por ordenador para controlar un proceso de infusión de resina, para infundir resina desde un tanque de resina a una pluralidad de moldes de resina.

El método implementado por ordenador comprende los pasos de:

- adquirir un valor para el volumen de cada molde de la pluralidad de moldes de resina; - organizar una lista de moldes de resina ordenados según los volúmenes adquiridos, donde el primer molde de la lista es el molde con mayor volumen y el último molde de la lista es el molde con menor volumen;

- estimar el tiempo que lleva llenar completamente cada molde;

- generar una pluralidad de órdenes de llenado secuenciadas para llenar los moldes de resina, comenzando con la orden de llenado para el molde con mayor volumen, en donde la orden de llenado para llenar un molde particular adicional se genera una vez que el tiempo transcurrido desde la orden de llenado para el molde con mayor volumen iguala al tiempo estimado para llenar completamente ese molde en particular.

El método implementado por ordenador comprende generar una orden de actuación para controlar la presión,P0,generada por una bomba de presión conectada al tanque de resina, para controlar el caudal de resina, Q, que fluye fuera del tanque de resina.

Este paso de generar la orden de actuación para controlar la presión,P0,comprende los pasos de:

- determinar un valor deseado, Q, para el caudal de resina que fluye fuera del tanque y que debe mantenerse constante;

- calcular un valor de presión objetivo, P<0>(o r(t)), en el tanque, derivado del valor predeterminado, Q; - adquirir el valor de presión real, y(t) (o P(t)), dentro del tanque;

- introducir la orden de control, u(t), en un actuador que actúa sobre la bomba de presión del tanque. Según una realización preferente del método implementado por ordenador, la etapa de estimar el tiempo que lleva llenar completamente cada molde comprende

- adquirir los siguientes datos:

un valor,p,para la viscosidad de la resina;

un valor,p,para la densidad de la resina;

un valor,L,para la longitud de una tubería de distribución que se extiende desde el tanque de resina hasta cada tubería de conducción;

un valor,R,para el radio de una tubería de distribución;

una pluralidad de valores, , para la longitud de cada tubería de conducción que se extiende desde la tubería de distribución hasta cada molde “i”;

una pluralidad de valores, r¡, para el radio de cada tubería de conducción;

una pluralidad de valores, 5¡, para la sección equivalente de cada molde “i”;

una pluralidad de valores,kt , para la permeabilidad de cada molde “i”;

una pluralidad de valores, m¡, para la masa de resina dentro de cada molde “i” cuando dicho molde “ i” está completamente lleno de resina;

un valor,DP,para la caída de presión entre el fondo del tanque de resina y una bomba de vacío conectada a todos los moldes de la pluralidad de moldes;

y

- estimar el tiempo,t¡ln ,que se tarda en llenar completamente cada molde, “ i” según la siguiente fórmula:

Además, según una posible realización del método implementado por ordenador, adquirir el valor,DP,para la caída de presión entre el fondo del tanque de resina y la bomba de vacío conectada a todos los moldes de la pluralidad de moldes comprende los pasos de:

- adquirir un valor,P0,para la presión dentro del tanque de resina;

- adquirir un valor,Pvac,para la presión generada por la bomba de vacío, y;

- calcular el valor,DP,de acuerdo con la siguiente fórmula:

donde

grepresenta la aceleración de la gravedad, y;

hrepresenta la altura de la columna de resina, desde la superficie de la resina dentro del tanque de resina hasta el fondo del tanque de resina.

Según una posible realización, con el fin de calcular el valor de presión objetivo, P<0>, en el tanque, el método implementado por ordenador comprende adquirir los siguientes datos:

un valorgpara la viscosidad de la resina;

un valorppara la densidad de la resina;

un valorrtpara el radio de la tubería de conducción en la línea de resina “ i”;

un valorltpara la longitud de la tubería de conducción en la línea de resina “ i”;

un valorRpara el radio de la tubería de distribución;

un valorLpara la longitud de la tubería de distribución;

un valorSipara la sección del molde en la línea de resina “i”;

un valorktpara la permeabilidad del molde en la línea de resina “i”;

un valorztpor la distancia que ha avanzado la resina dentro del molde en la línea de resina “ i” en cada momento particular;

un valorhpara la altura de la columna de resina desde la superficie de resina dentro del tanque de resina hasta el fondo del tanque de resina en cada momento particular;

un valorPvacpara la presión generada por la bomba de vacío conectada a todos los moldes;

un valorgpara la aceleración de la gravedad;

el valor deseadoQpara el caudal de resina que fluye fuera del tanque y que debe mantenerse constante; un valormtpara la masa que ha entrado en el molde en la línea de resina “ i” en cada momento particular, y;

calcular el siguiente coeficiente de línea de resina:

A continuación, el método implementado por ordenador comprende calcular el valor de presión objetivo, P<0>, de acuerdo con la siguiente fórmula:

La presente invención se refiere además a un programa informático que comprende instrucciones que, cuando se ejecutan en un ordenador, realizan el método implementado por ordenador descrito anteriormente.

Además, la presente invención se refiere además a un medio legible por ordenador que comprende instrucciones que, cuando se ejecutan en un ordenador, realizan el método implementado por ordenador descrito anteriormente.

El método y sistema descrito anteriormente para controlar un proceso de infusión de resina permite controlar la infusión de resina en una pluralidad de líneas de infusión de resina simplemente actuando sobre la presión dentro del tanque de resina, permitiendo el acabado simultáneo del proceso de llenado en cada molde de la instalación de infusión de resina, y minimizando las burbujas de aire que se forman en la resina dentro de los moldes debido a un proceso de infusión de resina no controlado. El control de la presión permite un llenado rápido de todos los moldes, evitando la formación de burbujas de aire en la resina que repercutirían negativamente en la calidad de las piezas compuestas que se fabrican.

Breve descripción de las figuras

Como medio para comprender mejor al menos una forma de realización de la presente invención, se presenta el siguiente conjunto de dibujos a modo de ilustración esquemática y de forma no limitativa.

Figura 1: Muestra una vista esquemática de una instalación de infusión de resina de una sola línea.

Figura 2: Muestra un diagrama esquemático de un bucle de control tipo PID, para controlar el proceso de infusión de resina según una posible forma de realización de la presente invención.

Figura 3: Muestra una vista esquemática de una instalación de infusión de resina de 3 líneas.

Figura 4: Muestra una vista esquemática de una instalación de infusión de resina de 3 líneas con un bucle de control tipo PID, según una posible forma de realización de la presente invención.

Figura 5: Muestra un diagrama esquemático de la secuencia de llenado del molde de una instalación de infusión de resina de 3 líneas, según una posible forma de realización de la presente invención.

Figura 6: Muestra la variación del flujo de masa para los tres moldes (cada uno con diferente volumen) de una instalación de infusión de resina de 3 líneas, donde se aplica el llenado secuencial del molde en función de la masa de resina presente en el molde con mayor volumen.

Figura 7: Muestra la variación del flujo de masa para los tres moldes (cada uno con diferente volumen) de una instalación de infusión de resina de 3 líneas, donde se aplica el llenado secuencial del molde en función del tiempo de llenado aproximado de cada molde individual.

Descripción detallada

La presente invención, tal y como ya se ha presentado, se refiere a un método para controlar un proceso de infusión de resina.

El método de la presente invención se basa en un doble control: por un lado, el método implica controlar de forma variable la presión del tanque de resina (1) (aplicando sobrepresiones moderadas, típicamente inferiores a 130.000 Pa), mientras que los moldes (2) se mantienen a una presión cercana al vacío. Por otro lado, el método implica llenar secuencialmente cada molde (2) de la pluralidad de moldes (2) de una instalación de infusión de resina de líneas múltiples.

Para una explicación clara, se presentan las ecuaciones básicas que gobiernan el proceso de infusión de resina. En primer lugar, se presenta una explicación esquemática del proceso de infusión de resina de una instalación de infusión de resina de una sola línea, haciendo referencia a la Figura 1.

El circuito “tanque-tubería-molde” se considera un circuito lineal unidimensional (ver Figura 1) que queda perfectamente sellado (no existen fugas de resina ni en el tanque (1), tubería (3), válvulas (7, 8) ni en el molde (2)).

Se realiza un equilibrio de presión a lo largo de una línea de flujo {A, B, C, D} (ver Ecuación 1).

Entre los puntos A y B se considera la energía potencial del flujo en la columna de resina dentro del tanque (1) (donde “p” representa la densidad de la resina, y; “h” representa la altura de la columna de resina en el interior el tanque (1)).

Entre los puntos B y C se considera la caída de presión en la tubería (3) debido a la viscosidad de la resina, según la relación de Poiseuille (donde “r|” representa la viscosidad de la resina; “r” representa el radio de la tubería, y; “L” representa la longitud de la tubería).

Entre los puntos C y D, la caída de presión dentro del molde (2) se modela según la relación de Darcy, asumiendo que el molde (2) es poroso (donde “k” representa la permeabilidad del molde (2) y “S” representa la sección transversal del molde).

Finalmente, se puede establecer el siguiente sistema de ecuaciones, donde “Q” representa el flujo de resina a lo largo de la línea {A, B, C, D}, y “z(t)” representa la longitud que ha alcanzado la resina dentro de la línea molde (2), en función del tiempo.

Resolviendo el sistema de ecuaciones antes mencionado, se puede obtener la siguiente expresión para el flujo de resina:

Con la expresión anterior (suponiendo que los valores de presión dentro del tanque (1), P<0>, y dentro del molde (2), P, se mantienen constantes), se puede apreciar que, a medida que la resina avanza dentro del molde (2) , el flujo de resina disminuye.

Para obtener un caudal de resina constante, se pueden asumir dos enfoques posibles. La primera solución consiste en hacer variar el radio de la tubería. La segunda solución consiste en hacer variar el diferencial de presión (P<0>- P), donde como ya se dijo, P<0>es la presión dentro del tanque (1) y P es la presión dentro del molde (2).

Por razones prácticas, variar el radio de la tubería (3) es difícilmente factible. Obtener un caudal de resina constante implica aumentar el radio de la tubería (3) a medida que la resina penetra en el molde (2). Además, también sería necesario aumentar la sección de la entrada que conecta el tubo (3) con el molde (2). Por tanto, esta opción no es una opción preferida.

Otra solución consiste en pinchar la tubería (3), desviando así parte del flujo de resina de la entrada del molde. Esta opción permite controlar el flujo de resina al inicio de la infusión de resina, reteniendo parte del flujo de resina. Esta es una solución factible; sin embargo, esta solución no proporciona un control de flujo activo y preciso hacia un valor de flujo predeterminado.

Por las razones antes mencionadas, se prefiere el segundo enfoque mencionado anteriormente, es decir, actuar sobre el diferencial de presión (P<0>- P) entre el tanque (1) y el molde (2). La presión es un parámetro mucho más fácil de medir a lo largo de la línea de infusión (mediante manómetros o sensores de presión) y también mucho más fácil de controlar mediante bombas de vacío o presurizadas.

En una realización preferente de la presente invención, se utiliza un bucle de control de tipo PID para el control del proceso de infusión de resina. La Figura 2 muestra un diagrama esquemático de un lazo de control tipo PID.

En la Figura 2, “r(t)” es el valor deseado para P<0>. Se obtiene a partir de la Ecuación 2, basándose en el valor deseado, Q, para el flujo de resina, y en los valores reales (medidos) para "h" y "z(t)". Además, en la Figura 2, “y(t)” es el valor real (medido) de P<0>. Así, en la Figura 2, “e(t)” es la diferencia entre el valor deseado y el real de P<0>, según la expresión: e(t)= r(t) - y(t).

El valor “e(t)” se alimenta al bucle de control PID. Después de ser procesado por el correspondiente módulo de bucle de control PID (5), se obtiene un valor de control (señal de corrección) “u(t)” y se alimenta a la bomba de presión (6) actuando sobre la presión del tanque, P<0>.

La señal de corrección, “u(t)” obtenida por el módulo de bucle de control PID es:

En la expresión anterior, “Kp” representa el coeficiente del submódulo proporcional del PID; “K<i>” representa el coeficiente del submódulo integral del PID, y; “Kd” representa el coeficiente del submódulo derivativo del PID”.

El objetivo del módulo de bucle de control PID (5) es que sea capaz de corregir la desviación en el caudal de resina deseado, Q, en el mínimo tiempo posible, mitigando así el efecto de cualquier perturbación que actúe sobre el proceso de infusión de resina.

El módulo de bucle de control PID (5) regula el proceso de infusión de resina gracias a un sensor (11) y un actuador (10).

El sensor (11) mide el estado actual (por ejemplo, el valor de presión real, P<0>, en el tanque de resina (1)) de la línea de infusión de resina y proporciona una señal analógica o digital (representativa de este estado) a una unidad de control (12) del módulo de bucle de control PID (5).

La unidad de control (12) genera la señal que gobierna el actuador (10). La unidad de control (12) recibe una señal externa del valor a alcanzar (punto de ajuste) (por ejemplo, el valor de presión deseado/objetivo en el tanque de resina (1)) del cual se resta la señal del punto actual (medición), obteniendo así la señal de error e (t). La unidad de control (12) utiliza la señal de salida u(t) (llamada de variable manipulada) para accionar el actuador (10). Esta señal debe transformarse para que sea compatible con el actuador (10) utilizado.

El actuador (10) modifica el sistema (por ejemplo, actuando sobre la bomba de presión (6) del tanque (1)) de forma controlada.

La parte proporcional del bucle de control PID tiene como objetivo hacer que el error en estado estable se acerque a cero. Existe un valor límite en el coeficiente proporcional, Kp, a partir del cual, en algunos casos, el sistema alcanza valores superiores a los deseados. Este fenómeno se denomina sobreoscilación y, por razones de seguridad y como recomendación general, no debe superar el 30%. La parte proporcional no considera el tiempo, por lo tanto, la mejor manera de solucionar el error permanente y hacer que el sistema contenga algún componente que tenga en cuenta la variación con respecto al tiempo, es incluyendo y configurando las acciones integrales y derivativas.

El modo de control Integral del bucle de control PID permite reducir y eliminar el error en estado estacionario, provocado por perturbaciones externas y que no pueden corregirse mediante control proporcional. Su finalidad es obtener una respuesta estable del sistema sin error estacionario, es decir, obviar el inconveniente del offset (desviación permanente de la variable respecto al set point) de la banda proporcional.

La acción derivativa del bucle de control PID permite mantener el error al mínimo corrigiéndolo proporcionalmente con la misma velocidad que se produce y evitando así que el error aumente. Un proceso inestable corresponde a un tiempo de acción derivado grande. Cuando el tiempo de acción derivado es pequeño, la variable oscila demasiado en relación al set point. La acción derivada es poco utilizada debido a la sensibilidad al ruido que manifiesta y las complicaciones que esto conlleva. El tiempo óptimo de acción derivada es aquel que devuelve la variable al punto de consigna con las mínimas oscilaciones.

Para lograr un caudal de resina constante durante todo el proceso de infusión, se utiliza preferentemente el PID para actuar sobre la presión del tanque, lo que según la Ecuación 2 permite actuar sobre el flujo de la línea de infusión.

Al integrar la Ecuación 2, se obtiene el siguiente valor analítico aproximado para el tiempo total de llenado del molde:

donde "DP" representa la caída de presión entre los puntos B y D antes mencionados de la línea de infusión de resina.

Una vez presentadas las ecuaciones básicas que rigen el proceso de infusión de resina de una instalación de infusión de resina de una sola línea, ahora se presenta una explicación esquemática del proceso de infusión de resina de una instalación de infusión de resina de 3 líneas, haciendo referencia a la Figura 3.

Al igual que ocurre con el proceso de infusión de resina de una sola línea, el circuito “tanque -tubería-molde” se considera un circuito lineal unidimensional y perfectamente sellado (no existen fugas de resina ni en el tanque (1), tuberías (3), válvulas (7, 8) ni moldes (2)).

Se realiza un equilibrio de presión a lo largo de una línea de flujo {A, B, Ci, D} (ver Ecuación 5), donde el subíndice "i" varía de 1 a 3, dependiendo del número de la línea de infusión.

En el punto A se considera la energía potencial de la columna de resina dentro del tanque (1), donde “ p” representa la densidad de la resina, y; “h” representa la altura de la columna de resina dentro del tanque (1).

Entre los puntos A y B se considera la caída de presión en la tubería de distribución (31) debido a la viscosidad de la resina, según la relación de Poiseuille (donde “r|” representa la viscosidad de la resina; “R” representa el radio de la tubería de distribución; “L” representa la longitud de la tubería de distribución, y “Q” el flujo másico en la tubería de distribución (31)).

Entre los puntos B y Ci, se considera la caída de presión en la tubería (32) “ i”, debido a la viscosidad de la resina, según la relación de Poiseuille (donde “ r|” representa la viscosidad de la resina; “ri” representa el radio de la tubería de conducción; “ li” representa la longitud de la tubería de conducción y “Qi” el flujo másico en la tubería de conducción (32)).

Entre los puntos Ci y D, la caída de presión dentro del molde (2) “i” se modela según la relación de Darcy, asumiendo que el molde (2) es poroso (donde “ki” representa la permeabilidad del molde (2)” i” y “Si” representa la sección transversal del molde (2) “i”). El punto D está conectado a una bomba de vacío (4) que genera una presión “P vac” cercana a cero.

Finalmente se puede establecer el siguiente sistema de ecuaciones, donde “zi” representa la longitud que ha alcanzado la resina dentro del molde (2) “i”.

¿

Resolviendo el sistema de ecuaciones anterior (Ecuación 5), se obtiene la siguiente expresión:

donde "DP" representa la caída de presión entre los puntos A y D antes mencionados de la instalación de infusión de resina.

También se puede formular la siguiente expresión, basada en el principio de masa constante dentro de toda la instalación de infusión de resina:

Además, expresando la longitud de la resina en el interior del molde (2) en función de la masa de resina introducida en el molde (2).,zt = —pS¡(donde “mi” representa la masa de resina dentro del molde “i” en un momento particular), la Ecuación 6 se puede reescribir de la siguiente manera:

donde

Combinando la Ecuación 7 y la Ecuación 8, el flujo másico en toda la instalación de infusión de resina se puede expresar de la siguiente manera:

Mediante un software de simulación se puede discretizar el tiempo (donde tj<+1>= tj dt) y resolver las ecuaciones antes mencionadas de forma iterativa. Se sigue el siguiente esquema:

En el momento “j ”, se conocen las masas “mu” de resina introducidas en cada molde (2) “i”. Luego, los coeficientes “Ai,j” se calculan mediante la Ecuación 8b.

Una vez calculados los coeficientes “A¡,j”, se obtiene el flujo másico total sobre toda la instalación de infusión de resina, mediante la Ecuación 9.

Gracias a la Ecuación 8a se obtienen los flujos parciales sobre cada línea “ i”. Estos fl ujos parciales permiten obtener los incrementos de masa “diriij” en el molde “ i” en el momento “j ”. Por último, se obtiene la masa “iriij+i” en cada molde (2) “ i” en el momento “j+1” (tj+i).

La Figura 4 muestra un diagrama esquemático de un bucle de control tipo PID para la instalación de infusión de resina de 3 líneas.

Como se introdujo anteriormente, controlar de forma independiente cada línea de infusión “i” es inviable debido a su extrema complejidad, ya que implicaría dotar a cada línea en particular de su propio inyector y evacuación de resina particular para poder controlar de forma independiente el caudal de resina en cada línea particular “i”. Es por esto que se prefiere una acción de control sobre la presión del tanque, como se muestra en la Figura 4 con el módulo de bucle de control (5) actuando sobre la bomba de presión (6) del tanque (1).

El valor de presión en el tanque de resina (1), P<0>, se puede expresar en función del valor deseado para el caudal de resina, Q, que fluye fuera del tanque de resina (1) (y que se desea mantener constante), como sigue:

Esta es una ecuación dinámica que relaciona P<0>y Q, en función de algunas magnitudes que varían con el tiempo, como h,<z>¡ and Ai. Dado que estas últimas magnitudes variables se pueden determinar con precisión a lo largo del tiempo gracias a sensores y procesadores, la relación dinámica entre P<0>y Q expresada por la Ecuación 10 se puede determinar con precisión en cada momento durante el proceso de infusión de resina. Por tanto, el valor objetivo P<0>se puede determinar en cada momento.

Como ya se ha dicho, el objetivo del presente método de control de la infusión de resina es finalizar simultáneamente la infusión de resina en todos los moldes (2) de la instalación de infusión de resina, pudiendo así introducir todas las piezas compuestas en el horno simultáneamente e iniciar la curado de resina al mismo tiempo.

Dado que cada molde (2) tiene un tamaño particular para la pieza compuesta particular que se va a fabricar, se sigue un esquema de llenado secuencial para iniciar la infusión de resina en cada molde (2) “i” particular.

Una primera aproximación es iniciar la infusión de resina en cada molde (2) “i” tomando como referencia el mayor volumen del molde (V1) (es decir, el molde (2) en el que la infusión de resina tarda más tiempo). El proceso comienza infundiendo resina en el molde más grande (21). Cuando el volumen restante (v1) a llenar con resina en el molde más grande (21) es igual al volumen del segundo molde más grande (22) (es decir, v1= V1 - V2), entonces comienza la infusión de resina en el segundo molde más grande (22). Finalmente, cuando el volumen restante (v1) a llenar con resina en el molde más grande (21) es igual al volumen del molde más pequeño (23) (es decir, v1= V1 - V3), entonces comienza la infusión de resina en el molde más pequeño (23). Este enfoque se muestra esquemáticamente en la Figura 5. Sin embargo, con este enfoque, los resultados experimentales muestran (ver Figura 6) que el final simultáneo del proceso de infusión de resina en cada línea "i" aún no se logra satisfactoriamente.

En la Figura 6, T1 representa el tiempo que lleva llenar completamente el molde más grande (21), T2 representa el tiempo que lleva llenar completamente el segundo molde más grande (22) y T3 representa el tiempo que lleva llenar completamente el molde más pequeño (23), con el enfoque de llenado descrito anteriormente. Además, en la Figura 6, Q representa el flujo másico de referencia que se mantendrá constante saliendo del tanque de resina (1), mientras que Q1 representa el flujo másico en las tuberías de conducción (32) que conectan respectivamente la tubería de distribución (31) con el molde más grande (21), el segundo molde más grande (22) y el molde más pequeño (23).

Otra solución es calcular por separado el tiempo que lleva llenar completamente de resina cada uno de los moldes (2) “i”.

De manera análoga a lo que se ha hecho para obtener la Ecuación 4, integrando la Ecuación 2, el tiempo de llenado de cada molde (2) “ i” se expresa mediante la siguiente expresión:

donde “mi” representa la masa de resina dentro del molde (2) “ i” cuando dicho molde “i” está completamente lleno de resina.

Luego, se clasifican los moldes (2) según el tiempo que se tarda en llenar cada uno de ellos con resina. Mediante la Ecuación 11 se calculan los tiempos T1, T2, T3, que se necesitan para llenar respectivamente el molde de resina más grande (21), el segundo molde de resina más grande (22) y el molde de resina más pequeño (23). Cuando el tiempo restante para un llenado completo del molde de resina más grande (21) es igual al tiempo para llenar el segundo molde de resina más grande (22) (t= T<1>- T<2>), entonces se inicia la infusión en el segundo molde de resina más grande (22). Por último, cuando el tiempo restante para un llenado completo del molde de resina más grande (21) es igual al tiempo para llenar el molde de resina más pequeño (23) (t= T<1>- T<3>), entonces se inicia la infusión en el molde de resina más pequeño (23).

En la Figura 7 se muestra esquemáticamente que, siguiendo el planteamiento mencionado en el párrafo anterior, el proceso de infusión de resina en cada uno de los moldes de resina (2) finaliza de forma casi simultánea.

El llenado secuencial de los moldes se consigue mediante un controlador (9), que gobierna la apertura/cierre de las válvulas de entrada (8) de los moldes (2). El controlador (9) también puede gobernar la apertura/cierre de la válvula principal (7) que controla el flujo de resina que sale del tanque (1).

Finalmente, ajustando el valor de referencia del caudal, Q, se obtiene el valor de referencia de P<0>(señal de referencia “r(t)” en la Figura 2), y el tiempo para llenar completa y simultáneamente todos los moldes de resina (2) puede reducirse drásticamente en comparación con un proceso de infusión de resina sin bucle de control PID.

Claims

REIVINDICACIONES 1. Método para controlar un proceso de infusión de resina que comprende infundir un flujo de resina desde un tanque de resina (1) en una pluralidad de moldes (2),caracterizadopor que el método comprende: - clasificar los moldes (2) según sus respectivos volúmenes, y; - llenar secuencialmente los moldes (2) con resina, comenzando por el molde (2) de mayor volumen; donde el método implica estimar el tiempo que lleva llenar completamente con resina cada molde (2) de la pluralidad de moldes (2), y; después de haber comenzado con la infusión de resina en el molde (2) de mayor volumen, iniciar la infusión de resina en un molde particular (2) adicional cuando el tiempo estimado restante para el llenado completo del molde (2) de mayor volumen sea igual al tiempo estimado para el llenado completo de ese molde (2) particular adicional de la pluralidad de moldes (2); donde el método comprende realizar la etapa de actuar sobre una bomba de presión del tanque (1) para lograr un valor objetivo de la presión, P<0>, dentro del tanque (1), este valor objetivo de la presión, P<0>, dentro del tanque (1) permitiendo mantener un caudal constante, Q, que fluye fuera del tanque (1), donde realizar esta etapa comprende: - establecer un valor predeterminado, Q, para el caudal de resina que fluye fuera del tanque (1) y que debe mantenerse constante; - calcular un valor de presión objetivo, P<0>, en el tanque (1), derivado del valor predeterminado, Q; - medir el valor de presión real, y(t), dentro del tanque (1); - calcular la diferencia, e(t), entre el valor de presión objetivo, P<0>, en el tanque (1) y el valor de presión real, y(t), en el tanque (1); - calcular una orden de control PID, u(t), derivada de la diferencia calculada, e(t), y; - introducir la orden de control, u(t), en un actuador (10) que actúa sobre la bomba de presión (4) del tanque (1).
2. Método de control de un proceso de infusión de resina según la reivindicación 1,caracterizadoporque el tiempo,tfin., para el llenado completo de cada molde (2) "i" de la pluralidad de moldes (2) se estima según la siguiente fórmula:

donde: prepresenta la viscosidad de la resina; prepresenta la densidad de la resina; Lrepresenta la longitud de la tubería de distribución (31) que se extiende desde el tanque de resina (1) hasta cada tubería de conducción (32); Rrepresenta el radio de la tubería de distribución (31); representa la longitud de la tubería de conducción (32) que se extiende desde la tubería de distribución (31) hasta el molde (2) “i”; rtrepresenta el radio de la tubería de conducción (32); Strepresenta la sección equivalente del molde (2) “ i”; fctrepresenta la permeabilidad del molde (2) “i”; m¡ representa la masa de resina dentro del molde (2) “i” cuando dicho molde (2) “i” está completamente lleno de resina, y; DPrepresenta la caída de presión entre el fondo del tanque de resina (1) y una bomba de vacío (4) conectada a todos los moldes (2) de la pluralidad de moldes (2).
3. Método para controlar un proceso de infusión de resina según la reivindicación 1,caracterizadoporque el valor de presión objetivo, P<0>, derivado del valor predeterminado, Q, para el caudal de resina que sale del tanque (1), se calcula según la siguiente fórmula:

donde: prepresenta la viscosidad de la resina; prepresenta la densidad de la resina; rtrepresenta el radio de la tubería de conducción (32) en la línea de resina “i”; l¿representa la longitud de la tubería de conducción (32) en la línea de resina “i”; Rrepresenta el radio de la tubería de distribución (31); Lrepresenta la longitud de la tubería de distribución (31); S¿representa la sección del molde (2) en la línea de resina “ i”; ktrepresenta la permeabilidad del molde (2) en la línea de resina “ i”; ztrepresenta la distancia que ha avanzado la resina dentro del molde (2) en la línea de resina “ i” en cada momento particular; hrepresenta la altura de la columna de resina desde la superficie de resina dentro del tanque de resina (1) hasta el fondo del tanque de resina (1) en cada momento particular; Pvacrepresenta la presión generada por la bomba de vacío (4) conectada a todos los moldes (2); grepresenta la aceleración de la gravedad; Qrepresenta el valor predeterminado del caudal de resina que fluye fuera del tanque (1) y que debe mantenerse constante; P0representa el valor objetivo de la presión en el tanque (1); yAtrepresenta un coeficiente de línea de resina que se calcula según la siguiente expresión:

dondemtrepresenta la masa que ha entrado al molde (2) en la línea de resina “ i” en cada momento particular;
4. Sistema de infusión de resina que comprende un tanque de resina (1), una pluralidad de moldes (2), una tubería de distribución (31) que conecta el tanque de resina (1) con una pluralidad de tuberías de conducción (32), cada tubería de conducción (32) conectando la tubería de distribución (31) con un molde (2) de la pluralidad de moldes (2); una bomba de vacío (4) conectada a los moldes (2); una bomba de presión (6) conectada al tanque de resina (1); una válvula principal (7) conectada a la salida del tanque de resina (1) para controlar el flujo de resina a la tubería de distribución (31),caracterizadopor que el sistema de infusión de resina comprende adicionalmente: - una pluralidad de válvulas de entrada del molde (8), estando cada válvula de entrada del molde (8) conectada entre cada tubería de conducción (32) y cada molde (2); - un controlador (9) conectado a cada válvula de entrada del molde (8); en el que el controlador (9) está configurado para realizar el método de controlar un proceso de infusión de resina según las reivindicaciones 1 ó 2; donde el sistema de infusión de resina comprende un sensor de presión (11) dentro del tanque de resina (1) y un módulo de bucle de control PID (5), comprendiendo el módulo de bucle de control PID (5) una unidad de control (12) y un actuador (10), estando configurada la unidad de control (12) para calcular la orden de control PID de la reivindicación 1 y para introducir la orden de control PID en el actuador (10), estando configurado el actuador (10) para actuar sobre la bomba de presión (6). del tanque de resina (1).
5. Método implementado por ordenador para controlar un proceso de infusión de resina, para infundir resina desde un tanque de resina (1) en una pluralidad de moldes de resina (2),caracterizadopor que el método implementado por ordenador comprende los pasos de: - adquirir un valor para el volumen de cada molde (2) de la pluralidad de moldes de resina (2); - organizar una lista de moldes de resina (2) ordenados según los volúmenes adquiridos, donde el primer molde (2) de la lista es el molde (2) de mayor volumen y el último molde (2) de la lista es el molde (2) con menor volumen; - estimar el tiempo que lleva llenar completamente cada molde (2); - generar una pluralidad de órdenes de llenado secuenciadas para llenar los moldes de resina (2), comenzando con la orden de llenado para el molde (2) con mayor volumen, en donde la orden de llenado para llenar un molde (2) particular adicional se genera una vez que el tiempo transcurrido desde la orden de llenado para el molde (2) con mayor volumen es igual al tiempo estimado para llenar completamente ese molde (2) particular adicional; donde el método implementado por ordenador comprende generar una orden de actuación para controlar la presión,P0,generada por una bomba de presión (4) conectada al tanque de resina (1), para controlar un caudal de resina, Q, que fluye desde el tanque de resina (1), en donde generar la orden de actuación para controlar la presión,P0,comprende los pasos de: - determinar un valor deseado, Q, para el caudal de resina que fluye fuera del tanque (1) y que debe mantenerse constante; - calcular un valor de presión objetivo, P<0>, en el tanque (1), derivado del valor predeterminado, Q; - adquirir el valor de presión real, y(t), dentro del tanque (1); - calcular la diferencia, e(t), entre el valor de presión objetivo, P<0>, en el tanque (1) y el valor de presión real, y(t), en el tanque (1); - calcular una orden de control PID, u(t), derivada de la diferencia calculada, e(t), y; - introducir la orden de control, u(t), en un actuador (10) que actúa sobre la bomba de presión (4) del tanque (1).6
6. Método implementado por computadora para controlar un proceso de infusión de resina según la reivindicación 5,caracterizadoporque estimar el tiempo que se tarda en llenar completamente cada molde (2) comprende:: - adquirir los siguientes datos: un valor,p,para la viscosidad de la resina; un valor,p,para la densidad de la resina; un valor,L,para la longitud de una tubería de distribución (31) que se extiende desde el tanque de resina (1) hasta cada tubería de conducción (32); un valor,R,para el radio de la tubería de distribución (31); una pluralidad de valores, , para la longitud de cada tubería de conducción (32) que se extiende desde la tubería de distribución (31) hasta cada molde (2) “ i”; una pluralidad de valores, r¡, para el radio de cada tubería de conducción (32); una pluralidad de valores,St,para la sección equivalente de cada molde (2) “i”; una pluralidad de valores,kt , para la permeabilidad de cada molde (2) “i”; una pluralidad de valores, m¡, para la masa de resina dentro de cada molde (2) “ i” cuando dicho molde (2) “i” está completamente lleno de resina; un valor,DP,para la caída de presión entre el fondo del tanque de resina (1) y una bomba de vacío (4) conectada a todos los moldes (2) de la pluralidad de moldes (2); y - estimar el tiempo,t¡lnque lleva llenar completamente cada molde (2), “i” de acuerdo con la siguiente fórmula:
7. Método implementado por ordenador para controlar un proceso de infusión de resina según la reivindicación 6,caracterizadoporque adquirir el valor,DP,para la caída de presión entre el fondo del tanque de resina (1) y una bomba de vacío (4) conectada a todos los moldes ( 2) de la pluralidad de moldes (2) comprende las etapas de: - adquirir un valor,P0,para la presión dentro del tanque de resina (1); - adquirir un valor,Pvac,para la presión generada por la bomba de vacío (4), y; - calcular el valor,DP,de acuerdo con la siguiente fórmula:

donde grepresenta la aceleración de la gravedad, y; hrepresenta la altura de la columna de resina, desde la superficie de la resina dentro del tanque de resina (1) hasta el fondo del tanque de resina (1).
8. Método implementado por computadora para controlar un proceso de infusión de resina según la reivindicación 5,caracterizadoporque comprende adquirir los siguientes datos: un valorgpara la viscosidad de la resina; un valorppara la densidad de la resina; un valorrtpara el radio de la tubería de conducción (32) en la línea de resina “i”; un valorlipara la longitud de la tubería de conducción (32) en la línea de resina “ i”; un valorRpara el radio de la tubería de distribución (31); un valorLpara la longitud de la tubería de distribución (31); un valorSipara la sección del molde (2) en la línea de resina “i”; un valorktpara la permeabilidad del molde (2) en la línea de resina “i”; un valorztpara la distancia que ha avanzado la resina dentro del molde (2) en la línea de resina “ i” en cada momento particular; un valorhpara la altura de la columna de resina desde la superficie de resina dentro del tanque de resina (1) hasta el fondo del tanque de resina (1) en cada momento particular; un valorPvacpara la presión generada por la bomba de vacío (4) conectada a todos los moldes (2); un valorgpara la aceleración de la gravedad; el valor deseadoQpara el caudal de resina que fluye fuera del tanque (1) y que debe mantenerse constante; un valormtpara la masa que ha entrado al molde (2) en la línea de resina “i” en cada momento particular; en el que el método implementado por ordenador comprende calcular el siguiente coeficiente de línea de resina:

y en el que el método implementado por computadora comprende calcular el valor de presión objetivo, Po, de acuerdo con la siguiente fórmula:
9. Programa informáticocaracterizadoporque comprende instrucciones que, cuando se ejecutan en un ordenador, realizan el método implementado por ordenador según cualquiera de las reivindicaciones 5 a 8.
10. Medio legible por ordenadorcaracterizadoporque comprende instrucciones que, cuando se ejecutan en un ordenador, realizan el método implementado por ordenador según cualquiera de las reivindicaciones 5 a 8.