MX2012014913A - Proceso para conformar material de trabajo plano en un producto compuesto. - Google Patents

Abstract

La presente solicitud se refiere a un método para conformar un material de trabajo en un artículo, que consiste de dos etapas primarias: (a) en la ausencia de calor adicionado, consolidar y conformar el material de trabajo en una conformación de pre-forma que usa un proceso de hidroformación dinámico que emplea una herramienta de conformación macho, rígida y una herramienta de conformación hembra, no rígida; y (b) en la presencia de calor adicionado, además consolidar y conformar el material de trabajo en la conformación final que usa por lo menos una herramienta de formación rígida adicional.

Description

PROCESO PARA CONFORMAR MATERIAL DE TRABAJO PLANO EN UN PRODUCTO COMPUESTO CAMPO DE LA INVENCIÓN El (los) presente (s) concepto (s) inventivo (s) se i refiere (n) al campo de formación o conformación de artículos, en particular la formación o conformación de artículos que usa un proceso de hidroformación para al menos una de las etapas de formación o conformación.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Los procesos de hidroformación existentes usan fluido hidráulico de alta presión para comprimir una pieza de material de trabajo contra un molde estacionario o punzón en movimiento para formar un artículo de una conformación particular. Es conocido en la técnica usar un proceso de hidroformación para conformar estructuras complejasj de las piezas de metal laminado o materiales compuestos, por ejemplo compuestos de fibra continua o de fibra tejida. Debido a la aplicación uniforme de la presión hidrostática suministrada por el proceso de hidroformación, es conocido proveer la ventaja de reducir la presencia de arrugas y pliegues en el material de trabajo conformado.

La formación de un compuesto de fibra continua o de fibra tejida de múltiples capas requiere una etapa de curado en donde se aplican presión y calor a las capas del material compuesto con el fin de comprimir y fusionar conjuntamente la Ref . : 237888 base de resina de las capas del material compuesto, éliminar los huecos de aire de entre las capas y finalmente curar o endurecer las capas del material compuesto conjuntamente. Sin embargo, los materiales de fibras típicos adecuados para hojas compuestas balísticas, por ejemplo polietiléno, se saben que se degradan cuando se someten a alto calor 1 durante un período prolongado de tiempo.

Además, los beneficios conocidos de usar un proceso de hidroformación para conformar estructuras compuestas permite al usuario evitar la colocación de cortes de compensación o alivio en el cuerpo de las capas planas del material compuesto antes del proceso de formación, que es necesario cuando se usan otros métodos de conformación conocidos con el fin de reducir el arrugamiento de las capas del material compuesto durante el proceso de formación. Una desventaja de colocar cortes de compensación en las capas planas es que la resistencia de las capas del material compuesto, en particular la resistencia de las fibras de refuerzo de las mismas, se reduce cuando se cortan las capas compuestas (es decir, las fibras de refuerzo). Así, es deseable evitar el corte en el cuerpo de las capas del material compuesto con el fin de maximizar la resistencia de estas capas. El uso de un proceso de hidroformación durante la etapa de pre- formación hace posible evitar el corte en el cuerpo de las capas compuestas planas. La técnica previa también describe la sujeción mecánica del material de trabajo dentro de la cámara de la prensa hidroformadora antes de la etapa de presurizacion con el fin de prevenir el arrugamiento del material de trabajo durante el proceso de hidroformación.

Por lo tanto, es deseable tener un proceso para t formar o conformar artículos que mejore la forma conformación formada del artículo, mientras que reduzca la duración de exposición al calor experimentado por los materiales de fibra de refuerzo y evite la necesidad de proporcionar cortes de compensación en el cuerpo de las capas del material compuesto, todo mientras que no impacte significativamente los costos asociados con la producción del artículo final.

Las referencias antecedentes relevantes incluyen la patentes de los Estados Unidos Números 5,578,158, 6,631,630 y 7,862,323.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN En un primer aspecto, la presente solicitud describe un método para conformar un material de trabajo plano en un producto compuesto que tiene una conformación final, el método que comprende: (a) en la ausencia de calor adicionado, consolidar y conformar el material de trabajo en una conformación de pre-forma que usa proceso de hidroformación dinámico que emplea una superficie una herramienta de conformación macho, rígida y una herramienta de conformación hembra, no rígida; y (b) en la presencia de calor adicionado, además consolidar y conformar el material de trabajo en la conformación final que usa por lo menos una herramienta de formación rígida adicional.

En otro aspecto, la presente solicitud se refiere a un método para conformar un material de trabajo en un producto compuesto que tiene una conformación final, el material de trabajo que incluye un material de |: matriz resinosa, el método que comprende: (a) consolidar y conformar el material de trabajo en una conformación de pre- forma que usa un proceso de hidroformación de estirado profundo que emplea una herramienta de conformación macho, rígida y una herramienta de conformación hembra, no rígida, la consolidación y conformación que se presentan abajo¡ de una temperatura crítica del material de matriz resinosa; y (b) además consolidar y conformar el material de trabajo en la conformación final que usa por lo menos una herramienta de formación rígida adicional, la consolidación y conformación adicionales que se presentan en o arriba de la temperatura crítica.

En todavía otro aspecto, la presente solicitud se refiere a un método para conformar un material de 'trabajo plano en un producto compuesto que tiene una conformación final, el método que comprende: (a) en la ausencia de calor adicionado, consolidar y conformar el material de trabajo en una conformación de pre- forma que usa un proceso de hidroformación dinámico que emplea una herramienta rígida y una herramienta no rígida; y (b) en la presencia de calor adicionado, además consolidar y conformar el material de trabajo en la conformación final que usa por lo menos una herramienta de formación rígida adicional.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS Los conceptos inventivos descritos aquí serán l¡ descritos después en la presente en conjunción con las figuras adjuntas en donde números similares denotan elementos semejantes.

La FIG. 1 es una vista en corte o seccional de un material de trabajo no conformado ubicado en una máquina de hidroformación en un estado no presurizado antes de un paso de conformación de una etapa de pre- formación; la FIG. 2 es una vista en corte de la máquina de hidroformación de la FIG. 1 en un estado presurizado antes del paso de conformación de la etapa de pre-formación; la FIG. 3 es una vista en corte de la máquina de hidroformación de la FIG. 1 en un estado presurizado durante el paso de conformación de la etapa de pre- formación; la FIG. 4 es una vista en corte de la máquina de hidroformación de la FIG. 1 en un estado presurizado; después i del paso de conformación de la etapa de pre-formaciónj; la FIG. 5 es una vista en corte de la máquina de hidroformación de la FIG. 1 en un estado no presurizado después del paso de conformación de la etapa de preformación; la FIG. 6 es una vista en corte del material de trabajo pre-formado ubicado en una máquina de terminado en un estado no presurizado antes de la etapa de formación final del material de trabájela FIG. 7 es una vista en corte de la máquina de 1 terminado de la FIG. 6 en un estado presurizado durante el paso de conformación de la etapa de formación final; y la FIG. 8 es una vista en corte de la máquina de terminado de la FIG. 6 en un estado no presurizado después del paso de conformación de la etapa de formación final.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN La descripción detallada consecuente provee modalidades ejemplares preferidas únicamente, y no se J propone jl para limitar el alcance, aplicabilidad o configuración del (los) concepto (s) inventivo (s) enseñado (s) aquí. Más bien, la descripción detallada consecuente de las modalidades ejemplares preferidas proveerá a aquellos expertos en la técnica con una descripción habilitante para implementar las modalidades ejemplares preferidas del (los) concepto (s) inventivo (s) . Se debe entender que se pueden hacer varios cambios en la función y arreglo de los elementos sin apartarse del espíritu y alcance del (los) concepto (s) inventivo (s) , como se expone en las reivindicaciones adjuntas .

Para ayudar en la descripción del (los) concepto (s) inventivo (s) , se pueden utilizar términos de dirección en la invención y en las reivindicaciones para describir porciones del (los) presente (s) concepto (s) inventivo (s) (por ejemplo, superior, inferior, izquierda, derecha, etc.).. Estas definiciones de dirección se proponen meramente para ayudar en la descripción y reivindicación del (los) concepto (s) inventivo (s) y no se proponen para limitar ¡el (los) concepto (s) inventivo (s) de ninguna manera. Además, los números de referencia que se introducen en la invención en asociación con una figura de dibujo se pueden repetir en una o más figuras subsecuentes sin descripción adicional en la invención con el fin de proporcionar contexto para otras características.

En esta solicitud, "pre-formación" se define como la conformación de una pieza de material de trabajo para aproximarse a una conformación terminada deseada de un artículo .

En esta solicitud, "material de trabajo" se define como una o más capas de material de las cuales se forma un artículo de manufactura, por ejemplo un material compuesto. El material compuesto es de preferencia hojas preimpregnadas , como se discute adicionalmente enseguida. El material de trabajo puede ser plano, o de cualquier otra conformación inicial, para propósitos de la presente descripción, i La presente solicitud describe un proceso para formar o conformar artículos compuestos que comprende dos etapas primarias: (1) una primera etapa que comprende la pre-formación de una pieza de material de trabajo al japlicar presión en la ausencia de calor adicionado para aproximarse a una conformación terminada deseada de un artículo (es decir, una "conformación de pre-forma" ) ; y (2) una segunda etapa que comprende la conformación o formación final de la pieza de material de trabajo en un artículo de conformación final al aplicar presión y calor adicionado. Distinto a la 'técnica previa, el presente proceso no requiere un dispositivo de sujeción mecánico para sostener la posición del material de trabajo dentro de la cámara de la prensa hidrofórmadora durante la etapa de hidroformación. En el presente proceso, j, una membrana de la prensa hidroformadora provee toda la fuerza de sujeción aplicada al material de trabajo durante la etapa de hidroformación .

En una modalidad de acuerdo con el presente concepto inventivo, el artículo terminado deseado es un casco que tiene cualidades balísticas para el uso, por ejemplo, por pilotos y soldados de infantería. En esta modalidad, el material de trabajo puede comprender múltiples hojas de fibras compuestas que se pre- impregnan dentro de un material de matriz o resina (después en la presente referidas como "hojas pre-preg"). La matriz de las hojas pre-preg se usa para mantener la orientación relativa de las fibras dentro de las hojas, de pre-preg, para proveer un fundamento o base para la integridad estructural de las hojas pre-preg, y - como se discute adicionalmente enseguida - para unir múltiples hojas de pre-preg entre sí durante un proceso de curado. En algunas i modalidades de acuerdo con el (los) presente (s) conáepto(s) inventivo (s) , las hojas pre-preg pueden tener una conformación plana inicial.

En algunas modalidades de acuerdo con el (los) presente (s) concepto (s) inventivo (s) , las fibras compuestas de las hojas pre-preg pueden estar comprendidas de polietileno de ultra alto peso molecular ("UHMWPE", por sus siglas en inglés) . Ejemplos comerciales notables de UHMWPE incluyen SPECTRAMR hecho por Honeywell International Inc . , y DYNEEMAMR hecho por Royal DSM N.V., ambos de los cuales se venden en la forma de hojas pre-preg que tienen orientaciones de fibra uni-direccionales ("pre-preg UD").

En modalidades alternas, el material de , trabajo podría comprender un material metálico, un material de aramida, un material de carbono, un material compuesto a base de plástico (que puede se pre-preg UD) , o cualquiera de las combinaciones de los mismos. En algunas modalidades, el material de trabajo podría comprender un material fibroso (por ejemplo, pre-preg, aramida) y un material no fibroso (por ejemplo, carbono, metal) . En modalidades alternas adicionales, el material de trabajo podría comprender por lo menos una hoja pre-preg, por lo menos una capa de un material compuesto a base de aramida, y por lo menos una capa de un material compuesto a base de carbono que se configuran como un "apilamiento hacia arriba" o "colocación hacia arriba" que tiene la(s) hoja(s) pre-preg en el núcleo, la por lo menos una capa de material compuesto a base de aramida ! ubicada sobre uno o ambos lados de la(s) hoja(s) pre-preg, y la por lo menos una capa de material compuesto a base de carbono que forma la(s) capa(s) más exterio (es) del apilamiento hacia arriba. En una modalidad ejemplar, la por lo menos una capa de material compuesto a base de aramida comprende una1 primera y segunda capas compuestas a base de aramida y lá por lo menos una capa de material compuesto a base de 1 carbono comprende la primera y segunda capas compuestas a , base de carbono, y el material de trabajo se arregla en una configuración apilada que tiene el siguiente orden desde una capa superior de la configuración apilada a una capa ide fondo de la configuración apilada: la primera capa compuesta a base de carbono, la primera capa compuesta a base de aramida,- la por lo menos una hoja pre-peg; la segunda capa compuesta a base de aramida; y la segunda capa compuesta a base de carbono.

En modalidades alternas adicionales, el material de trabajo puede comprender una primera capa pre-peg unidireccional que tiene una primera orientación de fibras y una segunda capa pre-peg uni-direccional que tiene una segunda orientación de fibra, en donde la primera y segunda orientaciones de fibra son ortogonales (es decir, arregladas en 90 grados entre sí) . ! Un reto notable asociado con la conformación o formación de artículos de las hojas de pre-peg es trasladar las características de desempeño del material de trabajo al artículo final deseado mientras que se minimice la degradación en las caracte ís icas de desempeño del material de trabajo tanto como sea posible. Además, es deseable lograr este objetivo, mientras que no se incrementen significativamente los costos asociados con la producción del artículo final.

Cuando una prensa hidroformadora no se usa para pre- formar un material compuesto, o si se omite la etapa de pre-formación, puede ser necesario colocar cortes de compensación o de alivio en los cuerpos de las capas planas del material compuesto antes del proceso de formación para reducir el arrugamiento de las capas del material compuesto durante el proceso de pre-formación. Una desventaja de colocar estos cortes de compensación en los cuerpos; de las capas planas del material compuesto es que la resistencia de las capas del material compuesto, en particular la resistencia de las fibras de refuerzo de las mismas, se reduce cuando se recortan las fibras de refuerzo de cada capa. Las fibras de refuerzo de las capas del material compuesto mantienen su integridad máxima cuando se mantienen en su longitud no cortada, completa. Así, es deseable evitar la elaboración de cortes de compensación en las capas del material compuesto con el fin de maximizar la resistencia de estas capas . El uso de una prensa hidroformadora en la etapa de pre- formación hace innecesario colocar estos cortes de compensación en las capas del material compuesto.

De acuerdo con el (los) presente (s) concepto (s) inventivo (s) , antes de la etapa de pre- formación, puede ser deseable pre-recortar las capas planas del material compuesto en una conformación plana apropiada que corresponde con la conformación no plana del artículo pre-formado, deseado. Por ejemplo, si el artículo pre-formado deseado tiene una conformación aproximadamente hemi-esférica, entonces las capas planas del material compuesto se pueden pre-recórtar en conformaciones circulares antes del proceso de pre-formación . De manera similar, si el artículo pre-formado deseado tiene una conformación ovoide, entonces las capas planas del material compuesto se pueden cortar en la conformación ovalada correspondiente antes del proceso de pre-formación. Se debe poner en claro, como se mencionó en el párrafo previo, que en algunas modalidades no se requieren que sean hechos cortes en el cuerpo de las capas planas del material compuesto. En otras palabras, en algunas modalidades, no se hacen cortes en el perímetro de la conformación pre-recortada de las capas planas del material compuesto. En modalidades alternas, los cortes se pueden hacer en el cuerpo¡¡ de las capas planas del material compuesto, por ejemplo, donde es deseable reducir la cantidad de materiales de desperdicio producidos como un resultado del proceso de pre-formación.

Con referencia ahora generalmente a las FIGS. 1-8, un método ejemplar para formar un artículo será descrito después en la presente. Las FIGS. 1-5 representan los pasos de acuerdo con la primera etapa, es decir, de pre- formación del método, y las FIGS. 6-8 representan los pasos de acuerdo con la segunda etapa, es decir, de formación final del método.

La FIG. 1 representa una vista en corte de una pieza de material de trabajo 10 ubicada en una máquina de hidroformación 20 antes del paso de conformación de la etapa de pre-formación. En esta modalidad, el material de trabajo 10 comprende una o más hojas planas. En esta etapa, una cámara 26 de la máquina 20 está en un estado no presurizado, es decir, en una presión atmosférica aproximadamente normal. A lo largo de su extremo de fondo la cámara 26 incluye una membrana 23. En esta etapa, la cámara 26 está no presurizada tal que la membrana 23 no está en contacto con el material de trabajo 10. Una prensa hidroformadora conocida, por ejemplo, una prensa marca TRIFORMMR hecha por Pryer Technology Group of Tulsa, Oklahoma, EUA, podría ser emplead para la etapa de pre- formación . En el extremo de fondo de la cámara 26 está una abertura de punzón 33, que se sobrepone por un anillo de estirado 11 que tiene una abertura 13 en el centro del mismo. La abertura 13 del anillo de estirado 11 se conforma para corresponder con la conformación de un extremo superior 34 del punzón 32, y es más pequeña que la abertura de punzón 33. La abertura 13 del anillo de estirado 11 se dimensiona cuidadosamente para ser solo escasamente más grande que las dimensiones del punzón 32, que además se discute enseguida. Por ejemplo, la diferencia en los anchos de la abertura 13 y el punzón 32 puede estar en el orden de 0.0254-0.102 centímetros (0.0100-0.0400 pulgadas). El ajuste hermético entre el punzón 32 y la abertura 13 del anillo de estirado 11 impide que el material de trabajo 10 sea empujado hacia abajo en la abertura de punzón 33 cuando se presuriza la cámara 26, siempre y cuando el punzón 32 se haya colocado previamente en una posición para llenar y formar de manera suficiente un sello de presión dentro de la abertura de punzón 33. Se debe entender que la combinación del anillo de estirado 11 y el punzón 32 puede ser cambiable para crear artículos pre-formados de diferentes conformaciones y tamaños.

La FIG. 2 representa una vista en corte de la máquina 20 después de que la cámara .26 se ha presurizado parcialmente por medio de la adición de fluido hidráulico a la cámara 26 por la vía del conducto de fluido 30. El fluido hidráulico, por ejemplo, puede ser un aceite, aunque también son adecuados otros fluidos hidráulicos conocidos . Durante la etapa de pre- formación, la cámara 26, por ejemplo, püede ser inicialmente presurizada a una cantidad entre 1.72*106-3.45*106 Pascales (250-500 p.s.i), aunque también se ! podrían aplicar cantidades más altas o más bajas de presión inicial. Como un resultado de la presurización de la cámarai 26, la superficie exterior 24 de la membrana 23 entra en contacto con y suministra presión a la superficie interior completa 12 del material de trabajo 10. Como se menciona enseguida, en algunas modalidades, la presión en la cámara 26 podría ser incrementada gradualmente a medida que el material de trabajo 10 se conforma por la vía de un punzón 32 de la máquina 20.

Las FIGS . 3 y 4 representan vistas en corte de la máquina 20 durante y después del paso de conformación de la etapa de pre- formación, respectivamente. Durante el paso de conformación, un punzón accionado hidráulicamente 32 de la máquina 20 se prensa hacia arriba contra la superficie exterior 14 del material de trabajo 10. El punzón 32 de esta manera sirve como una herramienta de conformación macho, rígida. En esta modalidad, un extremo superior 34 del punzón 32 se provee en una conformación que se aproxima a la conformación de la conformación final del artículo que es formado, es decir, un casco. La conformación del extremo superior 34 del punzón 32 puede, pero no necesariamente, representar la conformación exacta del artículo terminado deseado. A medida que el punzón 32 se mueve hacia arriba contra la superficie exterior 14 del material de trabajo 10 y dentro de la cámara 26, la presión hidrostática suministrada por la membrana 23 a la superficie interior 12 del material de trabajo 10 se incrementa gradualmente, por ejemplo a una presión máxima de entre 6.89*106-1.03*108 Paséales í (1 , 000-15,000 p.s.i), y de esta manera conforma el material de trabajo 10 en un artículo pre-formado 16, como se muestra en la FIG. 4. La membrana 23 de esta manera sirve como una herramienta de conformación hembra, no rígida. En esta modalidad, el paso de prensado de la etapa de pre-formación se realiza en la ausencia de calor adicionado. Como se mencionó en lo anterior, donde el material de trábajo 10 comprende fibras de polietileno reforzadas tal como UHM PE, la ausencia de calor adicionado durante la etapa de pre-formación protege a las fibras de la exposición al calor y el daño resultante durante esta etapa.

En algunas modalidades (no mostradas) , puede ser deseable lubricar el extremo superior 34 del punzón 32, de modo que se ayuda el movimiento del punzón 32 contra el material de trabajo 10. En algunas modalidades, no puede ser I' deseable permitir que el lubricante entre en contacto directo con la superficie exterior 14 del material de trabajo! 10, por ejemplo donde no es deseable que el lubricante sea absorbido por el material de trabajo 10. En estas modalidades, se puede colocar una barrera entre el extremo superior 34 del punzón 32 y la superficie exterior 14 del material de trabajó 10. La i barrera de esta manera impide al lubricante de entrar en contacto con el material de trabajo. En modalidades alternas, el lubricante y/o barrera se pueden omitir completamente . En modalidades alternas adicionales, la barrera misma puede servir como un lubricante, por ejemplo, donde la barrera se hace un material de plástico de alto alargamiento1 u otro material adecuado.

El proceso de pre-formación se puede realizar en una serie de etapas de conformación dinámicas "escalonadas", cada etapa de conformación dinámica caracterizada ' por una posición de profundidad del punzón 32 y una cantidad incrementada, concurrente de presión generada en la cámara 26. En otras palabras, la "hidroformación dinámica" para propósitos de esta aplicación involucra un punzón dentro de la cámara de la prensa hidroformadora que se mueve (es decir, no permanece estático) con fin de conformar el artículo deseado. En algunas modalidades de acuerdo con el (los) presente(s) concepto(s) inventivo (s) , algunas o todas las etapas de conformación pueden ser separadas con una etapa de conformación de "residencia" estática durante la bual la posición del punzón 32 no se mueve y la presión en la cámara 26 se mantiene en un valor constante. Las etapas de conformación de "residencia" estática sirven para evacuar el aire de la cámara 26, para de esta manera impedir1 que la explosión del aire - es decir, combustión en la ausencia de una chispa - se presente en la cámara 26 e impedir que ocurra el daño al material de trabajo 10 o a la máquina 20. Los períodos de residencia también pueden servir para consolidar adicionalmente de manera conjunta las capas de matérial de trabajo 10 y evacuar el aire de entre estas capas.

En la modalidad mostrada en las FIGS. 1-5, el punzón 32 tiene capacidades para realizar el punzonamiento de ya sea "estirado profundo" (por ejemplo, a una profundidad de aproximadamente 25.4 centímetros/10 pulgadas)) o "estirado regular" (por ejemplo, a una profundidad de aproximadamente 17.8 centímetros/7, pulgadas) . En esta modalidad, se 1 utiliza la capacidad de estirado profundo, aunque se debe entender que la capacidad de estirado regular podría ser utilizada alternativamente. En modalidades alternativas (no mostradas), la máquina de hidroformación en la etapa de pre-formación podría ser provista sin un punzón en movimiento, y en cambio podría comprender un molde macho o hembra estacionario en la conformación (o conformación recíproca) del artículo pre-formado deseado. Este proceso de usar un molde estacionario puede ser referido como hidroformación estática, como es opuesto al proceso de la hidroformación dinámica como se discutió en lo anterior con referencia a la modalidad de las FIGS . 1-5. En cualquiera de las modalidades alternas de hidroformación estática macho o hembra, la membrana de la cámara presurizada actuaría para prensar el material de trabajo contra el molde y conformar al material de trabajo en la conformación de pre-forma deseada. En modalidades alternas adicionales, podría ser empleada una combinación de pasos de hidroformación estática y dinámica. Por ejemplo, un punzón se puede poner en posición de manera inicial ligeramente dentro de una cámara de una prensa hidroformadora tal que sirve para la función de un molde estacionario, para de esta manera ayudar a formar parcialmente el artículo cuando la cámara de la máquina se presuriza (es decir, la etapa estática) . Posteriormente, el punzón podría ser movido a medida que la conformación adicional del artículo (y opcionalmente, cambios en la presurización de la cámara) se presenta (es decir, la etapa dinámica). En todavía modalidades alternas adicionales, una prensa hidroformadora sin membrana podría ser utilizada en lugar de una prensa hidroformadora que tiene una membrana, modalidades en las cuales el material hidráulico entraría en contacto directo con el material de trabajo, a menos que el material de trabajo sea encerrado dentro de una barrera como se discutió en lo anterior.

La hidroformacion es ventajosa sobre el moldeo de metal emparejado tradicional (estampado) o en el estirado de materiales de trabajo en que la hidroformacion provee estabilidad dimensional más grande, reduce el arrugamiento de los materiales de trabajo, y reduce el trabajo con arrugamiento de los materiales de trabajo, a medida que se conforman. La hidroformacion también elimina las j fuerzas cortantes experimentadas durante el proceso de estampado ya que las partes de metal se mueven más allá entre sí. La hidroformacion logra estos resultados deseables al aplicar presión isostática, normal a todos los puntos a lo largo de la superficie del material de trabajo que están en el interior de la cámara de la máquina de hidroformacion.

La FIG. 5 representa una vista en corte de la máquina 20 después de que se ha realizado el paso de conformación de la etapa de pre- formación . Durante este paso, la cámara 26 se ha despresurizado por la vía de la remoción del fluido hidráulico de la misma a través del conducto de fluido 30. Como un resultado, la membrana 23 se ha desplazado hacia arriba y no está por más tiempo en contactó con la superficie exterior del artículo pre-formado 16. En esta modalidad, la etapa de pre-formación además se concluye al retraer el punzón 32 nuevamente a su posición original (como se muestra en las FIGS. 1 y 2) , y al remover el artículo pre-formado 16 de la máquina 20. i En la segunda etapa del método de acuerdo con el(los) presente(s) concepto(s) inventivo (s) , el artículo pre-formado 16 se mueve en una máquina de terminado donde además se consolida y se conforma en un artículo finaíl, y los componentes resinosos del material de trabajo finalmente se conforman o se curan al aplicar presión y calor adicionado.

La etapa de formación final del proceso se puede 'realizar utilizando una variedad de máquinas de terminado, por ejemplo una autoclave, hidroclave, prensa hidro ormadora , o herramienta de metal emparejado.

Si el artículo pre-formado 16 comprende múltiples capas de pre-peg UD, por ejemplo, es deseable además consolidar estas capas para remover cualquiera de los huecos de aire restantes y unir o curar las matrices de las capas pre-peg UD adyacentes conjuntamente para formar el artículo terminado. Por lo tanto se aplican presión y calor al artículo pre-formado 16 en la etapa de formación final con el fin de consolidar y conformar el artículo pre-formado 16 en su conformación final y, si es necesario, curar el material de matriz .

En la modalidad mostrada en las FIGS. 6-8, se usa una prensa hidroformadora estática como la máquina de terminado 40. Como se muestra en la FIG. 6, el artículo pre- formado 16 se coloca en una cámara 46 de la máquina de terminado 40 alrededor de un molde macho 50. El molde macho 50 se provee en la conformación deseada del artículo completamente formado, que en esta modalidad es un casco. Como se discute enseguida, cuando la cámara 46 se presuriza, una membrana 43 ubicada en la cámara 46 entra en contacto con y aplica presión al articulo pre-formado 16. Como un resultado, el artículo pre-formado se prensa contra una superficie exterior 52 del molde macho 50, para jde esta manera conformar el artículo pre-formado 16 en un artículo terminado 18. En modalidades alternas, el molde macho 50 podría ser reemplazado por un molde hembra o recortado en la forma aproximada del artículo deseado. En esas modalidades, la membrana 43 actuaría como el componente macho que prensa el artículo pre-formado 16 en la conformación deseada contra el molde hembra o de recorte. Este proceso puede ser referido como moldeo en bolsa o moldeo con presión en bolsa.

La FIG. 6 representa una vista en corte del artículo pre-formado 16 ubicado en la máquina de terminado 40 antes del paso de conformación final de la etapa de formación final. En este paso, la cámara 46 de la máquina 40 está en un estado no presurizado, es decir, en una presión atmosférica aproximadamente normal. En este paso, la membrana 43 no está en contacto con el artículo pre-formado 16. Una prensa hidroformadora conocida, adecuada podría ser empleada en la etapa de formación final. También es posible que la misma prensa hidroformadora podría ser utilizada tanto en la etapa de pre-formación como en la etapa de formación final, dentro del alcance del (los) concepto (s) inventivo (s) describedo (s) aquí .

La FIG. 7 representa una la máquina 40 después de que la cámara 4 por la vía de la adición de fluido hidráulico a la cámara 46 a través del conducto de fluido 48. La cámara 46, por ejemplo, puede ser parcialmente presurizada a una presión de entre 1.72*107-3.45*107Pascales (2.500-5.000 p.s.i) aunque podrían ser aplicadas cantidades de. presión más altas o más bajas, dependiendo de, por ejemplo, las características de los materiales utilizados. Un proceso de presuirización "escalonado", en donde la presión en la se incrementa gradualmente (ya sea con o de "residencia" intermitentes) también se puede emplear en la etapa de formación final. Con referencia nuevamente a la modalidad de la FIG. 7, en este momento, el fluido en la cámara 46 y/o el molde 50 también se calienta, como sea necesario, para lograr una temperatura crítica para conformación o curado final del material de matriz de la capas pre-peg UD. Donde el material de matriz es un material termoplástico, por ejemplo, la temperatura crítica puede ser la temperatura de fusión del material termoplástico particular. En estas modalidades (por ejemplo, material termoplástico) , el fluido en la cámara 46 y/o el molde 50 se puede calentar en o arriba de la temperatura de fusión del material termoplástico particular de modo que transiciona a un estado líquido en el cual el material de matriz' fluye y llena los huecos entre las fibras de refuerzo de las capas pre-preg. Donde se utiliza un material termoplástico, una etapa de curado adicional para el material de plástico puede o no puede ser necesaria. En modalidades alternas, por ejemplo, donde el material de matriz es un material termoendurecible , la temperatura crítica puede ser la temperatura de curado para la resina termoendurecible seleccionada. En estas modalidades, el fluido en la cámara 46 y/o el molde 50 se puede calentar a una temperatura suficiente para curar el material de matriz en la conformación sólida deseada. Será fácilmente entendido por aquellos que tienen habilidad ordinaria en la técnica que la temperatura de calentamiento apropiada (es decir, crítica) y el tiempo de exposición ál calor son dependientes de los materiales utilizados en las capas pre-preg.

Con referencia nuevamente a la FIG. 7, como un resultado de la presurizacion de la cámara 46 de la máquina 40, la superficie exterior 44 de la membrana 43 suministra presión a la superficie exterior 47 del artículo pre-formado 16. A medida que la membrana 43 suministra presión a la superficie exterior 47 del artículo pre-formado 16, la superficie interior 45 del artículo pre-formado 16 se prensa contra el molde macho 50. El molde macho 50 de esta manera determina la conformación tomada sobre el artículo pre-formado 16 a medida que la membrana 43 se prensa contra la superficie exterior 47 del artículo pre-formado 16.

La FIG. 8 representa una vista en corte de la máquina 40 después de que se ha realizado el paso de conformación de la etapa de formación final. Durante este paso, la cámara 46 se ha despresurizado por medio de la remoción del fluido hidráulico de la misma a través del conducto de fluido 48. Como un resultado, la membrana 43 se ha movido hacia arriba y no está por más tiempo en contacto con la superficie exterior 47 del artículo pre-formado 16, que ahora se ha conformado completamente en un artículo terminado 18. En esta modalidad, se concluye en el mismo la etapa de formación final. El artículo terminado 18 luego se puede retirar de la máquina 40.

Mientras que los principios del (los) concepto (s) inventivos (s) enseñado (s) aquí se han descrito en lo anterior en relación con modalidades preferidas, va a ser claramente entendido que esta descripción se hace solamente a manera ejemplo y no como una limitación del alcance del (los) concepto (s) inventivo (s) .

Aspectos adicionales del (los) concepto (s) inventivo (s) Aspectos adicionales del (los) presente (s) f concepto (s) inventivo (s) incluyen: Aspecto 1: Un método para conformar un material de trabajo plano en un producto compuesto que tiene una conformación final, el método que comprende: (a) en la ausencia de calor adicionado, consolidar y conformar el material de trabajo en una conformación de pre- forma que usa un proceso de hidroformación dinámico que emplea una herramienta de conformación macho, rígida y una herramienta de conformación hembra, no rígida; y (b) en la presencia de calor adicionado, además consolidar y conformar el material de trabajo en la conformación final que usa por lo menos una herramienta de formación rígida adicional .

Aspecto 2: El método del aspecto 1, en donde el paso (a) comprende una serie de etapas de conformación dinámicas, cada etapa de conformación dinámica que incluye profundizar la posición de la herramienta de conformación macho, rígida con relación a una primera superficie del material de trabajo y aplicar presión a una segunda superficie del material de trabajo.

Aspecto 3: El método del aspecto 2, en donde cada etapa de conformación dinámica incluye aplicar presión incrementada a la segunda superficie del material de trabajo.

Aspecto 4 : El método de cualquiera de los ¡aspectos 1-3, en donde la herramienta de conformación hembra, no rígida provee toda la fuerza de sujeción aplicada al ¡material de trabajo durante el paso (a) .

Aspecto 5 : El método de cualquiera de los aspectos 1-3, en donde el paso (a) no emplea un dispositivo de sujeción mecánico.

Aspecto 6 : El método de cualquiera de los aspectos 1-5, en donde un anillo de estirado se coloca entre la herramienta de conformación macho, rígida y el material de trabajo antes del paso (a) .

Aspecto 7 : El método de cualquiera de los aspectos 1-6, donde el paso (a) ocurre en una primera máquina de formación y la etapa (b) ocurre en una segunda máquina de formación.

Aspecto 8: El método del aspecto 7, en donde la segunda máquina de formación es una prensa de hidroformadora .

Aspecto 9: El método de cualquiera de los íaspectos 1-8, en donde la por lo menos una herramienta de formación rígida adicional es de conformación macho.

Aspecto 10: El método de cualquiera de los aspectos 1-9, en donde la por lo menos una herramienta de formación rígida adicional no se mueve durante el paso (b) .

Aspecto 11: El método de cualquiera de los , aspectos 1-8 o aspecto 10, en donde la por lo menos una herramienta de formación rígida adicional es de conformación hembra.' Aspecto 12 : El método de cualquiera de los aspectos 1-8, en donde la por lo menos herramienta de formación rígida adicional comprende un par de moldes de metal emparejadas.

Aspecto 13 : El método de cualquiera de los aspectos 1-12, en donde el material de trabajo comprende un material fibroso y un material no fibroso.

Aspecto 14 : El método de cualquiera de los aspectos 1-13, en donde el material de trabajo comprende por lo menos una hoja pre-peg, la por lo menos una hoja pre4peg que comprende una pluralidad de fibras compuestas.

Aspecto 15: El método del aspecto 14, en donde la pluralidad de fibras compuestas están comprendidas de polietileno de ultra alto peso molecular.

Aspecto 16 : El método de cualquiera de los aspectos 13-15, en donde el material de trabajo además comprende por lo menos una capa material compuesto a base de aramiida y por lo menos una capa de material compuesto a base de carbono.

Aspecto 17: El método del aspecto 16, en donde la por lo menos una capa de material compuesto a base de aramida comprende la primera y segunda capas compuestas a base de aramida y la por lo menos una capa de material compuesto a base de carbono comprende la primera y la segunda capas compuestas a base de carbono, y el material de trabajo se arregla en una configuración apilada que tiene el siguiente orden desde una capa superior de la configuración apilada a una capa de fondo de la configuración apilada: laj primera capa compuesta a base de carbono; la primera capa compuesta a base de aramida; la por lo menos una hoja pre-peg; la segunda capa compuesta a base de aramida, y la segunda capa compuesta a base de carbono.

Aspecto 18: El método de cualquiera de los aspectos 1-17, en donde material de trabajo comprende una primera capa pre-peg uni-direccional que tiene una primera orientación de fibra y una segunda capa de pre-peg uni-direccional que tiene una segunda orientación de fibra, en donde la primera y segunda orientaciones de fibra están ortogonales entre sí.

Aspecto 19 : El método de cualquiera de los aspectos 1-18, en donde una presión máxima aplicada durante el paso (a) es por lo menos el doble de una presión máxima aplicada durante el paso (b) .

Aspecto 20: Un método para conformar un material de trabajo en un producto compuesto que tiene una conformación final, el material de trabajo que incluye un material de matriz resinosa, el método que comprende: (a) consolidar y conformar el material de trabajo en una conformación de pre-forma que usa un proceso de hidroformación de estirado í profundo que emplea una herramienta de conformación macho, rígida y una herramienta de conformación hembra, no rígida, la consolidación y la conformación que se presentan debajo de una temperatura crítica del material de matriz resinosa; y (b) además consolidar y conformar el material de trabajo en la conformación final que usa por lo menos una herramienta de formación rígida adicional, la consolidación y la conformación adicionales que se presentan en o arriba de la temperatura crítica.

Aspecto 21: El método del aspecto 20, en donde el paso (a) se presenta en la ausencia de calor adicionado.

Aspecto 22: Un método para conformar un material de trabajo plano en un producto compuesto que tiene una conformación final, el método que comprende: (a)¡ en la ausencia de calor adicionado, consolidar y conformar el material de trabajo en una conformación de pre- forma que usa un proceso de hidroformación dinámico que emplea una herramienta rígida y una herramienta no rígida; y (b) en la presencia de calor adicionado, además consolidar y conformar el material de trabajo en la conformación final que usa por lo menos una herramienta de formación rígida adicional.

Se hace constar que con relación a esta fecha, el mejor método conocido por el solicitante para llevar a la práctica la citada invención, es el que resulta claro de la presente descripción de la invención.

Claims (22)

REIVI DICACIONES Habiéndose descrito la invención como antecede, se reclama como propiedad lo contenido en las siguientes reivindicaciones :

1. Un método para conformar un material de trabajo plano en un producto compuesto que tiene una conformación final, caracterizado porque comprende: (a) en la ausencia de calor adicionado, consolidar y conformar el material de trabajo en una conformación de pre- forma que usa un proceso de hidroformación dinámico que emplea una. herramienta de conformación macho, rígida y una herramienta de conformación hembra, no rígida; y (b) en la presencia de calor adicionado, además f consolidar y conformar el material de trabajo en la conformación final que usa por lo menos una herramienta de i formación rígida adicional.

2. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la etapa (a) comprende una serie de etapas de conformación dinámicas, cada etapa de conformación dinámica que incluye profundizar la .posición de la herramienta de conformación macho, rígida con relación a una primera superficie del material de trabajo y aplicar presión a una segunda superficie del material de trabajo.

3. El método de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado porque cada etapa de conformación dinámica incluye aplicar presión incrementada a la segunda superficie del material de trabajo.

4. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la herramienta de conformación hembra, no rígida provee toda la fuerza de sujeción aplicada al material de trabajo durante el paso (a)

5. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el paso (a) no emplea un dispositivo de sujeción mecánico. !

6. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque un anillo de estirado se coloca entre la herramienta de conformación macho, rígida y el material de trabajo antes del paso (a) .

7. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el paso (a) ocurre en una primera máquina de formación y la etapa (b) ocurre en una segunda máquina de formación.

8. El método de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado porque la segunda máquina de formación es una prensa de hidroformadora .

9. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque al menos una herramienta de formación rígida adicional es de conformación macho:

10. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la por lo menos una herramienta de formación rígida adicional no se mueve durante el paso (b) .

11. El método de conformidad con la reivindicación 10, caracterizado porque la por lo menos una herramienta de formación rígida adicional ' es de conformación hembra.

12. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la por lo menos herramienta de formación rígida adicional comprende un par de moldes de metal emparejados.

13. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el matérial de i trabajo comprende un material fibroso y un material no fibroso.

14. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el material de trabajo comprende por lo menos una hoja pre-peg, la por lo menos una hoja pre-peg que comprende una pluralidad de fibras compuestas .

15. El método de conformidad con la i reivindicación 14, caracterizado porque la pluralidad de fibras compuestas están comprendidas de polietileno de ultra alto peso molecular.

16. El método de conformidad con la reivindicación 14, caracterizado porque el material de trabaj o ' además comprende por lo menos una capa de material compuesto a base de aramida y por lo menos una capa de material compuesto a base de carbono. ¦

17. El método de conformidad con la reivindicación 16, caracterizado porque la por lo menos una capa de material compuesto a base de aramida comprende la primera y segunda capas compuestas a base de aramida y la por lo menos una capa de material compuesto a base de carbono comprende la primera y segunda capas compuestas a base de carbono, y el material de trabajo se arregla en una configuración apilada que tiene el siguiente orden desde una capa superior de la configuración apilada a una capa de fondo de la configuración apilada: la primera capa compuesta a base de carbono; la primera capa compuesta a base de aramida; la por lo menos una hoja pre-peg; la segunda capa compuesta a base de aramida; y la segunda capa compuesta a base de carbono.

18. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el material de trabajo comprende una primera capa pre-peg uni-direccional que tiene una primera orientación de fibra y una segunda capa pre-peg uni-direccional que tiene una segunda orientación de fibra, en donde la primera y segunda orientaciones de fibra están ortogonales entre sí.

19. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque una- presión máxima aplicada durante el paso (a) es por lo menos el doble de una presión máxima aplicada durante el paso (b) .

20. Un método para conformar un material de trabajo en un producto compuesto que tiene una conformación final, el material de trabajo que incluye un material de matriz resinosa, caracterizado porque comprende: ' (a) consolidar y conformar el material de trabajo en una conformación de pre- forma que usa un proceso de hidroformación de estirado profundo que emplea una herramienta de conformación macho, rígida y una herramienta de conformación hembra, no rígida, la consolidación y conformación que se presentan debajo de una temperatura crítica del material de matriz resinosa; y (b) además consolidar y conformar el material de trabajo en la conformación final que usa por lo menos una herramienta de formación rígida adicional, la consolidación y conformación adicionales que se presentan en o arriba de la temperatura crítica.

21. El método de conformidad con la reivindicación 20, caracterizado porque el paso (a) ocurre en la ausencia de calor adicionado.

22. Un método para conformar un material de i 36 I' trabajo plano en un producto compuesto que tiene una conformación final, caracterizado porque comprende: í (a) en la ausencia de calor adicionado, consolidar y conformar el material de trabajo | en una conformación de pre- forma que usa un proceso de hidroformación dinámico que emplea una herramienta rígida y ' i una herramienta no rígida; y (b) en la presencia de calor adicionado, además consolidar y conformar el material de trabajo en la conformación final que usa por lo menos una herramienta de formación rígida adicional.