WO2008065212A1 - Útil de ayuda a la distribución de la resina durante el curado de piezas de material compuesto - Google Patents

Útil de ayuda a la distribución de la resina durante el curado de piezas de material compuesto Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a tool that helps to distribute the resin during the curing of pieces of composite material.
  • Composite materials are increasingly attractive for a wide variety of uses in various industries such as the aeronautical industry, the naval industry, the automobile industry or the sports industry due to its high strength and resistance-to-weight ratio.
  • the most commonly used composite materials in these industries are those consisting of fibers or fiber bundles embedded in a thermosetting or thermoplastic resin matrix, in the form of prepreg or "prepreg" material.
  • a piece of composite material is formed by a plurality of layers of prepreg.
  • Each layer of prepreg is made of fibers or bundles of fibers that can be interlinked to each other forming different styles of fabric or that can be oriented in only one direction forming unidirectional tapes.
  • fibers or bundles of fibers are impregnated with resins (either thermosetting or thermoplastic) that in many cases are partially polymerized.
  • resins either thermosetting or thermoplastic
  • composite materials of organic matrix and continuous fiber are mainly used, mainly based on epoxy resins and carbon fibers.
  • the manufacturing process of pieces of composite materials generally requires a compaction to obtain the desired fiber volume and eliminate voids and trapped air from the composite material and a curing process with which the cross-linking of the polymer chains of the resin that impregnates is achieved.
  • An important aspect of the healing process of the pieces of composite material lies in ensuring that the resin flows, diffuses and degasses conveniently to achieve compliance with the quality requirements of the piece and, in particular, to avoid gaps and other defects.
  • the present invention is oriented to the satisfaction of that demand.
  • An object of the present invention is to provide a curing tool that facilitates the distribution of the resin during the curing process of a piece of composite material. That and other objects of the present invention are achieved by providing a curing tool of a piece of composite material formed by fiber bundles embedded in a resin matrix in an installation that It allows the curing of the piece by means of the application of high pressures and / or temperatures, characterized in that said curing tool comprises at least one mechanical vibrating actuator acting on it to facilitate the distribution of the resin in the piece during the curing process.
  • Figure 1 is a schematic view of a curing tool of a piece of composite material including vibrating means according to the present invention.
  • Figure 2 is a schematic view of a curing tool of a piece of composite material according to the present invention within an autoclave.
  • the objective of the curing tool with vibratory means according to the present invention is to transmit to the piece of composite material an oscillatory movement of a preset frequency that facilitates the fluidization, diffusion and degasification of the resin during the curing process of the piece.
  • This oscillatory movement is produced by vibratory means of preferably pneumatic actuation incorporated into the curing tool.
  • the term useful of curing should be understood in a broad sense as the tool on which a piece of composite material is placed during its curing process together with any element used during it.
  • the useful curing 11 that is introduced into the autoclave 13, of conventional basic structure also comprises, as elements provided by the present invention, the following:
  • said oscillating devices 4 are springs located in the vicinity of the support wheels 15 of the curing tool 11.
  • Vibrating actuators 1 can be centrifugal actuators and / or impact actuators.
  • the centrifugal actuators contain a turbine with intentionally decompensated mass distribution which, when turned by the impulse of the compressed air, transmits to the curing tool 11 to which it is solidly fixed, a vibrating pulse of frequency directly related to the speed of rotation; this in turn is controlled by the flow that circulates through the turbine, whose supply and exhaust ducts 17, of corrugated stainless steel, are born and end in a control panel outside the autoclave 13; The compressed air also serves to cool the device. Likewise, the feeding through these ducts isolates the vibrating element of the actuator from the internal pressure of the autoclave 13.
  • the impact actuators complement the frequency range of the centrifugal actuators.
  • the control device 3 of the actuators 1 allows to activate or not manually its operation.
  • the control device 3 includes means for analyzing each "curing load" of the autoclave, detecting the range of frequencies obtainable with the set of actuators 1 available, assigning the optimum to each actuator 1 and coordinating with the cycle of programmed cure the moment or moments of application of the vibration.
  • the above is applicable to the case of stoves and media used in the "Resin Transfer Molding” (RTM) processes, where the curing cycles are carried out in an atmospheric pressure environment.
  • a vibration of sufficient amplitude at adequate frequency will produce an improvement in the evacuation of gasification bubbles in resin, as well as an improved resin distribution to reach complex areas

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Abstract

Útil de curado (11) de una pieza de material compuesto formada por haces de fibra embebidos en una matriz de resina en una instalación, tal como un autoclave, que permite el curado de la pieza mediante la aplicación de altas presiones y/o temperaturas, que comprende al menos un actuador vibrante (1) mecánico actuando sobre el propio útil de curado (11) para facilitar la distribución de Ia resina en la pieza durante el proceso de curado.

Description

UTIL DE AYUDA A LA DISTRIBUCIÓN DE LA RESINA DURANTE EL CURADO DE PIEZAS DE MATERIAL COMPUESTO
CAMPO DE INVENCIÓN
La presente invención se refiere a un útil de ayuda a Ia distribución de Ia resina durante el curado de piezas de material compuesto.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Los materiales compuestos son cada vez más atractivos para una gran variedad de utilizaciones en diversas industrias como Ia industria aeronáutica, Ia industrial naval, Ia industria automovilística ó Ia industria deportiva debido a su alta resistencia y a su relación resistencia-peso. Los materiales compuestos más utilizados en dichas industrias son los consistentes en fibras o haces de fibra embebidos en una matriz de resina termoestable o termoplástica, en forma de material preimpregnado ó "prepreg". Una pieza de material compuesto está formada por una pluralidad de capas de material preimpregnado. Cada capa de material preimpregnado está formada por fibras o haces de fibras que pueden estar entrecruzadas entre sí formando distintos estilos de tejido o que pueden estar orientadas en una sola dirección formando cintas unidireccionales. Estas fibras o haces de fibras se encuentran impregnadas con resinas (ya sean termoestables o termoplásticas) que en muchos casos se encuentran parcialmente polimerizadas. En Ia actualidad y principalmente en Ia industria aerospacial se utilizan de forma masiva materiales compuestos de matriz orgánica y fibra continua principalmente basados en resinas epoxídicas y fibras de carbono.
Este tipo de piezas ha ¡do incrementando su nivel de utilización en Ia industria aeronáutica, hasta alcanzar Ia situación presente en Ia que los materiales compuestos de matriz epoxídica y fibra de carbono pueden considerarse Ia opción más empleada en una gran diversidad de elementos estructurales. Esta situación ha obligado y sigue obligando a! desarrollo de procedimientos de fabricación capaces de producir elementos con Ia calidad requerida de una forma repetitiva y con un coste de fabricación adecuado.
El proceso de fabricación de piezas de materiales compuestos requiere generalmente una compactación para obtener el volumen de fibra deseado y eliminar huecos y aire atrapado del material compuesto y un proceso de curado con el que se consigue el entrecruzamiento de las cadenas poliméricas de Ia resina que impregna las fibras.
Tradicionalmente estas piezas han sido fabricadas mediante Ia aplicación de presión y vacío (como medio de compactación) y Ia aplicación de calor (como medio para conseguir el entrecruzamiento de las cadenas poliméricas), particularmente en un autoclave en cuyo interior se crea una atmósfera controlada.
Un aspecto importante del proceso de curación de las piezas de material compuesto radica en conseguir que Ia resina fluya, se difunda y se desgasifique conveniente para lograr cumplir los requerimientos de calidad de Ia pieza y, en particular, para evitar huecos y otros defectos.
En ese sentido, en Ia patente US 6,033,203 se describe Ia aplicación directa de una vibración acústica de alta frecuencia y baja amplitud durante el proceso de curado de una pieza de material compuesto. La industria demanda constantemente nuevos útiles y nuevos métodos que permitan Ia disminución tanto del tiempo como de Ia energía necesaria para Ia fabricación de piezas de materiales compuestos.
La presente invención está orientada a Ia satisfacción de esa demanda.
SUMARIO DE LA INVENCIÓN
Un objeto de Ia presente invención es proporcionar un útil de curado que facilite Ia distribución de Ia resina durante el proceso de curado de una pieza de material compuesto. Ese y otros objetos de Ia presente invención se consiguen proporcionando un útil de curado de una pieza de material compuesto formada por haces de fibra embebidos en una matriz de resina en una instalación que permite el curado de Ia pieza mediante Ia aplicación de altas presiones y/o temperaturas, caracterizado porque dicho útil de curado comprende al menos un actuador vibrante mecánico actuando sobre él para facilitar Ia distribución de Ia resina en Ia pieza durante el proceso de curado. Otras características y ventajas de Ia presente invención se desprenderán de Ia siguiente descripción detallada de una realización ilustrativa y no limitativa de su objeto en relación con las figuras que se acompañan.
DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
La Figura 1 es una vista esquemática de un útil de curado de una pieza de material compuesto incluyendo medios vibratorios según Ia presente invención. La Figura 2 es una vista esquemática de un útil de curado de una pieza de material compuesto según Ia presente invención dentro de un autoclave.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN
El objetivo del útil de curado con medios vibratorios según Ia presente invención consiste en transmitir a Ia pieza de material compuesto un movimiento oscilatorio de una frecuencia preestablecida que facilite Ia fluidificación, difusión y degasificación de Ia resina durante el proceso de curado de Ia pieza. Ese movimiento oscilatorio se produce por unos medios vibratorios de accionamiento preferentemente neumático incorporados al útil de curado.
A los efectos de Ia presente invención, el término útil de curado debe entenderse en sentido amplio como el útil sobre el que se sitúa una pieza de material compuesto durante su proceso de curado junto con cualquier elemento utilizado durante el mismo
En Ia realización preferente de Ia invención mostrada en Ia Figuras en Ia que el proceso de curado tiene lugar en un autoclave, se observa que el útil de curado 11 que se introduce en el autoclave 13, de estructura básica convencional, también comprende, como elementos aportados por Ia presente invención, los siguientes:
- Dos actuadores vibrantes 1 con medios de alimentación neumáticos 17 pasantes a través del autoclave 13 por pasamuros 5.
- Dispositivos oscilantes 4 que permiten que el útil de curado 11 , sólidamente apoyado en las ruedas 15 fijas para uso en autoclave, quede apoyado sobre estas de manera elástica una vez situado en el autoclave 13. En una realización preferente dichos dispositivos oscilantes 4 son muelles situados en las proximidades de las ruedas 15 de apoyo del útil de curado 11.
- Un dispositivo de control 3 de los actuadores vibrantes 1.
Los actuadores vibrantes 1 pueden ser actuadores centrífugos y/o actuadores de impacto.
Los actuadores centrífugos, contienen una turbina con distribución de masas intencionadamente descompensada que, al girar por el impulso del aire comprimido, transmite al útil de curado 11 al que está sólidamente fijado, una pulsación vibrante de frecuencia directamente relacionada con Ia velocidad de giro; esta a su vez se controla por el caudal que circula a través de Ia turbina, cuyos conductos de alimentación y escape 17, de acero inoxidable corrugado, nacen y terminan en un cuadro de control fuera del autoclave 13; el aire comprimido sirve asimismo para refrigerar el dispositivo. Así mismo Ia alimentación por estos conductos aisla al elemento vibrante del actuador de Ia presión interior del autoclave 13.
Los actuadores de impacto, complementan Ia gama de frecuencias de los actuadores centrífugos.
El dispositivo de control 3 de los actuadores 1 permite activar o no manualmente su funcionamiento. En una realización preferente, el dispositivo de control 3 incluye medios para analizar cada "carga de curado" del autoclave, detectar Ia gama de frecuencias obtenibles con el conjunto de actuadores 1 disponible, asignar Ia óptima a cada actuador 1 y coordinar con el ciclo de curado programado el momento o momentos de aplicación de Ia vibración. Lo expuesto anteriormente es de aplicación al caso de estufas y medios utilizados en los procesos de "Resin Transfer Moulding" (RTM), en donde los ciclos de curado se realizan en un entorno a presión atmosférica.
Una vibración de amplitud suficiente a frecuencia adecuada producirá una mejora en Ia evacuación de burbujas de gasificación en resina, así como una distribución de resina mejorada para alcanzar zonas complejas
En Ia realización preferente que acabamos de describir pueden introducirse aquellas modificaciones comprendidas dentro del alcance definido por las siguientes reivindicaciones.

Claims

REIVINDICACIONES
1.- Útil de curado (11) de una pieza de material compuesto formada por haces de fibra embebidos en una matriz de resina en una instalación que permite el curado de Ia pieza mediante Ia aplicación de altas presiones y/o temperaturas, caracterizado porque comprende al menos un actuador vibrante (1) mecánico actuando sobre el propio útil de curado (11) para facilitar Ia distribución de Ia resina en Ia pieza durante el proceso de curado.
2.- Útil de curado (11) de una pieza de material compuesto según Ia reivindicación 1 , caracterizado porque comprende dos actuadores vibrantes (1) accionados neumáticamente.
3.- Útil de curado (11) de una pieza de material compuesto según Ia reivindicación 2, caracterizado porque dichos actuadores vibrantes (1) se seleccionan entre actuadores centrífugos y/o actuadores de impacto.
A - Útil de curado (11) de una pieza de material compuesto según cualquiera de las reivindicaciones 1-3, caracterizado porque también comprende medios oscilatorios (4) que facilitan su vibración.
5.- Útil de curado (11) de una pieza de material compuesto según Ia reivindicación 4, caracterizado porque dichos medios oscilatorios (4) son muelles.
6.- Útil de curado (11) de una pieza de material compuesto según cualquiera de las reivindicaciones 1-5, caracterizado porque también comprende un dispositivo de control (3) para regular Ia frecuencia de cada actuador vibrante (1 ).
7.- Útil de curado (11) de una pieza de material compuesto según cualquiera de las reivindicaciones 1-6, caracterizado porque dicha instalación es un autoclave (13).
8.- Útil de curado (11) de una pieza de material compuesto según cualquiera de las reivindicaciones 1-6, caracterizado porque dicha instalación es una estufa de curado.
9.- Útil de curado (11) de una pieza de material compuesto según cualquiera de las reivindicaciones 1-6, caracterizado porque dicha instalación es una instalación de curado de un proceso RTM.
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