ES2181880T5 - Proceso y equipos para la fabricacion de polimeros y para productos compuestos. - Google Patents
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Abstract
LA INVENCION SE REFIERE A UN PROCESO INTEGRADO QUE PRETENDE LA INTEGRACION DE MATERIAL EN UN CICLO DE TIEMPO CORTO EN UNA OPERACION SECUENCIAL, UTILIZANDO DIFERENTES METODOS DE PROCESADO Y TIPOS DE PREFORMADO DE MATERIAL (POLIMEROS PUROS Y COMPOSITES A BASE DE POLIMEROS). TRADICIONALMENTE, CADA TIPO DE PREFORMADO DE MATERIAL Y ETAPA DE PROCESADO ES DESARROLLADO POR COMPAÑIAS INDEPENDIENTES, ENTREGANDOSE SEMI-PRODUCTOS AL SIGUIENTE ESLABON DE LA CADENA DE CONVERSION. EL CONCEPTO PROPUESTO INCLUYE NUEVAS TECNICAS DE PREPARACION DE PREFORMAS ASI COMO UNA METODOLOGIA PARA LA INTEGRACION DE LAS ETAPAS DE CONVERSION POTENCIAL PARA LA FABRICACION DE COMPOSITES, DESDE FIBRA Y MATRIZ HASTA PIEZA TERMINADA. LA INTEGRACION DE MATERIAL Y PROCESOS ABRE PERSPECTIVAS INTERESANTES EN LA LIBERTAD DE DISEÑO Y EN LA PRODUCCION ECONOMICA DE PIEZAS MOLDEADAS COMPLEJAS CON MULTIFUNCIONALIDAD Y UN RENDIMIENTO BIEN OPTIMIZADO. SE DESCRIBE UN EQUIPO INTEGRADO UNICO Y FLEXIBLE QUE COMBINA VARIAS TECNICAS DE PROCESADO, Y EN CONSECUENCIA PUEDEN SELECCIONARSE VARIAS ETAPAS DE PROCESADO DE MATERIAL.
Description
Proceso y equipos para la fabricación de
polímeros y para productos compuestos.
La presente invención se refiere a un proceso
para la fabricación de productos poliméricos y/o compuestos y a los
equipos relacionados.
Los polímeros y los compuestos poliméricos
tienen las ventajas de ahorrar peso, una propiedades mecánicas
específicas elevadas y una buena resistencia a la corrosión que los
convierte en materiales indispensables. Sin embargo, a veces los
costes de fabricación son perniciosos, ya que pueden representar una
parte considerable de los costes totales. Además, la producción de
piezas de formas complejas es todavía un desafío para la industria
de los compuestos. Actualmente las piezas con unas geometrías
relativamente sencillas son el destino común para los compuestos;
la fabricación de preimpregnados, el tratamiento en autoclaves, el
enrollamiento de filamentos, la pultrusión, la formación en
prensas, etcétera son ejemplos de tecnologías bien
desarrolladas.
Por ejemplo, en el documento
EP-A-0123225 se describe una línea
de fabricación convencional para piezas compuestas en la que los
componentes se forman continuamente. Todas las operaciones de
preparación de materiales (alineamientos paralelos de fibras
largas, impregnación con resina) se producen sucesivamente en
diferentes posiciones de la línea antes de que los materiales
lleguen a la ubicación de la prensa, en la que dichos materiales
simplemente se prensan juntos para proporcionar un acabado de la
superficie y la geometría final. En este caso la forma final está
limitada por la alineación de las fibras y la propia técnica de
formación en prensa.
Habitualmente la producción de piezas
tridimensionales complejas requiere un moldeo por inyección o
moldeo por compresión de compuestos de fibras cortas ("compuestos
de ingeniería"). El inconveniente de los compuestos reforzados
de fibras cortas son sus propiedades mecánicas específicas
intrínsecas considerablemente menores. Algunas veces las
tecnologías de ensamblaje utilizadas para obtener una geometría
compleja para compuestos avanzados son ineficaces y no
rentables.
La selección correcta de un sistema de
materiales y un proceso para la fabricación de piezas compuestas
depende de una serie de factores que incluyen capacidad de procesado
de los materiales, diseño, rendimiento de las piezas, y economía de
fabricación [ver particularmente New demands on manufacturing of
composite materials, in High-performance
composites, de J.-A. E. M\ring{a}nson, Ed. K.K. Chawla, P.K. Liaw,
S.G. Fishman, TMS, Warrendale, PA, (1994)].
Cuando se consideran técnicas de procesado de
compuestos con respecto a su capacidad para obtener formas
complejas y volúmenes de producción anuales, el número de piezas a
producir y el tamaño requerido de las piezas influyen en la
selección de un proceso adecuado de fabricación [ver particularmente
"Factors Influencing Process Selection and Processing" de W.
J. Lee y J.-A-. E. M\ring{a}nson (Proceedings: Polymer Composite
Applications for Motor Vehicles, SAE International, Detroit, USA,
25 de Febrero de 1991) 35.]. Para un número pequeño de piezas a
fabricar, se puede elegir un proceso que requiere una inversión
menor en costes de herramientas y equipos aunque unos tiempos
mayores de los ciclos y más trabajo.
El potencial limitado de obtención de formas
complejas ofrecido por los materiales compuestos avanzados deja
poco margen de libertad de diseño para mejorar el rendimiento
mecánico y/o integrar funciones suplementarias. Esta ha sido una de
las limitaciones principales de cara a un uso más extenso de
compuestos avanzados en aplicaciones de gran volumen sensibles a
los costes. En contraposición a la mayoría de aplicaciones de
compuestos tradicionales, muchas aplicaciones en, por ejemplo, la
industria mecánica son pequeñas y están relacionadas con formas
tridimensionales más complejas, que normalmente se producen
mediante técnicas de colada.
El moldeo por inyección tradicional proporciona
unas posibilidades casi ilimitadas para la obtención de formas. En
este caso, se consigue una libertad de diseño considerablemente
mayor para el rendimiento mecánico con un material
considerablemente más barato. No obstante, las propiedades mecánicas
intrínsecas son también inferiores, ya que se reducen los
materiales de fibras cortas utilizados, y por lo tanto el potencial
tanto de soporte de carga como de ahorro de peso.
En la mayoría de los casos la mejora del
rendimiento se ha conseguido mediante el desarrollo de sistemas de
materiales con unas propiedades intrínsecas mejoradas (tipos de
fibras, sistemas de resinas y contenido de fibras). Estos
desarrollos han hecho también que aumenten los costes de la materia
prima y se ha reducido el interés en ramas industriales con
aplicaciones sensibles a los costes, desacelerando la introducción
de aplicaciones de compues-
tos.
tos.
Sin embargo el aumento de la libertad de diseño
abre muchas posibilidades para soluciones de ingeniería que pueden
hacer que aumente considerablemente el interés en los materiales
compuestos en aplicaciones estructurales. La Figura 1 proporciona
una indicación de este dilema. La mayoría de las técnicas de
fabricación utilizadas actualmente para materiales compuestos se
pueden situar en la franja de forma exponencial tal como se indica
en el diagrama.
De acuerdo con las demandas de muchas industrias
actualmente, es evidente que la dirección deseada para el
desarrollo futuro se encamina hacia la esquina derecha superior del
diagrama. El desarrollo de sistemas de materiales tanto con unas
propiedades intrínsecas altas como con una formabilidad mejorada
para formas complejas se puede garantizar únicamente mediante una
interacción íntima durante el desarrollo de las preformas de
material y de las técnicas de procesado.
En relación con esto, actualmente se están
desarrollando varios sistemas de materiales y técnicas de
fabricación, que apuntan a la obtención de formas complejas
mejoradas de compuestos avanzados en unas condiciones de
fabricación atractivas. Varios grupos de investigación están
estudiando sistemas de materiales novedosos que utiliza bien
preformas preimpregnadas o bien una impregnación posterior a la
obtención de las formas [ver particularmente "Impregnation
Technology for Thermoplastic Matrix Composites" de A. G. Gibson y
J.-A. E. M\ring{a}nson, Journal of Composites Manufacturing, 3
(4) (1992), 223-233, Thermoplastic Aromatic Polymer
Composites de F. Neil Cogswell (Oxford:
Butterworth-Heinemann, 1992) y "Processing of
Thermoplastic-based Advanced Composites" de
J.-A. E. M\ring{a}nson, Advanced Thermoplastics and their
Composites, ed. H-H. Kausch (Munich: Carl Hanser
Verlag Gmbh. 1992), 273]. Hasta el momento las técnicas de
preformas de polvo han sido la vía más explorada para la
formabilidad compleja mejorada con compuestos basados en
termoplásticos, aunque también han mostrado aptitudes las
metodologías automatizadas de colocación de cintas [ver
particularmente "Cut and Refeed Mechanics for Thermoplastic Tape
Placement" de K. V. Steiner, E. Faude, R. C. Don y J. W.
Gillespie Jr., (Proceedings of the 39th International SAMPE
Symposium, Anaheim, CA, 1994), 2627].
Las vías potenciales de conversión para
compuestos, desde fibra y matriz hasta productos acabados se
ilustran en la Figura 9.1 del documento mencionado anteriormente
"Processing of the thermoplastic-based Advanced
Composites". Tradicionalmente cada una de las etapas de procesado
es desarrollada por empresas independientes y los semiproductos se
entregan al siguiente eslabón de la cadena de procesado.
No está claro de ninguna manera que un material
de matriz óptimo para un compuesto, en términos de adherencia
fibra-matriz, sea adecuado para otras demandas
establecidas sobre una pieza compuesta. Por ejemplo, un material de
matriz típico no puede proporcionar siempre una resistencia al
entorno y un rendimiento tribológico. Además, normalmente un
contenido alto de fibras tendrá una influencia negativa en el
acabado de la superficie del producto. El potencial de formación
libre de polímeros puros o sistemas de fibras cortas será siempre
superior al correspondiente a los materiales de fibras continuas.
Adicionalmente, una estrategia bien conocida para reducir costes es
la reducción del número de componentes secundarios en estructuras
complejas al mismo tiempo que la integración de una funcionalidad
múltiple. Puede que no sea posible cumplir algunos de estos
requisitos con un material o una técnica de procesado.
Considerando estos aspectos está claro que en
muchas aplicaciones se requiere una mayor flexibilidad de los
materiales compuestos para aumentar el atractivo de los materiales
para los ingenieros de diseño. Sería deseable un enfoque más
integrado que utilice materiales y procesos complementarios en la
fabricación de la pieza.
Por esta razón el paso lógico parecía la
integración, al mayor nivel posible, de las operaciones individuales
de procesado ilustradas en la Figura 9.1 del documento mencionado
anteriormente "Processing of the
thermoplastic-based Advanced Composites".
El objetivo de la presente invención es proponer
técnicas y equipos novedosos de procesado que permitan remediar las
desventajas de las técnicas existentes y en particular reducir los
costes de fabricación mediante la supresión de fases intermedias de
procesado y ensamblaje.
Por esta razón, la invención se refiere a un
proceso para la fabricación de productos poliméricos y/o compuestos
según la reivindicación 1.
La invención se refiere también a un equipo para
la fabricación de productos poliméricos y/o compuestos según la
reivindicación 9.
La invención se refiere también a una unidad de
procesado de integración para la fabricación de productos
poliméricos y/o compuestos según la reivindicación 15.
Esta técnica de procesado integrado ofrece una
mayor libertad de diseño, una integración del rendimiento y una
multifuncionalidad en las piezas compuestas con formas
complejas.
El procesado integrado es la utilización de una
secuencia automatizada de operaciones de formación en una sucesión
rápida. Una comparación de los ciclos de procesado correspondientes
al procesado convencional e integrado para producir un único
componente complejo se ilustra en la Figura 5, que se refiere al
procesado convencional, y la Figura 3, que se refiere al procesado
integrado, en la que 1 hace referencia a una primera etapa de
procesado, 2 a una segunda etapa de procesado, 3 a la unión de
componentes procesados que se han obtenido a partir de dichas
primera y segunda etapas, T representa una transferencia hacia otro
equipo y F las operaciones de acabado.
\newpage
Otras oportunidades residen en la combinación de
materiales de rendimiento mecánico elevado con plásticos de
ingeniería en el mismo componente.
El procesado integrado proporciona los medios de
utilización de compuestos avanzados en relación con un rendimiento
elevado, y de plásticos de ingeniería en relación con la geometría y
el aspecto, en la demanda de componentes estructurales con el
mantenimiento de las ventajas del diseño y unos costes atractivos de
fabricación.
El procesado integrado facilita un ciclo
automatizado de procesado consecutivo, que incluye técnicas de
formación a una presión tanto alta como baja. Además, el equipo
permite el procesado de preformas preimpregnadas, preformas
drapeables para una impregnación posterior a la obtención de las
formas y compuestos de fibras cortas. Es evidente que la unión
entre materiales y la gestión de la generación de los esfuerzos
internos juegan un papel importante en el proceso. Un trabajo
inicial realizado sobre prensas clásicas ha demostrado que mediante
una selección cuidadosa de materiales y condiciones de procesado se
puede obtener una fuerza de unión suficiente con unos tiempos de
los ciclos del orden de minutos ["A study on Interface Healing in
Polypropylene Processing" (Flow Processes in Composite
Materials'94) de G. D. Smith, S. Toll y J.-A. M\ring{a}nson, e
"Integrated Processing of Multi-Functional
Composite Structures", (Proceedings of the 39th international
SAMPE Symposium, Anaheim, CA, 1994), 2385, de G. D. Smith, S. Toll
y J.-A. E. M\ring{a}nson].
Se han considerado los siguientes objetivos:
- -
- Investigación y modificación de la compatibilidad entre materiales poliméricos integrados (polímeros puros, preformas y compuestos)
- -
- Optimización de los mecanismos de adherencia durante las secuencias del procesado integrado
- -
- Evaluación de la fuerza de unión y la gestión del estado de los esfuerzos en piezas de múltiples componentes
- -
- Predicción de la estabilidad dimensional y la durabilidad de las piezas integradas
- -
- Integración de técnicas de procesado rápido de baja presión
- -
- Combinación de las ventanas de proceso de todos los materiales integrados
- -
- Integración y automatización de las secuencias del proceso
- -
- Mejora de la flexibilidad del equipo y de la rentabilidad
El rendimiento de una pieza estructural no
depende solamente de parámetros geométricos. Para los compuestos,
más que para otros materiales tradicionales, las propiedades del
material y los requisitos funcionales forman parte de cualquier
diseño óptimo. Según la invención, la integración de varios tipos de
material en piezas de formas complejas introduce nuevas
perspectivas en el diseño de las piezas.
Hasta el momento, numerosas industrias han
estudiado combinaciones de varios polímeros para diferentes
aplicaciones. Por ejemplo, para lentes multicolor utilizadas en
automoción o recipientes de alimentos se ha usado la inyección de
múltiples materiales. Las industrias de la electrónica y la
higiene/cosmética son otros sectores de aplicación. La coextrusión
es otro ejemplo de una técnica desarrollada exitosamente para el
envasado de múltiples capas.
El procesado de integración según la invención
es atractivo y ahora se pueden combinar polímeros reforzados y
preformas compuestas con polímeros puros alrededor. Mediante una
disposición acertada de compuestos intrínsecamente rígidos
altamente personalizables se optimiza la transmisión de la carga.
Los componentes no estructurales se moldean para mantener el
compuesto en su posición y para cumplir los requisitos adicionales
tales como las propiedades de la superficie, y/u otras funciones
suplementarias.
Se consideran diferentes tipos de materiales
para la integración, polímeros termoestables y/o termoplásticos
modificados, refuerzos, polímeros reforzados con partículas y
fibras, compuestos, metales. Subsiguientemente y tal como se
ilustra en la Figura 4, se pueden integrar varias funciones en una
pieza: geometría compleja, transmisión de la carga y rigidez 4, una
conexión que utilice insertos y la integración de estructuras
secundarias 5 (canales, puertas, elementos de fijación, etcétera),
resistencia al desgaste y la corrosión, acabado 6 de la superficie
y aislamiento o transferencia de calor.
Consecuentemente, debido a la integración de los
materiales, el procesado integrado desarrollado propone una
multifuncionalidad y una personalización precisa de las
características de rendimiento:
- -
- características de bloque: rigidez y resistencia, humidificación
- -
- características de superficie: protección de la superficie, acabado de la superficie, propiedades tribológicas
- -
- características de forma: forma continua o discontinua
- -
- características de función: protección a la temperatura, tolerancias ajustadas, multifuncionalidad.
La Figura 1 es una ilustración esquemática del
potencial del diseño de rigidez por medio de una forma compleja con
respecto a una rigidez intrínseca del compuesto, según diferentes
técnicas de procesado.
Las Figuras 2 y 3 ilustran una comparación de
los ciclos de procesado para el procesado convencional e
integrado.
La Figura 4 es una representación esquemática
que ilustra la integración de funciones conseguida en una pieza
sencilla durante una secuencia de procesado integrado.
La Figura 5 es una vista en planta esquemática
del Sistema de Procesado Integrado (IPS) que describe las
diferentes unidades y sus etapas de procesado relacionadas.
La Figura 6 es una vista esquemática de la
unidad de procesado integrado (IPU) y sus diferentes unidades
secundarias o componentes, cada uno de los cuales es una técnica de
procesado de polímeros o de compuestos.
La Figura 7 es una representación de un ejemplo
de un equipo de fabricación controlada de preformas para la
impregnación de láminas (SIU).
La Figura 8 es un ejemplo esquemático de una
línea de impregnación y consolidación para la impregnación de
cables continuos (TIU).
A continuación describiremos, a modo de ejemplo,
el equipo y las diferentes unidades utilizadas en relación con el
sistema de procesado integrado. Después de esto se realizará una
descripción de las etapas de procesado del material y unos ejemplos
de vías de fabricación integrada.
El concepto total del procesado integrado de
materiales compuestos según la invención comprende la integración
tanto de procesos como de materiales, así como una metodología para
la fabricación de piezas poliméricas y compuestas de alto
rendimiento con una alta eficacia y con un rendimiento controlado de
la calidad. Para conseguir una multifuncionalidad, una integración
de las características de rendimiento y unas formas complejas, se
ha desarrollado un equipo exclusivo de fabricación integrada.
La opción de disponer de varias técnicas de
procesado ensambladas en una máquina se presenta como muy
interesante para el desarrollo de una fabricación rápida, flexible y
rentable. Se está proponiendo una combinación de las diferentes
técnicas de procesado presentadas anteriormente, tales como el
moldeo por compresión, matrizado, moldeo por inyección de múltiples
materiales, formación por gas interno y extrusión.
En el presente documento se describen diferentes
equipos novedosos de procesado, a saber, una Unidad de Procesado
Integrado (IPU), una Unidad de Impregnación de Láminas (SIU), una
Unidad de Impregnación de Cables (TIU) y un Robot Multitarea (MTR),
y los mismos se pueden utilizar de una manera unificada y combinada
durante un ciclo de fabricación.
En la figura 5 se indican una disposición básica
de los equipos y las etapas de procesado relacionadas.
El concepto de Procesado Integrado permite
diferentes combinaciones de las IPU, SIU, TIU mediante la
utilización de la MTR para la fabricación de una pieza específica
dependiendo de las demandas de formas y propiedades. Estas diversas
combinaciones de los procesos se definirán en el presente documento
como el Concepto de Fabricación Flexible Asistida por Robot para
Compuestos (RAFMAC).
Una descripción de todas las unidades precederá
a la presentación de las diferentes etapas posibles de procesado de
los materiales. Seguidamente se expondrán unos ejemplos para
ilustrar la metodología RAFMAC.
La unidad de procesado integrado (IPU), la
Unidad de Impregnación de Láminas (SIU) y los Robots Multitarea
(MTR) utilizados para la colocación de fibras son conceptos y
sistemas de máquinas originales. Aunque algunas ideas de las
unidades individuales no son completamente nuevas, se ha realizado
una línea exclusiva mejorada y flexible y se han desarrollado
algunos elementos de forma autónoma. En el mercado ya existen por
separado unidades en línea de equipos de consolidación de cintas,
de ensamblaje, de acabado y de control de la calidad. Su
integración en el equipo de procesado se considera en el presente
documento en términos de automatización, estrategias de procesado
flexible y adaptación a utilizar en combinación con otras técnicas
de procesado.
La tabla 1 resume las diversas unidades
propuestas para conseguir los objetivos del concepto de procesado
integrado.
| Unidad | Abreviatura |
| Unidad de impregnación de láminas | SIU |
| Unidad de impregnación de cables | TIU |
| Unidad de consolidación de cintas | TCU |
| Unidad de procesado integrado | IPU |
| Unidad de robots multitarea | MTR |
| Unidad de operaciones de soporte | SOU |
| \hskip0.5cm \cdot Acabado | \hskip0.5cm \cdot FU |
| \hskip0.5cm \cdot Ensamblaje | \hskip0.5cm \cdot AU |
| \hskip0.5cm \cdot Control de calidad | \hskip0.5cm \cdot QCU |
Las funciones principales de esta unidad
son:
- -
- ofrecer una procesado flexible (combinación de técnicas de procesado) para piezas integradas por múltiples componentes
- -
- realizar la automatización de operaciones de procesado combinadas
- -
- permitir la realización de operaciones secuenciales en un ciclo
- -
- proporcionar una presión y una temperatura de consolidación final para la integración de formas de material
En la Figura 6 se presenta una ilustración
esquemática de la unidad de procesado integrado. La máquina
comprende una tabla giratoria inferior 20 sobre la que se puede
fijar de forma extraíble por lo menos una mitad inferior 21 de
molde. La unidad representada en la Figura 6 comprende tres mitades
inferiores 21 de moldes. Una tabla deslizante superior 22, que
comprende por lo menos una mitad superior 23 de molde, dispuesta
para colaborar con las mitades inferiores 21 de moldes, está
conectada con una unidad 24 de formación por prensa y una unidad 25
de inyección vertical. En el ejemplo de la Figura 6, están
disponibles tres mitades superiores de moldes. La máquina puede
comprender además una unidad 26 de inyección horizontal, en la que
se puede montar un cabezal 27 de extrusión de rendija o un cabezal
28 de inyección de gas. En la unidad 25 de inyección vertical se
puede montar también un cabezal de inyección de gas. En una de las
mitades de los moldes se puede proporcionar una entrada 29 de
inyección líquida. La sincronización de todos los diferentes
elementos mencionados anteriormente de la máquina se controla por
medio de un ordenador y un software adecuado.
Todas las técnicas ensambladas se pueden
utilizar individualmente. Además, la unidad de mando permite
definir y controlar un gran número de secuencias automáticas. Cada
secuencia combina diferentes procesos
(compresión-inyección-extrusión-etcétera)
que se ejecutan en uno o varios moldes intercambiables. Las
diferentes combinaciones de moldes permiten la fabricación de una
pieza de forma compleja constituida de tipos de materiales
diferentes y/o preformas diferentes. Las diferentes técnicas de
procesado permiten la utilización de la técnica de procesado más
adecuada que se usará para el tipo específico de material y/o
preforma.
La IPU permite utilizar en paralelo o
secuencialmente las siguientes técnicas de procesado:
- a)
- moldeo por inyección horizontal: se utiliza una unidad de inyección convencional
- b)
- moldeo por inyección vertical: se utiliza una unidad de inyección convencional
- c)
- adaptación para moldeo por inyección líquida (RTM: Moldeo por Transferencia de Resina, LIM: Moldeo por Inyección Líquida, RIM: Moldeo por inyección de resina)
- d)
- formación por gas interno (inyección de gas): se adapta un inyector de aire especial
- e)
- extrusión por matriz de rendija: a la unidad de inyección se le puede adaptar un cabezal de extrusión desarrollado especialmente, para proporcionar unas capas de compatibilización interfacial o unas capas de recubrimiento de superficie
- f)
- formación de compuestos avanzados por prensa: la unidad de cierre está diseñada para aplicar una presión elevada sobre la configuración de moldeo situada en la tabla giratoria
- g)
- interacciones entre múltiples moldes (2x3 mitades de moldes): se pueden fijar 6 mitades de molde con diferentes geometrías en dos tablas que permiten un giro y una traslación automáticas de los moldes
- h)
- control de la temperatura de los moldes y sucesión rápida de los ciclos de la temperatura de los moldes entre -20ºC y 400ºC: se utilizan unidades y tuberías de calentamiento convencionales para calentar, refrigerar y transportar el medio de calentamiento y/o refrigeración.
Las capacidades específicas de la IPU son:
-
Multi-inyección/compresión:
- Combinación de diferentes tipos de polímeros y preformas compuestas a utilizar en la fabricación de las piezas poliméricas y compuestas de formas complejas
- Integración de materiales y reducción del
tiempo de los ciclos mediante las etapas del procesado
integrado:
- Una presión, una temperatura y unos ciclos temporales controlados y personalizados consiguen una integración fiable de los materiales a través de unas condiciones óptimas de conjunción (cicatrización).
Mediante la inyección de la masa fundida en una
cavidad de molde ya cargada con la preforma se consigue una
consolidación adicional de la preforma compuesta. Además la masa
fundida adicional eliminará las zonas carentes de resina al
producirse el drapeado de la preforma durante la deformación que se
produce al obtener la forma deseada.
- Extrusión por rendija:
- La extrusión de capas intermedias se utiliza para facilitar la conjunción in situ de materiales (piezas) con una compatibilidad limitada.
- La capa intermedia extrudida actúa como un promotor de adherencia para la conjunción de los dos materiales.
- Las capas de superficie se aplican mediante extrusión para conseguir un rendimiento específico de la superficie (recubrimientos).
- Inyección líquida:
- La IPU permite las conexiones para la inyección líquida (RTM, LIM, RIM). Esta capacidad permite la utilización de polímeros reactivos en el proceso de moldeo.
- Formación por gas interno (Inyección de
gas):
- La utilización de inyección de gas permite gestionar la liberación de esfuerzos residuales para el control de la estabilidad dimensional. Esto puede facilitar la integración de materiales con diferentes características termomecánicas y/o material moldeado en etapas de temperaturas secuenciales.
- Formación de piezas huecas mediante la
formación por gas interno (inyección de gas):
- La unidad de inyección de gas permite la realización de un moldeo de estructuras huecas por presión interna. La inyección de gas permite la deformación de la preforma hacia las paredes externas del molde y con el mantenimiento de la estructura ahuecada.
Las funciones principales de esta unidad
son:
- -
- construir preformas compuestas diseñadas individualmente
- -
- controlar la distribución de la orientación de la disposición de fibras
- -
- combinar varios tipos y geometrías de refuerzo
- -
- combinar varios tipos de material
- -
- fabricar preformas con propiedades de gradiente
La SIU comprende varias estaciones para fabricar
preformas compuestas (Figura 7).
Los diferentes componentes y funciones de la SIU
son:
- a)
- múltiples estaciones 40 para la carga de resinas y fibras,
- b)
- se pueden utilizar uno o varios colimadores 41 controlados por amplitud y/o frecuencia para controlar la orientación de las fibras en la preforma,
- c)
- un elemento movible 42 montado en un raíl 43. El elemento 42 se ha representado en tres posiciones en la Figura 7,
- d)
- un equilibrador electrónico 44 en el soporte movible se utiliza para controlar la fracción (volumétrica) de peso durante la carga de fibras y resinas; el equilibrador 44 está provisto de un soporte giratorio controlado 48 de preformas que permite fabricar una estratificación controlada según la orientación (distribución espacial o continua de la orientación),
- e)
- la configuración permite repetir varias estratificaciones secuenciales para construir la estructura 45 de la preforma,
- f)
- en la Figura 7 se muestra también una unidad de consolidación previa de la preforma, que comprende un dispositivo 46 de calentamiento (por ejemplo, un calentador por infrarrojos) y un dispositivo 47 de prensa.
Las capacidades específicas de la SIU son:
- Libertad en el diseño de la preforma:
- La combinación de varios tipos de refuerzo y relaciones de aspecto de refuerzo (incluyendo fibras continuas) en una preforma es una parte importante del concepto de integración de materiales ya que la estructura y el contenido del refuerzo determinan el rendimiento de la pieza final.
- Recorriendo el grosor de la preforma se pueden obtener variaciones discretas o continuas de la orientación del refuerzo. Dentro de una preforma se pueden variar la variación del orden de la estratificación, la orientación del refuerzo, el tipo de refuerzo y el contenido del refuerzo, así como los tipos de materiales.
- Control de las etapas de procesado
subsiguientes:
- Se puede diseñar una preforma personalizada para el control del flujo y/o el alabeo. La variación de la preforma de una pieza a otra se puede cambiar directa y fácilmente para obtener cambios directos según las necesidades específicas.
A continuación se proporciona un ejemplo de la
fabricación de una preforma utilizando la SIU.
Un soporte movible vacío 42, en el que se
construirá la preforma, se sitúa en el equilibrador electrónico 44.
El soporte se mueve debajo de una unidad 40 de carga. Esta unidad de
carga contiene, por ejemplo, una cantidad de fibras de vidrio
discontinuas, o cualquier otro tipo de fibras, que caen a través de
un tubo ventilado para distribuir las fibras. En el fondo del tubo
las fibras pasan a través del colimador 41 en el que son orientadas
antes de alcanzar el soporte. Las fibras orientadas forman, en el
soporte, la primera capa de refuerzos. Cuando se alcanza el peso
seleccionado de fibra, el equilibrador y el soporte se mueven hacia
una segunda estación de carga llenada con polvo de polímero. El
polvo es guiado en sentido descendente mediante un tubo ventilado y
se distribuye en la parte superior de la capa de fibras. Cuando el
equilibrador indica que se ha alcanzado el peso seleccionado del
polímero, el soporte se mueve hacia una tercera estación, la unidad
de consolidación previa de la preforma, equipada en este caso con un
calentador 46 por infrarrojos y una prensa 47. El polvo de polímero
se funde y se comprime para consolidar previamente la preforma. El
sistema de control de la SIU permite repetir cada una o varias de
las etapas secuenciales de estratificación y consolidación previa
para construir la estructura de la preforma. Con esta técnica, se
realiza una preforma de múltiples capas que contiene un polímero y
refuerzos orientados discontinuos. A continuación, las preformas son
utilizadas por otra unidad tal como la MTR y la IPU para obtener la
consolidación final y la integración dentro de una pieza integrada
compuesta.
Por supuesto se pueden utilizar y/o combinar
otros tipos de refuerzos y polímeros. El ejemplo ilustra la
fabricación de una preforma plana aunque son posibles preformas
curvadas más complejas cambiando la geometría de las placas de la
prensa. La unidad SIU permite también la introducción de
preimpregnados de fibras continuas en la secuencia de capas de la
preforma.
Las funciones principales de esta unidad
son:
- -
- producir de una manera continua cables de preformas impregnados y consolidados previamente,
- -
- entregar a la IPU preformas con un estado determinado del material (temperatura, nivel de consolidación, etcétera).
En la Figura 8 se muestran esquemáticamente los
diferentes componentes de la línea de impregnación presentada en el
presente documento. La unidad comprende unas bobinas 51 para la
entrega de las fibras. Se proporcionan un extensor 52 de fibras y
una unidad para el tratamiento superficial 53 de las fibras. Las
fibras extendidas y finalmente tratadas superficialmente se
impregnan con un polímero en una unidad 54 de lecho fluidizado. La
humectación de las fibras por parte del polímero y la consolidación
previa del cable tienen lugar en el horno 55. Se tira continuamente
del cable hacia un armario acumulador 56 desde el que se impulsa
dicho cable hacia la boquilla 57 de estratificación que comprende
un canal calentado final 58 y un brazo 59 para la conexión con el
dispositivo de agarre del robot, estando diseñada específicamente
toda la unidad para la colocación del cable en el molde por medio
del robot (unidad MTR). Un canal calentado movible y flexible 60
está diseñado para guiar el cable y controlar su temperatura desde
la salida del horno hasta la posición libre final 61 en la que se
utilizará el cable 67. Después de la colocación del cable, unos
alicates 64 de corte, o cualesquiera otros medios de corte
adecuados, fijados en el brazo 59, se mueven y cortan el cable 67.
Varias unidades 62, 63 de control ajustan de forma continua y
automática, por medio de los dispositivos impulsores 65, 65' y de
guía 66, los diversos parámetros de procesado: contenido de polímero
del cable, fuerza de tracción, temperaturas en los elementos del
horno, en la caja acumuladora y en los dos canales, etcétera.
Las capacidades específicas de la TIU son:
- Facilitar las etapas de procesado
subsiguientes:
- La impregnación es una etapa crítica y frecuentemente costosa en la fabricación de compuestos. La entrega in situ de preformas consolidadas previamente facilita las fases posteriores de procesado (ver descripción del RAFMAC).
- Control en línea de la calidad de las
preformas:
- En el inicio de la línea se pueden utilizar tipos diferentes de fibras y polímeros y todas las unidades secundarias diferentes están diseñadas para ofrecer la máxima flexibilidad en el control de los diferentes parámetros del procesado. La regulación de la anchura de la extensión, el contenido de polvo, la temperatura de consolidación, la velocidad de la línea, etcétera están adaptados a cada sistema específico de materiales y al rendimiento final deseado del cable.
- Preparación de preformas existentes:
- En la línea desarrollada pueden entrar en cualquier punto, para ser consolidadas previamente y a continuación colocadas de cara al procesado integrado, preformas, que contengan fibras o polvos de polímero combinados con fibras de refuerzo, tales como FIT ("Fibres Imprégnées de Thermoplastiques" = fibras impregnadas con polvo termoplástico) o cables fusionados.
Las funciones principales de esta unidad
son:
- -
- colocar y consolidar cintas compuestas (preimpregnados)
- -
- producir componentes compuestos con formas cóncavas y convexas para ser integrados posteriormente en la IPU y/o la SOU
Tal como en los equipos existentes, en un
soporte dirigido por un robot se ensamblan varios componentes
(elementos de calentamiento, una configuración para aplicar una
presión local, una bobina de cinta). Se aplican localmente calor y
presión para fundir y consolidar la cinta compuesta durante su
deposición por parte del robot sobre una herramienta o mandril de
forma compleja. Esta operación es dirigida por el robot multitarea
(ver descripción de la unidad MTR).
La Unidad de Operaciones de Soporte es una
unidad de operaciones posteriores, en la que se pueden realizar
varias operaciones diferentes, tales como:
- -
- Ensamblaje
- -
- Acabado
- -
- Control de calidad
Las funciones principales de la AU son, cuando
sea necesario, aplicación de calor y presión a diferentes
componentes unidos.
Incluso si la unidad de procesado integrado
(IPU) permite producir uniones "in situ" entre
diferentes componentes de una pieza integrada, con la SOU es
posible ensamblar varias piezas utilizando una unión por fusión.
Por ejemplo, un robot de la unidad MTR puede mover un elemento de
calentamiento tal como un soplete o una bobina para inducir calor
en la zona limítrofe de las superficies a unir. La deposición de
adhesivos es también una operación totalmente robotizada. Los
robots se pueden utilizar para colocar y fijar insertos o elementos
de conexión.
Las funciones principales de la FU son la
realización de operaciones posteriores (si fuera necesario) de la
pieza (desbarbado, mejorar la forma final, aspecto de la superficie,
etcétera) y la colocación de la pieza moldeada en un dispositivo de
sujeción de refrigeración para el control dimensional.
Como en el caso de la unidad de ensamblaje, la
unidad de acabado es un valor añadido ya que la ventaja del
procesado integrado es la entrega de productos acabados. Sin
embargo, se puede utilizar un robot de la unidad MTR para manipular
diferentes herramientas tales como una cortadora láser o por chorro
de agua, máquinas pulidoras, etcétera. Estas operaciones se pueden
utilizar durante la preparación de las preformas así como en las
piezas desmoldea-
das.
das.
Al producirse el desmoldeo a temperaturas
elevadas, puede que sea necesario colocar la pieza en un
dispositivo de sujeción de refrigeración para controlar las
dimensiones finales.
La función principal de la QCU es el control de
la calidad de los componentes en diferentes fases de su vía de
procesado.
Un robot de la unidad multitarea puede
seleccionar y colocar un preforma o una pieza integrada en un
equipo específico analizador de la calidad (C-scan,
cámara IR, luz polarizada, etcétera).
Las funciones principales de la unidad MTR
son:
- -
- establecer y controlar la sincronización automática entre todas las unidades de procesado
- -
- manipular y colocar, y, si fuera necesario, cortar, diferentes preformas y componentes procesados de la pieza
- -
- utilizar y hacer funcionar diferentes herramientas para las unidades TCU, SOU, FU y QCU
La implementación de varias máquinas y
herramientas es necesaria para conseguir las funciones principales
citadas de manipulación y ‘orquestación’ de las diferentes
unidades.
- a)
- La sincronización y los controles son establecidos por ordenador y equipos electrónicos.
- b)
- Un robot multitarea, por ejemplo, un robot de tipo angular, con acceso a todas las diferentes unidades, con una alta precisión para la estratificación de fibras y de los cables en el molde.
- c)
- Tal como se representa en la Figura 5, el robot puede manipular las herramientas especiales descritas anteriormente para la consolidación de las cintas (TCU), el ensamblaje (SOU), el acabado (FU) y el control de calidad (QCU).
Esta unidad multitarea se desarrolla para
conseguir uno de los principales objetivos del concepto de
procesado integrado que es ofrecer la línea de procesado completo,
desde fibra y resina hasta la pieza acabada final.
Consecuentemente, esta unidad es el eslabón clave para lo que
describiremos como RAEMAC en la estrategia de
procesa-
do.
do.
\newpage
Las capacidades específicas de la MTR son:
- Colocación de cables:
- Se selecciona un robot para colocar de forma precisa en direcciones preseleccionadas los cables entregados por la línea de impregnación (TIU) en los moldes de la unidad de procesado integrado (IPU). También se pueden utilizar cables comerciales tales como FIT o fusionados.
- Preparación de los compuestos:
- La unidad permite la disposición controlada por CAD de compuestos continuos consolidados previamente.
- Combinación de preformas:
- Para aumentar la libertad de diseño y aumentar el número de formas finales disponibles se pueden colocar y retirar de los moldes preformas especiales con una forma determinada.
- Flexibilidad para capacidades potenciales
nuevas:
- Matriz ajustable para la "pultrusión" en el molde de diferentes diámetros y formas de las preformas.
- Manipulaciones de herramientas, preformas y
piezas procesadas.
Algunas de las diversas vías de fabricación de
polímeros y compuestos se combinan para conseguir la geometría, el
rendimiento y la multifuncionalidad de las piezas, definidos en el
concepto de procesado integrado. Algunos procesos como el moldeo
por inyección y la formación en prensa han sido bien estudiados y
actualmente se utilizan en todo el mundo. Los aspectos novedosos
están relacionados con algunos diseños nuevos del equipo, conceptos
nuevos (de procesado) de fabricación, y la secuencia de operaciones
integradas. Consecuentemente, su integración requiere algunas
adaptaciones específicas y una optimización del proceso. Todas las
diferentes etapas y metodologías de procesado se describen en la
Figura 5.
Este proceso se sitúa en la IPU.
Descripción y Objetivos:
- -
- un método de formación versátil que permite la utilización de varias formas de material (compuesto) y/o conceptos de procesado diferentes,
- -
- la formación en prensa se puede realizar en una modalidad de acuñación (inyección-compresión),
- -
- la unidad de formación en prensa está diseñada para la condición requerida por el proceso de estampado (GMT),
- -
- el molde se puede construir con un concepto de "matriz-molde-complementarios", que permite la realización tanto de un moldeo por inyección como un moldeo por compresión dentro del mismo molde,
- -
- el molde se puede someter a ciclos de temperatura durante un ciclo de procesado para realizar la integración de los materiales en unas condiciones térmicas óptimas.
Especificaciones relacionadas con el procesado
integrado:
- -
- la técnica de formación en prensa sirve como el concepto universal para juntar las mitades de los moldes y proporcionar la presión de contacto requerida,
- -
- el proceso de acuñación permite la inyección volumétrica de la masa fundida en un molde semiabierto. Este método reduce considerablemente las fuerzas de cizalladura que actúan sobre el lecho de fibras insertado. La colocación de la masa fundida en el molde se podría realizar bien directamente mediante la unidad de inyección o bien mediante una extrusión por matriz de rendija de una película que cubra el molde a través de la matriz de rendija. Esto conducirá además a una reducción de las fuerzas que actúan sobre el lecho de fibras.
- -
- las capacidades de la formación en prensa se pueden utilizar para proporcionar la presión de contacto requerida entre las piezas a integrar (conjuntar) durante el moldeo.
Este proceso se sitúa en la IPU.
Descripción y Objetivos:
- -
- facilitar la inyección de varios materiales diferentes durante el mismo ciclo,
- -
- proporcionar las posibilidades de integración de los materiales mediante la inyección combinada desde las dos unidades diferentes,
- -
- selección de la ubicación adecuada de inyección según las restricciones de la pieza y el molde.
Especificaciones relacionadas con el procesado
integrado:
- -
- proporcionar posibilidades de moldeos secuenciales antes y después de la formación de los compuestos. Con este método puede que sea posible la integración de materiales con la preforma, directamente después de la formación de la preforma compuesta. El posicionamiento horizontal y vertical de la unidad de inyección permite realizar la inyección mediante un control de paso central desde la parte superior y/o desde el lateral del molde,
- -
- En el caso de resinas reactivas se utilizan las capacidades de inyección RTM, RIM o LIM.
Este proceso se sitúa en la TIU y la SIU.
Descripción y Objetivos:
- -
- Proporcionar una preforma con un polímero (polvo, fibra) y unas fibras de refuerzo bien dispersados. Una distribución homogénea del polímero y el material de refuerzo facilita una consolidación previa y una consolidación final que se realizará en etapas posteriores del proceso. Una distribución homogénea de la resina/el material de refuerzo minimiza la longitud del flujo del polímero y de este modo la presión y el tiempo de consolidación requeridos.
- -
- Proporcionar una preforma conectada con cierta holgura con potencial para una humectación espontánea mejorada de las fibras. La preforma humedecida aunque consolidada con cierta holgura proporciona un grado favorable de capacidad de drapeado de la preforma para cargar el molde, y además reduce la importante etapa de humectación durante la siguiente consolidación final.
Polvo: Es bien sabido que en el haz de
fibras se podría introducir un polvo fino (de 10 a 300 \mum) del
polímero de matriz para facilitar la consolidación y compactación de
la preforma. El polvo fino acorta considerablemente la longitud del
flujo y de este modo la presión y el tiempo de consolidación
requeridos, tal como se puede describir mediante la ley de
Darcy.
Actualmente esta técnica se utiliza
comercialmente y además está desarrollada y modificada para
adecuarse a la integración en la configuración RAIMAC.
Fibras de polímero: Un método alternativo
a la vía del polvo es la utilización de fibra fusionada del
polímero y las fibras de refuerzo. La técnica proporciona unas
ventajas similares a la vía del polvo con respecto a la reducción
de la longitud del flujo durante la impregnación.
Las ventajas con la técnica tanto del polvo como
de las fibras es que se pueden realizar cables de preformas
personalizadas, con, por ejemplo, la combinación de fibras trenzadas
y unidireccionales en el cable, que se va a colocar en el molde.
Además, se pueden producir láminas de preformas tejidas o trenzadas
lo cual proporciona un potencial de producción de preformas
multidireccionales.
Líquidos: En las preformas de cable y
lámina se pueden inyectar directamente polímeros reactivos con una
baja viscosidad. En este caso la impregnación y la consolidación
previa se realizan durante la misma etapa de procesado.
Especificaciones relacionadas con el procesado
integrado:
- -
- Las láminas de la SIU o la TIU están adaptadas para ser introducidas en la IPU de cara a otras operaciones de formación y a la consolidación final.
- -
- La conexión de la etapa de impregnación con la fabricación completa permite realizar cambios potenciales del material así como cambios del contenido de fibra dentro de la línea de procesado.
- -
- Con la boquilla diseñada especialmente de la línea TIU, controlada y manipulada por el robot, el cable preimpregnado se sitúa por encima de la temperatura de reblandecimiento y se coloca en el molde. La forma de cable de la preforma sirve como perfil adecuado para la colocación en el molde.
- -
- Para combinar la producción continua de la línea TIU con la colocación de fibra discontinua en el equipo IP, entre la etapa de impregnación y la boquilla de colocación del cable se sitúa una unidad de almacenamiento intermedio.
- -
- La preforma consolidada previamente con cierta holgura proporciona la capacidad adecuada de drapeado de las láminas.
- -
- La preforma de lámina que presenta una combinación de diferentes orientaciones de fibra y/o longitud de fibra, proporciona el potencial de formación de flujo según el proceso GMT.
- -
- Las láminas precalentadas son tomadas por el MTR y movidas hacia la IPU de cara a la formación y la consolidación.
Este proceso se sitúa en la TIU, la SIU y la
TCU.
Descripción y Objetivos:
A continuación de la etapa de impregnación
inicial viene la etapa de consolidación previa. El propósito de
esta etapa de procesado es iniciar y mejorar una humectación
espontánea del lecho de fibras por parte del polímero, sin reducir
la capacidad de drapeado requerida de la preforma.
Especificaciones relacionadas con el procesado
integrado:
- -
- La consolidación previa se debería seguir realizando justo hasta que se obtenga una ligera interacción entre las fibras para mantener cierto grado de capacidad de drapeado del cable de fibras o la preforma de lámina. No obstante, el propósito de la consolidación previa es conseguir una humectación inicial de las fibras para reducir la compactación y la consolidación finales posteriores.
- -
- En la TIU la consolidación previa se realiza de una manera continua, lo cual permite conseguir unas condiciones constantes. La colocación del cable, que viene a continuación, se realiza de una manera discontinua durante la fase de carga del molde, lo cual significa que se debe utilizar una unidad de almacenamiento intermedio.
- -
- En el caso del moldeo por inyección líquida (LIM, RIM y RTM), la impregnación y la consolidación se realizan durante la misma etapa.
Este proceso se sitúa en la MTR y la IPU.
Descripción y Objetivos:
- -
- Una manera rentable de introducir refuerzos de fibras continuas en un molde de forma compleja
- -
- Introducir refuerzos en el molde con un control grande de la colocación y a una temperatura elevada
- -
- Conseguir una gran libertad en el cambio de la colocación de las fibras entre moldeos consecutivos, para obtener una eficacia máxima del refuerzo de fibras.
Especificaciones relacionadas con el procesado
integrado:
- -
- El cable no consolidado totalmente presenta un alto grado de flexibilidad lo cual permite obtener un grado grande de libertad durante la colocación en el molde por parte del MTR.
- -
- El cable consolidado previamente entregado por la unidad TIU se guía a través de un tubo flexible calentado hacia una boquilla calentada que está controlada (posición, velocidad, presión) por el MTR.
\newpage
- -
- El MTR coloca el cable en el molde según un patrón fijado previamente, determinado por los requisitos de rendimiento (resistencia, rigidez).
- -
- El posicionamiento del brazo del MTR y consecuentemente la colocación del cable está controlado por el ordenador de la unidad de control del robot. Esta información es proporcionada directamente por la información del CAD.
- -
- A medida que el cable calentado es entregado desde la boquilla del equipo de la TIU y colocado en el molde se consigue un contacto (unión por fusión) con cierta holgura entre los diferentes enrollamientos. La inyección de la masa fundida, que viene a continuación, proporciona la temperatura y la presión necesarias para la consolidación final del interior del cable, entre los cables y la masa fundida inyectada.
Este proceso se sitúa en la SIU y la IPU.
Descripción y Objetivos:
Durante la fabricación de la preforma de la SIU,
en el lecho de fibras se almacenan fuerzas elásticas y las mismas
se mantienen en esta posición por medio de la masa fundida
solidificada. Las fuerzas elásticas son gobernadas por el alto
grado de interacción fibra/fibra iniciada por la presión de
consolidación previa aplicada para la compactación y la humectación
del lecho de fibras.
- -
- Utilización de la expansión de la preforma de la SIU como ampliación de la zona de contacto entre la preforma y la masa fundida inyectada.
- -
- Utilización de la porosidad aumentada por el hinchamiento para permitir que la masa fundida inyectada penetre en la preforma de la SIU.
- -
- Proporcionar un gradiente interfacial entre la preforma de lámina y la masa fundida inyectada de polímero.
Especificaciones relacionadas con el procesado
integrado:
Debido a las fuerzas elásticas almacenadas en el
lecho de fibras de la preforma de la SIU tiene lugar una expansión
(hinchamiento) al producirse una nueva fundición del material de
matriz. Este fenómeno proporciona un aumento drástico del área de
superficie de la preforma. Además, el aumento de la porosidad de la
preforma permite que la masa fundida inyectada penetre en el
interior de la preforma proporcionando un interacoplamiento
mecánico mejorado así como un gradiente interfacial entre las dos
formas de material.
Este proceso se sitúa en la IPU, la SOU y la
TCU.
Descripción y Objetivos:
- -
- La fuerza interfacial es una de las características clave de rendimiento que debe tener una pieza integrada que combine varios componentes. Los compuestos y los polímeros termoplásticos se pueden fundir y se pueden volver a procesar, consecuentemente la unión por fusión es la técnica principal utilizada en este caso. Se estudian la cicatrización y la cristalización interfacial para definir, para cada sistema de materiales, los parámetros de procesado para conseguir una unión fuerte y duradera. Ambas caras intermedias se funden y a continuación se consolidan durante la refrigeración de la pieza.
Se prevén también técnicas de unión y de
fijación mecánica que utilizan adhesivos (cola, películas de fusión
en caliente, etcétera).
Especificaciones relacionadas con el procesado
integrado:
- -
- la unión por fusión se aplica y se controla "in situ" durante el procesado en la IPU o como un proceso de unión durante las etapas de ensamblaje (SOU).
- -
- la IPU se puede utilizar para extrudir o inyectar una capa adhesiva.
- -
- se puede utilizar el LIM para colocar el polímero adhesivo.
- -
- La unidad MTR permite colocar insertos, conectores, etcétera para la fijación mecánica.
Este proceso se sitúa en la TCU y la IPU.
Descripción y Objetivos:
- -
- Proporcionar fibras completamente humedecidas y una pieza sin huecos.
- -
- Utilizar el polímero inyectado para proporcionar calor y presión en combinación con la unidad de formación en prensa para la consolidación final.
Especificaciones relacionadas con el procesado
integrado:
- -
- Utilización de la masa fundida inyectada por una de las dos unidades de inyección como el medio de presión para conseguir una presión de consolidación casi hidrostática para las preformas de compuestos insertadas (desde el equipo de la SIU y/o la TIU). Utilizando la propia masa fundida como medio de presión se puede conseguir un contacto íntimo. Además, se puede utilizar un material compatible personalizado que forme una pieza integrada de la estructura moldeada. El mismo concepto es aplicable cuando se utiliza la inyección líquida.
- -
- La formación en prensa directa con matriz complementaria proporciona unos picos locales de presión en los cruces del haz de fibras y una variación global de la presión debido a los ángulos del molde con respecto a la dirección de la presión aplicada. Esta desventaja se elimina aplicando la presión por medio de la propia masa fundida inyectada.
Este proceso se sitúa en la IPU.
Descripción y Objetivos:
En la mayoría de los casos la integración de
materiales con diferentes propiedades termomecánicas introducirá un
nivel considerable de esfuerzos residuales en la estructura. Estos
esfuerzos se deben eliminar o reducir para conseguir el rendimiento
requerido del producto. Las liberaciones de los esfuerzos se pueden
obtener mediante:
- -
- el ciclo de temperatura del molde, que permite la relajación de los esfuerzos a una temperatura elevada.
- -
- la reducción de la contracción del volumen. Esto se puede obtener mediante una iniciación y un crecimiento controlados de los huecos durante la solidificación.
Especificaciones relacionadas con el procesado
integrado:
- -
- El molde en la IPU está equipado de unas capacidades de sucesión cíclica de la temperatura, que se utilizarán para la optimización de las condiciones de cicatrización y para reducir los esfuerzos en la solidificación.
- -
- Las capacidades del gas interno (inyección de gas) del equipo permiten la iniciación y el desarrollo de huecos controlados. Mediante estas condiciones se puede minimizar la diferencia en la contracción del volumen durante la solidificación y la refrigeración.
Este proceso se sitúa en la IPU.
Descripción y Objetivos:
- -
- proporcionar una capa intermedia entre diferentes materiales (formas de material) para mejorar su integración y cicatrización. La capa intermedia puede ser un material personalizado especial que promueva la cicatrización entre dos tipos diferentes de material.
- -
- proporcionar una capa de superficie (recubrimiento) sobre el producto final.
- -
- proporcionar una capa entre materiales con diferentes propiedades termomecánicas para las liberaciones de los esfuerzos.
- -
- proporcionar las capacidades de un gradiente interfacial entre diferentes formas de material.
\newpage
Especificaciones relacionadas con el procesado
integrado:
- -
- Tal como se ha descrito anteriormente la técnica de procesado integrado proporciona un potencial de utilización de diferentes combinaciones de materiales y de procesos. Mediante la extrusión de una capa intermedia entre diferentes moldeos se podría introducir un material que mejora la adherencia entre los materiales.
- -
- Se podría considerar también que la película fundida proporciona la inercia térmica que se necesita para una cicatrización exitosa.
- -
- Si en el molde se introduce una preforma seca de fibras la siguiente introducción de la masa fundida se debe realizar bajo unas fuerzas de cizalladura pequeñas para no destruir la integridad del lecho de fibras. La extrusión de la capa intermedia en la parte superior del lecho de fibras reduce considerablemente las fuerzas de cizalladura en comparación con la inyección convencional de la masa fundida. Además, la distancia de impregnación (perpendicular al lecho de fibras) se reduce en comparación con la inyección en la que la impregnación se debe realizar a lo largo del lecho de fibras.
- -
- Cuando se integran materiales con diferentes propiedades termomecánicas es beneficioso crear una zona interfacial con propiedades de gradiente para la reducción de las concentraciones de esfuerzos en las zonas interfaciales.
Este proceso se sitúa en la IPU.
Descripción y Objetivos:
- -
- Las capacidades de inyección de gas del equipo proporcionan la posibilidad de inyectar la masa fundida junto con un gas, lo cual proporciona un moldeo hueco. La presión de gas proporciona la presión necesaria para la consolidación y la formación de una pieza con unos requisitos rigurosos de acabado de la superficie.
- -
- proporcionar las capacidades de fabricación de piezas estructuradas huecas, tanto con una preforma de fibras como sin dicha preforma.
- -
- proporcionar un potencial de liberaciones de esfuerzos residuales mediante la compensación de la contracción del volumen, por medio de una iniciación y un crecimiento controlados de los huecos internos.
Especificaciones relacionadas con el procesado
integrado:
- -
- Tal como se ha descrito anteriormente la conjunción de materiales con diferentes propiedades termomecánicas puede dar inicio a esfuerzos residuales en la estructura durante el ciclo de procesado. La diferencia en la contracción térmica volumétrica se puede compensar mediante el crecimiento de huecos internos. La capacidad de inyección de gas de la IPU proporcionará esta característica.
- -
- Mediante la técnica de presión interna se puede utilizar una presión de moldeo menor lo cual permite la formación en unas condiciones más sensibles con respecto a la destrucción potencial del lecho de fibras.
- -
- Mediante la técnica de presión interna, se pueden combinar y conjuntar juntos diferentes elementos secundarios de la pieza integrada por medio de la burbuja de gas de masa fundida.
- -
- Además, se podría considerar la expansión de tubos de fibras tejidas secas hacia la superficie del molde para la producción de estructuras compuestas huecas.
El sistema de procesado integrado introduce la
integración de varias etapas de procesado de materiales (descritas
anteriormente en el presente documento) pormedio de las
utilizaciones combinadas de todas las unidades también descritas
anteriormente. La siguiente exposición describe cómo se pueden
combinar secuencialmente diferentes unidades para proporcionar los
procesos de los materiales requeridos para la fabricación de la
pieza compuesta
integrada.
integrada.
La integración de varios semiproductos y
preformas comerciales (polímeros, preformas secas, preformas
impregnadas, compuestos, insertos) se realiza utilizando el MTR para
preformas y manipulaciones de piezas asociadas a la IPU en la que
se realizan las respectivas etapas de procesado. Todas estas
integraciones combinadas se definirán como vías de procesado del
tipo A para la fabricación de las piezas.
Las diferentes vías de procesado para fabricar
preformas (SIU, TIU, IPU, TCU) se denominarán vías de tipo B. Las
vías de procesado del tipo B+A abren un horizonte mayor para el
concepto de procesado integrado ya que proporcionan libertad en el
diseño y la fabricación de preformas. Las vías de tipo B+A integran
la fabricación de las preformas y de las piezas finales.
Consecuentemente, el concepto de fabricación
flexible asistida por robot (RAFMAC) se define en el presente
documento como el conjunto de todas las combinaciones de vías de
procesado integrado. Cada vía está descrita por una serie de etapas
y técnicas (unidades de equipos) de procesado del material. En
cualquier punto de todas las vías de procesado y en función de los
requisitos de la aplicación se pueden integrar operaciones
adicionales: colocación del inserto, ensamblaje, etcétera. La unidad
MTR permite además colocar preformas, semiproductos o componentes
disponibles en el mercado tales como FIT, GMT, etcétera.
La unidad de procesado integrado (IPU) combina
varias unidades de formación y de moldeo que se pueden utilizar
bien por separado o bien secuencialmente para definir vías de
procesado del tipo A. A continuación en el presente documento se
ofrece una lista de ejemplos de las principales vías de procesado
resultantes:
Con la combinación de todas las unidades
disponibles para la preparación y la fabricación directas en línea
de diferentes preformas, el número de vías de procesado aumenta
considerablemente. A continuación en el presente documento se
ofrece una lista de ejemplos de estas vías de tipo B+A que integran
la fabricación de preformas y de piezas:
\vskip1.000000\baselineskip
\newpage
La primera etapa es la selección de las fibras
de refuerzo como material de refuerzo y su preparación para entrar
en una unidad de fabricación de preformas, en este caso, por
ejemplo, la TIU. Los filamentos de las fibras se extienden en el
extensor 52 (ver Figura 8) antes de entrar en el baño fluidizado 54
que contiene el polímero seleccionado en forma de polvo. El
polímero penetra en el cable de filamentos. A continuación el cable
se impulsa hacia el interior de un horno precalentado 55 en el que
las partículas de polvo se funden y se adhieren a los filamentos.
En este momento el cable está parcialmente impregnado y listo para
ser dirigido por la unidad MTR. Un canal 60 guía el cable
preimpregnado hacia la parte superior de un brazo 59 fijado en el
dispositivo de agarre del robot. Este brazo está equipado con una
boquilla caliente 57, 58 y unos alicates 64 de corte. El cable se
dirige hacia el interior de la boquilla que controla su temperatura
y estado para permitir y facilitar la deposición y la colocación
del cable en el molde. La unidad MTR coloca el cable de refuerzo en
uno de los moldes 21 (ver Figuras 5 y 6) en unas direcciones
precisas que siguen un camino determinado para optimizar la
resistencia mecánica de la pieza futura. El camino tridimensional se
calcula y transfiere hacia el ordenador del robot que controla los
movimientos del brazo del robot dentro del espacio de trabajo de la
IPU. De esta manera, dentro de uno de los moldes de la mesa
giratoria 20 de la IPU se colocan varios cables. Los alicates de
corte cortan el cable y a continuación el molde precalentado se
cierra y la unidad de mando de la IPU selecciona y prepara
automáticamente la unidad 25 de inyección vertical. La unidad de
inyección entrega un polímero a una temperatura y una presión
optimizadas para esta pieza. El polímero inyectado llena la cavidad
alrededor de los cables impregnados colocados por la unidad MTR y
simultáneamente aplica la presión para la consolidación final de
los cables. Con esta operación, la presión de inyección se utiliza
simultáneamente para llenar el molde y para consolidar el cable de
refuerzo. Cuando el moldeo ha alcanzado una temperatura que permite
expulsar la pieza, el molde se abre y la IPU expulsa la pieza desde
el molde. A continuación las secuencias se pueden repetir dentro
del mismo molde o en un segundo molde.
Para este ejemplo de pieza integrada, el
polímero inyectado proporciona una forma compleja externa y un
acabado de la superficie. La estructura interior de las fibras
impregnadas de refuerzo presenta unas propiedades mecánicas
direccionales. Cuando sea necesario, se pueden añadir otras
funciones y/o características de rendimiento mediante la
utilización automática de otras unidades disponibles del equipo
integrado o mediante la integración de otros tipos de polímero y/o
refuerzo.
Claims (17)
1. Proceso para la fabricación de productos
poliméricos y/o compuestos, que comprende la integración de
operaciones de procesado para conseguir una pluralidad de etapas de
conversión del material tales como la impregnación y la
consolidación dentro de un único ciclo de fabricación controlada,
que incluye una preparación final in situ de por lo menos
una preforma compuesta (45, 67) en la ubicación (21) de la operación
de moldeo, caracterizado porque incluye una operación de
moldeo integrado que comprende una etapa en la que en el molde se
proporciona un material adicional que funciona como matriz para
cerrar al menos parcialmente dicha preforma compuesta, de manera
que dicha operación en la que se proporciona dicho material
adicional que funciona como matriz proporciona la presión para una
consolidación final in situ del producto compuesto, donde
dicho material adicional que funciona como matriz se utiliza como
el medio de presión para conseguir una presión de consolidación
casi hidrostática para la preforma compuesta insertada.
2. Proceso según la reivindicación 1, en el que
dicha operación de moldeo integrado comprende una inyección de
polímero, y/o una compresión del molde, y/o una inyección de gas o
líquido, y/o una extrusión de capas intermedias, con lo cual la
presión de funcionamiento de dichas operaciones combinadas se
utiliza para conseguir la consolidación final del producto
compuesto.
3. Proceso según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, que comprende una preparación y/o
consolidación previa iniciales de dicha preforma compuesta y en el
que dichas preparación y/o consolidación previa iniciales de la
preforma compuesta, dicha preparación final in situ de la
preforma y dicha operación de moldeo integrado se realizan dentro
de un ciclo ininterrumpido.
4. Proceso según la reivindicación 3, en el que
dicho ciclo ininterrumpido comprende las etapas de conversión del
material de formación de preformas a través de la orientación, la
impregnación y la consolidación previa de compuestos basados en
fibras, la colocación in situ de dichas preformas en una
dirección orientada de forma precisa en la ubicación en la que se
realiza dicha operación de moldeo integrado, y dichas operaciones
de moldeo integrado.
5. Proceso según la reivindicación 4, en el que
dicho ciclo ininterrumpido comprende las etapas de impregnación y
de consolidación previa de un compuesto basado en fibras para formar
una preforma de cable impregnada y de colocación de dicha preforma
de cable impregnada en una orientación de forma precisa en el molde
a través de una boquilla gobernada cuyas temperatura y posición son
controladas.
6. Proceso según la reivindicación 4, en el que
dicho ciclo ininterrumpido comprende las etapas de impregnación y
de consolidación previa de un compuesto basado en fibras para formar
una preforma de lámina impregnada.
7. Proceso según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores en el que dicha operación de moldeo
integrado comprende la inyección de gas interno adaptada para
fabricar piezas compuestas estructuradas huecas, y dicho gas
interno inyectado se utiliza para la consolidación y/o para la
liberación de esfuerzos inducidos por el proceso y desarrollados a
partir de la integración de las diferentes formas de material.
8. Proceso según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que una de dichas etapas
comprende la introducción de una película extrudida por matriz de
rendija en un molde de consolidación para proporcionar por lo menos
una de las siguientes capacidades: compatibilidad de los diferentes
materiales integrados, gradiente interfacial entre materiales
integrados y formas de material, liberación de esfuerzos
interfaciales, recubrimiento de superficie sobre la pieza final e
impregnación de resina a través del grosor de la pieza.
9. Equipo para la fabricación de productos
poliméricos y/o compuestos según el proceso de la reivindicación 1,
que comprende una unidad de procesado integrado (IPU) que incluye
unos medios (20) para recibir por lo menos una preforma compuesta
(45, 67) en por lo menos una ubicación definida (21),
caracterizado porque comprende además unos medios que actúan
en la ubicación de la operación de moldeo para proporcionar y
transformar un material adicional que funciona como matriz
destinado a cerrar al menos parcialmente dicha preforma, estando
dispuestos dichos medios para procesar dicho material adicional que
funciona como matriz de manera que proporcionan la presión para una
consolidación final in situ del producto compuesto
consiguiendo una presión de consolidación casi hidrostática para la
preforma compuesta insertada y comprendiendo por lo menos unos
medios (25, 26) de inyección, y/o unos medios (27) de extrusión,
y/o unos medios (24) de compresión, y/o unos medios (28, 29) de
inyección de líquido o gas.
10. Equipo según la reivindicación 9,
caracterizado porque una unidad de robot multitarea (MTR)
está asociada a dicha unidad de procesado integrado (IPU),
comprendiendo dicha unidad de robot (MTR) unos medios para
conseguir una colaboración automática entre dicha unidad de
procesado integrado (IPU) y una o varias unidades adicionales de
procesado (SIU, TIU, TCU, SOU) asociadas a dicha unidad de procesado
integrado.
11. Equipo según la reivindicación 10,
caracterizado porque dicha o dichas unidades adicionales de
procesado comprenden una unidad de impregnación de láminas (SIU),
la unidad de impregnación de cables (TIU), una unidad de
consolidación de cintas (TCU), y/o una unidad de operaciones de
soporte (SOU).
12. Equipo según la reivindicación 10 u 11,
caracterizado porque dicha unidad de robot multitarea
comprende unos medios automáticos para establecer y controlar la
sincronización entre dos o más de dichas unidades de procesado,
estando dispuestos dichos medios automáticos para conseguir la
colocación de los cables, la preparación de los compuestos, la
combinación de preformas y/o insertos, y/o la manipulación de
herramientas, preformas y/o piezas procesadas.
13. Equipo según una de las reivindicaciones 9 a
12, caracterizado porque comprende una unidad de impregnación
de cables (TIU) dispuesta para entregar una preforma de cable
directamente en un molde a través de un tubo (58) calentado y
flexible y una boquilla (57) de matriz.
14. Equipo según una de las reivindicaciones 9 a
13, caracterizado porque comprende una unidad de impregnación
de láminas (SIU) para la fabricación de productos compuestos
realizados de material de matriz y de refuerzo, que incluye varias
estaciones (40) que comprenden una estratificación del material de
refuerzo, una estratificación del polvo, una impregnación, una
consolidación previa y/o hinchamiento, colaborando dichas estaciones
de manera que forman una lámina consolidada previamente que puede
ser entregada otra unidad de fabricación para producir dichos
productos compuestos, estando dispuesta dicha otra unidad de manera
que consigue una consolidación final de dicha preforma.
15. Unidad de procesado de integración (IPU)
para la fabricación de productos poliméricos y/o compuestos según
el proceso de la reivindicación 1, que incluye unos medios (20) para
recibir por lo menos una preforma compuesta (45, 67) en por lo
menos una ubicación definida (21), caracterizada porque
comprende además unos medios que actúan en la ubicación de la
operación de moldeo para proporcionar y transformar material
adicional que funciona como matriz destinado a cerrar al menos
parcialmente dicha preforma, estando dispuestos dichos medios para
procesar dicho material adicional que funciona como matriz de manera
que proporcionan la presión para una consolidación final in
situ del producto compuesto consiguiendo una presión de
consolidación casi hidrostática para la preforma compuesta
insertada y comprendiendo por lo menos unos medios (25, 26) de
inyección, y/o unos medios (27) de extrusión, y/o unos medios (24)
de compresión, y/o unos medios (28, 29) de inyección de líquido o
gas.
16. Unidad de procesado de integración según la
reivindicación 15, caracterizada porque dicha ubicación
definida para recibir dicha preforma es la ubicación de la operación
de moldeo.
17. Unidad de procesado de integración según la
reivindicación 15, caracterizada porque incluye una
pluralidad de ubicaciones (21) para recibir preformas
compuestas.
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