ES2675769T3

ES2675769T3 - Proceso de infusión a presión constate

Info

Publication number: ES2675769T3
Application number: ES09756889.3T
Authority: ES
Inventors: Mitchell David Smith; Marc Doyle
Original assignee: Cytec Technology Corp
Current assignee: Cytec Technology Corp
Priority date: 2008-11-20
Filing date: 2009-11-13
Publication date: 2018-07-12
Anticipated expiration: 2029-11-13
Also published as: CA2744137A1; WO2010059514A3; TWI524987B; JP2012509215A; BRPI0921310B1; WO2010059514A2; TW201032992A; KR101661782B1; CA2744137C; EP2346662B1; MY153894A; AU2009316884B2; US8652371B2; KR20110097855A; CN102216048A; EP2346662A2; US20100124654A1; BRPI0921310A2; AU2009316884A1; JP5634408B2

Abstract

Un método de fabricación de un compuesto, que comprende: introducir una preforma y un depósito relleno de resina dentro de una misma bolsa de vacío, en el que el depósito es un depósito de resina plegable preenvasado; infundir resina desde el depósito en la preforma bajo una presión de vacío a través de una línea de suministro que conecta la preforma al depósito; mantener el depósito y la preforma bajo sustancialmente la misma presión de vacío; y curar la resina.

Description

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DESCRIPCION

Proceso de infusión a presión constate Antecedentes de la invención Campo

Realizaciones de la presente divulgación pertenecen a procesos de infusión de resina y, en particular, a procesos de infusión de resina para la fabricación de compuestos reforzados de fibra que emplean procesamiento de presión de vacío.

Descripción de la técnica relacionada

Compuestos de matriz polimérica reforzados con fibra (PMC) son materiales estructurales de alto rendimiento que se usan comúnmente en aplicaciones que requieren resistencia a ambientes agresivos, gran fuerza y/o bajo peso. Ejemplos de tales aplicaciones incluyen componentes de aeronaves (por ejemplo colas, alas, fuselajes, propulsores), cascos de barco y cuadros de bicicletas. Los PMC comprenden capas de fibras que se unen junto con un material de matriz, tal como una resina polimérica. Las fibras refuerzan la matriz, aguantando la mayoría de la carga soportada por el compuesto, mientras la matriz aguanta una porción minoritaria de la carga soportada por el compuesto y también transfiere carga desde fibras rotas a fibras intactas. De esta manera, los PMC puede soportar mayores cargas que o bien la matriz o bien la fibra pueden soportar solas. Adicionalmente, adaptando las fibras de refuerzo en una geometría u orientación particulares, el compuesto puede diseñarse de forma eficiente para minimizar el peso y volumen.

Numerosos procesos se han desarrollado para la fabricación de PMC. Ejemplos pueden incluir superposición de láminas en húmedo, preimpregnación e infusión líquida. En superposición de láminas en húmedo, la fibra de refuerzo se humedece con el material de matriz, situado en una cavidad de molde, y se permite que endurezca o cure. Este proceso puede realizarse de una forma automática, tal como con una pistola cortadora o una máquina que recibe rollos de fibra seca, pasa los mismos a través de un baño de inmersión de resina y sitúa las fibras humedecidas en el molde. Como alternativa, la resina puede aplicarse manualmente usando cepillos.

En preimpregnación, los componentes compuestos se fabrican con tejidos tejidos preimpregnados o preimpregnados. Las fibras de refuerzo se impregnan con la matriz de resina de una forma controlada y se congela para impedir la polimerización de la resina. Los preimpregnados congelados se envían y almacenan en la condición congelada hasta que se necesiten. Cuando se fabrican piezas de compuestos a partir de preimpregnados, los preimpregnados, descongelados temperatura ambiental, se cortan a medida y se sitúan en la cavidad de molde. Una vez en su sitio, los preimpregnados se embolsan al vacío y curan bajo presión para conseguir la fracción de volumen de fibra requeridas con un mínimo de huecos.

En el procesamiento de infusión líquida, las fibras de refuerzo se sitúan dentro de una cavidad de molde u otro mecanismo para conformar en forma de red en condiciones secas, humedecen con la matriz de resina y curan. El procesamiento de infusión líquida puede lograrse mediante una diversidad de técnicas, incluyendo moldeo de transferencia de resina de presión alta y baja (RTM), Infusión de Película de Resina (RFI), moldeo por transferencia de resina asistida de vacío (VARTM), pultrusión, híper VARTM, proceso de moldeo por infusión de resinas compuestas de Seeman (SCRIMP®), moldeo por inyección-reacción (RIM) o mismo moldeo por transferencia de resina cualificada (SQUIRTM). El documento US 2007/090562 describe cómo se fabrica un artículo compuesto en un dispositivo para infundir una superposición de láminas. El dispositivo es un dispositivo de VARTM e incluye un mandril, ventosa y película de embolsado.

Cada uno de estos procesos puede ser problemático, sin embargo. Mientras que es relativamente barato, la fabricación de superposición de láminas en húmedo habitualmente produce compuestos que tienen fracciones de volumen de fibras bajo y alta porosidad, que reducen la fuerza y calidad totales del compuesto así fabricado. En contraste, mientras la fabricación de compuestos a través de preimpregnación pueden conseguir fracciones de volumen de fibra más altos y contenido hueco reducido, el coste de fabricar preimpregnados es mucho mayor. Adicionalmente, la vida útil de los preimpregnados congelados es limitada, debido a la polimerización continua, incluso en el estado congelado, y su manipulación debe ser controlada con cuidado. La fabricación de compuestos mediante infusión y otros procesos de molde cerrado, tal como RTM, es también cara, debido al alto coste de obtener y mantener el utillaje y sistemas de inyección líquida necesarios.

Sumario

Existe una necesidad en la técnica para compuestos, y los métodos y aparato para procesar estos materiales, que tendrán fracciones de alto volumen de fibra y baja porosidad, que aumentarán la fuerza y calidad de los compuestos que se fabrican, mientras reducen el coste de producir los materiales.

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Breve descripción de los dibujos

La Figura 1A es una ilustración esquemática de la presión dentro de una preforma de fibra durante un proceso de infusión de resina antes de infusión de resina;

la Figura 1B es una ilustración esquemática de la presión dentro de la preforma de fibra durante un proceso de infusión de resina después de que se ha formado un gradiente de presión;

la Figura 1C es una ilustración esquemática de la presión dentro de la preforma de fibra durante un proceso de infusión de resina a medida que la resina se extrae en áreas evacuadas de la preforma de fibra; la Figura 1D es una ilustración esquemática de la presión dentro de la preforma de fibra después de que la resina a rellenado al menos una porción de las áreas evacuadas de la preforma de fibra;

la Figura 2A es una ilustración esquemática de una realización de un sistema de infusión de resina de la presente divulgación;

la Figura 2B es una ilustración esquemática de otra realización del sistema de infusión de resina de la presente divulgación que tiene múltiples depósitos de resina;

la Figura 2C es una ilustración esquemática de otra realización del sistema de infusión de resina de la presente divulgación que comprende rigidizadores de soporte; y

la Figura 2D es una ilustración esquemática de otra realización del sistema de infusión de resina de la presente divulgación que comprende una válvula externa.

Descripción detallada

Una realización de la invención, el Proceso de Infusión a Presión Constante (CPI VaRTM) analizado en este documento puede reducir sustancialmente las variaciones en las propiedades de compuestos de matriz polimérica que pueden surgir debido a gradientes de presión interna, proporcionando un proceso de fabricación de compuestos robusto, repetible, predecible y controlado. En una realización, puede impedirse la probabilidad de que se forme o persista un gradiente de presión a través de una preforma de fibra durante infusión o curación de la matriz. Esto resulta en la mayor compactación de preforma conseguible todo el tiempo que puede impedir cambios potenciales en el volumen evacuado durante el proceso de infusión de matriz. Este proceso produce de forma consistente laminas compuestas que cumplen o exceden a las hechas a partir de preimpregnados tradicionales y curados en una autoclave. Además, realizaciones del proceso CPI VARTM no requieren ningún equipo adicional más allá del de incluir el depósito de resina y línea de suministro/constrictor de flujo asociado en el esquema de embolsado.

Además, la presente invención también permite un proceso de infusión significativamente simplificado. Esto se logra a través de la ubicación de la fuente de suministro de resina dentro del embolsado del componente, que reduce o sustancialmente elimina la necesidad de usar tubos o fuentes de suministro de resina externos. Esto permite el envasado más óptimo de los componentes a infundir en un horno, que reduce significativamente el coste de producción de compuestos, ya que pueden producirse más componentes de una tanda de horno.

Los términos "casi", "aproximadamente" y "sustancialmente" como se usan en el presente documento representan una cantidad cercana a la cantidad indicada que aún realiza la función deseada y alcanza el resultado deseado. Por ejemplo, los términos "casi", "aproximadamente" y "sustancialmente" pueden referirse a una cantidad que está dentro de menos del 10 % de, dentro de menos del 5 % de, dentro de menos del 1 % de, dentro de menos del 0,1 % de, y dentro de menos del 0,01 % de la cantidad indicada.

El término "preimpregnado" como se usa en el presente documento tiene su significado común significando como se conoce por los expertos en la materia tal como se ha descrito anteriormente. Los preimpregnados pueden incluir hojas o láminas de fibra que han sido preimpregnadas con un material de matriz dentro de al menos una porción de su volumen. La matriz puede estar presente en un estado parcialmente curado. En una realización, el preimpregnado tiene una porosidad entre aproximadamente el 0,1 al 1,5 % de volumen, sobre la base del volumen total del preimpregnado.

Los términos "curar" y "curación" como se usan en el presente documento tienen su significado común como se conoce por los expertos en la materia y pueden incluir procesos de polimerización y/o reticulación. Curar puede realizarse mediante procesos que incluyen, pero sin limitación, calentamiento, exposición a luz ultravioleta y exposición a radiación. En ciertas realizaciones, curar puede tener lugar dentro de la matriz. Antes de la curación, la matriz puede comprender además uno o más compuestos que son, a aproximadamente temperatura ambiental, líquidos, semisólidos, sólidos cristalinos y combinaciones de los mismos. En ciertas realizaciones, la infusión y curación puede realizarse en un único proceso.

Los términos "matriz", "resina" y "resina de matriz" como se usan en el presente documento tienen su significado común como se conoce por los expertos en la materia y pueden incluir uno o más compuestos que comprenden materiales termoendurecibles y/o termoplásticos. Ejemplos pueden incluir, pero sin limitación, epoxis, agentes de curación de epoxi, fenólicos, fenoles, cianatos, imidas (por ejemplo, poliimidas, bismaleimida (BMI), polieterimidas), poliésteres, bezoxacinas, polibencimidazoles, polibenzotiazoles, poliamidas, poliamidimidas, polisulfonas, sulfonas de poliéter, policarbonatos, tereftalatos de polietileno y poliéter cetonas (por ejemplo poliéter cetona (PEK), poliéter éter cetona (PEEK), poliéter cetona (PEKk) y similares), combinaciones de los mismos, y precursores de los

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mismos. En una realización, la resina es un sistema de resina de epoxi de una sola pieza. En otra realización, la resina es una resina epoxi de una sola pieza y baja viscosidad. En otra realización, la resina tiene una viscosidad muy alta a temperatura ambiental pero tiene una baja viscosidad y larga vida útil a una temperatura elevada. En este caso, la alta viscosidad de la resina puede imposibilitar el flujo de resina en la preforma a temperatura ambiental. Por lo tanto, durante el proceso, la resina puede calentarse a una temperatura que fundiría la resina a una baja viscosidad y permitiría que la resina fluyese en la preforma. Una resina de viscosidad alta puede tener una viscosidad de aproximadamente 3000 cp a aproximadamente 20000 cp a temperatura ambiente, y la resina de viscosidad alta puede tener una viscosidad de aproximadamente 50 cp to aproximadamente 500 cp a entre 30 y 125 grados C. En otra realización, la resina tiene una viscosidad baja a temperatura ambiental. Una resina de viscosidad baja puede tener una viscosidad de aproximadamente 50 cp a aproximadamente 700 cp a temperatura ambiente. En una realización, el contenido de matriz del compuesto es aproximadamente del 30 al 70 % de volumen sobre la base del volumen del compuesto.

El término "infusión" como se usa en el presente documento tiene su significado común como se conoce por los expertos en la materia y pueden incluir la introducción de una resina en una preforma. En la invención, infundir una resina incluye empujar mecánicamente la resina en la preforma mediante presión de vacío. En una realización, la infusión sucede a entre aproximadamente 40 a aproximadamente 120 °C. En otra realización, la infusión sucede a aproximadamente temperatura ambiente.

El término "depósito" como se usa en el presente documento tiene su significado común como se conoce por los expertos en la materia e incluye un depósito plegable, tal como una membrana plegable u otro depósito flexible. Los métodos y aparato analizados en este documento pueden incluir uno o más depósitos de resina. Múltiples depósitos de resina pueden enlazarse con la una o más preformas, tal como en serie o paralelo o encadenados juntos en forma de margarita para distribuir resina adecuada e infundir completamente la preforma.

En la presente invención, el sistema de suministro de resina se comprende de una bolsa de resina plegable o depósito que se mantiene en el mismo estado de vacío que la preforma que debe infundirse. Además, el depósito de resina se sitúa dentro de la misma bolsa que la preforma que se infunde. El proceso sigue métodos convencionales en que la preforma se compacta a través de cualquier número de métodos anteriormente descritos que están cubiertos en la técnica anterior. Una realización de la presente invención no utiliza una fuente de suministro de resina externa, controlada o no controlada, sino que en su lugar utiliza una fuente interna que depende de la incapacidad del depósito de resina para resistir la presión atmosférica aplicada en el depósito bajo la bolsa de vacío. Este sistema permite que la preforma se compacte completamente y mantenga en una atmósfera completa de presión para todo el proceso. En una realización, el depósito de suministro de resina se mantiene también con las mismas condiciones atmosféricas; sin embargo, no se permite que la resina rellene el espacio evacuado tras la aplicación del vacío.

El flujo de resina puede detenerse a través de varios métodos. Por ejemplo, en una realización, una resina puede usarse que tiene una alta viscosidad a temperatura ambiental que impide el flujo y a continuación se funde, o se convierte a una baja viscosidad, tras el calentamiento durante el proceso de infusión. En otra realización, puede usarse un constrictor de flujo entre el depósito de resina y la preforma que se activa o bien mediante calor o mediante una influencia externa. El dispositivo de restricción de flujo puede disponerse en la línea de suministro entre el depósito y la preforma, tal como una válvula externa, que evita que la resina fluya en la preforma mientras está cerrada.

En otra realización, la resina comienza a infundir la preforma inmediatamente tras la aplicación de vacío, sin embargo, en otra realización, el flujo de resina comienza después de que la preforma se ha completado, comprimido y radiada para infusión.

El término "comunicación fluida" como se usa en el presente documento tiene su significado común como se conoce por los expertos en la materia y puede referirse a una línea de suministro conectada desde el depósito a la línea de suministro de la preforma. En una realización, la tasa de la resina que pasa desde el depósito a la preforma está entre 10 ml/min. a 1000 ml/min.

El término "preforma" o "preforma de fibra" como se usa en el presente documento tiene su significado común como se conoce por los expertos en la materia y pueden incluir un conjunto de fibras, tal como fibras unidireccionales y tejidos tejidos, que están listos para recibir resina. Los métodos y aparato analizados en este documento pueden incluir una o más preformas.

El término "vacío" o "presión de vacío" como se usa en el presente documento tiene su significado común como se conoce por los expertos en la materia y pueden incluir presión de vacío de 1 atmósfera o menor. Durante la etapa de infusión, sustancialmente la misma presión de vacío puede aplicarse durante la duración de la etapa de infusión. En una realización, la cantidad de vacío es aproximadamente de 0-1 atm. En otra realización, puede añadirse más presión mediante un medio secundario tal como una célula presurizada, por ejemplo, una autoclave. También se contemplan presiones de vacío de 1 atm, 0,9 atm, 0,8 atm, 0,7 atm, 0,6 atm, 0,5 atm, 0,4 atm, 0,3 atm, 0,2 atm, 0,1 atm. En una realización, sustancialmente ningún gradiente de presión se forma en la preforma durante la etapa de

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infusión. En una realización, el proceso se refiere a, pero sin limitación, procesos de infusión de resina de únicamente vacío para hacer compuestos reforzados de fibra. En una realización, la presión de vacío se mantiene totalmente en toda la preforma de fibra seca durante todo el ciclo de infusión y curado.

El término "cerramiento" o "bolsa de vacío" como se usa en el presente documento tiene cada uno su significado común como se conoce por los expertos en la materia y pueden incluir cualquier cerramiento o bolsa de vacío que es capaz de mantener sustancialmente la misma presión de vacío del depósito y la preforma durante la etapa de infusión o curación. En una realización, el cerramiento o bolsa de vacío comprime la preforma. Por ejemplo, en una realización, al menos una porción del cerramiento se conforma sustancialmente a la forma de la preforma, cuando se somete a presión de vacío. En otra realización, el cerramiento o bolsa de vacío comprende al menos uno de polietileno, poliuretano, látex, silicona y vinilo, tal como bolsa de plástico. En otra realización, el cerramiento o bolsa de vacío comprende un material semirrígido que cubre toda o parte de la preforma para establecer una membrana de vacío.

En la presente invención, la preforma y el depósito de resina están en el mismo cerramiento o bolsa de vacío. Los métodos y aparatos analizados en este documento pueden incluir uno o más cerramientos o bolsas de vacío.

En una realización, el depósito puede agotarse y la preforma puede llenarse, y posteriormente la pieza de componente puede a continuación curarse hasta completarse. Después de curar el componente, puede inspeccionarse de forma no destructiva con métodos de ultrasonido y medirse para al menos uno de grosor, volumen de fibra y contenido de huecos. En una realización, el componente comprende uno o más miembros rigidizadores incorporados en el mismo. El componente puede configurarse con placas flotantes para soportar los rigidizadores, durante el proceso de curación. La pieza de componente preferentemente cumple con requisitos aeroespaciales s con variación mínima.

El término "compuestos" como se usa en el presente documento tiene cada uno su significado común como se conoce por los expertos en la materia tal como se ha descrito anteriormente, e incluye laminas y compuestos de matriz polimérica. En una realización, el compuesto tiene un contenido de fibra de al menos el 55 %, y en otras realizaciones del 60 % o mayor, 65 % o mayor, 70 % o mayor, 75 % o mayor, 80 % o mayor sobre la base del volumen total del compuesto. En una realización, el compuesto tiene una porosidad entre aproximadamente el 0,1 al 1,5 % de volumen, sobre la base del volumen total del compuesto. El proceso puede producir compuestos que tienen volúmenes de fibra altos y bajos contenidos de huecos que cumplen o exceden los de compuestos convencionales fabricados en una autoclave. Los compuestos resultantes pueden aplicase en aplicaciones que incluyen, pero sin limitación, aplicaciones aeroespaciales.

El término "fracción de volumen de fibra" como se usa en el presente documento tiene cada uno su significado común como se conoce por los expertos en la materia, e incluye la cantidad de fibra en un compuesto, basándose en un porcentaje de volumen de fibras del volumen total de compuestos. En algunas realizaciones, la fracción de volumen de fibra del compuesto es mayor que la fracción de volumen de fibra de un compuesto que contiene los mismos componentes pero se produce mediante un método en el que el depósito y la preforma no se mantienen bajo sustancialmente la misma presión de vacío durante la etapa de infusión. El tipo de fibra o textil usado en el compuesto afecta al calculo de fracción de volumen de fibra y por lo tanto, en algunas realizaciones, se usa la fibra o textil idénticos en una comparación de la fracción de volumen de fibra de un compuesto producido mediante un método divulgado en este documento y la fracción de volumen de fibra de un compuesto producido mediante un método convencional. En otras realizaciones, los métodos descritos en este documento consiguen una fracción de volumen de fibra del compuesto que es del 1 % o mayor, tal como 2 % o mayor, 3 % o mayor, 4 % o mayor, 5 % o mayor, 6 % o mayor, 7 % o mayor, 8 % o mayor, 9 % o mayor o 10 % o mayor, tal como aproximadamente 3-5 % o mayor que la fracción de volumen de fibra conseguida usando un proceso convencional de VARTM, tal como uno en el que el depósito y la preforma no se mantienen bajo sustancialmente la misma presión de vacío durante la etapa de infusión. En realizaciones adicionales, la fracción de volumen de fibra es del 58 % o mayor por volumen, incluyendo 59 % o mayor, 60 % o mayor, 61 % o mayor, 62 % o mayor, 63 % o mayor, 64 % o mayor o 65 % o mayor por volumen.

El término "grosor" como se usa en el presente documento tiene cada uno su significado común como se conoce por los expertos en la materia, e incluye el grosor de cada uno de una o más capas que comprenden el compuesto. En algunas realizaciones, la una o más capas son de un grosor sustancialmente uniforme, por ejemplo, el grosor no varía sustancialmente en toda el área de cada una de las capas. En algunas realizaciones, existe aproximadamente una variación del 3 % o menor, 2,5 % o menor, 2 % o menor, 1,5 % o menor, 1 % o menor, o 0,5 % o menor sobre el área de cada una de las capas. Una capa puede incluir una capa gruesa que puede denominarse como un manto.

Los procesos descritos en este documento pueden incluir etapas adicionales. Por ejemplo, la preforma puede someterse a compactación y apelmazamiento, incluso antes o durante la etapa de infusión. En una realización, la presión de compactación es sustancialmente constante a lo largo de toda la duración de la etapa de infusión. En general, la presión de compactación durante la etapa de infusión es mayor que procesos convencionales, es decir, en el que el depósito de resina y la preforma no están bajo sustancialmente la misma presión de vacío.

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Los procesos descritos en este documento pueden comprender además calentar al menos una porción de la resina antes de la etapa de infusión. En una realización, un conjunto entero que incluye el depósito de resina en la preforma puede situarse en el horno y calentarse a una temperatura que funde la resina a una baja viscosidad y permite que la resina fluya en la preforma.

El término "al menos una porción de" como se usa en el presente documento representa una cantidad de un todo que comprende una cantidad del todo que pueden incluir el todo. Por ejemplo, el término "una porción de" pueden referirse a una cantidad que es mayor del 0,01 % de, mayor del 0,1 % de, mayor del 1 % de, mayor del 10 % de, mayor del 20 % de, mayor del 30 % de, mayor del 40 % de, mayor del 50 % de, mayor del 60 %, mayor del 70 % de, mayor del 80 % de, mayor del 90 % de, mayor del 95 % de, mayor del 99 % de y el 100 % del todo.

El término " temperatura ambiental " o "temperatura ambiente" como se usa en el presente documento tiene su significado común como se conoce por los expertos en la materia y pueden incluir temperaturas dentro del intervalo de aproximadamente 16 °C (60 °F) a 32 °C (90 °F). El término "fibra" como se usa en el presente documento tiene su significado común como se conoce por los expertos en la materia y puede incluir uno o más materiales fibrosos adaptados para el refuerzo de compuestos. Fibras pueden tomar la forma de cualquiera de partículas, escamas, patillas, fibras cortas, fibras continuas, hojas, capas y combinaciones de las mismas. Las fibras continuas pueden adoptar adicionalmente cualquiera de configuraciones unidireccional, multidimensional (por ejemplo dos o tres dimensiones), no tejida, tejida, tricotada, cosida, enrollada, y trenzada, así como esterilla concéntrica, esterilla de fieltro y estructuras de esterilla cortada. Estructuras de fibras tejidas pueden comprender una pluralidad de haces tejidos que tienen menos de aproximadamente 1000 filamentos, menos de aproximadamente 3000 filamentos, menos de aproximadamente 6000 filamentos, menos de aproximadamente 12000 filamentos, menos de aproximadamente 24000 filamentos, menos de aproximadamente 48000 filamentos, menos de aproximadamente 56000 filamentos, menos de aproximadamente 125000 filamentos, y mayor de aproximadamente 125000 filamentos. En realizaciones adicionales, los haces pueden mantenerse en posición mediante costuras cruzadas, costuras de tricotado de inserción de trama o una cantidad pequeña de resina, tal como un entallado.

La composición de las fibras puede variarse, según sea necesario. Realizaciones de la composición de fibra pueden incluir, pero sin limitación, vidrio, carbono, aramida, cuarzo, polietileno, poliéster, poli-p-fenilen-benzobisoxazol (PBO), boro, carburo de silicio, poliamida, carbono y grafito, y combinaciones de los mismos. En una realización, la fibra es carbono, fibra de vidrio, aramida u otros materiales termoplásticos. Las fibras de refuerzo pueden ser orgánicas o inorgánicas. Además, las fibras pueden incluir arquitecturas textiles que incluyen las que son o bien continuas o bien no continuas en forma.

El término "superposición de láminas" como se usa en el presente documento tiene su significado común como se conoce por los expertos en la materia y pueden incluir uno o más preimpregnados que se sitúan adyacentes entre sí. En ciertas realizaciones, los preimpregnados dentro de la superposición de láminas pueden colocarse en una orientación seleccionada uno con respecto al otro. En una realización adicional, los preimpregnados puede coserse opcionalmente junto con un material hilado para impedir su movimiento relativo de una orientación seleccionada. En realizaciones adicionales, la "superposición de láminas" puede comprender cualquier combinación de preimpregnados completamente impregnados, preimpregnados parcialmente impregnados y preimpregnados perforados como se analiza en el presente documento. La superposición de láminas puede fabricarse mediante técnicas que pueden incluir, pero sin limitación, superposición de láminas manual, superposición de láminas de cintas automatizada (ATL), colocación de fibras avanzada (AFP) y enrollamiento de filamentos.

El término "consolidación" como se usa en el presente documento tiene su significado común como se conoce por los expertos en la materia y por lo tanto incluye procesos en los que la resina o material de matriz fluye para desplazar espacio hueco dentro de y fibras adyacentes. Por ejemplo, la "consolidación" puede incluir, pero sin limitación, flujo de matriz en espacios huecos entre y dentro de fibras y preimpregnados, perforaciones y similares. La "consolidación" puede tener lugar adicionalmente bajo la acción de uno o más de calor, vacío y presión aplicada.

El término "procesamiento de infusión líquida" como se usa en el presente documento tiene su significado común como se conoce por los expertos en la materia El proceso de infusión líquida incluye un proceso por el que las fibras de refuerzo se sitúan primero en una cavidad de molde, cabezal de troquel, o cualquier otro medio de conformar en forma de red en una condición seca y a continuación se humedece con la matriz resinosa y a continuación se cura. De acuerdo con la invención, este proceso se logra mediante VARTM.

Para RTM convencional y los procesos de molde cerrado (no de acuerdo con la invención), adquirir y mantener el utillaje es caro, sin embargo el utillaje es la parte más central de ese proceso. El mecanismo determina la forma final y control de superficie del componente y también juega un papel importante en la determinación de cómo la resina rellena y humedece las fibras secas encerradas dentro del mismo. Convencionalmente, existen limitaciones en el tamaño y forma de los componentes hechos con estos procesos de molde cerrado ya que el utillaje se convierte en incontrolable. Además del utillaje, el equipo convencional necesario para inyectar resina a la temperatura y una alta presión, tal como, máquina de presión e inyección también pueden ser muy caras de comprar y mantener. Existen algunas variaciones dentro de los procesos de molde cerrado que utilizan utillaje de menor coste y eliminan los sistemas de inyección de resina pero en general son más caros que otros procesos de infusión líquida. Estos

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procesos, sin embargo, generalmente producen los volúmenes de fibra alta requeridos y mínimo hueco requerido de laminas de grado aeroespacial.

Procesamiento de infusión líquida también incluye un proceso de infusión líquida de un solo lado que es una variación del proceso de molde cerrado. En lugar de una herramienta de dos lados, se usa una herramienta de un solo lado en este proceso con una bolsa flexible usada en el lado opuesto. Este proceso es una versión de bajo coste del proceso de molde cerrado porque únicamente requiere un molde de un solo lado, requiere equipo adicional mínimo para soportar el proceso y tiene muy pocas limitaciones. El proceso utiliza solo vacío (presión atmosférica) para suministrar y rellenar la resina que humedece las fibras secas. Usando materiales resinosos de baja viscosidad y técnicas de infusión apropiadas que mantienen la presión de vacío en las laminas, pueden fabricarse laminas de grado aeroespacial.

Una de las complicaciones con este proceso convencional surge porque el sistema de suministro de resina es habitualmente externo a la preforma embolsada y el suministro de resina normalmente se supervisa en una base de pieza a pieza. Este sistema resulta en muchos tubos de entrada y salida que deben supervisarse y controlarse durante el proceso y presentan la oportunidad de que se formen fugas y sucedan errores. Esta complicación adicional limita el número de componentes que pueden infundirse de una vez y como resultado se incurren en un aumento de gastos debido al uso ineficiente de espacio en el horno. Como se ha analizado anteriormente, láminas de preimpregnado hechas en una autoclave se disponen habitualmente para permitir que el número máximo de componentes se curen de una sola vez.

Otro proceso de infusión líquida convencional también no de acuerdo con la invención es pultrusión, que se restringe mucho en comparación con los otros procesos de infusión líquida. El método de pultrusión comprende introducir fibras secas en un troquel con una cierta sección transversal y a continuación una vez en su sitio introducir resina y a continuación curar. Este proceso se usa habitualmente para fabricar componentes continuos y largos que tienen una sección transversal típica/constante.

A continuación se analiza en más detalle el método de infusión líquida de un solo lado convencional descrito anteriormente que depende solo de vacío (por ejemplo, presión atmosférica) para rellenar y humedecer las fibras secas. La infusión líquida convencional de fibras secas que usan vacío (presión atmosférica) como la fuerza primaria para suministrar y humedecer las fibras secas de una preforma se conoce bien dentro de la industria. Existen numerosas patentes que se han concedido sobre este proceso comenzando con el método de Marco (Patente de Estados Unidos N.° 2.495.640) y Smith (Patente de Estados Unidos N.° 2.913.036) que se usaron primero en las décadas de 1940 y 1950 hasta las patentes más recientes de Palmer (Patente de Estados Unidos N.° 4.942.013) y Seeman (Patente de Estados Unidos N.° 4.902.215). Existen también numerosas variaciones al proceso que se ha detallado en presentaciones técnicas y revistas que describen métodos de introducción y distribución de la resina en las fibras secas.

El uso de presión atmosférica para infundir o impregnar fibras secas (preformas) es un proceso bastante sencillo que toma ventaja de la presión natural diferencial que existe entre la atmósfera y un vacío. En un proceso típico de infusión convencional el contenedor de resina o sistema de suministro de resina líquida está reposando en condiciones atmosféricas y la preforma está bajo una bolsa en una condición de vacío. La preforma se comprime por la atmósfera contra el embolsado y como resultado genera una fuerza de reacción igual en el embolsado como se muestra en la Figura 1A.

El resultado neto es un volumen neto de espacio evacuado que se rellena en algún porcentaje mediante las fibras de la preforma con el resto del volumen siendo espacio abierto. El volumen de espacio evacuado depende de varias variables que incluyen la cantidad de vacío dentro de ese espacio que determina la cantidad de presión atmosférica que comprime la preforma y la elasticidad de la preforma a comprimirse. La elasticidad se llama comúnmente el "Factor de Contracción" de la preforma. Para conseguir láminas de calidad aeroespacial el porcentaje de fibra en ese volumen necesita ser mayor del 55 % habitualmente. El porcentaje de fibra es una función de muchas variables que están presente en la construcción de la preforma como construcción textil, tamaño de haz/fibra y alineación de fibra.

Existen varios métodos para compactar la preforma a un estado del 55 % o mayor volumen de fibra. Esto puede incluir numerosos ciclos de apelmazamiento como se describe en Woods (Publicación de Solicitud de Patente de Estados Unidos N.° 2005/0073076 A1). La compactación también puede implicar aplicar calor con el ciclo de apelmazamiento para ayudar unir la preforma junta. Aún otro proceso implica el diseño de textiles que se anidan juntos fuertemente. Existen numerosos otros métodos que se han descrito en bibliografía técnica pero el objetivo de todos estos procesos es aumentar el porcentaje de fibra dentro de ese volumen evacuado. Aumentando el porcentaje de fibra, se pueden mejorar las propiedades mecánicas de la lámina debido al aumento en densidad de la carga primaria que transporta miembros (las fibras).

El detractor natural de compactación de la preforma es una reducción en vacío y la pérdida resultante de presión atmosférica que comprime la preforma. A medida que se reduce el vacío la elasticidad de la preforma actúa contra el embolsado que aumenta de forma efectiva el volumen y disminuye la densidad de las fibras. Este detractor natural

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es una gran preocupación en un proceso de infusión típico porque esta es la fuerza primaria que suministra y rellena la preforma con resina.

En un proceso de infusión típico, la infusión comienza cuando el estado estable mostrado en la Figura 1A se convierte en un sistema abierto cuando el suministro de resina se abre y la presión atmosférica crea un gradiente de presión que fuerza la resina en la preforma comprimida como se muestra en la Figura 1B.

Específicamente, las Figuras 1A-1B ilustran los problemas con procesos de infusión convencionales. La Figura 1A es un esquema de un proceso de infusión convencional en la condición de estado estable de ser embolsado al vacío y listo para infusión. En un ejemplo, el vacío puede estar activado y el suministro de resina puede estar cerrado, sin gradiente de presión a través de la preforma. Presión atmosférica (PA) existe en todas partes con una presión de bolsa resultante de 1 atmósfera. La preforma está reaccionando contra la herramienta y bolsa con fuerza de resistencia FP mecánica.

La Figura 1B es un esquema del proceso de infusión en el estado abierto inicial cuando se abre la línea de suministro de resina y se forma el gradiente de presión. El gradiente de presión se forma a través de la preforma desde la Pa de salida de vacío a la entrada de resina a una presión de presión de resina, Pr = Pa + (Desnivel). Esto provoca que la resina fluya desde la zona de alta presión a la zona de baja presión. El desnivel es cualquier +/- presión debido a la altura de la columna de resina en el tubo de suministro antes de entrar en la preforma. Si el cubo está por encima del punto de suministro, existe un desnivel positivo provocando una presión de resina que es mayor que 1 atmósfera en el punto de suministro. Si el cubo está por debajo del punto de suministro, existe un desnivel negativo y la resina estará a una presión inferior que la atmosférica. Se observa que efectos de viscosidad generalmente inducen a algún (-) Desnivel por pérdidas de permeabilidad y leyes de Darcy. Si las pérdidas de viscosidad o (-) Desnivel cumplen o exceden el gradiente de presión inducido por vacío entonces la infusión se estancará. Se observa también que si la fuerza reactiva de la preforma (Fp) continua y presión de vacío disminuye (vuelve a Pa) durante la infiltración Fp descenderá de forma efectiva a un estado físico descomprimido.

El gradiente de presión resultante a través de la preforma no conduce únicamente la resina en el volumen evacuado sino que también reduce la presión de vacío que está comprimiendo la preforma. Esta pérdida de vacío permite que la elasticidad de la preforma actúe contra la bolsa aumentando el volumen en el que vacío se ha reducido. A medida que la infusión continua, el área de vacío reducida crece a medida que más resina se extrae en el volumen evacuado como se muestra en las Figuras 1C y 1D.

Como se muestra en las Figuras 1C y 1D el gradiente de presión dentro de la preforma y los cambios resultantes en el grosor de preforma y volumen de fibra varían durante el proceso de infusión y son difíciles de controlar. La variación depende de numerosas entradas que incluyen tamaño de pieza, grosor, permeabilidad, materiales de medios de flujo, esquemas de embolsado, posiciones de entrada y salida de resina y numerosos otros factores que afectan cómo se introduce y suministra la resina en la preforma. Esta variación incontrolada ha sido un gran obstáculo para adoptar procesos de infusión en componentes aeroespaciales, ya que resulta en grosores no uniformes o bajo volumen de fibras.

Más específicamente, la Figura 1C es una ilustración esquemática del proceso de infusión en un estado abierto a medida que la resina se extrae en el volumen evacuado, rellenando de espacio abierto y reduciendo la presión de vacío en esa área. El gradiente de presión a través de la preforma induce flujo de resina a través de la preforma que acumula pérdidas de viscosidad. Presión de Resina Pr sigue el gradiente de presión con pérdidas de viscosidad. A medida que aumenta el tiempo durante la infusión, la fuerza reactiva de preforma Fp disminuye progresivamente comenzando desde el punto de vacío al punto de suministro. Se observa que pérdidas de viscosidad son una función de longitud desde el frente de flujo de resina al punto de suministro de resina. A medida que la longitud aumenta, las pérdidas se acumulan, provocando flujo reducido a través de la preforma. Si la longitud es demasiado larga, las pérdidas de resina superan el gradiente de presión, provocando que el frente de flujo se estanque. Este rellenado progresivo de la preforma habitualmente continua hasta que sucede uno de los siguientes: 1) se suministra la cantidad apropiada de resina y la línea de suministro de resina se cierra; 2) la preforma se infunde totalmente y la resina sale del puerto de vacío; 3) el frente de flujo de resina alcanza la zona muerta y la línea de suministro de resina se interrumpe.

La Figura 1D es una ilustración esquemática del proceso de infusión después de que la resina ha rellenado el volumen evacuado y rellenado la preforma. El esquema muestra el gradiente de presión para las diversas opciones que finalizan el proceso de infusión.

• Opción 1: (suministro de resina cerrado, con o sin zona muerta, con descarga) con el paso del tiempo la bolsa no rígida colapsa (pérdida de volumen) ya que exceso de resina se elimina mediante la fuente de vacío. Una vez que la bolsa se acopla a la preforma de nuevo, la preforma ejerce una fuerza de reacción FR en la bolsa hasta que se establece Pa en la preforma. Una vez que el volumen se limita y el sistema es ahora un contenedor rígido, la presión de resina Pr vuelve a presión de vacío -Pa.

• Opción 2: (suministro de resina cerrado, con o sin zona muerta, vacío cerrado) con el paso del tiempo la presión de resina PR alcanza un equilibrio a través de la preforma mayor que la presión de vacío.

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• Opción 3: (suministro de resina abierto, con o sin zona muerta, con descarga) con el paso del tiempo la presión de resina PR alcanza un gradiente de equilibrio ([Pa + Desnivel] a -Pa) en los medios de flujo debido a trayectoria de menos resistencia a través de mayor permeabilidad y resina debe suministrarse continuamente y descargarse durante la cura.

• Opción 4: (suministro de resina abierto, con o sin zona muerta, vacío cerrado) con el paso del tiempo la resina alcanza un equilibrio (PA + Desnivel) a través de la preforma.

Las opciones 1 y 2 pueden realizarse usando un proceso de resina neto en el que una cantidad precisa de resina se infunde y a continuación el suministro de resina se cierra. La opción 1 puede provocar exceso de descarga de resina (drenaje) o generar volátiles una vez que un estado de vacío se consigue después de que la infusión se completa.

Los procesos de infusión convencionales descritos anteriormente, que proporcionan control limitado o ningún control sobre los gradientes de presión internos formados durante el proceso, han tenido un éxito limitado. Estos procesos pueden resultar en propiedades de laminación que son adecuadas para componentes aeroespaciales, sin embargo, los procesos no son robustos, repetibles o predecibles. Esta incertidumbre continua evitando que el proceso gane uso extendido dentro de la industria aeroespacial.

En un esfuerzo para mejorar el flujo de resina y para aumentar la previsibilidad/repetibilidad del proceso ha habido numerosos avances en el control del flujo de resina y la trayectoria que toma la resina. Este proceso se describe en Seeman (Patente de Estados Unidos N.° 4.902.215), que se refiere a métodos para inducir flujo y gradientes de presión a través de una red de medios de flujo dentro del esquema de embolsado y el propio embolsado. Woods (Publicación de Solicitud de Patente de Estados Unidos N.° 2005/0073076 A1) describe este problema en detalle y propone el uso de vacío parcial en el crisol de suministro de resina para controlar la presión atmosférica que se aplica a la preforma. Este proceso se conoce como el proceso CAPRI (Infusión de Resina a Presión Atmosférica Controlada) y se concibe para disminuir la variabilidad dentro de la lamina infundida. Además de estos enfoques convencionales, existen también numerosos enfoques de conocimiento común que se han usado para regular la presión de suministro. Estos incluyen el uso de reguladores de flujo en las líneas de suministro o el cambio de la elevación del crisol de suministro de resinas en relación con la preforma para crear presión diferencial positiva o negativa.

Independientemente del esquema de embolsado, configuración de puerto de entrada y salida, o la presión en el crisol de alimentación controlando/regulando la misma, la fuerza impulsora primaria en toda la técnica conocida anteriormente es algún tipo de gradiente de presión. Este gradiente dentro del proceso siempre cuestionará si se mantuvo o no presión atmosférica completa todas las veces a través de toda la preforma durante la infusión y proceso de curación.

Los procesos mejorados descritos en este documento se refieren a procesos de infusión líquida descritos anteriormente. Una realización de la invención puede ser adecuada para todas las variaciones dentro del proceso y no se limita a un método preferido.

Ejemplos

Se han realizado numerosas pruebas usando realizaciones del proceso CPI VARTM descrito en este documento para fabricar láminas de calidad aeroespacial. Estos ejemplos se analizan para propósitos de ilustración y no debería interpretarse para limitar el alcance de las realizaciones divulgadas.

Ejemplo 1

Se usó un sistema de resina epoxi de una sola pieza (Cytec Engineered Materials CYCOM 977-20), que presenta una viscosidad muy alta a temperatura ambiental pero tiene una baja viscosidad y larga vida útil a una temperatura elevada. Esta resina se envasó inicialmente en bolsas de plástico de polipropileno en cantidades que oscilan entre 250 gramos a 1000 gramos. Estas bolsas se sellaron por calor de tal manera que en un extremo había una constricción que permitía la inserción de un tubo una vez cortado. El polipropileno es un material aceptable para su uso en el ciclo de curación deseado para CYCOM 977-20. Este depósito de resina plegable preenvasado se situó a continuación cerca de la preforma en la herramienta y se conectó una línea de suministro desde el depósito a la línea de suministro de la preforma. La preforma se embolsó por un esquema de infusión típico que incorpora un sistema de descarga de resina y se situó una bolsa de vacío sobre la preforma y el depósito de resina como se muestra en la Figura 2A. La preforma se apelmazó y compactó y a continuación se comprobó contra fugas y radió para curación. La alta viscosidad de la resina imposibilitó el flujo de resina en la preforma durante este proceso.

Una vez radiado, todo el conjunto se situó en el horno y calentó a una temperatura que fundiría la resina a una baja viscosidad y permitiría que la resina fluyese en la preforma. Una vez que el depósito se agotó y la preforma se rellenó, la pieza se curó a continuación hasta completarse. Después de la curación, el componente se inspeccionó de forma no destructiva con métodos de ultrasonido y midió para grosores, volumen de fibra y contenido hueco. Los resultados de la inspección y mediciones mostraron que toda la lámina cumplió con requisitos aeroespaciales con variación mínima de las propiedades medidas. La lámina presentó fracción de volumen de fibra en exceso del 58 %

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con menos del 1 % de variación y medición de grosor de capa curada de 0,046 centímetros con menos del 2 % de variación a través del panel.

Ejemplo 2

Se usaron la misma resina epoxi de una sola pieza y bolsas de resina que en el Ejemplo 1 para infundir un componente mucho mayor. El componente se configuró y embolsó de acuerdo con la Figura 2B que incorporó un esquema de embolsado por infusión estándar con un sistema de descarga de resina. Para infundir este componente, se usaron múltiples depósitos de resina que se enlazaron o encadenaron en forma de margarita juntos para distribuir la resina adecuada e infundir completamente la preforma. El proceso produjo láminas de calidad aeroespacial con variación mínima.

Ejemplo 3

Se usó la misma resina epoxi de una sola pieza usada en los Ejemplos 1-2 para hacer un componente más complicado que incorporó algunos miembros rigidizadores. El componente se configuró con placas flotantes para soportar los rigidizadores y se embolsó de acuerdo con la Figura 2C. Como se muestra, los depósitos de resina se ubicaron cerca de las placas flotantes para suministrar resina en la ubicación deseada. El proceso de nuevo produjo una lámina de calidad aeroespacial con variación mínima.

Ejemplo 4

Se usó una resina epoxi de una sola pieza de baja viscosidad y bolsa de resina en la que la resina estaba a una baja viscosidad a temperatura ambiental. El componente se configuró de acuerdo con la Figura 2D, que detalla la incorporación de una válvula externa que evitó que la resina fluyese en la preforma mientras estaba cerraba. Toda la preforma y depósito de resina se embolsaron y prepararon para infusión. Una vez listos, se abrió la válvula y la preforma se infundió. Esta variación produjo una lámina de calidad aeroespacial con variación mínima.

Se sabe que los expertos en la materia reconocerán que pueden hacerse variaciones a la invención y los ejemplos descritos en la realización preferida. Los métodos descritos, aparatos y ejemplos proporcionados en este documento no limitan la invención a esos métodos y el concepto básico se aplica a todas las modificaciones potenciales. La invención no se limita a ningún grupo de procesos y es aplicable a todos los métodos de infusión líquida.

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REIVINDICACIONES

1. Un método de fabricación de un compuesto, que comprende:

introducir una preforma y un depósito relleno de resina dentro de una misma bolsa de vacío, en el que el depósito es un depósito de resina plegable preenvasado;

infundir resina desde el depósito en la preforma bajo una presión de vacío a través de una línea de suministro que conecta la preforma al depósito;

mantener el depósito y la preforma bajo sustancialmente la misma presión de vacío; y curar la resina.
2. El método de la reivindicación 1,

en el que la resina de infusión no produce sustancialmente ningún gradiente de presión en la preforma.
3. El método de la reivindicación 1, comprendiendo además apelmazar la preforma antes de la etapa de infusión.
4. El método de la reivindicación 1, comprendiendo además

calentar al menos una porción de la resina antes de la etapa de infusión.
5. El método de la reivindicación 1, comprendiendo además

uno o más depósitos plegables preenvasados rellenos de resina que infunden resina desde el uno o más depósitos en la preforma.
6. El método de la reivindicación 1,

en el que la etapa de infusión comprende además empujar mecánicamente la resina en la preforma.
7. El método de la reivindicación 1,

en el que la presión de vacío es de 1 atmósfera o menor.