ES2836484T3 - Método y sistema para formar un artículo compuesto - Google Patents
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Abstract
Método de formación de un artículo compuesto (250), que comprende las etapas de: proporcionar una capa (16) de material fibroso pegajoso (18) que contiene fibras estructurales (20) y resina (24), en el que la capa de material fibroso pegajoso contiene aproximadamente de 1 a 10 por ciento en volumen de resina; pasar la capa a través de un conjunto de matrices conformadoras (50) que tiene una forma en sección transversal de matriz, en el que la forma en sección transversal de matriz varía a lo largo de una longitud del conjunto de matrices conformadoras; calentar la resina para ablandar al menos parcialmente la resina; formar la capa dando lugar a la forma en sección transversal de matriz; permitir que la resina se solidifique de manera tal que se forma una preforma (200) que tiene la forma en sección transversal de matriz, conservando la resina solidificada la forma en sección transversal de matriz de la preforma; situar la preforma con material fibroso adicional (214); infusionar la preforma con material de matriz (222); y curar el material de matriz para formar un artículo compuesto.
Description
DESCRIPCIÓN
Método y sistema para formar un artículo compuesto
Campo
La presente divulgación se refiere, en general, a materiales compuestos y, más particularmente, a un sistema y a un método para formar un artículo compuesto.
Antecedentes
Cuando se forman artículos compuestos, puede ser necesario situar múltiples capas compuestas en una herramienta en ubicaciones especificadas y en orientaciones de fibra especificadas. En este sentido, normalmente es deseable situar las capas de manera que las fibras en cada capa se orienten en un ángulo especificado en relación con las capas restantes en la pila y en relación con la herramienta. Cuando se forman artículos compuestos que tienen una geometría relativamente sencilla tal como una geometría plana, el posicionamiento de cada capa en la herramienta en la orientación de fibra deseada puede realizarse sin grandes dificultades.
Sin embargo, cuando se acumulan capas compuestas en una herramienta que tiene una geometría tridimensional compleja, el posicionamiento de las capas compuestas puede ser un procedimiento difícil y laborioso debido a las dificultades en la acumulación de cada capa de manera que las fibras se mantienen en el ángulo deseado a lo largo de la geometría tridimensional de la herramienta. Adicionalmente, las fibras deben mantenerse en la orientación deseada durante la infusión de la pila de capas con material de matriz y mientras se aplican calor y presión que pueden añadirse a la complejidad de la formación del artículo compuesto. En este sentido, pueden emplearse herramientas de apoyo para facilitar la alineación y el posicionamiento de las capas compuestas en la herramienta. Desafortunadamente, tales herramientas de apoyo aumentan el tiempo, el coste y la complejidad asociados a la formación del artículo compuesto.
Tal como puede observarse, existe una necesidad en la técnica de un sistema y un método para situar capas compuestas en una herramienta de manera que las capas compuestas puedan colocarse en la herramienta en la posición y en la ubicación deseadas sin necesidad de herramientas de apoyo. Además en este sentido, existe una necesidad en la técnica de un sistema y un método para situar capas compuestas en una herramienta que puedan reducir la cantidad de trabajo manual requerido para situar las capas compuestas de manera que las fibras en cada capa se mantengan en la orientación deseada.
El documento WO 2009/106341 A2 según su resumen, declara: Se da a conocer un método de pultrusión para producir una preforma perfilada o un componente de plástico compuesto de fibra que tiene partes en sección transversal que se extienden en un ángulo entre sí desde una pluralidad de productos semiterminados (1, 2, 3) en un procedimiento casi continuo. Dicho método comprende las siguientes etapas: - con el fin de producir la preforma, un dispensador (11) descarga al menos una disposición de producto semiterminado de múltiples capas (HA) que es una combinación de varias redes de capas de fibra de refuerzo de un producto semiterminado y al menos una película de resina (2), y dicha disposición de producto semiterminado de múltiples capas (HA) se distribuye a un dispositivo de conformación (12); - la disposición de producto semiterminado se guía a través de un dispositivo de conformación (12) en el que al menos una parte en sección transversal de la disposición de producto semiterminado se dobla con el fin de formar una sección en ángulo; - la disposición de producto semiterminado (HA3) se prensa en un dispositivo de prensado (13); - tras un procedimiento de endurecimiento opcional y un procedimiento de corte, se retira una sección longitudinal de la preforma o el componente. También se dan a conocer un dispositivo de prensado y un sistema de pultrusión (P) para llevar a cabo dicho método.
El documento EP 2006 074 A1 según su resumen, declara: Un procedimiento para fabricar una preforma, y un aparato para la misma, en el que una preforma con una parte ramificada en su perfil en sección transversal se fabrica continuamente distribuyendo una forma en bruto de material base de fibra de refuerzo con una parte ramificada en su perfil en sección transversal, entre múltiples materiales base de fibra de refuerzo para construir la preforma, de manera intermitente en la dirección longitudinal de la misma; en cada interrupción de la distribución, realizando aplicación de calor y/o presión al material base en bruto para obtener de manera provisional un material con forma preliminar con la configuración dada; y uniendo el material con forma preliminar obtenido con la configuración dada con formas en bruto de los otros materiales base de fibra de refuerzo para construir la preforma.
Sumario
Las necesidades anteriormente observadas asociadas con la formación de artículos compuestos se abordan y se palian mediante la presente divulgación que, en una realización, proporciona un método de formación de un artículo compuesto, que comprende las etapas de: proporcionar una capa de material fibroso pegajoso que contiene fibras estructurales y resina, en la que la capa de material fibroso pegajoso contiene aproximadamente de 1 a 10 por ciento en volumen de resina; pasar la capa a través de un conjunto de matrices conformadoras que tiene una forma en sección transversal de matriz, en la que la forma en sección transversal de matriz varía a lo largo de una longitud del conjunto de matrices conformadoras; calentar la resina hasta ablandar, al menos parcialmente, la resina; formar la capa dando lugar a la forma en sección transversal de matriz; permitir que la resina se solidifique de una manera tal que se forma una preforma que tiene la forma en sección transversal de matriz, conservando la resina solidificada la forma en sección transversal de
matriz de la preforma; situar la preforma con material fibroso adicional; infusionar la preforma con material de matriz; y curar el material de matriz para formar un artículo compuesto.
También se da a conocer un sistema para formar una preforma tal como se define en la reivindicación 8, comprendiendo la preforma al menos una capa de material fibroso pegajoso. El sistema incluye un conjunto de matrices conformadoras que tiene una forma en sección transversal de matriz. El conjunto de matrices conformadoras se configura para recibir una capa de material fibroso pegajoso que incluye resina. La forma en sección transversal de matriz varía a lo largo de una longitud del conjunto de matrices conformadoras. El sistema incluye un mecanismo tractor configurado para extender la capa a través del conjunto de matrices conformadoras y un dispositivo de calefacción configurado para calentar la resina de una manera tal que la capa se forma dando lugar a una preforma que conserva la forma en sección transversal de matriz cuando la resina se solidifica. El sistema incluye medios para situar la preforma con material fibroso adicional, para infusionar la preforma con material de matriz y para curar el material de matriz para formar un artículo compuesto. La capa de material fibroso contiene aproximadamente de 1 a 10 por ciento en volumen de resina.
En resumen, según un aspecto de la presente divulgación se proporciona un método de formación de una preforma, que incluye las etapas de proporcionar una capa de material fibroso pegajoso que contiene fibras estructurales y resina; pasar la capa a través de un conjunto de matrices conformadoras que tiene una forma en sección transversal de matriz, en la que la forma en sección transversal de matriz varía a lo largo de una longitud del conjunto de matrices conformadoras; calentar la resina; formar la capa dando lugar a la forma en sección transversal de matriz; y permitir que la resina se solidifique de una manera tal que se forma una preforma que tiene la forma en sección transversal de matriz. La preforma se sitúa con material fibroso adicional, se infusiona con el material de matriz y después se cura para formar un artículo compuesto. La capa de material fibroso contiene aproximadamente de 1 a 10 por ciento en volumen de resina.
De manera ventajosa, la resina es una resina termoplástica, la etapa de permitir que la resina se solidifique incluye: permitir que la resina termoplástica se enfríe de manera que la resina termoplástica se solidifique.
La capa de material fibroso pegajoso puede contener aproximadamente de 2 a 4 por ciento en volumen de resina.
De manera ventajosa, el conjunto de matrices conformadoras incluye un conjunto de matrices fijas, la etapa de pasar la capa a través del conjunto de matrices conformadoras incluye pultruir continuamente la capa a través del conjunto de matrices fijas usando un mecanismo tractor.
De manera ventajosa, el conjunto de matrices conformadoras incluye un conjunto de matrices móviles, la etapa de pasar la capa a través del conjunto de matrices conformadoras incluye formar de manera secuencial la capa dando lugar a la forma en sección transversal de matriz sujetando con abrazaderas sucesivamente secciones de la capa entre el conjunto de matrices móviles.
La etapa de calentar la resina puede incluir al menos uno de los siguientes:
calentamiento conductivo;
calentamiento por radiación; y
calentamiento inductivo.
La etapa de calentar la capa puede incluir al menos uno de los siguientes:
calentar un cilindro de material de la capa de material fibroso;
calentar el conjunto de matrices conformadoras y la capa en respuesta al paso de la capa a su través.
La etapa de proporcionar la capa de material fibroso pegajoso puede incluir proporcionar la capa de material fibroso a partir de un cilindro de material refrigerado; y calentar la capa de material fibroso para adherir la capa.
El método puede incluir además las etapas de: situar la preforma con material fibroso adicional; infusionar la preforma y el material fibroso adicional con material de matriz; y curar el material de matriz para formar un artículo compuesto.
El artículo compuesto puede tener una fracción de volumen de fibra en un intervalo de desde aproximadamente 30 hasta 70 por ciento.
Según la presente divulgación, la forma en sección transversal de matriz varía a lo largo de una longitud del conjunto de matrices conformadoras.
La forma en sección transversal de matriz puede hacerse cónica desde una entrada hasta una salida del conjunto de matrices conformadoras.
El método incluye además las etapas de: infusionar la preforma con material de matriz; y curar el material de matriz para formar un artículo compuesto.
El artículo compuesto puede incluir un componente de al menos uno de una aeronave y un vehículo espacial.
La resina puede ser una resina termoplástica que tiene al menos una de las siguientes características cuando está en presencia de un material de matriz: al menos parcialmente soluble en el material de matriz; reactiva con el material de matriz; y que permanece en una fase que es diferente a la fase del material de matriz durante el curado del material de matriz.
El método puede incluir además las etapas de: proporcionar al menos dos capas de material fibroso; ensamblar las capas dando lugar a un ensamblaje de capas; y pasar el ensamblaje de capas a través del conjunto de matrices conformadoras.
Cada una de las capas puede incluir fibras; y
las fibras en al menos una de las capas que tienen una orientación diferente de las fibras en otra de las capas.
El método puede incluir además al menos una de las siguientes etapas: extender al menos dos de las capas desde cilindros de material de una única capa; extender al menos dos de las capas desde un cilindro de material de múltiples capas.
De manera ventajosa, la resina es una resina termoplástica, el método incluye además las etapas de: apilar al menos dos de las preformas en una pila de preforma; calentar la pila de preforma hasta una temperatura que provoque una reducción de la viscosidad de la resina termoplástica; aplicar una fuerza compresiva a la pila de preforma; y permitir que la resina termoplástica se solidifique para formar un conjunto de preforma solidificada.
La capa de material fibroso puede tener al menos una de las siguientes configuraciones: material textil; y estopas organizadas.
Se proporciona un método de formación de un artículo compuesto, que incluye las etapas de: proporcionar al menos una capa de material fibroso que contiene fibras estructurales y aproximadamente de 1 a 10 por ciento en volumen de resina; pasar la capa a través de un conjunto de matrices conformadoras que tiene una forma en sección transversal de matriz; calentar la resina con un dispositivo de calefacción; formar la capa dando lugar a la forma en sección transversal de matriz; permitir que la resina se solidifique de una manera tal que una preforma se forme teniendo la forma en sección transversal de matriz; situar la preforma con material fibroso adicional; infusionar la preforma y el material fibroso adicional con material de matriz; y curar el material de matriz para formar un artículo compuesto.
De manera ventajosa, el mecanismo tractor se configura para extender al menos dos capas del material fibroso que son diferentes entre sí en el conjunto de matrices conformadoras como un ensamblaje de capas.
La capa de material fibroso puede contener aproximadamente de 2 a 4 por ciento en volumen de resina.
La resina puede incluir al menos una de resina termoplástica y resina termoestable.
El material fibroso puede incluir al menos dos capas del material fibroso que son diferentes entre sí; y estando las capas extendidas en el conjunto de matrices conformadoras como un ensamblaje de capas.
Según la presente divulgación, el sistema incluye además un mecanismo tractor configurado para pultruir la capa a través del conjunto de matrices conformadoras.
El conjunto de matrices conformadoras puede incluir un conjunto de matrices fijas.
De manera ventajosa, el conjunto de matrices conformadoras incluye un conjunto de matrices móviles configurado para sujetar con abrazaderas de manera secuencial secciones sucesivas de la capa.
El dispositivo de calefacción puede configurarse para calentar la resina usando al menos uno de calentamiento conductivo, calentamiento por radiación y calentamiento inductivo.
La resina puede ser una resina termoplástica que tiene al menos una de las siguientes características cuando se coloca en contacto con material de matriz: al menos parcialmente soluble en el material de matriz; reactiva con el material de matriz; y que permanece en una fase que es diferente a una fase del material de matriz durante el curado del material de matriz.
Las características, funciones y ventajas que se han comentado pueden lograrse independientemente en diversas realizaciones de la presente divulgación o pueden combinarse en aún otras realizaciones, detalles adicionales de las cuales pueden observarse con referencia a la siguiente descripción y los dibujos a continuación.
Breve descripción de los dibujos
Estas y otras características de la presente divulgación resultarán más evidentes tras hacer referencia a los dibujos en los que números similares se refieren a partes similares en la totalidad del documento y en los que:
la figura 1 es una ilustración de vista en perspectiva de una realización de un sistema para la formación continua de una o más capas de material fibroso dando lugar a una preforma que tiene una forma en sección transversal deseada;
la figura 2 es una ilustración de vista lateral del sistema de la figura 1 y que ilustra un conjunto de matrices conformadoras y un mecanismo tractor para pultruir la capa a través del conjunto de matrices conformadoras;
la figura 3 es una vista en sección transversal de una realización del conjunto de matrices conformadoras tomada a lo largo de la línea 3 de la figura 2 y que ilustra la capa de material fibroso dispuesta entre matrices conformadoras superior e inferior del conjunto de matrices conformadoras;
la figura 4 es una vista en sección transversal de una realización del mecanismo tractor tomada a lo largo de la línea 4 de la figura 2 y que ilustra la capa de material fibroso dispuesta entre los rodillos superior e inferior del mecanismo tractor;
la figura 5 es una ilustración de vista lateral del sistema en una realización alternativa del conjunto de matrices conformadoras que tiene una forma en sección transversal de matriz que cambia gradualmente a lo largo de una dirección desde una entrada hasta una salida del conjunto de matrices conformadoras;
la figura 5A es una ilustración de una sección transversal del conjunto de matrices conformadoras tomada a lo largo de la línea 5A de la figura 5 y que ilustra una forma en sección transversal de matriz generalmente plana del conjunto de matrices conformadoras en la entrada a la misma;
la figura 5B es una ilustración de una sección transversal del conjunto de matrices conformadoras tomada a lo largo de la línea 5B de la figura 5 y que ilustra un saliente y una muesca formados a una altura relativamente baja en el conjunto de matrices conformadoras;
la figura 5C es una ilustración de una sección transversal del conjunto de matrices conformadoras tomada a lo largo de la línea 5C de la figura 5 y que ilustra el saliente y la muesca que tienen una altura aumentada en el conjunto de matrices conformadoras;
la figura 5D una ilustración de una sección transversal del conjunto de matrices conformadoras tomada a lo largo de la línea 5D de la figura 5 y que ilustra el saliente y la muesca formados en una altura completa en la salida del conjunto de matrices conformadoras;
la figura 6 es una ilustración de vista lateral de una realización del sistema que tiene un conjunto de matrices móviles para formar de manera secuencial la forma en sección transversal de matriz dando lugar a secciones sucesivas de la longitud de la capa;
la figura 7 es una vista en sección transversal de una realización del conjunto de matrices móviles tomada a lo largo de la línea 7 de la figura 6 y que ilustra una matriz móvil superior dispuesta en relación espaciada respecto a una matriz móvil inferior y la capa de material fibroso dispuesta entre estas;
la figura 8 es una vista en sección transversal del conjunto de matrices móviles de la figura 6 y que ilustra la capa de material fibroso que asume la forma en sección transversal de matriz durante la sujeción con abrazaderas de la capa entre la matriz móvil superior e inferior;
la figura 9 es una vista en sección transversal del conjunto de matrices móviles de la figura 6 y que ilustra la separación de la matriz superior de la matriz inferior y la capa de material fibroso que se forma dando lugar a una preforma que tiene un perfil laminado en forma de sombrero de
la figura 10 es una ilustración de vista lateral de una realización del sistema que tiene un conjunto de matrices de refrigeración situado aguas abajo del conjunto de matrices conformadoras;
la figura 11 es una ilustración de vista lateral de una realización del sistema que tiene un conjunto de matrices de laminación situado aguas abajo del conjunto de matrices conformadoras para laminar una capa posterior de un material fibroso con la preforma;
la figura 12 es una vista en sección transversal del conjunto de matrices de laminación tomada a lo largo de la línea 12 de la figura 10 y que ilustra la capa posterior de material fibroso y la preforma comprimida entre las matrices de laminación superior e inferior;
la figura 13 es una vista en sección transversal a escala ampliada del conjunto de matrices de laminación tomada a lo largo de la línea 13 de la figura 12 y que ilustra la capa posterior de material fibroso situada sobre un sombrerete de la preforma entre las matrices de laminación superior e inferior;
la figura 14 es una ilustración de vista en perspectiva de una realización del sistema que tiene al menos tres capas de material fibroso ensambladas dando lugar a un ensamblaje de capas para la pultrusión a través del conjunto de matrices conformadoras para formar la forma en sección transversal de matriz dando lugar al ensamblaje de capas;
la figura 15 es una ilustración de un conjunto de matrices de preforma que ilustra una matriz superior de preforma dispuesta en relación espaciada respecto a una matriz inferior de preforma y una pluralidad de preformas dispuestas en una pila de preforma entre la matriz de preforma superior e inferior;
la figura 16 es una ilustración del conjunto de matrices de preforma que ilustra la aplicación de calor y de fuerza compresiva a la pluralidad de preformas durante la sujeción con abrazaderas de las mismas entre la matriz de preforma superior e inferior;
la figura 17 es una ilustración de un conjunto de preforma formado a partir del apilamiento de preformas usando el conjunto de matrices de preforma;
la figura 18 es una ilustración de vista en perspectiva de la aplicación de una capa adicional de material fibroso sobre la preforma para la posterior infusión con material de matriz y curado de la misma para formar un artículo compuesto como un larguerillo de perfil laminado en forma de sombrero de
la figura 19 es una vista en sección transversal del artículo compuesto tomada a lo largo de la línea 19 de la figura 18 y que ilustra el larguerillo de perfil laminado en forma de sombrero de
la figura 20 es una vista en sección transversal de una parte del larguerillo de perfil laminado en forma de sombrero de copa y la preforma y la pluralidad de capas de material fibroso que pueden completar el larguerillo de perfil laminado en forma de sombrero de
la figura 21 es una ilustración en perspectiva de una aeronave para la que pueden formarse artículos compuestos usando el sistema y el método dados a conocer en el presente documento;
la figura 22 es un diagrama de flujo que ilustra una o más operaciones que pueden incluirse en un método de formación de un artículo compuesto;
la figura 23 es un diagrama de flujo que ilustra una o más operaciones que pueden incluirse en un método de formación de un conjunto de preforma;
la figura 24 es un diagrama de bloques de una realización del sistema dado a conocer en el presente documento;
la figura 25 es un diagrama de flujo que ilustra una metodología de producción y servicio de aeronave; y
la figura 26 es un diagrama de bloques de una aeronave.
Descripción detallada
Haciendo referencia ahora a los dibujos en los que las proyecciones tienen el objetivo de ilustrar diversas realizaciones preferidas de la divulgación, se muestra en la figura 1 una realización de un sistema 10 para la formación continua de una o más capas 16 de material fibroso 18 dando lugar a una preforma 200 que tiene una forma en sección transversal de preforma deseada 202. Cada capa 16 de material fibroso 18 incluye una fracción de volumen baja de resina 24 en relación con el volumen total de la capa 16. La resina puede aplicarse previamente a al menos una parte de la(s) capa(s) 16. La(s) capa(s) revestida(s) con resina 16 puede(n) extenderse desde uno o más cilindros de material 14 y calentarse para ablandar la resina 24 para permitir la formación de la(s) capa(s) 16 dando lugar a una forma en sección transversal deseada usando un conjunto de matrices conformadoras 50. La forma transversal de la(s) capa(s) 16 puede conservarse cuando la resina 24 se solidifica tal como permitiendo que la resina 24 se enfríe. De esta manera, la preforma 200 puede formarse como una preforma con forma casi de malla 200 que tiene una forma en sección transversal de preforma 202 que puede ser complementaria a o que puede aproximarse sustancialmente a una forma en sección transversal deseada de un artículo compuesto final 250 (figura 19) para formarse usando la preforma 200. La preforma 200 puede procesarse conjuntamente y/o unirse con una o más preformas adicionales 200 o capas adicionales de material fibroso 214 (figura 18), infusionarse con material de matriz 222 (figura 18) y curarse para formar el artículo compuesto 250 (figura 19).
De manera ventajosa, al formar la preforma 200 (figura 1) con una forma casi de malla del artículo compuesto final 250 (figura 19), se simplifican el manejo y el posicionamiento de la preforma 200. En este sentido, el posicionamiento de capas fibrosas tridimensionales relativamente complejas (no mostradas) en relación con otras capas fibrosas (no mostradas) en una pila (no mostrada) puede realizarse con una precisión aumentada y sin la necesidad de herramientas de apoyo (no mostradas) tal como puede requerirse de manera convencional para manejar y/o situar múltiples capas fibrosas (no mostradas) que normalmente completan un artículo compuesto. Debe observarse que a pesar de que la presente divulgación se describe en el contexto de formación de una preforma 200 en un perfil laminado en forma de sombrero de copa 204 (figura 19) tal como puede usarse en la formación de un larguerillo de copa 252 (figura 19), el sistema 10 (figura 1) puede usarse para formar una preforma 200 con cualquier forma, sin limitación, y no se limita a formar la preforma 200 en un perfil laminado en forma de sombrero de copa 204. Por ejemplo, el sistema 10 puede configurarse para formar la preforma en una sección en "Z", una sección en "L", una sección en "T", una sección en "I", una sección en "J", una sección de palas y una cualquiera de una variedad de otras formas en sección transversal, sin limitación.
En la figura 1, el sistema 10 puede incluir un conjunto de matrices conformadoras 50 y un mecanismo tractor 150 para pultruir una o más capas continuas 16 del material fibroso 18 a través del conjunto de matrices conformadoras 50. Tal como se indicó anteriormente, la(s) capa(s) 16 de material fibroso 18 puede(n) incluir una fracción de volumen relativamente baja de resina 24 que puede comprender resina termoplástica o termoendurecible. La resina 24 puede proporcionarse en una cantidad suficiente para permitir la formación de la(s) capa(s) 16 dando lugar a una forma en
sección transversal de matriz 56 usando el conjunto de matrices conformadoras 50 de manera que la forma en sección transversal de matriz 56 se conserve en la preforma 200 cuando la resina 24 se solidifica. La resina 24 también puede proporcionarse en una cantidad suficiente para adherir la(s) capa(s) 16 entre sí para fomentar la adhesión con capas adyacentes 16 y fomentar la adhesión entre fibras adyacentes 20 dentro de una capa dada 16 para permitir el manejo, el posicionamiento y el ensamblaje de las preformas 200 entre sí y/o en relación con una herramienta (no mostrada).
En una realización, la resina 24 (figura 1) puede tener propiedades de manera que la resina 24 tiene una pegajosidad relativamente baja o no tiene sustancialmente pegajosidad a temperatura ambiente y tiene una cantidad aumentada de pegajosidad una vez que la resina 24 se calienta. De esta manera, una o más capas 16 (figura 1) de material fibroso 18 (figura 1) pueden almacenarse en un cilindro de material 14 (figura 1) y pueden dispensarse desde el mismo sin resistencia debido a la adhesión entre capas 16. En una realización adicional, la resina 24 puede tener propiedades que provocan que la resina 24 se adhiera tras la retirada de calor y en la que la viscosidad de la resina 24 puede aumentar con la retirada del calor. Por ejemplo, una o más de las capas 16 de material fibroso 18 pueden enfriarse o refrigerarse para reducir la temperatura de la resina 24 y fomentar la adhesión mientras la viscosidad la resina 24 aumenta para solidificar la resina 24 provocando que la preforma 200 (figura 1) conserve una forma en sección transversal de matriz 56 (figura 1). La resina 24 también puede aplicarse a zonas localizadas (no mostradas) de la(s) capa(s) 16. En este sentido, la resina 24 puede aplicarse a zonas seleccionadas (no mostradas) de una capa 16 y no se aplica necesariamente a toda la longitud y/o anchura de una capa 16. Por ejemplo, la resina 24 puede aplicarse a zonas (no mostradas) de la capa 16 suficientes para permitir que la capa 16 conserve la forma en sección transversal de matriz 56. Por ejemplo, la aplicación de resina 24 a la(s) capa(s) 16 puede limitarse a zonas localizadas (no mostradas) donde la capa 16 se formará dando lugar a una forma no plana (no mostrada) tal como una forma doblada o curvada (no mostrada) en la capa 16. En una realización, la resina 24 puede aplicarse a zonas de la capa 16 que pueden formarse dando lugar a un radio (no mostrado) de la forma en sección transversal de matriz 56
La fracción de volumen de la resina 24 (figura 1) aplicada a la(s) capa(s) 16 (figura 1) puede ser tal que después de que una o más capa(s) 16 se pase(n) a través del conjunto de matrices conformadoras 50 (figura 1), la preforma 200 puede conservar la forma en sección transversal de matriz 56 (figura 1) tras la solidificación de la resina 24. La fracción de volumen de resina 24 en la capa fibrosa 16 es de manera preferible relativamente baja de manera que la preforma 200 conserva una naturaleza generalmente porosa para permitir la infusión y la distribución sustancialmente uniformes de material de matriz 222 (figura 19) a lo largo de una gran mayoría del artículo compuesto 250. Además, la fracción de volumen de la resina 24 es de manera preferible relativamente baja de manera que se minimiza cualquier efecto de la resina 24 en las propiedades de resistencia y rigidez del artículo compuesto final 250 (figura 19).
Según la presente divulgación, la capa 16 (figura 1) de material fibroso 18 (figura 1) puede contener entre aproximadamente 1 y 10 por ciento en volumen de resina 24 (figura 1) en relación con el volumen total de la capa 16 de material fibroso 18. Por ejemplo, en una realización, la capa 16 de material fibroso 18 puede contener entre aproximadamente 2 a 4 por ciento en volumen de resina 24. La resina 24 puede aplicarse previamente al material fibroso 18 por cualquier medio adecuado tal como por pulverización, aplicación con brocha o laminado sobre el material fibroso 18 (figura 1) o por otros medios. La fracción de volumen de resina 24 es preferiblemente tal que tras la solidificación de la resina 24, la preforma 200 mantiene la forma en sección transversal del conjunto de matrices conformadoras 50 (figura 1). La preforma 200 puede entonces manejarse y situarse sin necesidad de ayudas para el manejo (no mostradas) o herramientas de apoyo (no mostradas) cuando se sitúa la preforma 200 (figura 1) con otras preformas (no mostradas) o con capas adicionales de material fibroso 214 (figura 18) antes de la infusión con material de matriz 222 (figura 18).
Además de la resina 24 (figura 1) que se aplica previamente a cada capa 16 (figura 1) de material fibroso 18 (figura 1), cada capa 16 de material fibroso 18 contiene fibras estructurales 20 (figura 1) que pueden disponerse en una cualquiera de una variedad de configuraciones y/u orientaciones de fibra diferentes (por ejemplo, 0, 30, 45, 60, 75, 90 grados u otros ángulos) y que pueden formarse usando una cualquiera de una variedad de materiales o combinaciones de materiales diferentes. Por ejemplo, el material fibroso 18 puede comprender material textil tejido o no tejido al que puede aplicarse la resina 24. El material fibroso 18 también puede formarse de estopas organizadas de las fibras estructurales 20 que tienen una disposición unidireccional, una disposición bidireccional u otras disposiciones multidireccionales u orientaciones de fibra. En este sentido, realizaciones del material fibroso 18 también pueden incluir, pero sin limitarse a, material textil multiaxial, material textil trenzado, material textil de urdimbre en malla y una cualquiera de una variedad de configuraciones adicionales del material fibroso 18.
El material del que se forman las fibras estructurales 20 (figura 1) puede incluir aramidas, poliolefinas, metal, vidrio, carbón, boro, cerámica, mineral y uno cualquiera de una variedad de materiales o combinaciones de materiales adicionales. Por ejemplo, las fibras estructurales 20 pueden formarse de uno cualquiera de los siguientes materiales: poliamida, poliimida, poliamida-imida, poliéster, polibutadieno, poliuretano, polipropileno, polieterimida, polisulfona, polietersulfona, polifenilsulfona, sulfuro de polifenileno, polietercetona, polieteretercetona, poliarilamida, policetona, poliftalamida, poli éter de fenileno, tereftalato de polibutileno, tereftalato de polietileno, poliéster-poliarilato, poliaramida, polibenzoxazol, viscosa y otros materiales.
La resina 24 (figura 1) puede combinarse, unirse íntimamente o mezclarse de otra manera con las fibras estructurales 20 (figura 1). Además, la resina 24 puede proporcionarse en una cualquiera de una variedad de composiciones de material. Por ejemplo, la resina 24 puede proporcionarse en al menos una de las siguientes composiciones de material: acrílicos, fluorocarburos, poliamidas, polietilenos, poliésteres, polipropilenos, policarbonatos, poliuretanos, polieteretercetonas,
polietercetonacetonas, polieterimidas y otras composiciones de material. La resina 24 puede proporcionarse en una composición de material que tiene una temperatura de transición vítrea o punto de fusión que puede ser superior a la temperatura en la que el material de matriz 222 (figura 18) se cura en el artículo compuesto final 250 (figura 19) para proporcionar efectos favorables en la resistencia del artículo compuesto final 250 a temperaturas elevadas.
Haciendo referencia a las figuras 1 a 2, la capa 16 de material fibroso 18 puede dispensarse desde un cilindro de material 14 montado en un conjunto rotor 12 que puede rotar a lo largo de una dirección de rotación 14a. La(s) capa(s) 16 puede(n) dispensarse desde uno o más cilindros de material de una única capa 14b que contienen una única capa 16 de material fibroso 18 que tiene una composición de material fibroso y resina, un grosor y una orientación y disposición de fibra deseadas, tal como se describirá a continuación. Además, la(s) capa(s) 16 puede(n) dispensarse desde uno o más cilindros de material de múltiples capas 14c que contienen una pluralidad de la(s) capa(s) 16 de las mismas composiciones de material de fibra y resina que tienen las mismas orientaciones de fibra y/o grosores, o la(s) capa(s) 16 en un cilindro de material de múltiples capas 14c pueden proporcionarse en diferentes composiciones de material de fibra y resina, grosores y/u orientaciones de fibra. La(s) capa(s) 16 puede(n) soportarse por un rodillo tensor 26 para mantener un nivel predeterminado de tensión en la capa 16 de material fibroso 18. Puede proporcionarse un rodillo guía 28 para mantener la capa 16 de material fibroso 18 en una orientación deseada para introducirla en el conjunto de matrices conformadoras 50. Por ejemplo, tal como se muestra en la figura 2, el rodillo guía 28 puede mantener la capa 16 de material fibroso 18 en alineación con la orientación de un hueco 58 entre las matrices conformadoras superior e inferior 52, 54 del conjunto de matrices conformadoras 50.
Haciendo referencia a las figuras 2 a 3, el conjunto de matrices conformadoras 50 puede comprender las matrices conformadoras superior e inferior 52, 54. El hueco 58 entre las matrices conformadoras superior e inferior 52, 54 puede ser más grande que el grosor de la(s) capa(s) 16 de material fibroso 18 al menos en la entrada 76 al conjunto de matrices conformadoras 50 para permitir que la(s) capa(s) 16 entre(n) en el hueco 58 y para evitar la agrupación de la(s) capa(s) 16 en la entrada 76. El hueco 58 entre las matrices conformadoras superior e inferior 52, 54 puede hacerse cónico hacia abajo gradualmente a lo largo de una longitud del conjunto de matrices conformadoras 50. Las matrices conformadoras superior e inferior 52, 54 pueden formarse en la forma en sección transversal deseada para formar el material fibroso 18 dando lugar a la preforma 200. En la realización mostrada, la forma en sección transversal comprende un perfil laminado en forma de sombrero de copa 204. Las matrices conformadoras superior e inferior 52, 54 pueden incluir cada una superficies planas 64 para formar pestañas 206 de la preforma 200. La matriz conformadora inferior 54 puede incluir un saliente 62 (figura 3) y la matriz conformadora superior 52 puede incluir una muesca 60 (figura 3) para recibir el saliente 62.
En una realización, el hueco 58 (figura 3) puede ser tal que puede aplicarse una cantidad predeterminada de presión de conformación 66 (figura 3) a la capa 16 (figura 3) de material fibroso 18 (figura 3) a medida que la capa 16 de material fibroso 18 se pultruye a través del conjunto de matrices conformadoras 50 (figura 3). Por ejemplo, el hueco 58 puede conformarse de manera que una presión de conformación 66 de hasta aproximadamente 150 psi o mayor se aplique a la capa 16 de material fibroso 18 a pesar de que puede aplicarse una presión de conformación 66 de menos de 150 psi. La presión de conformación 66 también puede ser tal que la resina 24 (figura 3) puede fluir entre las fibras estructurales 20 (figura 2) hasta un punto en el que múltiples capas 16 pueden apilarse juntas tal como se describirá a continuación. Puede permitirse que la resina 24 solidifique tal como puede ocurrir tras el enfriamiento de la resina 24 tras lo cual la resina solidificada 24 mantiene la preforma 200 en la forma en sección transversal de matriz 56.
Haciendo referencia a la figura 2, el conjunto de matrices conformadoras 50 puede tener una entrada 76 y una salida 78. En una realización, el conjunto de matrices conformadoras 50 puede tener una forma en sección transversal de matriz 56 que puede ser generalmente constante (figura 2) o la forma en sección transversal puede variar (figura 5) a lo largo de la longitud del conjunto de matrices conformadoras 50 desde la entrada 76 hasta la salida 78 tal como se describirá a continuación. La forma en sección transversal de matriz sustancialmente constante 56 puede incluir un hueco sustancialmente constante 58 desde la entrada 76 hasta la salida 78. Sin embargo, el hueco 58 que puede variar a lo largo de la longitud del conjunto de matrices conformadoras 50 desde la entrada 76 hasta la salida 78. Por ejemplo, con el fin de evitar la agrupación del material fibroso 18 en la entrada 76, el hueco 58 puede ser más grande que el grosor de la(s) capa(s) 16 en la entrada 76 y puede estrecharse hacia la salida 78 para proporcionar una cantidad deseada de presión de conformación 66 en la(s) capa(s) 16 tal como se describirá a continuación.
Haciendo referencia brevemente a las figuras 5 a 5D, se muestra en la figura 5 una vista lateral del conjunto de matrices conformadoras 50 en una realización donde la forma en sección transversal de matriz 56 cambia gradualmente de una forma generalmente plana en la entrada 76 del conjunto de matrices conformadoras 50 a la forma en sección transversal de matriz completa 56 en la salida 78 del conjunto de matrices conformadoras 50. La figura 5A ilustra una forma en sección transversal de matriz sustancialmente plana 56 del conjunto de matrices conformadoras 50 en la entrada 76. El tamaño (por ejemplo, la altura) del hueco 58 en la forma en sección transversal de matriz plana 56 en la entrada 76 puede ser más grande que un grosor del material fibroso 18 que entra en el hueco 58 en la entrada 76 hacia el conjunto de matrices conformadoras 50 para evitar la agrupación del material fibroso 18 en la entrada 76. La figura 5B ilustra el saliente 62 y la muesca 60 formados en el conjunto de matrices conformadoras 50 a una altura relativamente baja como parte de la transición gradual de la forma en sección transversal de matriz 56 desde la forma plana del hueco 58 en la entrada 76 (figura 5A) hasta la forma en sección transversal de matriz completa 56 en la salida 78 (figura 5D). En la figura 5B, el tamaño (por ejemplo, la altura) del hueco 58 a lo largo de la forma en sección transversal de matriz relativamente baja 56
puede ser el mismo tamaño que el hueco 58 en la entrada 76 (figura 5A) o ligeramente más pequeño que el hueco 58 en la entrada 76.
La figura 5C ilustra el saliente 62 y la muesca 60 formados en una altura aumentada en el conjunto de matrices conformadoras 50. El tamaño del hueco 58 puede reducirse opcionalmente en altura en relación con el tamaño del hueco 58 en la entrada 76 (figura 5A) de manera que puede aplicarse una presión de conformación 66 (figura 5C) gradualmente al material fibroso 18 a medida que el material fibroso 18 se mueve a través del conjunto de matrices conformadoras 50 para formar gradualmente el material fibroso 18 dando lugar a la forma en sección transversal de matriz 56. A pesar de que la presión de conformación 66 se muestra inicialmente aplicada al material fibroso 18 en la figura 5C, el conjunto de matrices conformadoras 50 puede configurarse de manera que la presión de conformación 66 puede aplicarse al material fibroso 18 en cualquier ubicación a lo largo de la longitud del conjunto de matrices conformadoras 50 desde la entrada 76 (figura 5A) hasta la salida 78 (figura 5D) del conjunto de matrices conformadoras 50. La figura 5D ilustra el saliente 62 y la muesca 60 formados en una altura completa de la forma en sección transversal de matriz 56 en la salida 78 del conjunto de matrices conformadoras 50. El tamaño del hueco 58 entre las matrices conformadoras superior e inferior 52, 54 en la figura 5D puede ser tal que la presión de conformación 66 se mantiene en el material fibroso 18 para formar el material fibroso 18 dando lugar a la forma final de la forma en sección transversal de matriz 56. Tal como se indicó anteriormente, puede aplicarse calor (no mostrado) al material fibroso 18 en cualquier ubicación a lo largo de una longitud del conjunto de matrices conformadoras 50.
Haciendo referencia a las figuras 2 y 5, tal como se indicó anteriormente, el hueco 58 entre las matrices conformadoras superior e inferior 52, 54 puede ser más grande en la entrada 76 (figuras 2, 5 y 5A) que el tamaño del hueco 58 en la salida 78 de manera que la presión de conformación 66 (figuras 3, 5C y 5D) en la capa 16 de material fibroso 18 puede aumentarse gradualmente a medida que el material fibroso 18 se mueve a través del conjunto de matrices conformadoras 50. De esta manera, puede requerirse una cantidad reducida de fuerza de tracción para pultruir la capa 16 de material fibroso 18 a través del conjunto de matrices conformadoras 50. Además, una transición gradual hacia la forma en sección transversal de matriz final 56 (figura 5D) puede permitir que la resina 24 se caliente gradualmente a medida que la capa 16 de material fibroso 18 entra en contacto con las matrices conformadoras superior e inferior 52, 54 mientras pasa a través del conjunto de matrices conformadoras 50 lo que puede permitir que el material fibroso 18 se ajuste gradualmente a la forma en sección transversal de matriz 56.
En una realización no limitativa, la preforma 200 (figura 9) puede formarse en una forma en sección transversal de preforma 202 (figura 9) de un perfil laminado en forma de sombrero de copa 204 (figura 9) a pesar de que la preforma puede formarse en una cualquiera de una amplia variedad de configuraciones, sin limitación. El perfil laminado en forma de sombrero de copa 204 puede incluir un par de pestañas 206 (figura 9) y un par de redes 208 (figura 9) que se extienden desde las pestañas 206 (figura 9) hasta un sombrerete 210 (figura 9). La preforma 200 puede consolidarse o laminarse con preformas adicionales (no mostradas), material fibroso seco adicional 214 (figura 18), materiales preimpregnados (no mostrados) y/o herramientas fijas o extraíbles (por ejemplo, un mandril 216) (figura 18) para crear una preforma ensamblada continua 200 (figura 2) que puede incluir diferentes tipos de material fibroso 18 con diferentes tipos de fibras estructurales 20 (figura 2) y diferentes tipos de resina 24 (figura 2). El material preimpregnado (no mostrado) puede comprender material fibroso (no mostrado) preimpregnado con material de matriz (no mostrado) en una fracción de volumen en el intervalo de desde aproximadamente 30 hasta 70 por ciento de volumen total del material preimpregnado (no mostrado).
Tal como se distingue a partir de la fracción de volumen relativamente baja (por ejemplo, de 1 a 10 por ciento) de resina 24 (figura 1) usada en el material fibroso 18 (figura 1) para mantener la forma de la preforma 200 (figura 18), el material de matriz (no mostrado) usado en el material preimpregnado (no mostrado) y el material de matriz 222 (figura 18) usado para infusionar la preforma 200 (figura 18) pueden facilitar la transferencia de esfuerzo cortante entre fibras adyacentes. Después de ensamblar la preforma 200 (figura 18) con material fibroso adicional 214 (figura 18), el conjunto puede infusionarse con material de matriz 222 (figura 18) y curarse para formar un artículo compuesto 250 (figura 19). En este sentido, el sistema 10 (figura 1) y el método dados a conocer en el presente documento pueden facilitar la fabricación de preformas 200 (figura 18) que tienen cualquier forma en sección transversal para el ensamblaje opcional con uno o más componentes compuestos tal como cualquier número de preformas adicionales 200 o materiales fibrosos adicionales 214 (figura 18). La(s) preforma(s) 200 (figura 18) y/o los materiales fibrosos adicionales 214 pueden infusionarse con material de matriz 222 (figura 18) seguido por el curado para formar un artículo compuesto final 250 de cualquier tamaño, forma y configuración.
Haciendo referencia a la figura 3, el sistema 10 puede incluir un dispositivo de calefacción 110 para calentar la resina 24 a medida que la capa 16 de material fibroso 18 pasa a través del conjunto de matrices conformadoras 50. En la realización mostrada, el dispositivo de calefacción 110 puede comprender una o más bobinas de calefacción 112 que pueden integrarse en o montarse de otra manera en la matriz conformadora superior 52 y/o la matriz conformadora inferior 54. El dispositivo de calefacción 110 puede configurarse para calentar la resina 24 hasta un nivel de viscosidad que fomenta el flujo de la resina 24 tal como entre fibras estructurales 20 (figura 1) del material fibroso 18. En una realización, el dispositivo de calefacción 110 puede configurarse para calentar la resina 24 al menos hasta la temperatura de fusión o la temperatura de transición vitrea aproximadas de la resina 24 mientras la capa 16 de material fibroso 18 pasa a través del conjunto de matrices conformadoras 50 para provocar que la resina 24 se ablande al menos parcialmente.
En la figura 3, en una realización, las bobinas de calefacción 112 pueden disponerse para proporcionar una distribución sustancialmente uniforme de calor 114 a través de la capa 16 de material fibroso 18. Las bobinas de calefacción 112 pueden configurarse para calentar las matrices conformadoras superior e inferior 52, 54 de manera que la capa 16 de material fibroso 18 puede calentarse de manera conductiva debido al contacto con las matrices conformadoras superior y/o inferior 52, 54. Aunque las bobinas de calefacción 112 se muestran extendiéndose a lo largo de una longitud de las matrices conformadoras superior e inferior 52, 54, las bobinas de calefacción 112 pueden disponerse o montarse en las matrices conformadoras superior y/o inferior 52, 54 en una cualquiera de una variedad de disposiciones alternativas. En una realización adicional, el dispositivo de calefacción 110 puede configurarse para calentar la resina 24 mediante calentamiento por radiación de la resina 24. Por ejemplo, aunque no se muestra, el dispositivo de calefacción 110 puede configurarse para calentar la resina 24 usando radiación que tiene una banda de frecuencia que puede ajustarse para calentar la resina 24 en el material fibroso 18 en mayor medida que el calentamiento de las fibras estructurales 20 (figura 1) en el material fibroso 18.
En una realización adicional, la matriz conformadora superior y/o inferior 52, 54 (figura 3) puede comprender material ferromagnético (no mostrado) que puede seleccionarse basándose en la temperatura de Curie del material ferromagnético que se aproxima a la temperatura de fusión, la temperatura de transición vítrea u otra temperatura deseada de la resina 24 (figura 3) en la capa 16 (figura 3) de material fibroso 18 (figura 3). En una disposición tal, el material ferromagnético en la matriz conformadora superior y/o inferior 52, 54 puede calentarse por inducción mediante un campo magnético (no mostrado) que puede generarse por una corriente eléctrica (no mostrada) que fluye a través de una o más bobinas de inducción (no mostradas) que pueden montarse adyacentes a la matriz conformadora superior y/o inferior 52, 54. La matriz conformadora superior y/o inferior 52, 54 puede calentarse por inducción hasta una temperatura de equilibrio que puede acercarse a la temperatura de Curie del material ferromagnético. La capa 16 de material fibroso 18 puede calentarse por conducción debido al contacto térmico con la matriz conformadora superior y/o inferior 52, 54. A medida que la temperatura de la matriz conformadora superior y/o inferior 52, 54 se acerca a la temperatura de Curie, las propiedades magnéticas del material ferromagnético pueden empezar a decaer, lo que puede dar como resultado una reducción del calentamiento inductivo de la matriz conformadora superior y/o inferior 52, 54 y una reducción del calentamiento conductivo de la capa 16 de material fibroso 18 en contacto con la matriz conformadora superior y/o inferior 52, 54. Partes de la matriz conformadora superior y/o inferior 52, 54 que están en la temperatura de equilibrio pueden volverse no magnéticas de manera que el flujo de corriente de inducción en la bobina de inducción disminuye automáticamente hasta un nivel suficiente para estabilizar la temperatura de la capa 16 de material fibroso 18 en la temperatura deseada tal como la temperatura de fusión o la temperatura de transición vítrea de la resina termoplástica 24.
Sin embargo, el dispositivo de calefacción 110 (figura 3) puede proporcionarse en una variedad de configuraciones y no se limita a calentar la resina 24 (figura 3) usando calentamiento conductivo, calentamiento por radiación o calentamiento inductivo. Adicionalmente, aunque el dispositivo de calefacción 110 se muestra como que está integrado en el conjunto de matrices conformadoras 50 (figura 3), el dispositivo de calefacción 110 puede proporcionarse como un componente separado del conjunto de matrices conformadoras 50 y que puede montarse en cualquier ubicación tal como aguas arriba del conjunto de matrices conformadoras 50 cerca de la entrada 76 (figura 2) y/o aguas abajo del conjunto de matrices conformadoras 50 cerca de la salida 78 (figura 2). De manera alternativa, uno o más de los cilindros de material 14 (figura 1) pueden calentarse con el fin de elevar la temperatura de la resina 24 (figura 1) en las capas 16 (figura 1) en el cilindro de material 14. En una realización adicional, uno o más de los cilindros de material 14 (figura 1) pueden refrigerarse (no se muestra) de manera que el material fibroso 18 (figura 1) en los cilindros de material 14 se proporciona a una temperatura reducida en la que las capas 16 no tienen sustancialmente pegajosidad o tienen una cantidad reducida de pegajosidad. El cilindro de material 14 puede calentarse con el fin de elevar la temperatura de la resina 24 para adherir la(s) capa(s) 16 entre sí y fomentar la adhesión con capas adyacentes 16 y/o la adhesión entre fibras adyacentes 20 (figura 1) dentro de una capa dada 16 de una manera tal como se describirá a continuación. En una realización tal, el conjunto de matrices conformadoras 50 (figura 1) puede calentarse o no calentarse opcionalmente.
Haciendo referencia a la figura 2, el conjunto de matrices conformadoras 50 puede incluir opcionalmente un dispositivo de refrigeración 130 para reducir la temperatura de la resina 24 en el material fibroso 18. En una realización, el dispositivo de refrigeración 130 puede integrarse en o montarse de otra manera en la matriz conformadora superior y/o inferior 54 del conjunto de matrices conformadoras 50. El dispositivo de refrigeración 130 también puede ubicarse aguas abajo del dispositivo de calefacción 110 tal como se muestra en la figura 10 y se describirá a continuación. En la figura 2, el dispositivo de refrigeración 130 puede proporcionar medios para extender el calor (no mostrado) lejos de la capa 16 de material fibroso 18 para permitir que la resina 24 se enfríe y se solidifique de una manera tal que la preforma 200 conserve la forma en sección transversal de matriz 56. En una realización, el dispositivo de refrigeración 130 puede proporcionar medios para reducir la temperatura de la resina 24 por debajo de la temperatura de transición vítrea mientras el conjunto de matrices conformadoras 50 incluye la forma en sección transversal de matriz 56. La presión de conformación 66 (figura 3) en la capa 16 puede formar la preforma 200 dando lugar a la forma en sección transversal de matriz 56 a medida que la resina 24 se enfría. En una realización, el dispositivo de refrigeración 130 puede incluir uno o más conductos (no mostrados) para hacer circular un medio refrigerante (no mostrado) tal como cualquier líquido adecuado (por ejemplo, agua) a través de la matriz conformadora superior y/o inferior 54. El medio refrigerante puede extender el calor (no se muestra) lejos de una parte de la matriz conformadora superior y/o inferior 54 lo que puede permitir que la resina se enfríe 24.
Haciendo referencia a las figuras 1, 2 y 4, el sistema 10 (figura 1) puede incluir un mecanismo tractor 150 (figura 4) ubicado aguas abajo del conjunto de matrices conformadoras 50 (figura 1) y configurado para extender o pultruir la capa 16 (figura
1) de material fibroso 18 (figura 1) a través del conjunto de matrices conformadoras 50. En la realización mostrada, el mecanismo tractor 150 puede incluir uno o más rodillos de tracción 152 (figura 2) tal como el rodillo superior e inferior 154, 156 (figura 2) montados en lados opuestos de la capa 16 (figura 2) de material fibroso 18 (figura 2) y que pueden rotar a lo largo de direcciones de rotación respectivas 154a, 156a (figura 2) alrededor de ejes de rotación respectivos. El rodillo superior 154 puede incluir una muesca circunferencial 160 (figura 4) y el rodillo inferior 156 puede incluir un saliente circunferencial 162 (figura 4) que pueden conformarse complementarios a la forma en sección transversal de matriz 56. Los rodillos de tracción 152 pueden sujetar con abrazaderas el material fibroso 18 y pultruir la capa 16 de material fibroso 18 del conjunto de matrices conformadoras 50. En una realización, los rodillos de tracción 152 pueden tener una forma en sección transversal que es complementaria a o sustancialmente equivalente a la forma en sección transversal de matriz 56.
El mecanismo tractor 150 (figura 1) puede comprender opcionalmente una pluralidad de rodillos con forma generalmente cilíndrica (no mostrados) que pueden montarse en lados opuestos de la capa 16 (figura 1) de material fibroso 18 (figura 1) para sujetar con abrazaderas las diferentes secciones de la forma en sección transversal de preforma 202 (figura 13) entre los rodillos. Los rodillos pueden distribuirse a lo largo de la anchura de la capa 16 de material fibroso 18 y situarse de manera que se aplica una distribución sustancialmente uniforme de fuerza de tracción a la anchura de la capa 16 de material fibroso 18. Al configurar el mecanismo tractor 150 de manera que se aplique una fuerza de tracción distribuida de manera sustancialmente uniforme, la orientación relativa de las fibras estructurales 20 (figura 1) puede quedar sin distorsiones o sin perturbaciones en comparación con la distorsión que puede producirse en las fibras estructurales 20 si se aplicara una fuerza de tracción no uniforme a través de una anchura de la capa 16. Por ejemplo, la orientación de las fibras estructurales 20 en determinados tipos de material fibroso 18 tal como material textil tejido puede mantenerse en sustancialmente la misma orientación de fibra en la preforma 200 (figura 1) que la orientación de fibra en el cilindro de material 14. Aunque la figura 4 ilustra un único rodillo superior 152 y un único rodillo inferior 154, puede proporcionarse cualquier número de rodillos y en cualquier ubicación a lo largo de la anchura de la capa 16. Aún más, aunque la figura 2 ilustra un único mecanismo tractor 150, puede proporcionarse cualquier número de mecanismos tractores 150 y en cualquier ubicación a lo largo de una longitud de la preforma 200.
Haciendo referencia a la figura 2, las matrices conformadoras superior e inferior 52, 54 pueden configurarse para fijarse generalmente en posición o pueden ser generalmente fijas entre sí y en relación con la capa 16 de material fibroso 18 que pasa a través del conjunto de matrices conformadoras 50. Por ejemplo, la figura 2 ilustra el conjunto de matrices conformadoras 50 70 que comprende las matrices fijas superior e inferior 72, 74 que están generalmente fijas en una posición entre sí. En este sentido, las matrices fijas superior e inferior 72, 74 pueden fijarse o ser fijas entre sí en el sentido de que las matrices fijas superior y/o inferior 72, 74 no pueden moverse cuando la capa 16 de material fibroso 18 se extiende a través del conjunto de matrices conformadoras 50. Sin embargo, una cualquiera de las matrices fijas superior e inferior 72, 74 puede ajustarse en relación con la opuesta de las matrices fijas superior e inferior 72, 74 de manera que el hueco 58 entre ellas puede ajustarse para alojar diferentes grosores y/o cantidades de capas 16 de material fibroso 18 y/o para ajustar la magnitud de la presión de conformación 66 (figura 3) aplicada a la capa 16 de material fibroso 18 por las matrices fijas superior e inferior 72, 74.
Haciendo referencia a las figuras 6 a 9, se muestra una realización alternativa del conjunto de matrices conformadoras 50 (figura 6) configurado como un conjunto de matrices móviles 90 (figura 6) para formar sucesivamente secciones de la(s) capa(s) 16 (figura 6). El conjunto de matrices móviles 90 puede incluir matrices móviles superior e inferior 92, 94 (figura 6) que pueden moverse a lo largo de la dirección de movimiento 98 (por ejemplo, verticalmente - figura 6) tal como se muestra en la figura 6. El movimiento de las matrices móviles superior e inferior 92, 94 puede facilitar la sucesiva sujeción con abrazaderas de secciones de la longitud del material fibroso 18 para transmitir la forma en sección transversal de matriz 56 a la capa 16 de material fibroso 18. Además, el conjunto de matrices móviles 90 puede alojar diferentes grosores y/o cantidades de capa(s) 16 del material fibroso 18.
En la figura 7, las matrices móviles superior e inferior 92, 94 pueden separarse de manera que una o más capas 16 de material fibroso 18 pueden hacerse avanzar sucesivamente a través del conjunto de matrices conformadoras 50. Por ejemplo, una capa 16 puede hacerse avanzar activando el mecanismo tractor 150 (figura 6) hasta que una sección 96 (figura 6) de la capa 16 se sitúa dentro del hueco 58 entre las matrices móviles superior e inferior 92, 94. El mecanismo tractor 150 puede desactivarse y opcionalmente puede aplicarse calor 114 a las matrices móviles superior y/o inferior 92, 94 por medio de un dispositivo de calefacción 110.
En la figura 8, las matrices móviles superior e inferior 92, 94 pueden moverse una hacia la otra para sujetar con abrazaderas la capa 16 de material fibroso 18 entre ellas. La capa 16 puede calentarse por conducción como resultado del contacto con las matrices móviles superior e inferior 92, 94 o mediante medios de calentamiento por radiación y/o inductivo tal como se describió anteriormente. Puede aplicarse presión de conformación 66 a la capa 16 mientras la temperatura de la resina 24 aumenta hasta el punto de fusión o la temperatura de transición vítrea aproximados. La temperatura y/o presión de conformación 66 pueden mantenerse durante un periodo de tiempo predeterminado. La aplicación de calor 114 puede interrumpirse y puede activarse un dispositivo de refrigeración opcional 130 (figura 1) para extender el calor (no mostrado) desde las matrices móviles superior e inferior 92, 94 para reducir la temperatura de la resina 24 por debajo del punto de fusión.
En la figura 9, tras el enfriamiento y/o la solidificación de la resina 24 (figura 8), la resina 24 puede endurecerse y las matrices móviles superior e inferior 92, 94 pueden separarse. Cuando se solidifica, la resina 24 puede estabilizar el
material fibroso 18 (figura 8) dando la forma en sección transversal de matriz 56 tal como se muestra. El mecanismo tractor 150 (figura 6) puede activarse de nuevo para extender otra sección 96 (figura 6) de la capa 16 (figura 6) en el hueco 58 (figura 6) entre las matrices móviles superior e inferior 92, 94. El procedimiento puede repetirse hasta que se forme una longitud deseada de la preforma 200 con la forma en sección transversal de matriz 56.
Haciendo referencia a la figura 10, se muestra una realización del sistema 10 que incluye un dispositivo de refrigeración 130 ubicado aguas abajo del conjunto de matrices conformadoras 50. En una realización, el enfriamiento puede comprender un conjunto de matrices de refrigeración 132 que incluye matrices de refrigeración superior e inferior 134, 136 que pueden tener una forma en sección transversal que puede ser sustancialmente similar a la forma en sección transversal de matriz 56 (figura 9). En una realización, la matriz de refrigeración 132 puede configurarse para actuar como un disipador térmico para extraer el calor de la capa 16 de material fibroso 18 después de que la preforma 200 salga 78 del conjunto de matrices conformadoras 50. El conjunto de matrices de refrigeración 132 puede configurarse para enfriar de manera pasiva la capa 16 de material fibroso 18 proporcionando una masa térmica relativamente grande para conducir el calor fuera de la capa 16 debido al contacto de la capa 16 con las superficies del conjunto de matrices de refrigeración 132.
De manera alternativa, el dispositivo de refrigeración 130 (figura 10) puede configurarse para enfriar de manera activa la capa 16 (figura 10) de material fibroso 18 (figura 10) usando un medio refrigerante (no mostrado) que puede circular a través del dispositivo de refrigeración 130 de una manera similar a la circulación de medio refrigerante a través de una parte del conjunto de matrices conformadoras 50 (figura 10) tal como se describió anteriormente. El dispositivo de refrigeración 130 puede configurarse para reducir la temperatura de la resina 24 (figura 10) en la capa 16 de material fibroso 18 (figura 10) para permitir que la resina 24 se enfríe por debajo de la temperatura de transición vítrea y se endurezca mientras el dispositivo de refrigeración 130 mantiene la capa 16 en la forma en sección transversal. El dispositivo de refrigeración 130 puede configurarse opcionalmente para mantener presión de conformación 66 (figura 8) en la capa 16 hasta que la temperatura de la resina 24 se reduzca hasta un nivel predeterminado.
Haciendo referencia a la figura 11, se muestra una realización del sistema 10 que tiene un mecanismo de laminación 170 ubicado aguas abajo del conjunto de matrices conformadoras 50. El mecanismo de laminación 170 puede configurarse para consolidar capas adicionales o posteriores 180 de material fibroso con la preforma 200 para crear una preforma ensamblada continua 200. La capa posterior 180 de material fibroso puede ser el mismo tipo o un tipo diferente de material fibroso a partir del cual se crea inicialmente la preforma 200. En este sentido, la figura 11 ilustra un primer cilindro de material 40 que incluye una primera capa 40a de un primer material fibroso 40b para pultruirse a través del conjunto de matrices conformadoras 50. Un segundo cilindro de material 42 incluye una segunda capa 42a de un segundo material fibroso 42b que se extiende desde un conjunto rotor 12 y pasa por encima de un rodillo tensor 26 y/o rodillo guía 28. La segunda capa 42a puede unirse a la primera capa 40a y laminarse juntas en el mecanismo de laminación 170.
En una realización, el mecanismo de laminación 170 (figura 11) puede comprender un conjunto de matrices de laminación 172 (figura 11) que puede configurarse de manera similar al conjunto de matrices conformadoras 50 descrito anteriormente ilustrado en las figuras 1 a 9. El conjunto de matrices de laminación 172 puede incluir las matrices de laminación superior e inferior 174, 176 (figura 11) que tienen una forma en sección transversal de matriz de laminación 178 (figura 11) que puede ser sustancialmente similar a la forma en sección transversal de matriz 56 (figura 11) del conjunto de matrices conformadoras 50 (figura 11). El conjunto de matrices de laminación 172 puede configurarse para alojar el grosor adicional de la segunda capa 42a (figura 11) y aplicar una presión de laminación 182 (figura 12) a la capa primera y segunda 40a, 42a (figura 11) a medida que las capas primera y segunda 40a, 42a se pultruyen a través del conjunto de matrices de laminación 172 por el mecanismo tractor 150 (figura 11). La segunda capa 42a puede proporcionarse en cualquier anchura y no está limitada a tener la misma anchura que la primera capa 40a. Además, la segunda capa 42a puede aplicarse a cualquier parte de la preforma 200 (figura 11).
Haciendo referencia a las figuras 12 a 13, se muestra una vista en sección transversal del mecanismo de laminación 170 que ilustra la segunda capa 42a que está laminada o consolidada con la primera capa 40a entre las matrices de laminación superior e inferior 174, 176 (figura 11). Tal como se muestra en la figura 13, la segunda capa 42a puede proporcionarse en una anchura que puede extenderse a través de una anchura de un sombrerete 210 de la preforma 200. Las matrices de laminación superior e inferior 174, 176 pueden configurarse para alojar el grosor adicional de la segunda capa 42a (figura 11) en el sombrerete 210. Puede aplicarse presión de laminación 182 y/o calor 184 a las capas primera y segunda 40a, 42a para consolidar y/o unir las capas primera y segunda 40a, 42a (figura 11) para formar una preforma continua 200. Tal como puede apreciarse, puede aplicarse cualquier cantidad de capas adicionales de material fibroso 180, material preimpregnado (no mostrado) o preformas adicionales (no mostradas) a cualquier parte de la preforma 200 mostrada en las figuras 12 a 13.
Haciendo referencia a la figura 14, se muestra una realización del sistema 10 que tiene una pluralidad de capas 16 de material fibroso 18 ensambladas entre sí y extendidas en el conjunto de matrices conformadoras 50 para transmitir la forma en sección transversal de matriz 56 en el ensamblaje de capas 46. Las capas 16 de material fibroso 18 pueden formarse de un material sustancialmente similar que tiene composiciones de material sustancialmente similares de las fibras estructurales 20 y la resina 24. Sin embargo, el material fibroso 18 en las capas 16 puede ser diferente. Por ejemplo, en la figura 14, se muestra un primer cilindro de material 40 para dispensar una o más primeras capas 40a de un primer material fibroso 40b, un segundo cilindro de material 42 para dispensar una o más segundas capas 42a de un segundo material fibroso 42b y un tercer cilindro de material 44 para dispensar una o más terceras capas 44a de un tercer material
fibroso 44b. Las capas primera, segunda y tercera 40a, 42a, 44 pueden incluir el mismo tipo de fibras estructurales 20 que tienen la misma composición de material fibroso. De manera alternativa, las capas primera, segunda y tercera 40a, 42a, 44a pueden incluir diferentes fibras estructurales 20 que tienen diferentes composiciones de material fibroso.
Además, las fibras estructurales 20 en las capas primera, segunda y tercera 40a, 42a, 44a pueden tener la misma orientación de fibra o diferentes orientaciones de fibra tal como diferentes ángulos de fibra 22 (figura 1). Por ejemplo, la primera capa 40a puede tener fibras orientadas en un primer ángulo de fibra 40c de 45 grados, la segunda capa 42a puede tener fibras orientadas en un segundo ángulo de fibra 42c de 0 grados y la tercera capa 44a puede tener fibras orientadas en un tercer ángulo de fibra 44c de - 45 grados en relación con un eje longitudinal (no mostrado) de la capa 40a. Adicionalmente, las capas primera, segunda y tercera 40a, 42a, 44a pueden incluir diferentes tipos (es decir, diferentes composiciones de material) de resina 24 o el mismo tipo de resina 24. Además, las capas 40a, 42a, 44 pueden proporcionarse en los mismos grosores o en diferentes grosores. Uno o más de los cilindros de material 40, 42, 44, pueden comprender cilindros de una única capa (no mostrados) que contienen cada uno una única capa de material fibroso (no mostrada). De manera alternativa, uno o más de los cilindros de material 40, 42, 44, puede proporcionarse como un cilindro de múltiples capas (no mostrado) que contiene múltiples capas de material fibroso que tiene una composición de resina, composiciones de fibra, grosores y/u orientaciones de fibra iguales o diferentes tal como se describió anteriormente con respecto.
En la figura 14, dos o más capas 16 del material fibroso 18 pueden ensamblarse para formar un ensamblaje de capas 46. El ensamblaje de capas 46 puede pasarse sobre un rodillo tensor 26 y un rodillo guía 28 de una manera descrita anteriormente. El ensamblaje de capas 46 puede pultruirse a través de un conjunto de matrices conformadoras 50 por un mecanismo tractor 150 tal como los rodillos superior e inferior 154, 156 ilustrados en la figura 14 o puede usarse un tipo diferente de mecanismo tractor (no mostrado). Pueden aplicarse calor (no mostrado) y presión (no mostrada) al ensamblaje de capas 46 para ablandar y/o derretir al menos parcialmente la resina 24 de manera que el ensamblaje de capas 46 puede ajustarse a la forma en sección transversal de matriz 56 (figura 8) del conjunto de matrices conformadoras 50. El ensamblaje de capas 46 y resina 24 pueden solidificarse para formar una preforma estabilizada 200 que tiene la forma en sección transversal de matriz 56. Una o más capas posteriores de material fibroso (no mostrado) o material preimpregnado (no mostrado) pueden consolidarse o laminarse con la preforma 200 de una manera tal como se describe anteriormente para crear una preforma ensamblada continua 200 que tiene una forma en sección transversal deseada. La preforma 200 puede cortarse hasta una longitud y recortarse después de la formación de la preforma 200.
En una realización, después de formar la preforma 200 (figura 18) dando lugar a la forma en sección transversal deseada 202, la preforma 200 puede formarse en caliente (no mostrado) o formarse por drapeado en caliente (no mostrado) en un procedimiento de formación secundario para formar la preforma 200 dando lugar a una forma adicional antes de ensamblar la preforma 200 con material fibroso adicional 214 (figura 18) y antes de infusionar la preforma 200 con material de matriz (figura 18). La formación en caliente de la preforma 200 puede comprender calentar la preforma 200 para ablandar la resina 24 (figura 1) mientras se aplica la preforma calentada 200 a una herramienta de formación en caliente (no mostrada) de manera que la preforma 200 adopta la forma de la herramienta de formación en caliente. Puede permitirse que la preforma 200 se solidifique mientras se mantiene la preforma 200 contra la herramienta. La resina 24 en la preforma 200 puede enfriarse y endurecerse de manera que la preforma 200 conserva la forma formada en caliente además de la forma en sección transversal de matriz formada previamente 56 (figura 1). De esta manera, una preforma 200 que tiene una forma en sección transversal deseada puede formarse dando lugar a una cualquiera de una variedad de formas adicionales antes de ensamblarse con otro material fibroso 214 (figura 18) y antes de infusionar el conjunto con material de matriz 222 (figura 18).
Por ejemplo, la preforma 200 de perfil laminado en forma de sombrero de copa 204 ilustrada en la figura 14 puede formarse en caliente dando lugar a una forma ligeramente curvada (no mostrada) a lo largo de la dirección de longitud de la preforma 200 de perfil laminado en forma de sombrero de copa 204. La forma curvada puede ser complementaria a una forma final (no mostrada) de un artículo compuesto que va a formarse usando la preforma 200. Debe observarse que la formación en caliente de la preforma 200 no se limita a formar en caliente una curva dando lugar a una longitud de la preforma 200. Por ejemplo, la preforma 200 puede formarse en caliente dando lugar a una forma torcida (no mostrada) a lo largo de la longitud de la preforma 200 o dando lugar a una cualquiera de una variedad de otras formas. De manera ventajosa, la cantidad relativamente baja de resina 24 (figura 1) (por ejemplo, hasta aproximadamente 10 por ciento) puede mantener la preforma 200 en la forma en sección transversal deseada y la forma formada en caliente que puede simplificar la acumulación de un artículo compuesto. Tal como se indicó anteriormente, las preformas estabilizadas en forma 200 formadas de la manera descrita en el presente documento pueden reducir significativamente la complejidad y el tiempo asociados con la acumulación de artículos compuestos minimizando el trabajo durante el procedimiento de ensamblado de la pila de capas en una herramienta. De esta manera, la preforma 200 tal como se da a conocer en el presente documento puede reducir significativamente la cantidad de trabajo manual asociado normalmente con la acumulación capa por capa convencional de artículos compuestos donde una gran parte del tiempo de acumulación se asocia con el posicionamiento y el mantenimiento de las fibras del material textil o la estopa en la orientación deseada antes de y durante el embolsado al vacío, la acción del autoclave y otros procedimientos asociados con la infusión y el curado de material de matriz.
Haciendo referencia a la figura 15, se muestra un conjunto de matrices de preforma 230 que tiene matrices de preforma superior e inferior 232, 234 y que ilustra una pila 240 de preformas 200 situada entre las matrices de preforma superior e inferior 232, 234. El conjunto de matrices de preforma 230 puede incluir un dispositivo de calefacción (no mostrado) de
cualquier configuración tal como se describió anteriormente para realizar calentamiento inductivo, por radiación y conductivo de la pila de preforma 240. El conjunto de matrices de preforma 230 puede configurarse de manera similar al conjunto de matrices conformadoras 50 (figura 1) descrito anteriormente. Las preformas 200 pueden formarse de manera sustancialmente similar una respecto a otra con respecto a las formas en sección transversal de manera que las preformas 200 pueden encajarse entre sí. Tal como se indicó anteriormente, las preformas 200 pueden formarse de composiciones de resina 24 y/o material fibroso 18, grosores y/u orientaciones de fibra iguales o diferentes tal como se describió anteriormente.
Las matrices de preforma superior y/o inferior 232, 234 del conjunto de matrices de preforma 230 pueden moverse (por ejemplo, verticalmente) una respecto a otra a lo largo de una dirección de movimiento 236 para sujetar con abrazaderas sucesivamente secciones (no mostradas) de una longitud (no mostrada) de la pila de preforma 240 entre las matrices de preforma superior e inferior 232, 234. De manera alternativa, el conjunto de matrices de preforma 230 puede ser fijo y puede configurarse para pultruir la pila de preforma 240 a través de un hueco (no mostrado) entre las matrices de preforma superior e inferior 232, 234 similar a la pultrusión descrita anteriormente para la configuración fija del conjunto de matrices conformadoras 50 mostrado en las figuras 1 a 2.
En la figura 16, las matrices de preforma superior e inferior 232, 234 pueden moverse una respecto a otra a lo largo de la dirección de movimiento 236 (figura 15) para sujetar con abrazaderas la pila de preforma 240. Puede aplicarse calor (no mostrado) a la pila de preforma 240 usando uno o más dispositivos de calefacción usando uno o más dispositivos de calefacción 110 para calentar la pila de preforma 240 hasta una temperatura provocando una reducción de la viscosidad de la resina 24. La resina 24 puede calentarse hasta una temperatura que se acerca a o excede la temperatura de fusión de la resina 24 para permitir que la resina 24 se ablande y/o reduzca la viscosidad de la misma. La viscosidad reducida de la resina 24 puede fomentar la mezcla de la resina 24 en las preformas adyacentes 200. Puede aplicarse adicionalmente una fuerza compresiva 238 a la pila de preforma 240 para facilitar la consolidación de las preformas 200 tal como se describe en mayor detalle a continuación.
En la figura 17, puede formarse un conjunto de preforma 242 como resultado de la aplicación de calor y/o fuerza compresiva 238 (figura 16) a la pila de preforma 240 (figura 16). El conjunto de preforma 242 puede adoptar la forma en sección transversal del conjunto de matrices de preforma 230 (figura 16) tras la solidificación de la resina 24 (figura 16). Tal como se describirá a continuación, el conjunto de preforma 242 puede combinarse con uno o más componentes compuestos (no mostrados) tal como material fibroso adicional 214 (figura 18) e infusionarse con material de matriz 222 (figura 18). El material de matriz 222 puede curarse de manera que un componente compuesto 250 (figura 19) puede formarse tal como se describirá a continuación.
Haciendo referencia a la figura 18, se muestra la preforma 200 situada o ensamblada con material fibroso adicional 214. La capa adicional 218 de material fibroso 214 puede comprender otras preformas estabilizadas en forma o preformas sustancialmente secas (no mostradas), material preimpregnado (no mostrado) y uno cualquiera de una variedad de tipos adicionales de materiales fibrosos 214. Tal como se muestra en la figura 18, la preforma 200 de perfil laminado en forma de sombrero de copa 204 puede ensamblarse dando lugar a un larguerillo de copa 252 usando un mandril 216 que puede instalarse dentro de la preforma 200. El mandril 216 puede soportar la forma de la preforma 200 durante el embolsado al vacío y/o la acción del autoclave y durante la infusión de material de matriz 222. El mandril 216 puede comprender un mandril temporal tal como un depósito extraíble (no mostrado) o espuma soluble (no mostrada). De manera alternativa, el mandril 216 puede comprender un mandril permanente (no mostrado) tal como un mandril de espuma permanente u otra herramienta configurada para mantenerse permanentemente dentro del larguerillo de copa 252 u otras formas en sección transversal cerradas.
En la figura 19, pueden ensamblarse componentes compuestos adicionales (no mostrados) con la preforma 200. Por ejemplo, pueden instalarse un par de tallarines 272 (figuras 18 a 20) u otros rellenos de radio para llenar el espacio entre las pestañas 254 (figura 19), las redes 256 (figura 19) y la estructura laminada base 264 (figura 19) de un larguerillo de copa 252 (figura 19) formado usando una o más preformas 200 tal como se describirá a continuación. Los tallarines 272 pueden formarse de estopa unidireccional, material textil tejido, adhesivo reforzado con fibra u otro material para llenar los radios entre el mandril 216 y la preforma 200 de perfil laminado en forma de sombrero de copa 204. Pueden aplicarse capas adicionales 218 de material sobre la preforma 200 para encapsular el mandril 216 y los tallarines 272. Por ejemplo, puede aplicarse una capa posterior 218 de material fibroso 214 tal como material textil tejido o no tejido, estopas organizadas, materiales preimpregnados u otros sustratos o materiales en una o más capas 218 sobre el mandril 216 y la preforma 200.
La preforma 200 (figura 18) y el material fibroso adicional 214 (figura 18) pueden infusionarse entonces con material de matriz 222 (figura 18) seguido por el curado del material de matriz 222 para formar un único artículo compuesto final unitario 250 (figura 19). La infusión de material de matriz 222 puede hacerse mediante cualquier procedimiento de moldeo por líquido y que puede incluir opcionalmente la aplicación de calor y/o presión para facilitar la infiltración y consolidación de matriz para formar el artículo compuesto 250. Por ejemplo, la preforma 200 y el material fibroso adicional 214 pueden infusionarse mediante moldeo por transferencia de resina (RTM) en el que puede infusionarse material de matriz 222 bajo presión dando lugar a la preforma 200 y otros componentes dentro de un molde cerrado. La preforma 200 y el material fibroso adicional 214 también pueden infusionarse usando moldeo por transferencia de resina asistido por vacío (VARTM) usando presión generada mediante vacío para infusionar material de matriz 222 (figura 19) dando lugar a la preforma 200 y el material fibroso adicional 214. También puede implementarse infusión de película de resina (RFI) en la que una
película de material de matriz (no mostrado) puede situarse por debajo de o en la parte superior de la preforma 200. Puede aplicarse calor para reducir la viscosidad de la película de material de matriz y fomentar la infiltración de la misma en la preforma 200. Pueden emplearse procedimientos de infusión adicionales para infusionar e impregnar las fibras estructurales 20 (figura 11) de la preforma 200 con material de matriz 222.
En una realización, el material de matriz 222 (figura 18) puede comprender una resina termoendurecible o un material de matriz termoplástico que puede tener una composición que puede ser químicamente compatible con la resina 24 (figura 18) en la preforma 200 (figura 19). En una realización, el material de matriz 222 puede comprender uno cualquiera de los siguientes materiales: epoxis, bismaleimidas, resinas fenólicas, poliésteres, poliimidas, poliuretanos, polibenzoxazoles, ésteres cianatos, polieteramidas y otro material de matriz 222. Además, el material de matriz 222 puede comprender opcionalmente resina termoplástica 24 que puede ser la misma o diferente que la resina 24 que puede incluirse con la capa 16 (figura 11) de material fibroso 18 (figura 11).
La resina 24 (figura 18) dotada de la capa 16 (figura 1) de material fibroso 18 (figura 18) es de manera preferible químicamente compatible con el material de matriz 222 (figura 18) y puede tener una o más características compatibles cuando está en presencia del material de matriz 222. Por ejemplo, la resina 24 dotada de la capa 16 de material fibroso 18 puede ser al menos parcialmente soluble en el material de matriz 222 que puede comprender material de matriz termoendurecible. De manera alternativa, la resina 24 dotada de la capa 16 de material fibroso 18 puede ser completamente soluble en el material de matriz 222. Aún más, la resina 24 dotada de la capa 16 de material fibroso 18 puede ser químicamente reactiva con el material de matriz 222. En una realización adicional, la resina 24 dotada de la capa 16 de material fibroso 18 puede permanecer en una fase que es diferente de la fase del material de matriz 222 cuando la resina 24 entra en contacto con el material de matriz 222. Preferiblemente, la resina 24 dotada de la capa 16 de material fibroso 18 puede evitar o impedir la formación de microgrietas en el artículo compuesto curado e infusionado 250 (figura 19) en las ubicaciones donde el material de matriz 222 interactúa con la resina 24.
Haciendo referencia a las figuras 19 a 20, se muestra un larguerillo de copa 252 que puede incluir una o más de las preformas 200 de perfil laminado en forma de sombrero de copa 204. En la figura 20, una o más de las preformas 200 de perfil laminado en forma de sombrero de copa 204 pueden combinarse para formar una estructura laminada principal 260 del larguerillo de copa 252. La estructura laminada principal 260 puede comprender una pluralidad de capas principales 262, una o más de las cuales pueden formarse como una preforma estabilizada en forma 200 tal como se describió anteriormente. El larguerillo de copa 252 también puede incluir una estructura laminada base 264 que comprende una pluralidad de capas base 266 (figura 20), una o más de las cuales también puede formarse como una preforma estabilizada en forma 200 (por ejemplo, plana). De manera alternativa, la estructura laminada base 264 puede formarse aplicando material fibroso 18 desde un cilindro de material 14 (figura 18) tal como se ilustra en la figura 18.
En la figura 19, el larguerillo de copa 252 también puede incluir una estructura laminada envuelta 268 que incluye capas envueltas 270 (figura 20) y que forma una sección cerrada que puede soportarse opcionalmente por un mandril 216 (figura 20). Las capas envueltas 270 de la estructura laminada envuelta 268 pueden formarse como una o más preformas 200 de manera similar a la formación de las preformas 200 de perfil laminado en forma de sombrero de copa 204 para la estructura laminada principal 260 del larguerillo de copa 252. Las capas envueltas 270 pueden adherirse proporcionando la resina 24 para la preforma de capa envuelta (no mostrada) en una composición que se adhiere tras la aplicación de calor (no mostrado) de manera que las capas envueltas 270 se forman en una forma en sección transversal que puede aplicarse al mandril 216. Sin embargo, la resina 24 también puede tener propiedades que hacen que la resina 24 se adhiera tras la retirada de calor de manera que una preforma 200 (figura 1) puede conservar una forma en sección transversal de matriz 56 (figura 1) a medida que la resina 24 se solidifica mientras el nivel de pegajosidad aumenta con un descenso de temperatura, tal como se mencionó anteriormente. Tal como se describió anteriormente, el mandril 216 puede soportar la forma en sección transversal cerrada del larguerillo de copa 252 durante el embolsado al vacío, la acción del autoclave y/o la infusión de material de matriz 222. En la figura 20, pueden incluirse uno o más tallarines 272 o rellenos de radio con el larguerillo de copa 252 (figura 19) para llenar el espacio entre las intersecciones de las pestañas 254 y las redes 256 debido a los radios de las pestañas 254 y las redes 256 que se unen con la estructura laminada base 264.
Haciendo referencia a la figura 21, se muestra una ilustración en perspectiva de una aeronave 300 que puede incorporar artículos formados usando una o más preformas estabilizadas en forma 200 (figura 19) tal como se da a conocer en el presente documento. La aeronave 300 puede comprender un fuselaje 302 que tiene un par de alas 304 y que tiene una sección de cola 308 que puede incluir un estabilizador vertical 312 y estabilizadores horizontales 310 y que puede incluir además superficies de control 306 y unidades de propulsión 314. La aeronave 300 puede ser generalmente representativa de una de una variedad de vehículos que pueden incorporar la preforma 200 tal como se describe en el presente documento. En este sentido, la preforma 200 puede incorporarse en cualquier sistema estructural, subsistema estructural, conjunto estructural, estructura o vehículo incluyendo cualquier vehículo aéreo y/o vehículo espacial. Por ejemplo, en el contexto de la aeronave 300, la preforma 200 puede incorporarse en un componente externo y/o interno de la aeronave tal como en las alas 304 tal como en un panel alar, un revestimiento del ala, un larguero del ala, una costilla del ala, un alerón, una superficie de control 306, una estructura de soporte y en otros componentes. La preforma 200 también puede incorporarse en un componente del fuselaje 302 tal como componente de un revestimiento del fuselaje, un mamparo del fuselaje, un armazón, un larguerillo tal como un larguerillo de copa 252 (figura 19) y otros componentes.
Haciendo referencia a la figura 22, se muestra un diagrama de flujo que ilustra una o más operaciones que pueden incluirse en un método 400 de formación de un artículo compuesto 250. El método puede incluir etapas para formar una preforma estabilizada en forma 200 como puede incorporarse en el artículo compuesto 250 (figura 19).
La etapa 402 del método 400 de la figura 22 puede comprender proporcionar al menos una capa 16 (figura 1) de material fibroso 18 (figura 1) que contiene fibras estructurales 20 (figura 1). En una realización, la capa 16 de material fibroso 18 puede contener una cantidad de resina termoplástica o termoendurecible 24 (figura 1) suficiente para formar la preforma 200 (figura 1) en una forma en sección transversal de matriz 56 (figura 1) tal como se describió anteriormente y/o para adherir múltiples capa(s) 16 de la preforma 200 entre sí tal como se describió anteriormente. En una realización, la(s) capa(s) 16 de material fibroso 18 puede(n) incluir hasta aproximadamente 10 por ciento en volumen de resina 24 (figura 1) en relación con el volumen total de la capa 16. En una realización, la(s) capa(s) 16 de material fibroso 18 puede(n) incluir aproximadamente 10 por ciento en volumen o menos de resina. La resina 24 puede comprender resina termoplástica o resina termoendurecible. En una realización, la capa 16 de material fibroso 18 puede contener una cantidad relativamente pequeña de resina 24. Por ejemplo, la capa 16 (figura 1) de material fibroso 18 puede contener entre aproximadamente 2 y 4 por ciento en volumen de resina 24 en relación con el volumen total de la capa 16. El material fibroso 18 y la resina 24 pueden proporcionarse en una cualquiera de una variedad de diferentes composiciones de material, grosores y orientaciones de fibra tal como se describió anteriormente.
La resina 24 (figura 1) puede aplicarse previamente al material fibroso 18 (figura 1) mediante cualquier medio adecuado tal como usando un rodillo (no mostrado), una brocha (no mostrada), un pulverizador (no mostrado) o uno cualquiera de una variedad de otros métodos de aplicación de resina, sin limitación. La resina 24 puede calentarse antes de la aplicación para reducir la viscosidad de la misma. En una realización, la resina 24 puede aplicarse previamente a la capa 16 de material fibroso 18 de manera interna y/o por un proveedor. Las capas 16 pueden proporcionarse en cilindros de material de una única capa 14b (figura 1) o cilindros de material de múltiples capas 14c (figura 1) en las composiciones de material fibroso y resina, grosores y/u orientaciones de fibra deseados tal como se describió anteriormente.
La resina 24 (figura 1) puede aplicarse en zonas seleccionadas (no mostradas) a lo largo de la longitud y/o anchura de la capa 16 (figura 1) de manera que la resina 24 no se distribuye necesariamente de manera uniforme (no mostrado) sobre la longitud y/o anchura de la capa 16. Por ejemplo, la resina 24 puede aplicarse en zonas (no mostradas) de la capa 16 que permiten que la preforma 200 (figura 1) mantenga la forma en sección transversal de matriz 56 (figura 1) después de que se solidifique la resina 24 después del calentamiento de la misma. En este sentido, el enfriamiento de la resina 24 puede dar como resultado un aumento en la viscosidad de la resina 24 a medida que la resina 24 en la capa pegajosa 16 se solidifica de manera que la preforma 200 pueda mantener la forma en sección transversal de matriz 56. De esta manera, la fracción de volumen de resina 24 aplicada a la capa 16 puede minimizarse de manera que el material fibroso 18 pueda permanecer generalmente poroso para permitir una distribución sustancialmente uniforme de material de matriz 222 (figura 18) a lo largo de la preforma 200 durante la infusión de material de matriz 222.
La capa 16 (figura 1) de material fibroso 18 (figura 1) puede ser generalmente continua en el sentido de que una o más de las capas 16 de material fibroso 18 pueden dispensarse desde uno o más cilindros de material 14 tal como se muestra en figuras 1 y 14. Por ejemplo, una o más capas 16 de material fibroso 18 pueden extenderse desde uno o más cilindros de material de una única capa 14b (figura 1) y/o desde una o más cilindros de material de múltiples capas 14c (figura 1) tal como se describió anteriormente. Además, pueden proporcionarse una o más de las capas 16 de material fibroso 18 en formas alternativas, incluyendo láminas dobladas o no dobladas (no mostradas) o en otras formas.
La etapa 404 del método 400 de la figura 22 puede comprender pasar la capa 16 (figuras 2) a través de un conjunto de matrices conformadoras 50 (figuras 2) que tiene una forma en sección transversal de matriz 56 (figuras 2) tal como se ilustra en las figuras 1, 2, 3, 5A a 5D, 6 a 11 y 14. Por ejemplo, la capa 16 (figura 2) de material fibroso 18 (figura 2) puede pultruirse o extenderse a través de uno o más conjuntos de matrices conformadoras 50 (figuras 2) usando un mecanismo tractor 150 (figura 2). El mecanismo tractor 150 puede comprender uno o más rodillos 152 (figura 2) que pueden montarse en lados opuestos de la capa 16 para sujetar con abrazaderas la capa 16 y extender la capa 16 a través del conjunto de matrices conformadoras 50. Sin embargo, pueden implementarse otros medios para extender la capa 16 a través del conjunto de matrices conformadoras 50.
La etapa 406 del método 400 de la figura 22 puede comprender calentar la resina 24 (figura 8) en la capa 16 (figura 8) de material fibroso 18 (figura 8) tal como usando un dispositivo de calefacción 110 (figura 8). La resina 24 puede calentarse mediante calentamiento conductivo debido al contacto de la capa 16 con las superficies del conjunto de matrices conformadoras calentado 50 (figura 8) a medida que la capa 16 se pultruye a través del conjunto de matrices conformadoras 50. Sin embargo, la resina 24 puede calentarse tal como calentando previamente la capa 16 usando un dispositivo de calefacción 110 instalado en cualquier ubicación aguas arriba del conjunto de matrices conformadoras 50. Por ejemplo, una pistola de aire caliente (no mostrada) puede dirigir aire caliente (no mostrado) hacia la capa 16 para elevar la temperatura de la resina 24 para ablandar la resina 24 y/o reducir la viscosidad de la misma. La resina 24 también puede calentarse mediante otros medios incluyendo mediante calentamiento por radiación usando un calefactor que emite una longitud de onda de radiación que la resina 24 absorbe en mayor medida que lo que absorben las fibras estructurales 20 (figura 1). La resina 24 también puede calentarse debido al contacto térmico con unas matrices conformadoras superior y/o inferior (no mostradas) formadas de material ferromagnético (no mostrado) y en las que el material ferromagnético puede calentarse por inducción hasta una temperatura de Curie en respuesta a un campo magnético (no mostrado)
generado por corriente eléctrica (no mostrada) aplicada a una bobina de inducción (no mostrada) montada adyacente a las matrices conformadoras superior y/o inferior tal como se describió anteriormente.
La etapa 408 del método 400 de la figura 22 puede comprender formar la capa 16 (figura 8) de material fibroso 18 (figura 8) dando lugar a la forma en sección transversal de matriz 56 (figura 9). El material fibroso 18 puede formarse dando lugar a la forma en sección transversal de matriz 56 durante el calentamiento de la resina 24 o después de que se aplique calor 114 (figura 8) y se ablande la resina 24. Tal como se muestra en la figura 3, puede aplicarse presión de conformación 66 a la capa 16 cuando la capa 16 se pultruye a través del conjunto de matrices conformadoras 50. Debido al calentamiento de la resina 24 mediante uno o más de los dispositivos de calefacción 110 (figura 8) y métodos descritos anteriormente, la resina 24 puede ablandarse permitiendo que la resina 24 se moldee con las fibras estructurales 20 (figura 1) dando lugar a la forma en sección transversal de matriz 56.
La etapa 410 del método 400 de la figura 22 puede comprender permitir que la resina 24 (figura 8) se solidifique. La solidificación de la resina 24 puede producirse mientras la capa 16 (figura 8) adopta la forma en sección transversal de matriz 56 (figura 9). Por ejemplo, el método puede incluir pasar la capa 16 a través de un dispositivo de refrigeración 130 (figura 10) tal como se describió anteriormente para solidificar la resina 24. De esta manera, la preforma 200 (figura 9) puede mantenerse en la forma en sección transversal de matriz 56.
La etapa 412 del método 400 de la figura 22 puede comprender situar una o más de las preformas 200 (figura 18) con un componente compuesto (no mostrado) tal como con material fibroso adicional 214 (figura 18). Por ejemplo, la figura 18 ilustra un mandril 216 instalado en una preforma 200 de perfil laminado en forma de sombrero de copa 204 y una capa posterior 180 de material fibroso 214 que se aplica sobre el mandril 216 y sobre la preforma 200 de perfil laminado en forma de sombrero de copa 204. Cada preforma 200 puede comprender una preforma individual 200 y/o un conjunto de preforma 242 (figura 17) formado de una pila de preforma 240 (figura 15) que puede consolidarse bajo calor 114 (figura 16) y/o presión 238 (figura 16) tal como se describirá en mayor detalle a continuación. Puede situarse material fibroso adicional 214 (figura 18) con la preforma 200. El conjunto de la preforma 200 (figura 18) puede embolsarse al vacío y/o tratarse en el autoclave para compactarse y/o consolidarse.
La etapa 414 del método 400 de la figura 22 puede comprender infusionar una o más de las preformas 200 (figura 18) y/o material fibroso 214 (figura 18) con material de matriz termoendurecible o termoplástico 222 (figura 18). En este sentido, puede realizarse la etapa 414 de manera que la una o más preformas 200 (figura 18) se infusionan sin infusionar los componentes compuestos (por ejemplo, material fibroso 214 - figura 18) que pueden disponerse con la(s) preforma(s) 200. De manera alternativa, la etapa 414 puede realizarse de manera que la(s) preforma(s) 200 y los componentes compuestos tal como el material fibroso adicional 214 puedan infusionarse con material de matriz 222. La infusión puede realizarse usando cualquier procedimiento de moldeo por líquido o cualquier otro procedimiento adecuado para infusionar el conjunto con material de matriz 222. Por ejemplo, la preforma 200 y el material fibroso adicional 214 pueden infusionarse con material de matriz 222 usando moldeo por transferencia de resina (RTM), moldeo por transferencia de resina asistido por vacío (VARTM), infusión de película de resina (RFI), infusión de resina voluminosa (BRI) y cualquier otro método para infusionar la preforma 200 y el material fibroso adicional 214 con material de matriz 222.
La etapa 416 del método 400 de la figura 22 puede comprender curar el material de matriz 222 (figura 18) para formar un artículo compuesto 250 (figura 19). En este sentido, el curado del material de matriz 222 puede incluir la aplicación de calor (no mostrado) y/o presión (no mostrada) al material de matriz 222 para fomentar una infusión sustancialmente uniforme del material de matriz 222 a lo largo de las fibras estructurales 20 (figura 1) de la preforma 200. En una realización, la preforma 200 y el material fibroso asociado 214 (figura 18) pueden embolsarse al vacío y tratarse en el autoclave para proporcionar los perfiles de temperatura y presión deseados durante el curado del conjunto. El material de matriz 222 puede infusionarse dando lugar a la preforma 200 y el material fibroso 214 de manera que el artículo compuesto final 250 tiene una fracción de volumen de fibra en el intervalo de desde aproximadamente 30 hasta 70 por ciento aunque pueden proporcionarse fracciones de volumen de fibra más grandes o más pequeñas para el artículo compuesto final 250.
Haciendo referencia a la figura 23, se muestra un diagrama de flujo que ilustra una realización de un método de formación de múltiples preformas 200 (figura 15) dando lugar a un conjunto de preforma 242 tal como se mencionó anteriormente. Uno o más conjuntos de preforma 242 pueden combinarse con preformas individuales 200, con uno o más componentes compuestos (no mostrados) y/o con material fibroso adicional 214 (figura 18) e infusionarse con material de matriz 222 (figura 18) para formar un artículo compuesto 250 (figura 19).
La etapa 452 tal como se muestra en la figura 23 puede comprender apilar al menos dos de las preformas 200 (figura 15) dando lugar a una pila de preforma 240 (figura 15) tal como se muestra en la figura 15. Las preformas 200 pueden ser sustancialmente similares una respecto a otra con respecto a la forma en sección transversal de las preformas 200 de manera que las preformas 200 pueden encajarse o alinearse una respecto a otra en la formación apilada. Las preformas 200 pueden formarse del mismo tipo de resina 24 (figura 15) y material fibroso 18 (figura 1) en los mismos o diferentes grosores y orientaciones de capa, o las preformas 200 pueden formarse de diferentes tipos de resina 24 y material fibroso 18 en diferentes grosores y con diferentes orientaciones de fibra. Por ejemplo, las preformas 200 en la pila de preforma 240 pueden formarse de diferente material fibroso 18 que contiene fibras y/o resina 24 de diferentes composiciones de material. Las preformas 200 en la pila de preforma 240 pueden formarse adicionalmente de material fibroso 18 que tiene fibras 20 (figura 1) con diferentes orientaciones de fibra con el fin de conseguir una secuencia de apilamiento deseada de la pila de preforma 240 tal como se describió anteriormente.
Tal como se muestra en la figura 15, dos o más de las preformas 200 pueden colocarse en la pila de preforma 240 entre matrices de preforma superior e inferior 232, 234 de un conjunto de matrices de preforma 230 que tiene una forma en sección transversal de matriz 56. El conjunto de matrices de preforma 230 puede configurarse de manera similar al conjunto de matrices conformadoras 50 (figura 1) descrito anteriormente. Por ejemplo, el conjunto de matrices de preforma 230 (figura 15) puede incluir un dispositivo de calefacción 110 (figura 15) de cualquier configuración tal como se describió anteriormente. Las matrices de preforma superior y/o inferior 232, 234 del conjunto de matrices de preforma 230 pueden moverse (por ejemplo, verticalmente) una respecto a otra para sujetar con abrazaderas sucesivamente partes de una longitud de la pila de preforma 240 entre las matrices de preforma superior e inferior 232, 234. De manera alternativa, el conjunto de matrices de preforma 230 puede ser fijo y la pila de preforma 240 puede pultruirse a través de un hueco (no mostrado) entre las matrices de preforma superior e inferior 232, 234 similar a lo que se describió anteriormente para la formación de preformas individuales 200 (figura 1).
La etapa 454 tal como se muestra en la figura 23 puede comprender aplicar calor 114 (figura 16) a la pila de preforma 240 (figura 16) hasta una temperatura que provoca una reducción de la viscosidad de la resina 24 (figura 16) tal como resina termoplástica. En este sentido, la etapa de calentamiento de la resina 24 puede comprender calentar la resina 24 hasta una temperatura que se acerca a o excede la temperatura de fusión o la temperatura de transición vítrea de la resina 24 para permitir que la resina 24 se ablande para reducir la viscosidad de la resina 24. El ablandamiento de la resina 24 puede fomentar la mezcla de la resina 24 entre preformas adyacentes 200 (figura 15) en la pila de preforma 240. El calentamiento de la pila de preforma 240 puede realizarse usando cualquier calentamiento conductivo usando bobinas de calefacción, calentamiento por radiación, calentamiento inductivo o uno cualquiera de una variedad de otros métodos de calentamiento tal como los métodos de calentamiento descritos anteriormente con respecto a la formación de una preforma 200.
La etapa 456 tal como se muestra en la figura 23 puede comprender aplicar una fuerza compresiva 238 (figura 16) a la pila de preforma 240 (figura 16) tal como se muestra en la figura 16 para facilitar la consolidación de las preformas 200 (figura 16) y/o fomentar la mezcla de la resina 24 en preformas adyacentes 200. La fuerza compresiva 238 puede aplicarse a la pila de preforma 240 en una cantidad predeterminada controlando el movimiento de las matrices de preforma superior e inferior 232, 234 (figura 16) una hacia otra a lo largo de la dirección de movimiento 236 (figura 15). De manera alternativa, para una configuración fija (no mostrada) de las matrices de preforma superior e inferior 232, 234 (figura 16) en las que la pila de preforma 240 (figura 16) se pultruye a través del conjunto de matrices de preforma 230, puede conformarse un hueco (no mostrado) entre las matrices de preforma superior e inferior 232, 234 de manera que puede aplicarse una magnitud deseada de fuerza compresiva 238 a la pila de preforma 240. La fuerza compresiva 238 puede ser tal que al menos una parte de la resina 24 de preformas adyacentes 200 puede mezclarse y pegarse entre sí.
La etapa 458 tal como se muestra en la figura 23 puede comprender permitir que la resina 24 (figura 16) se solidifique para formar un conjunto de preforma 242 (figura 17) desde la pila de preforma 240 (figura 16). Tal como se muestra en la figura 17, el conjunto de preforma 242 puede adoptar la forma en sección transversal del conjunto de matrices de preforma 230 (figura 16) tras la solidificación de la resina 24 (figura 16). Por ejemplo, puede mezclarse resina termoplástica 24 de preformas dispuestas de manera adyacente 200 en la pila de preforma 240 (figura 16) entre sí cuando la resina termoplástica 24 se calienta por encima de la temperatura de fusión lo que da como resultado la reducción de la viscosidad de la resina termoplástica 24. Tras la solidificación de la resina termoplástica 24, la resina termoplástica 24 de las preformas adyacentes 200 (figura 16) puede pegarse para formar el conjunto de preforma 242 (figura 17).
El conjunto de preforma 242 (figura 17) puede combinarse opcionalmente con uno o más componentes compuestos (no mostrados) tal como se describió anteriormente en la etapa 412 de la figura 22 e infusionarse con material de matriz (no mostrado) tal como se describió anteriormente en la etapa 414. De manera alternativa, el conjunto de preforma 242 puede infusionarse con material de matriz (no mostrado) sin infusionar el componente compuesto con material de matriz similar a lo que se describió anteriormente en la etapa 414. El material de matriz puede curarse de una manera similar a lo que se describió anteriormente en la etapa 416 de la figura 22 para formar un componente compuesto tal como el larguerillo de copa mostrado en la figura 19.
Haciendo referencia a la figura 24, se muestra un diagrama de bloques de una realización del sistema 10 dado a conocer en el presente documento. El sistema 10 puede incluir un conjunto de matrices conformadoras 50 que comprende un conjunto de matrices conformadoras fijo 70 que tiene matrices superior e inferior 72, 74 para pultruir una capa 16 de material fibroso 18 que tiene fibras 20 y resina 24 a través del conjunto de matrices conformadoras 50. El conjunto de matrices conformadoras 50 puede incluir un dispositivo de calefacción 110 para calentar la resina 24 de manera que la capa 16 puede formarse dando lugar a una forma en sección transversal de matriz 56. De manera alternativa, el conjunto de matrices conformadoras 50 puede ser un conjunto de matrices conformadoras móvil 90 que tiene matrices superior e inferior 92, 94 que pueden moverse una con respecto a la otra para formar secciones de una longitud de la capa 16 dando lugar a la forma en sección transversal de matriz 56. La resina 24 puede solidificarse de manera que una preforma 200 conserva la forma en sección transversal de matriz 56. Una pila 240 de preformas 200 puede formarse dando lugar a un conjunto de preforma 242. Una o más preformas 200 y/o uno o más conjuntos de preforma 242 pueden combinarse con material fibroso adicional 214 para infusionarse con material de matriz 222 para formar un artículo compuesto 10 tras el curado del material de matriz 222.
En la figura 24, en las realizaciones descritas anteriormente de formación de la preforma 200, la fracción de volumen de resina 24 es preferiblemente tal que tras la solidificación de la resina 24, la preforma 200 puede mantenerse en la forma
en sección transversal de matriz 56 que puede aproximarse a la forma del artículo compuesto final 250. Mantener la forma de la preforma 200 en la forma aproximada del artículo compuesto final 250 puede facilitar el manejo del material fibroso 18 sin necesidad de herramientas de apoyo (no mostradas) cuando se sitúa la preforma 200 con otro material fibroso 214 (por ejemplo, otras preformas 200 u otro material fibroso) antes de la infusión del material de matriz 222 para formar el artículo compuesto final 250. Tal como se indicó anteriormente, la(s) capa(s) 16 de material fibroso 18 puede(n) contener hasta aproximadamente 10 por ciento en volumen de resina 24. En una realización, la(s) capa(s) 16 de material fibroso 18 puede(n) contener entre aproximadamente 1 a 10 por ciento en volumen de resina 24 aunque pueden usarse fracciones de volumen de resina 24 más grandes o más pequeñas. Por ejemplo, la capa 16 de material fibroso 18 puede incluir entre aproximadamente 2 a 4 por ciento en volumen de resina 24. Al minimizar la fracción de volumen de resina 24, la preforma 200 puede permanecer generalmente porosa para permitir una distribución sustancialmente uniforme de material de matriz 222 a lo largo de una mayoría sustancial de la preforma 200 durante la infusión de material de matriz 222. Adicionalmente, al minimizar la fracción de volumen de resina 24, pueden minimizarse los efectos de la resina 24 en las propiedades de resistencia y rigidez del artículo compuesto curado 250.
Haciendo referencia a las figuras 25 a 26, pueden describirse realizaciones de la divulgación en el contexto de un método 500 de fabricación y servicio de aeronave tal como se muestra en la figura 25 y una aeronave 502 tal como se muestra en la figura 26. Durante la producción previa, el método 500 a modo de ejemplo puede incluir la especificación y el diseño 504 de la aeronave 502 y la adquisición de material 506. Durante la producción, tiene lugar la fabricación de componentes y subconjuntos 508 y la integración de sistemas 510 de la aeronave 502. A continuación, la aeronave 502 puede someterse a certificación y entrega 512 con el fin de ponerse en servicio 514. Al tiempo que se encuentra en servicio por un usuario, la aeronave 502 se programa para mantenimiento y servicio rutinarios 516 (que también puede incluir modificación, reconfiguración, restauración y así sucesivamente).
Cada uno de los procedimientos del método 500 puede realizarse o llevarse a cabo por un integrador de sistemas, un tercero y/o un operario (por ejemplo, un cliente). Con los fines de esta descripción, un integrador de sistema puede incluir, sin limitación, cualquier número de fabricantes de aeronave y subcontratistas de sistema principal; un tercero puede incluir, sin limitación, cualquier número de vendedores, subcontratistas y proveedores; y un operario puede ser una aerolínea, una empresa de alquiler, una entidad militar, una organización de servicios y así sucesivamente.
Tal como se muestra en la figura 26, la aeronave 502 producida por el método 500 a modo de ejemplo puede incluir un fuselaje 518 con una pluralidad de sistemas 520 y un interior 522. Los ejemplos de sistemas de alto nivel 520 incluyen uno o más de un sistema de propulsión 524, un sistema eléctrico 526, un sistema hidráulico 528 y un sistema ambiental 530. Puede incluirse cualquier número de sistemas adicionales. Aunque se muestra un ejemplo en la industria aeroespacial, los principios de la invención pueden aplicarse a otras industrias, tales como la industria de la automoción.
El aparato y los métodos realizados en el presente documento pueden emplearse durante una cualquiera o más de las etapas del método 500 de producción y servicio. Por ejemplo, pueden fabricarse o realizarse componentes o subconjuntos correspondientes al procedimiento de producción 508 de manera similar a componentes o subconjuntos producidos mientras que la aeronave 502 está en servicio. También, puede utilizarse una o más realizaciones del aparato, realizaciones de método o una combinación de las mismas durante las etapas de producción 508 y 510, por ejemplo, acelerando sustancialmente el ensamblaje de o reduciendo el coste de una aeronave 502. De manera similar, puede utilizarse una o más de realizaciones del aparato, realizaciones del método o una combinación de las mismas mientras la aeronave 502 se encuentra en servicio, por ejemplo y sin limitación, para el mantenimiento y servicio 516.
Muchas modificaciones y otras realizaciones de la divulgación serán evidentes para un experto en la técnica a la que pertenece esta divulgación que tiene el beneficio de las enseñanzas presentadas en las descripciones anteriores y los dibujos asociados. Las realizaciones descritas en el presente documento están destinadas a ser ilustrativas y no pretenden ser limitativas o exhaustivas. Aunque se emplean términos específicos en el presente documento, se usan solo de manera genérica y descriptiva y no con fines de limitación.
Claims (10)
1. Método de formación de un artículo compuesto (250), que comprende las etapas de:
proporcionar una capa (16) de material fibroso pegajoso (18)
que contiene fibras estructurales (20) y resina (24), en el que la capa de material fibroso pegajoso contiene aproximadamente de 1 a 10 por ciento en volumen de resina;
pasar la capa a través de un conjunto de matrices conformadoras (50) que tiene una forma en sección transversal de matriz, en el que la forma en sección transversal de matriz varía a lo largo de una longitud del conjunto de matrices conformadoras;
calentar la resina para ablandar al menos parcialmente la resina;
formar la capa dando lugar a la forma en sección transversal de matriz;
permitir que la resina se solidifique de manera tal que se forma una preforma (200) que tiene la forma en sección transversal de matriz, conservando la resina solidificada la forma en sección transversal de matriz de la preforma; situar la preforma con material fibroso adicional (214);
infusionar la preforma con material de matriz (222); y
curar el material de matriz para formar un artículo compuesto.
2. Método según la reivindicación 1, en el que la resina es una resina termoplástica, la etapa de permitir que la resina se solidifique incluye:
permitir que la resina termoplástica se enfríe de manera que la resina termoplástica se solidifique.
3. Método según cualquier reivindicación anterior, en el que el conjunto de matrices conformadoras comprende un conjunto de matrices fijas, la etapa de pasar la capa a través del conjunto de matrices conformadoras comprende: pultruir continuamente la capa a través del conjunto de matrices fijas usando un mecanismo tractor.
4. Método según cualquier reivindicación anterior, en el que el conjunto de matrices conformadoras comprende un conjunto de matrices móviles, la etapa de pasar la capa a través del conjunto de matrices conformadoras comprende: formar de manera secuencial la capa dando lugar a la forma en sección transversal de matriz mediante la sujeción con abrazaderas sucesiva de secciones de la capa entre el conjunto de matrices móviles.
5. Método según cualquier reivindicación anterior, en el que la resina es una resina termoplástica que tiene al menos una de las siguientes características cuando está en presencia de un material de matriz:
soluble al menos parcialmente en el material de matriz;
reactiva con el material de matriz; y
que permanece en una fase que es diferente a la fase del material de matriz durante el curado del material de matriz.
6. Método según cualquier reivindicación anterior, en el que la resina es una resina termoplástica, comprendiendo el método además las etapas de:
apilar menos dos de las preformas dando lugar a una pila de preforma;
calentar la pila de preforma hasta una temperatura que provoca una reducción de la viscosidad de la resina termoplástica; aplicar una fuerza compresiva a la pila de preforma; y
permitir que la resina termoplástica se solidifique para formar un conjunto de preforma solidificado.
7. Sistema para formar un artículo compuesto, comprendiendo el sistema
un conjunto de matrices conformadoras (50) que tiene una forma en sección transversal de matriz, en el que la forma en sección transversal de matriz varía a lo largo de una longitud del conjunto de matrices conformadoras, y que está configurado para recibir una capa (16) de material fibroso pegajoso (18) que contiene fibras estructurales (20) y resina (24), conteniendo la capa de material fibroso aproximadamente de 1 a 10 por ciento en volumen de resina;
un mecanismo tractor (150) configurado para extender la capa a través del conjunto de matrices conformadoras;
un dispositivo de calefacción (110) configurado para calentar la resina de una manera tal que se forma la capa dando lugar a una preforma que conserva la forma en sección transversal de matriz cuando la resina se solidifica, y medios para situar la preforma con material fibroso adicional, para infusionar la preforma con material de matriz y para curar el material de matriz para formar un artículo compuesto.
8. Sistema según la reivindicación 7, en el que:
el mecanismo tractor se configura para extender al menos dos capas del material fibroso que son diferentes entre sí en el conjunto de matrices conformadoras como un ensamblaje de capas.
9. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 7 a 8, que comprende además:
un mecanismo tractor configurado para pultruir la capa a través del conjunto de matrices conformadoras.
10. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 7 a 9, en el que:
el conjunto de matrices conformadoras comprende un conjunto de matrices móviles configurado para sujetar con abrazaderas de manera secuencial secciones sucesivas de la capa.
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