ES2906106T3

ES2906106T3 - Sistema y método de pultrusión que aplica la curvatura longitudinal a las piezas de material compuesto

Info

Publication number: ES2906106T3
Application number: ES18167838T
Authority: ES
Inventors: Andrew Klimovski; Karlgren Ka-Tsun Lai; Benjamin Stanislaw Zielinski
Original assignee: Boeing Co
Current assignee: Boeing Co
Priority date: 2017-04-26
Filing date: 2018-04-17
Publication date: 2022-04-13
Anticipated expiration: 2038-04-17
Also published as: PT3398760T; EP3398760B1; KR20180120080A; KR20220108758A; CN108790220B; CN108790220A; BR102018006038B1; BR102018006038A2; US20180311917A1; KR102428736B1; RU2018104991A3; US11772337B2; EP3398760A1; RU2018104991A; US11065830B2; RU2760375C2; JP2018183985A; JP7160548B2; US20210308965A1

Abstract

Un método que comprende: fabricar una preforma mediante el continuo: calentamiento del material reforzado con fibra (520) hasta una temperatura de punto de adherencia para un material constitutivo dentro del material reforzado con fibra (1204); alimentación del material reforzado con fibra a través de una matriz (550) que presenta un canal con una curvatura longitudinal a través del cual el material reforzado con fibra se desplaza mientras el material reforzado con fibra se calienta hasta la temperatura del punto de adherencia, formando la matriz el material reforzado con fibra en una preforma (250) (1206); variar las longitudes de las trayectorias de las fibras (512) dentro de la preforma a medida que ésta pasa por la matriz (1208) enfriar la preforma por debajo de la temperatura del punto de adherencia mientras el material reforzado con fibras continúa viajando a través de la matriz, conduciendo un fluido presurizado a través de una cámara de enfriamiento de la matriz y sobre la preforma mientras ésta se desplaza dentro de la matriz; y extrayendo la preforma de la matriz (1212).

Description

DESCRIPCIÓN

Sistema y método de pultrusión que aplica la curvatura longitudinal a las piezas de material compuesto

Campo de la invención

La divulgación se refiere al campo de los materiales compuestos y, en particular, a las preformas que mejoran la resistencia de las uniones en los materiales compuestos.

Antecedentes de la invención

Los laminados multicapa de material constitutivo (por ejemplo, polímero reforzado con fibra de carbono (CFRP por sus siglas en inglés)) se pueden formar en cualquiera de una variedad de formas antes de ser curados en una pieza compuesta integral. Por ejemplo, se pueden utilizar matrices y/u otras herramientas de conformación para modificar la forma de una lámina de laminado. Algunos tipos de laminados han sido impregnados con una resina curable, y se denominan laminados "preimpregnados". Otros tipos de laminados incluyen la "fibra seca" que no ha sido impregnada con resina, y la fibra de carbono termoplástica que incluye una resina termoplástica en lugar de una resina termoestable.

Entre las piezas compuestas más populares se encuentran los larguerillos de un avión. Sin embargo, estas piezas de composite pueden presentar curvas/esquinas afiladas con radios estrechos debido a la flexión de las capas planas para formar una estructura tridimensional para el larguerillo. Por ejemplo, un larguerillo de tipo "sombrero" utilizado en un avión puede tener juntas entre los laminados, y estas juntas pueden presentar radios de esquina interior muy cerrados. Un radio de esquina interior ajustado en una junta puede hacer que esa junta presente una resistencia de adhesión inferior a la deseada cuando los laminados se curan conjuntamente. Por lo tanto, es conveniente utilizar un relleno de huecos (coloquialmente denominado "fideo") para ocupar los huecos que quedan cuando los laminados planos se pliegan y se unen a otros laminados plegados o planos. Los rellenos de huecos se pueden fabricar e insertar en las juntas para rellenar los huecos dejados por los pliegues de dichas juntas. Los rellenos de huecos siguen siendo deseables para los larguerillos que presentan una variedad de formas complejas. Este puede ser el caso, en particular, de los laminados que se han colocado de forma plana y luego se han doblado en numerosas formas para formar estructuras con sección transversal en forma de C, I, J, Z, etc. Por ejemplo, una estructura en forma de "I" formada por dos canales en forma de "C" espalda con espalda y laminados planos que cubren los canales en forma de "C" puede incluir múltiples ubicaciones para las que se desean rellenar los huecos.

Por lo tanto, aquellos que diseñan piezas de composite siguen deseando sistemas mejorados que sean capaces de generar rellenos de huecos de manera rentable, capaces de fabricar rellenos de huecos que tengan la resistencia deseada, y que también sean capaces de reducir la incidencia y la gravedad de los rellenos de huecos que están fuera de tolerancia.

El documento FR2504449A1, de acuerdo con su resumen, establece: Los perfiles de materiales termoplásticos reforzados con fibras se fabrican por pultrusión a través de una matriz que tiene una zona fría después de la zona caliente. Especialmente para la fabricación de barras de parachoques de vehículos o perfiles estructurales similares, rectos o curvos. La matriz termoplástica permite que los perfiles complementarios se unan posteriormente mediante soldadura por fusión o por disolvente, por ejemplo, para acoplar perfiles de sobrecarga o de esquina a un perfil curvo continuo, con mayor facilidad que en el caso de los perfiles con matriz termoestable. Algunas partes del perfil pueden ser fácilmente remodeladas posteriormente, por ejemplo, para proporcionar extremos fuertemente curvados en una longitud de perfil suavemente curvado. Las piezas se pueden colorear a granel o posteriormente mediante pintura, galvanoplastia, etc.

El documento EP1547753A1, de acuerdo con su resumen, establece: La invención proporciona un medio para moldear un material preimpregnado con una superficie curvada formada por la impregnación de fibra de carbono o fibra de vidrio con resina termoestable. Una lámina preimpregnada se moldea en forma de L, y un miembro de canal preformado en forma de L se moldea a través de una unidad de prensa caliente y una unidad de prensa fría. La tasa de curado de la realización es del 30 al 60 %. La preforma se moldea en un miembro curvo con un radio de curvatura en un aparato de moldeo secundario, que luego se corta para formar miembros de canal. La tasa de curado de estos es del 60 al 80 %. A continuación, estos miembros de canal utilizados como refuerzos de un miembro de placa se curan por completo en un autoclave para formar el producto moldeado.

Breve descripción de la invención

Las realizaciones descritas en el presente documento proporcionan técnicas y sistemas mejorados que son capaces de pultruir automáticamente rellenos de huecos curvos que presentan un radio de curvatura a lo largo de su longitud que se corresponde con un larguerillo curvo. Específicamente, las realizaciones descritas en el presente documento pueden utilizar matrices de pultrusión curvas con sistemas de refrigeración integrados para imponer permanentemente una geometría deseada en un material. Este proceso automatizado aumenta la precisión y la velocidad con la que se puede producir un relleno de huecos curvos.

Una realización es un método que incluye la fabricación de una preforma mediante el calentamiento continuo del material reforzado con fibra hasta una temperatura de punto de adherencia para un material constitutivo dentro del material reforzado con fibra, y alimentar el material reforzado con fibra a través de una matriz que presenta un canal con una curvatura longitudinal a través de la cual el material reforzado con fibra se desplaza mientras el material reforzado con fibra se calienta hasta la temperatura del punto de adherencia, la matriz formando el material reforzado con fibra en una preforma. La fabricación de la preforma incluye, además, la variación de las longitudes de los caminos de las fibras dentro de la preforma a medida que ésta pasa a través de la matriz, el enfriamiento de la preforma por debajo de la temperatura del punto de adherencia mientras el material reforzado con fibras continúa viajando a través de la matriz, mediante la conducción de fluido presurizado a través de una cámara de enfriamiento de la matriz y sobre la preforma a medida que ésta se desplaza dentro de la matriz; y la extracción de la preforma de la matriz.

Otra realización es un sistema que incluye al menos una bobina para sostener un rollo de material reforzado con fibra que comprende un material constitutivo, y un calentador detrás de la bobina que calienta el material reforzado con fibra hasta una temperatura de punto de adherencia del material constitutivo. El sistema también incluye una matriz de pultrusión, situada después del calentador, que presenta un canal que tiene una curvatura longitudinal que se impone sobre una longitud del material reforzado con fibras, y forma el material reforzado con fibras en una preforma, una cámara de enfriamiento a través de la cual está configurado un fluido presurizado que enfría la preforma, y rodillos que están ubicados aguas abajo de la matriz de pultrusión y forman una sujeción en una forma transversal de la matriz de pultrusión. El sistema comprende además un controlador configurado para gestionar el ajuste de: una cantidad de fuerza de tracción aplicada por los rodillos sobre la preforma, una cantidad de fluido presurizado aplicado para enfriar la preforma, y/o una cantidad de calor aplicado por el calentador, para asegurar que se alcanza un proceso de estado estable en donde el desenrollado, el calentamiento, la alimentación, el enfriamiento y la tracción se realizan simultáneamente sobre la preforma en diferentes lugares a lo largo de la misma.

Otras realizaciones ejemplares (por ejemplo, métodos y medios legibles por ordenador relacionados con las realizaciones anteriores) se pueden describir a continuación. Las características, funciones y ventajas que se han discutido se pueden lograr de forma independiente en varias realizaciones o se pueden combinar en otras realizaciones cuyos detalles adicionales se pueden ver con referencia a la siguiente descripción y dibujos.

Descripción detallada de los dibujos

A continuación, se describen algunas realizaciones de la presente divulgación, sólo a modo de ejemplo, y con referencia a los dibujos adjuntos. El mismo número de referencia representa el mismo elemento o el mismo tipo de elemento en todos los dibujos.

La FIG. 1 ilustra un larguerillo de sombrero en una realización ejemplar.

Las FIGS. 2A-2B ilustran otras vistas de un larguerillo de sombrero en una realización ejemplar.

Las FIGS. 3-4 ilustran una preforma para un relleno de hueco curvo en una realización ejemplar.

Las FIGS. 5A-5B son diagramas que ilustran un sistema de pultrusión para fabricar preformas para rellenar huecos curvos en una realización ejemplar.

Las FIGS. 6-8 ilustran varias disposiciones de rodillos para un sistema de pultrusión en una realización ejemplar. Las

FIGS. 9-11 ilustran otras disposiciones de rodillos para un sistema de pultrusión en una realización ejemplar.

La FIG. 12 es un diagrama de flujo que ilustra un método para operar un sistema de pultrusión en una realización ejemplar.

La FIG. 13 es un diagrama de bloques de un sistema de pultrusión en una realización ejemplar.

La FIG. 14 es un diagrama de flujo de la metodología de producción y servicio de aeronaves en una realización ejemplar.

La FIG. 15 es un diagrama de bloques de una aeronave en una realización ejemplar.

Descripción detallada de la invención

Las figuras y la siguiente descripción ilustran realizaciones ejemplares específicas de la divulgación. Por lo tanto, se apreciará que los expertos en la materia podrán idear diversas disposiciones que, aunque no se describan o muestren explícitamente en el presente documento, incorporan los principios de la divulgación y se incluyen dentro del ámbito de esta. Además, todos los ejemplos descritos en el presente documento tienen por objeto ayudar a comprender los principios de la divulgación, y se deben interpretar sin limitación a los ejemplos y condiciones específicamente citados.

La FIG. 1 es una vista en perspectiva de una pieza de material compuesto curvada 100 en una realización ejemplar. En esta realización, la pieza de material compuesto 100 comprende un larguerillo de "sombrero" para una aeronave que tiene una base de laminado multicapa 110, y un "sombrero" de laminado multicapa 120. En esta realización, cada laminado comprende múltiples capas de material constitutivo, como la fibra de carbono en forma de "fibra seca" (es decir, sin resina impregnada) que puede ser estabilizada por un agente aglutinante (por ejemplo, un agente adhesivo tackifier). Después de ser colocado y conformado a una forma deseada (por ejemplo, a través de la consolidación de una preforma), la base 110 y el sombrero 120 son curados conjuntamente (por ejemplo, a través de la aplicación de calor en un vacío) con el fin de formar una parte compuesta integral (por ejemplo, un larguerillo de fibra de carbono curado que muestra la resistencia deseada).

Profundizando en la geometría de la pieza de material compuesto 100, las FIGS. 2A-2B proporcionan vistas finales de la pieza de material compuesto 100 correspondientes a las flechas de la vista 2 de la FIG. 1. La FIG. 2A es una vista final explosionada, mientras que la FIG. 2B es una vista final estándar. Como se muestra en la FIG. 2B, el sombrero 120 y la base 110 se unen en la junta 220. Sin una preforma 250 para el relleno de huecos, la unión 220 mostraría un radio de curvatura muy ajustado. Por lo tanto, la preforma 250 es deseada para formar la unión 220 sin vacíos. Por lo tanto, la parte 100 incluye la preforma 250 colocada dentro del volumen 210 en la junta 220. La preforma 250 también se puede denominar preforma de "fideo" o "espaciador". La preforma 250 rellena los huecos en la junta 220, aumentando así la resistencia de la junta 220 y evitando la desunión entre la base 110 y el sombrero 120. También se ilustra una envoltura laminar 230 para asegurar aún más la preforma 250 dentro de la pieza compuesta 100. Los diversos componentes mostrados para la pieza de material compuesto 100 se pueden curar de forma conjunta para unificarlos en una única pieza de material compuesto integral 100.

La FIG. 3 es una vista frontal ampliada de una preforma 250 para un relleno de huecos. Específicamente, la FIG. 3 corresponde con las flechas de vista 3 de la FIG. 2B. Como se muestra en la FIG. 3, la preforma 250 presenta una anchura W y un grosor T. Estas propiedades pueden variar a lo largo de la longitud de la preforma 250, y la anchura puede incluso variar dentro de la preforma 250. En esta realización, la preforma 250 incluye fibras 330 (por ejemplo, fibras de carbono) integradas con (o dentro de) un aglutinante 340. El aglutinante 340 puede comprender un velo termoplástico, una resina termoestable o incluso una combinación de estos. Mientras tanto, las fibras de carbono pueden ser continuas y rectas, o incluso pueden estar tejidas, trenzadas, o comprender fibra picada en orientaciones aleatorias. Obsérvese que, en algunas realizaciones, la preforma 250 puede estar hecha de una o más capas/pliegues de material. Las capas individuales no se ilustran en la FIG. 4 como referencia, ya que se muestra una sola capa.

La FIG. 4 es una vista superior de la preforma 250 de la FIG. 3. La FIG. 4 ilustra que la preforma 250 está curvada a lo largo de su longitud (L). La FIG. 4 ilustra además que las fibras 330 dentro de la preforma 250 están orientadas de manera que se extienden a lo largo de la longitud de la preforma 250 a medida que la preforma 250 se curva. Aunque la preforma 250 se muestra como aproximadamente diez veces más larga que su anchura en la FIG. 4, se debe entender que la preforma 250 puede ser particularmente larga (por ejemplo, del orden de decenas de metros) y particularmente estrecha (por ejemplo, variando en anchura, pero con una media de unos pocos centímetros), y puede resultar de un proceso de fabricación continuo. En las realizaciones en las que se utilizan fibras largas y continuas para formar la preforma 250, las preformas 250 se pueden empalmar para aumentar su longitud.

Con las propiedades de la preforma 250 descritas anteriormente, las FIGS. 5-11 ilustran sistemas que fabrican automáticamente preformas curvas. La FIG. 5A es un diagrama que ilustra un sistema de pultrusión 500 para fabricar preformas para rellenar huecos curvos en una realización ejemplar. El sistema de pultrusión 500 es capaz de pultruir una cinta 520 de material con el fin de hacer cumplir permanentemente una curvatura deseada en la cinta 520. La cinta 520 se calienta por encima de una temperatura de punto de adherencia durante la pultrusión y, a continuación, se enfría después de que se haya aplicado la curvatura para cambiar permanentemente la forma en una preforma. Es decir, la temperatura de transición activa las propiedades de unión de un material constituyente (por ejemplo, un adhesivo) de la cinta 520. La preforma se puede colocar dentro de un laminado sin que se arrugue o se amontone dentro del laminado. De este modo, la resistencia de una pieza compuesta resultante curada a partir del laminado será mayor.

El sistema de pultrusión 500 funciona para desenrollar un rollo de cinta 520 (que comprende, por ejemplo, un material reforzado con fibra de carbono) de la bobina 510 (en la ubicación L1), calentar la cinta 520 por encima de una temperatura de punto de adherencia para un material (por ejemplo, un aglutinante termoplástico o un aglutinante termoestable) dentro de la cinta 520 (en la ubicación L2), y alimentar la cinta 520 a través de una matriz 550 (en la ubicación L3) que tiene un canal que impone una curvatura a la cinta 520. El sistema de pultrusión 500 enfría aún más la cinta 520 a medida que la cinta 520 se desplaza a través de la matriz 550 (en la ubicación L4), y saca la cinta 520 de la matriz 550 (en la ubicación L5). El resultado es una preforma 250 curvada y pultrusionada que sale del sistema de pultrusión 500.

En esta realización, el sistema de pultrusión 500 incluye la bobina 510, que almacena la cinta enrollada 520 para dar forma a una preforma 250 para un relleno de huecos curvos. La bobina 510 también se puede denominar "proveedor de fideos", ya que suministra material para formar un "fideo". La cinta 520 puede comprender cualquier material adecuado capaz de someterse a una deformación plástica antes de curarse en una pieza compuesta. En esta realización, una longitud de la cinta 520 comprende fibras de carbono (por ejemplo, 512, 514) que se extienden longitudinalmente dentro de la cinta, además de un aglutinante termoplástico (por ejemplo, el aglutinante 340 de la FIG. 3), un velo termoplástico, etc.

La cinta 520 se desenrolla de la bobina 510 y pasa por los calentadores 530, que aplican calor (A) a la cinta 520 que hace que el velo termoplástico (o una resina termoestable) alcance o supere una temperatura de punto de adherencia y/o una temperatura de transición vitrea (por ejemplo, 80-160° Celsius (C) para las resinas termoestable, o 140-240° C para los velos termoplásticos). El calentamiento asegura que la cinta 520 sea capaz de ser reformada por la matriz 550 sin fracturarse o romperse. Los calentadores 530 pueden comprender cualquier componente de calentamiento adecuado, como calentadores radiantes que utilizan un elemento de calentamiento radiante infrarrojo. En otras realizaciones, múltiples capas (por ejemplo, múltiples bobinas de cinta de múltiples bobinas 510) se desenrollan, se unen con tachuelas y se calientan con el fin de preparar el lote de capas para la pultrusión en una sola preforma 250.

Después de que la cinta 520 pase por los calentadores 530, la cinta 520 se introduce en la entrada 552 de la matriz 550, que incluye una curva 554 que facilita la entrada de la cinta 520 en la matriz 550. La matriz 550 incluye un canal curvado 556 a través del cual se extrae la cinta 520. El canal 556 presenta una curvatura que se aplica a la cinta 520 en el momento en que la cinta 520 sale de la matriz 550. En esta realización, la matriz 550 está formada por la pieza 560, que define un radio interior 562, y la pieza 570, que define un radio exterior 572. La pieza 560 forma la mitad inferior del canal 556, y la pieza 570 forma la mitad superior del canal 556. La entrada 552 de la matriz 550 puede presentar una geometría de entrada circular en algunas realizaciones. En tales realizaciones, el canal 556 puede hacer una transición a lo largo de su longitud, barriendo desde una sección transversal de red grande a una sección transversal de red más pequeña, o el canal 556 se puede formar barriendo una sección transversal de red a lo largo de un radio deseado.

A medida que la cinta 520 es alimentada a través de la matriz 550, la cinta 520 es forzada en una forma de sección transversal (557, mostrada en la FIG. 5B) definida por la matriz 550 (por ejemplo, a cientos de libras de presión). La cinta 520 se curva más activamente en una forma deseada por el canal 556. Debido a que una curvatura será forzada sobre la cinta 520, las fibras 512 y 514 dentro de la cinta 520 se deslizarán una con respecto a la otra dentro de la matriz 550. Es decir, la fibra 512 en un radio exterior 572 utilizará más longitud de fibra que la fibra 514 que está en un radio interior 562. Este deslizamiento se produce entre las fibras de la cinta 520. En las realizaciones en las que múltiples capas de cinta 520 se pultruyen juntas para formar una única preforma 250, las capas individuales de cinta se pueden deslizar unas respecto a otras cuando se pultruyen, haciendo que las fibras de las capas exteriores formen un radio de mayor longitud que el radio interior, similar a los carriles exteriores de una pista de atletismo en comparación con los carriles interiores. El deslizamiento puede existir incluso cuando el radio medio de curvatura es grande (por ejemplo, de 1,27m a 2,54m (de cincuenta a cien pulgadas)) y la diferencia entre los radios interior y exterior es pequeña (por ejemplo, 6,35mm (un cuarto de pulgada)). Por lo tanto, al alimentar la cinta 520 a través del canal 556 de la matriz 550, el sistema de pultrusión 500 obliga a variar las longitudes de las trayectorias entre las fibras dentro de la cinta 520. Al forzar el deslizamiento entre las fibras respecto a las demás mientras las fibras están siendo moldeadas activamente por pultrusión a través de la matriz 550, el sistema de pultrusión 500 evita la formación de arrugas en la preforma resultante 250. La matriz 550 puede estar construida, por ejemplo, de metal o de un plástico resistente.

Cada pieza de la matriz 550 también incluye una cámara de refrigeración 564 a través de la cual puede viajar el fluido presurizado 566 (por ejemplo, aire comprimido gaseoso, agua líquida o un refrigerante). El fluido presurizado 566 se enfría por debajo de la temperatura deseada (por ejemplo, a temperatura ambiente o inferior), y el fluido presurizado 566 es soplado a través de los conductos 568 sobre la cinta 520 mientras la cinta 520 se desplaza dentro de la matriz 550. En algunas realizaciones, se utilizan líquidos y refrigerantes químicos para enfriar la cinta 520 por conducción a través de un evaporador o circuito de refrigeración convencional. En estas realizaciones, la matriz 550 puede estar dimensionada de manera que estos líquidos no entren en contacto directo con la cinta 520 durante el enfriamiento.

De esta manera, la cinta 520 (y/o la matriz 550) se enfría rápidamente por debajo de la temperatura del punto de adherencia a través de la transferencia de calor por convección forzada con el fluido presurizado 566, mientras viaja a través de la matriz 550. Esto hace que la cinta 520 se solidifique al salir de la matriz 550. En esta realización, el fluido presurizado 566 se suministra a las cámaras 564 desde los suministros 540 a través de los puertos 542. Además, las cámaras 564 se encuentran después de la entrada 552. La FIG. 5B ilustra una sección transversal de la matriz 550 ilustrando además los puertos 542, las cámaras 564, el canal 556 y la forma de la sección transversal 557. La FIG. 5B se corresponde con las flechas de vista 5B de la FIG. 5A.

En otra realización, cada pieza de la matriz 550 está montada de forma removible en su lugar (por ejemplo, mediante tornillos, abrazaderas, etc.). De esta manera, las piezas de la matriz 550 pueden ser retiradas y sustituidas por piezas que tengan diferentes radios de curvatura. A continuación, se puede reanudar el procesamiento (por ejemplo, para la misma bobina 510 de cinta 520) para aplicar la nueva curvatura a una sección diferente de la cinta 520.

La cinta 520 se extrae de la salida 558 de la matriz 550 a través de los rodillos de la región 10. En esta realización, los rodillos incluyen el rodillo 590 y el rodillo 580. El rodillo 590 gira en la dirección 592, y el rodillo 580 gira en la dirección 582. El rodillo 590 y el rodillo 580 pueden ser denominados conjuntamente como un "dispositivo de tensión de fideos". Una sujeción 584 entre el rodillo 590 y el rodillo 580 proporciona una acción de agarre y tracción a la cinta 520. Los rodillos aplican una fuerza de tracción (por ejemplo, 45,36 kg (cien libras) de fuerza) para sacar la cinta 520 (que ahora se ha convertido en la preforma 250) de la matriz 550. Esta fuerza también aplica tensión a la cinta 520, asegurando que la cinta 520 permanezca enseñada. En otras realizaciones, el rodillo 580, el rodillo 590, y/o la bobina 510 pueden incluir un embrague y/o un freno para facilitar el control de la tensión.

Las longitudes de la preforma 250 pueden ser almacenadas para su posterior aplicación a un laminado que será curado en una pieza compuesta. A lo largo del proceso, el controlador 596 puede regular el desenrollado, la alimentación y la tracción de la cinta 520 impidiendo que la tensión de la cinta 520 exceda un valor objetivo o salga de un rango objetivo.

El controlador 596 puede gestionar las diversas operaciones de los componentes del sistema de pultrusión 500 descritos anteriormente. Por ejemplo, el controlador 596 puede ajustar una cantidad de fuerza de tracción aplicada por los rodillos 580 y 590, una cantidad de fluido presurizado aplicado a través de los conductos 568 que acoplan las cámaras de refrigeración 564 al canal 556, o una cantidad de calor aplicada por los calentadores 530 a fin de garantizar que se alcance un proceso de estado estable en el que el desenrollado, el calentamiento, la alimentación, el enfriamiento y la tracción se realicen simultáneamente en la cinta en diferentes lugares a lo largo de la misma. El controlador 596 se puede implementar, por ejemplo, como un circuito personalizado, como un procesador de hardware que ejecuta instrucciones programadas, o alguna combinación de estos. Un sensor 598 también se muestra en la FIG. 5A, y puede ser utilizado por el controlador 596 para determinar/monitorear la velocidad de pultrusión de la cinta 520. El controlador 596 puede, por lo tanto, participar en un control de retroalimentación activo regulando la fuerza de tracción del rodillo 580 y del rodillo 590 basándose en la entrada del sensor 598. El sensor 598 puede comprender una cámara, un láser, un sensor de cinta rodante, etc. El sensor 512 en la bobina 510 detecta la cantidad de torsión que debe aplicarse para mantener la cinta 520 en un nivel de tensión deseado. El sensor 513 también puede ser utilizado por el controlador 596 para proporcionar un control de retroalimentación de los rodillos 580 y 590 para mantener la velocidad de alimentación deseada. El rodillo 510 proporciona tensión en la cinta 520 para asegurar el contacto íntimo entre las fibras durante el proceso de formación. Los rodillos 590 y 580 se controlan para mantener la velocidad de alimentación del material a través del sistema.

En otra realización, el rodillo 580 y/o el rodillo 590 incluyen sensores que miden la resistencia de la cinta 520 a ser estirada. Esta medida es indicativa de un nivel de tensión en la cinta 520. Por lo tanto, el controlador 596 puede utilizar la información del rodillo 580 y/o del rodillo 590 para ajustar una cantidad de fuerza aplicada por estos rodillos a la cinta 520. Esto se puede realizar para asegurar que la tensión en la cinta 520 se mantenga entre un nivel mínimo y máximo de tensión.

Las FIGS. 6-10 ilustran varias disposiciones de rodillos para el sistema de pultrusión 500 que forma la sujeción 584 en una realización ejemplar. Las FIGS. 6-9 ilustran estos rodillos desde una vista transversal indicada por las flechas de vista 6 de la FIG. 5A. La FIG. 10 ilustra un rodillo desde una vista lateral de la región 10 de la FIG. 5. La FIG. 6 ilustra un par de rodillos 602 y 604 que tiran de una preforma 250 que tiene una sección transversal triangular 620. En esta realización, el rodillo 604 incluye una ranura 610 que se corresponde con dos de los lados (682, 684) de la sujeción 584 para manipular la preforma 250. Mientras tanto, el rodillo 602 se corresponde con un tercer lado de la sujeción para manipular la preforma 250. Los rodillos 602 y 604 se pueden mantener contra o en relación con un nivel deseado de fuerza (por ejemplo, 22,68 kg (cincuenta libras) de fuerza) para asegurar que están en contacto con la preforma 250, o pueden ser montados para asegurar un nivel deseado de fricción (y por lo tanto la fuerza de tracción) se aplica a la preforma 250 como los rodillos 602 y 604 giran. La FIG. 7 ilustra una realización similar a la de la FIG. 6, en la que un rodillo 704 con una ranura 710 trabaja en conjunto con otro rodillo 702. Sin embargo, en la FIG. 7 el rodillo 702 incluye una superficie curvada 712 para conformar el borde de la sujeción con una preforma 250 que tiene una sección transversal curvada (por ejemplo, en circunstancias en donde la matriz 550 impone una forma curvada en uno o más lados de la cinta 520, necesitando una sujeción con un borde curvado). La FIG. 8 ilustra otra realización en la que tres rodillos separados 800, 810 y 820 se mantienen en contacto con un lado diferente de la preforma 250. En otras realizaciones, se puede utilizar cualquier número adecuado de rodillos (por ejemplo, tres) (por ejemplo, para formar una sujeción en contacto con cualquier número adecuado de lados de la preforma 250). En algunas realizaciones, la sujeción 584 es ligeramente más pequeña que la sección transversal de la preforma 250, lo que facilita el agarre/fricción al tirar de la preforma 250 hacia delante.

Las FIGS. 9-10 ilustran otra realización en donde los rodillos 902 y 900 exhiben diferentes tamaños (la FIG. 10 corresponde con la región 10 de la FIG. 5A). En tales realizaciones, la velocidad de rotación y/o el par de torsión aplicado por los rodillos se pueden ajustar para garantizar que la cinta 520 se desplace entre los rodillos sin demora y sin romperse. Las velocidades de rotación de los rodillos en la sujeción y la resistencia al par de la bobina se pueden analizar para controlar las velocidades de tracción a lo largo del proceso sin romper la preforma 250. En esta realización, el rodillo 900 es un gran tambor que tiene una ranura 910 con un radio interior 1000 correspondiente al radio interior 562 de la matriz 550, y un radio exterior 1010 correspondiente al radio exterior 572 de la matriz 550. Al utilizar esta combinación de rodillos, la preforma 250 no está sometida a las tensiones o deformaciones que podrían resultar de otra manera al tirar de la preforma 250 "en línea recta" (es decir, en dirección perpendicular a) la salida de la matriz 550. De este modo, se evita que la preforma 250 se retuerza al salir de la matriz 550. Es decir, la combinación de rodillos ayuda a evitar que se aplique una mayor curvatura (o una curvatura no deseada) a la preforma 250 después de salir de la matriz 550. La salida de la matriz 550 puede tener un área de sección transversal menor que la entrada de la matriz 550. Esto puede corresponder a la disminución del área de la sección transversal de la cinta 520 a medida que la cinta 520 es arrastrada a través de la matriz 550.

La FIG. 11 ilustra otra realización que utiliza un rodillo 1100 que tiene una ranura helicoidal 1110 en una realización ejemplar. El rodillo 1100 interactúa con el rodillo 1102 para tirar de la preforma 250. La ranura helicoidal 1110 incluye rebordes 1120. En esta realización, la ranura helicoidal 1110 continúa a lo largo de una circunferencia del rodillo 1100 mientras el rodillo 1100 gira a lo largo de un eje de rotación (AOR por sus siglas en inglés) con el fin de envolver la preforma 250 varias veces a lo largo del rodillo 1100 para su almacenamiento. Por lo tanto, la ranura 1110 se enrolla alrededor del rodillo 1100 como un resorte helicoidal. El rodillo 1100 se desplaza a lo largo del AOR durante la rotación, como indica la flecha 1130, haciendo que la preforma 250 (formada por la cinta 520) se enrolle en la ranura helicoidal 1110. De esta manera, la preforma 250 se puede envolver alrededor de la circunferencia del rodillo 1100 varias veces (por ejemplo, como una bobina). Esto aumenta la cantidad de preforma 250 que puede ser almacenada en el rodillo 1100.

Detalles ilustrativos de la operación del sistema de pultrusión 500 serán discutidos con respecto a la FIG. 12. Supongamos, para esta realización, que un operador ha cargado una bobina 510 de cinta 520, y ha introducido una punta angulada (por ejemplo, cortada) de la cinta 520 a través de la matriz 550 y en los rodillos 580 y 590. Por lo tanto, puede existir una sección guía de la preforma 250 que todavía no tiene la sección transversal o la curvatura deseada. Esta sección guía puede ser arrastrada a través del sistema de pultrusión 500 y luego retirada. Por lo tanto, la sección de guía se utiliza para preparar el proceso de creación de la preforma, y no formará parte de la preforma 250 una vez colocada en una pieza compuesta. El sistema de pultrusión 500 es capaz de extraer cinta adicional 520 a través de la matriz 550 mediante el funcionamiento de los rodillos 580 y 590.

La FIG. 12 es un diagrama de flujo que ilustra un método 1200 para operar un sistema de pultrusión en una realización ejemplar. Los pasos del método 1200 se describen con referencia al sistema de pultrusión 500 de la FIG. 1, pero los expertos en la materia apreciarán que el método 1200 se puede realizar en otros sistemas. Los pasos de los diagramas de flujo aquí descritos no son exhaustivos y pueden incluir otros pasos no mostrados. Los pasos descritos en el presente documento también se pueden realizar en un orden alternativo.

El controlador 596 dirige la operación de los rodillos impulsados 580 y 590 para iniciar la rotación, que aplica la fricción a la preforma 250, haciendo que la preforma 250 (y por lo tanto la cinta 520) avance, que se arrastra de forma ascendente a descendente. Esto resulta en el desenrollado de la cinta 520 de la bobina 510 (paso 1202). Durante este proceso, el controlador 596 puede utilizar activamente la entrada de los sensores (por ejemplo, el sensor 598) para regular una cantidad de fuerza aplicada por el rodillo 580 y el rodillo 590, con el fin de asegurar que la tensión se mantiene en un nivel deseado a través de la sujeción 584. Por lo tanto, la sujeción 584 puede estar dimensionado para ser más pequeño que la sección transversal de la preforma 250 a fin de proporcionar una fuerza de sujeción suficiente. La geometría del material de la preforma 250 ya ha sido fijada por el proceso de calentamiento, formación y enfriamiento. De este modo, cuando la preforma 250 se comprime en la sujeción 584, la forma de la preforma 250 se recuperará completamente una vez que la preforma 250 salga de la sujeción 584.

Después de desenrollarse de la bobina 510, la cinta 520 se tira a través de los calentadores 530, que aplican calor (A de la FIG. 5A) que eleva la cinta 520 por encima de una temperatura de punto de adherencia para el aglutinante termoplástico 340 (paso 1204). El proceso de calentamiento ocurre dentro de una sección de la cinta 520 en L2 mientras la cinta 520 continúa siendo desenrollada en LI.

Los rodillos 580 y 590 continúan operando, haciendo que la cinta 520 sea alimentada a través de la matriz 550 mientras la cinta 520 se calienta hasta (es decir, a o por encima de) la temperatura del punto de adherencia (paso 1206). La matriz 550 forma la cinta 520 en la preforma 250. La matriz 550 puede presentar un área de sección transversal sustancialmente diferente a la cinta 520 antes de entrar en la matriz 550. Por ejemplo, la matriz 550 puede presentar una décima parte de la anchura de la cinta 520 almacenada en la bobina 510. Esto significa que se aplica una gran presión de compresión a la cinta 520 (por ejemplo, cien libras por pulgada cuadrada (6,89kPa) o más) cuando la cinta 520 entra en la matriz 550 y forma la preforma 250. La matriz 550 presenta una curvatura (por ejemplo, radio 562 y radio 572) a través de la cual se desplaza la preforma 250. Esta curvatura se aplica a la preforma 250, y hace que las fibras 512 y 514, y/o las capas se deslicen entre sí mientras la cinta 520 permanece maleable. De este modo, las longitudes de las trayectorias de las fibras dentro de la preforma 250 varían a medida que la preforma 250 pasa por la matriz 550 (paso 1208). A medida que la preforma 250 continúa viajando a través de la matriz 550, la preforma 250 se enfría por debajo de la temperatura del punto de adherencia (paso 1210) mediante la aplicación de fluido presurizado 566 a los conductos 568 (u otros medios discutidos anteriormente). Esto solidifica el aglutinante termoplástico 340 dentro de la preforma 250, lo que endurece la preforma 250.

Los rodillos 580 y 590 continúan operando para sacar la preforma 250 de la matriz 550 después de que la preforma 250 se haya enfriado por debajo de la temperatura del punto de adherencia (paso 1212). La preforma 250 extraída de la matriz 550 puede entonces almacenarse en un tambor para su posterior aplicación a un laminado que será curado en una pieza compuesta.

El método 1200 proporciona un beneficio sustancial sobre las técnicas anteriores para la formación de preformas, porque el método 1200 permite que las preformas 250 que están curvadas a lo largo de su longitud se formen mediante procesos de pultrusión. Esta técnica evita la formación de arrugas cuando una preforma 250 se aplica a un laminado a la espera de su curado. Además, esta técnica permite la fabricación automatizada de preformas de forma rápida y económica.

Ejemplos

En los siguientes ejemplos, se describen procesos, sistemas y métodos adicionales en el contexto de un sistema de pultrusión que utiliza una matriz curva.

La FIG. 13 es un diagrama de bloques de un sistema de pultrusión 1300 en una realización ejemplar. El sistema de pultrusión 1300 calienta, da forma y enfría la cinta 1320 para que se ajuste a la curvatura deseada. En esta realización, el sistema de pultrusión 1300 incluye la bobina 1310, alrededor del cual se enrolla la cinta 1320. La cinta 1320 incluye un aglutinante termoplástico o termoestable 1324, así como fibras de carbono 1322 que refuerzan la resistencia de la cinta 1320. En este ejemplo, los calentadores 1330 aplican calor radiante que aumenta la temperatura de la cinta 1320 hasta que la cinta 1320 es flexible. La cinta 1320 entra en la matriz 1340, que incluye piezas 1342. Cada pieza 1342 define un radio de curvatura interior o exterior. En esta realización, cada pieza 1342 comprende además una cámara 1344 y múltiples conductos 1346. El aire presurizado del suministro 1352 entra en la cámara 1344 a través del puerto 1350 para enfriar la cinta 1320, haciendo que la cinta 1320 se solidifique mientras muestra la curvatura deseada. Los rodillos 1360 sacan la cinta 1320, que se ha enfriado hasta endurecerse en la preforma 1370, de la matriz 1340 para utilizarla en la colocación de una pieza compuesta.

Refiriéndose más particularmente a los dibujos, las realizaciones de la divulgación pueden ser descritas en el contexto de un método de fabricación y servicio de aeronaves 1400 como se muestra en la FIG. 14 y una aeronave 1402 como se muestra en la FIG. 15. Durante la preproducción, el método ejemplar 1400 puede incluir la especificación y el diseño 1404 de la aeronave 1402 y la adquisición de materiales 1406. Durante la producción, tiene lugar la fabricación de componentes y subconjuntos 1408 y la integración de sistemas 1410 de la aeronave 1402. Posteriormente, la aeronave 1402 puede pasar por la certificación y la entrega 1412 para ser puesta en servicio 1414. Mientras está en servicio por parte de un cliente, la aeronave 1402 está programada para el mantenimiento y servicio de rutina 1416 (que también puede incluir la modificación, la reconfiguración, el reacondicionamiento, etc.). Los aparatos y métodos aquí incorporados pueden emplearse durante una o más etapas adecuadas del método de producción y servicio 1400 (por ejemplo, especificación y diseño 1404, adquisición de materiales 1406, fabricación de componentes y subconjuntos 1408, integración del sistema 1410, certificación y entrega 1412, servicio 1414, mantenimiento y servicio 1416) y/o cualquier componente adecuado de la aeronave 1402 (por ejemplo, fuselaje 1418, sistemas 1420, interior 1422, propulsión 1424, eléctrico 1426, hidráulico 1428, ambiental 1430).

Cada uno de los procesos del método 1400 puede ser realizado o llevado a cabo por un integrador de sistemas, un tercero y/o un operador (por ejemplo, un cliente). A efectos de esta descripción, un integrador de sistemas puede incluir, sin limitación, cualquier número de fabricantes de aeronaves y subcontratistas de sistemas principales; un tercero puede incluir, sin limitarse a ello, cualquier número de vendedores, subcontratistas y proveedores; y un operador puede ser una compañía aérea, una empresa de arrendamiento, una entidad militar, una organización de servicios, etc.

Como se muestra en la FIG. 15, la aeronave 1402 producida por el método ejemplar 1400 puede incluir un fuselaje 1418 con una pluralidad de sistemas 1420 y un interior 1422. Ejemplos de sistemas de alto nivel 1420 incluyen uno o más de un sistema de propulsión 1424, un sistema eléctrico 1426, un sistema hidráulico 1428, y un sistema ambiental 1430. Se puede incluir cualquier otro sistema. Aunque se muestra un ejemplo aeroespacial, los principios de la invención se pueden aplicar a otras industrias, como la del automóvil.

Como ya se ha mencionado anteriormente, los aparatos y métodos incorporados en el presente documento se pueden emplear durante una o más de las etapas del método de producción y servicio 1400. Por ejemplo, los componentes o subconjuntos correspondientes a la etapa de producción 1408 se pueden fabricar de manera similar a los componentes o subconjuntos producidos mientras la aeronave 1402 está en servicio. Además, una o más realizaciones de aparatos, realizaciones de métodos o una combinación de estas se pueden utilizar durante las etapas de producción 1408 y 1410, por ejemplo, acelerando sustancialmente el montaje o reduciendo el coste de una aeronave 1402. Del mismo modo, una o más de las realizaciones del aparato, las realizaciones del método o una combinación de estas se pueden utilizar mientras la aeronave 1402 está en servicio, por ejemplo y sin limitación, para el mantenimiento y el servicio 1416. Por ejemplo, las técnicas y sistemas descritos en el presente documento se pueden utilizar para los pasos 1406, 1408, 1410, 1414, y/o 1416, y/o se pueden utilizar para el fuselaje 1418 y/o el interior 1422. Estas técnicas y sistemas se pueden utilizar incluso para los sistemas 1420, incluyendo, por ejemplo, la propulsión 1424, la electricidad 1426, la hidráulica 1428, y/o el medio ambiente 1430.

En una realización, la preforma 250 comprende una parte de un larguerillo en el fuselaje 1418, y se fabrica durante la fabricación de componentes y subconjuntos 1408. El larguero puede entonces ser ensamblado en una aeronave en la integración del sistema 1410, y luego ser utilizado en servicio 1414 hasta que el desgaste haga que el larguerillo sea inutilizable. Luego, en el mantenimiento y servicio 1416, el larguerillo puede ser desechado y reemplazado con un larguerillo recién fabricado, o puede ser reparado. Las nuevas preformas 250 se pueden utilizar en la fabricación de componentes y subconjuntos 1408 para facilitar la fabricación del larguerillo nuevo.

Cualquiera de los diversos elementos de control (por ejemplo, componentes eléctricos o electrónicos) mostrados en las figuras o descritos en el presente documento puede implementarse como hardware, un procesador que implemente software, un procesador que implemente firmware, o alguna combinación de estos. Por ejemplo, un elemento puede ser implementado como hardware dedicado. Los elementos de hardware dedicados se pueden denominar "procesadores", "controladores" o alguna terminología similar. Cuando son proporcionadas por un procesador, las funciones pueden ser proporcionadas por un único procesador dedicado, por un único procesador compartido o por una pluralidad de procesadores individuales, algunos de los cuales pueden ser compartidos. Además, el uso explícito del término "procesador" o "controlador" no se debe interpretar como una referencia exclusiva al hardware capaz de ejecutar software, y puede incluir implícitamente, sin limitación, el hardware del procesador de señales digitales (DSP por sus siglas en inglés), un procesador de red, un circuito integrado de aplicación específica (ASIC por sus siglas en inglés) u otros circuitos, una matriz de puertas programables en campo (FPGA por sus siglas en inglés), una memoria de sólo lectura (ROM por sus siglas en inglés) para almacenar software, una memoria de acceso aleatorio (RAM por sus siglas en inglés), un almacenamiento no volátil, una lógica o algún otro componente o módulo de hardware físico.

Además, un elemento de control se puede implementar como instrucciones ejecutables por un procesador o un ordenador para realizar las funciones del elemento. Algunos ejemplos de instrucciones son el software, el código de programa y el firmware. Las instrucciones son operativas cuando son ejecutadas por el procesador para dirigirlo a realizar las funciones del elemento. Las instrucciones se pueden almacenar en dispositivos de almacenamiento legibles por el procesador. Algunos ejemplos de dispositivos de almacenamiento son las memorias digitales o de estado sólido, los medios de almacenamiento magnético, como los discos magnéticos y las cintas magnéticas, los discos duros o los medios de almacenamiento de datos digitales de lectura óptica.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un método que comprende:

fabricar una preforma mediante el continuo:

calentamiento del material reforzado con fibra (520) hasta una temperatura de punto de adherencia para un material constitutivo dentro del material reforzado con fibra (1204);

alimentación del material reforzado con fibra a través de una matriz (550) que presenta un canal con una curvatura longitudinal a través del cual el material reforzado con fibra se desplaza mientras el material reforzado con fibra se calienta hasta la temperatura del punto de adherencia, formando la matriz el material reforzado con fibra en una preforma (250) (1206);

variar las longitudes de las trayectorias de las fibras (512) dentro de la preforma a medida que ésta pasa por la matriz (1208)

enfriar la preforma por debajo de la temperatura del punto de adherencia mientras el material reforzado con fibras continúa viajando a través de la matriz, conduciendo un fluido presurizado a través de una cámara de enfriamiento de la matriz y sobre la preforma mientras ésta se desplaza dentro de la matriz; y

extrayendo la preforma de la matriz (1212).

2. El método de acuerdo con la reivindicación 1, en donde:

la alimentación del material reforzado con fibras a través de la matriz hace que se produzca un deslizamiento entre las fibras dentro del material reforzado con fibras que refuerzan el material reforzado con fibras.

3. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde:

tirar de la preforma comprende tensar continuamente la preforma mediante el funcionamiento de rodillos accionados (580, 590) que sujetan la preforma y la sacan de la matriz, haciendo que se aplique tensión a lo largo del material reforzado con fibras.

4. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde:

el desenrollado, el calentamiento, la alimentación, el enfriamiento y la tracción se realizan simultáneamente en diferentes lugares.

5. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores que además comprende:

utilizar un controlador (596) que regula el desenrollado, la alimentación y la tracción impidiendo que la tensión salga de un rango objetivo, basándose en la entrada de un sensor (598) que monitoriza la preforma.

6. El método de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el calentamiento de la cinta se realiza mediante un elemento calefactor radiante que calienta la cinta a entre 150 y 200 grados Celsius.

7. El método de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el enfriamiento de la preforma comprende dirigir gas a través de una cámara de la matriz y hacia los conductos que están en contacto con la matriz, lo que resulta en una transferencia de calor por convección forzada.

8. El método de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el enfriamiento de la preforma comprende enfriar la matriz dirigiendo un fluido a través de esta.

9. El método de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el calentamiento del material reforzado con fibra se realiza mientras se estira la preforma.

10. Un sistema que comprende:

al menos una bobina (510) para sostener un rollo de material reforzado con fibras que comprende un material constitutivo; un calentador (530) después de la bobina que calienta el material reforzado con fibras hasta una temperatura de punto de adherencia del material constitutivo;

una matriz de pultrusión (550), situada después del calentador, que presenta un canal (556) con una curvatura longitudinal que se impone sobre una longitud del material reforzado con fibras, y forma el material reforzado con fibras en una preforma (250);

una cámara de enfriamiento (564) a través de la cual está configurado un fluido presurizado que enfría la preforma; unos rodillos (580, 590) situados después de la matriz de pultrusión y que forman una sujeción (584) en una forma transversal de la matriz de pultrusión; y un controlador (596) configurado para gestionar el ajuste de:

una cantidad de fuerza de tracción aplicada por los rodillos (580, 590) sobre la preforma (250), una cantidad de fluido presurizado aplicado para enfriar la preforma (250), y/o una cantidad de calor aplicada por el calentador (530), para asegurar que se alcanza un proceso de estado estable en donde el desenrollado, el calentamiento, la alimentación, el enfriamiento y la tracción se realizan simultáneamente sobre la preforma en diferentes lugares a lo largo de la misma.

11. El sistema de acuerdo con la reivindicación 10, en donde:

el material constitutivo comprende un aglutinante termoplástico; y

el calentador comprende un calentador radiante que calienta la cinta a entre 150 y 200 grados Celsius.

12. El sistema de acuerdo con la reivindicación 10 u 11, en donde:

la matriz comprende piezas desmontables (560, 570) que se pueden intercambiar para ajustar un radio de curvatura.

13. El sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 10 a 12, en donde: uno de los rodillos comprende una ranura helicoidal (1110) que se extiende a lo largo de una circunferencia del rodillo, y la ranura helicoidal coincide con una sección transversal de la preforma después de que la preforma sale de la matriz.

14. El sistema de acuerdo con la reivindicación 10 ,en donde una salida de la matriz tiene un área de sección transversal neta menor que una entrada de la matriz.

15. El sistema de acuerdo con la reivindicación 10, en donde la preforma comprende una preforma de un relleno de huecos para una pieza compuesta.