ES2989672T3

ES2989672T3 - Arboles tubulares de material compuesto reforzado con fibra y método de fabricación de los mismos

Info

Publication number: ES2989672T3
Application number: ES20729711T
Authority: ES
Inventors: Xavier Lepercq
Original assignee: North Thin Ply Tech Sarl
Current assignee: North Thin Ply Tech Sarl
Priority date: 2019-06-25
Filing date: 2020-05-28
Publication date: 2024-11-27
Anticipated expiration: 2040-05-28
Also published as: US20220242062A1; US12319014B2; EP3966022C0; CN114174687B; GB201909124D0; GB2585036A; GB2585036B; JP2022539113A; EP3966022A1; WO2020259951A1; KR20220024187A; EP3966022B1; JP7760379B2; CN114174687A

Abstract

Un eje tubular alargado (28) compuesto de un material compuesto de matriz de resina reforzada con fibra, comprendiendo el eje un cuerpo tubular alargado que comprende una pila de capas envueltas, comprendiendo cada capa envuelta (34) un refuerzo fibroso en una matriz de resina, teniendo el cuerpo tubular alargado una superficie circunferencial alargada interior, que tiene una primera parte de superficie que tiene una geometría no cilíndrica a lo largo de al menos una parte de una longitud del cuerpo tubular alargado, y una superficie circunferencial alargada exterior, en donde la pila de capas envueltas de refuerzo fibroso comprende una capa fibrosa, comprendiendo la capa fibrosa al menos una capa del refuerzo fibroso, estando la capa fibrosa envuelta en espiral alrededor de un eje longitudinal del cuerpo tubular alargado para formar la pila de capas envueltas en donde cada capa envuelta es paralela al eje longitudinal, en donde en una porción de la pila de capas envueltas que rodea circunferencialmente la primera parte de superficie la capa fibrosa tiene un ancho no constante que varía de manera no lineal con un cambio en el radio de la superficie circunferencial alargada interior en la porción, y en donde la El refuerzo fibroso comprende fibras que, a lo largo de la longitud del cuerpo tubular alargado, están constantemente orientadas con respecto a un sistema de coordenadas cilíndricas alrededor del eje longitudinal del cuerpo tubular alargado, siendo la orientación de las fibras en cualquiera de dichas partes independiente de la geometría de las superficies circunferenciales alargadas internas y externas de esa parte. También se describe un método para fabricar un eje tubular alargado compuesto de un material compuesto de matriz de resina reforzada con fibra. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Árboles tubulares de material compuesto reforzado con fibra y método de fabricación de los mismos

Campo de la invención

La presente invención se refiere a un método de fabricación de un árbol tubular alargado compuesto de un material compuesto de matriz de resina reforzada con fibra. La presente invención también se refiere a un árbol tubular alargado compuesto de un material compuesto de matriz de resina reforzada con fibra.

Antecedentes de la invención

Es comúnmente conocido en la técnica de materiales compuestos que un tubo de material compuesto, también denominado árbol tubular, pueda producirse mediante un método en el que se enrolla una cinta de material preformado, por ejemplo, enrollada helicoidalmente, de forma superpuesta alrededor de un mandril metálico. Después, en un proceso de moldeo, se aplica presión con un sistema de compactación sobre esta estructura de material compuesto, se consolida la matriz de resina termoendurecible y/o termoplástica y después se retira el mandril del producto tubular moldeo.

Como alternativa, el material de preforma puede tener la forma de una lámina que se enrolla a lo largo de un eje de giro que tiene una dirección alineada con respecto a un eje longitudinal del mandril. En particular, estos tubos de material compuesto generalmente se fabrican mediante un proceso de envoltura en rollo. La lámina puede estar orientada perpendicularmente o en un ángulo inclinado, con respecto al eje longitudinal del mandril. La envoltura en rollo comprende envolver alrededor del mandril preformas individuales o capas individuales de material de preforma que tienen la misma o diferente longitud que el tubo y una anchura correspondiente a un cierto número de revoluciones alrededor del mandril.

El material de preforma puede comprender una capa fibrosa que consiste en material fibroso seco, es decir, material fibroso que está libre de material de resina, por ejemplo, un material de resina termoendurecible y/o termoplástica, que posteriormente se usa para formar la matriz de resina del material compuesto. Después de que la capa fibrosa se haya enrollado como se ha descrito anteriormente, el material fibroso puede estar recubierto por, impregnado o infundido con un material de resina antes o durante la etapa de moldeo. Como alternativa, el material de preforma puede comprender un material preimpregnado. Este material preimpregnado se usa ampliamente en la fabricación de partes y estructuras de material compuesto. El material preimpregnado es una combinación de matriz de resina termoendurecible y/o termoplástica y refuerzo de fibra, en el que la resina al menos parcialmente, normalmente completamente, impregna el refuerzo de fibra.

Al enrollar una preforma o preimpregnado, ya sea de forma helicoidal usando una cinta estrecha, o bien envolviendo con un rollo una lámina alineada perpendicularmente o con una inclinación con respecto al mandril, alrededor de un mandril que tiene una superficie distinta a la cilíndrica, es decir, una superficie cilíndrica proporcionada por una sección transversal circular de un radio dado que se extiende a lo largo de toda la longitud del mandril, puede haber problemas técnicos importantes.

Un primer problema técnico es que, dado que la sección transversal del mandril cambia a lo largo de su longitud, el preimpregnado puede desviarse con respecto a la dirección de envoltura deseada. Esto puede provocar la aparición de arrugas y desalineación de las fibras en el tubo alargado envuelto, lo que puede degradar gravemente el rendimiento mecánico y la apariencia visual, del árbol tubular alargado resultante compuesto del material compuesto de matriz de resina reforzada con fibra formado a partir del preimpregnado.

Para productos de materiales compuestos de alto rendimiento es esencial que la orientación y alineación de las fibras a lo largo de toda la longitud del árbol tubular se mantengan dentro de las estrechas tolerancias deseadas para lograr altas propiedades mecánicas.

La desalineación de las fibras es un problema particular en la fabricación de tubos no cilíndricos, más particularmente cuando la uniformidad y consistencia del producto es un parámetro clave de rendimiento.

Otro problema en la fabricación de tubos no cilíndricos que tienen una geometría de tubo compleja es que las capas de fibra pueden inadvertidamente doblarse, retorcerse o plegarse, lo que provoca la formación no deseada de arrugas en las capas de la preforma que se manifiestan como fibras desalineadas o dobladas o incluso huecos en el producto final de material compuesto moldeo.

Es más, las arrugas y la desalineación de las fibras pueden provocar una falta de consistencia en el rendimiento entre varios productos tubulares. Los métodos de fabricación conocidos pueden encontrar problemas de producción importantes para lograr las propiedades deseadas.

Un segundo problema técnico es que, para acomodar los cambios en la geometría del mandril a lo largo de su longitud, esto puede requerir un alto nivel de intervención manual durante el proceso de fabricación y, en consecuencia, un bajo nivel de automatización. Esto aumenta el coste y la complejidad de fabricación y reduce la consistencia y uniformidad de varios productos tubulares.

Un tercer problema técnico es que dichos procesos conocidos pueden generar un alto nivel de residuos de preimpregnado como resultado de que la cinta o lámina de preimpregnado tenga que cortarse o adaptarse individualmente para eliminar el exceso de material del mandril, o como resultado de que el exceso de material tenga que eliminarse del producto tubular después de la etapa de moldeo, o como resultado de que los productos tubulares fabricados sean rechazados por no cumplir con la calidad deseada.

Asimismo, es conocido la fabricación de artículos deportivos como palos de golf, cañas de pescar, raquetas, etc. a partir de un material compuesto de matriz de resina reforzada con fibra, en particular, un material compuesto de fibra de carbono. Sin embargo, los árboles tubulares alargados de material compuesto de fibra de carbono tienden a sufrir el problema de exhibir propiedades no uniformes, en particular, un espesor de pared no uniforme que conduce a variaciones no deseadas en la rigidez a la flexión a lo largo del eje, en particular, cuando la fuerza de flexión se aplica en diferentes orientaciones de giro alrededor del eje del árbol. Los artículos deportivos tubulares a menudo necesitan incorporar un espesor variable controlado para controlar localmente la rigidez del artículo; sin embargo, es difícil automatizar un proceso de fabricación de forma fiable y repetible para fabricar un espesor variable y controlado con un alto grado de uniformidad y consistencia para múltiples productos.

El documento GB-A-2177062 divulga la fabricación de componentes de material compuesto en los que una cinta preimpregnada se enrolla sobre un mandril troncocónico. La cinta se enrolla de manera que cada revolución sucesiva de la cinta enrollada se superponga a la revolución anterior de la cinta enrollada en aproximadamente el 50 % de la anchura de cinta. La anchura de cinta (W) se define mediante la expresión W=nt/tan a donde t es el espesor de cinta, a es el ángulo del cono en grados del mandril, y n es el número de capas de cinta o cintas enrolladas en una pasada de enrollamiento, de modo que a medida que n aumenta la anchura de cinta debe aumentar proporcionalmente. Aunque se afirma que el método de enrollado de filamentos sobre una superficie troncocónica evita la distorsión que se produciría si se enrollara una cinta sobre la misma con contacto de borde a borde en lugar de superponerse y que no se forman grandes huecos dentro del material enrollado, no obstante, el método no puede garantizar una alineación precisa del filamento para cualquier longitud significativa del componente tubular o para cualquier número significativo de bobinados de filamento. Por lo tanto, este método de fabricación adolece del problema de que el diámetro del mandril aumenta, las fibras en el preimpregnado y, por lo tanto, el material compuesto final, se desalinearán progresivamente, provocando una reducción de las propiedades mecánicas del componente y un cambio en las propiedades mecánicas a lo largo de la longitud del componente. Asimismo, a lo largo de la longitud del componente, los ángulos de las fibras con respecto al eje longitudinal del mandril y, por tanto, del componente, varían y las fibras se desalinean progresivamente o se retuercen, en relación con al eje longitudinal a medida que aumenta el diámetro del mandril y del componente. En el preimpregnado pre-enrollado, las orientaciones de las fibras pueden ser uniformemente rectas y estar alineadas con precisión a lo largo de los ejes deseados en el preimpregnado; sin embargo, en el componente final enrollado, las orientaciones de las fibras pueden no estar orientadas de manera consistente y pueden no estar alineadas con precisión a lo largo de los ejes deseados en el componente. Asimismo, no existe ninguna divulgación de cómo fabricar con precisión una forma compleja que no sea un tubo troncocónico geométrico.

El documento US-A-2011/0097526 divulga una preforma de fibra tejida para formar un compuesto reforzado con fibra que incorpora la preforma. La preforma tejida incluye una pluralidad de hilos o fibras de urdimbre y trama entrelazadas para formar un tejido en espiral continuo. El tejido en espiral puede adoptar la forma de una espiral de Arquímedes. Los hilos de trama en la preforma pueden tener un espaciado de pasada uniforme o variable, o una separación angular uniforme o variable. El tejido en espiral de la espiral de Arquímedes se puede ensamblar o envolver para formar una estructura de carcasa cónica, que podría ser una porción de un hilador o un cono de salida. Esta divulgación adolece del problema de que la preforma tiene una geometría espiral específica compleja y solo se puede usar para fabricar una estructura geométrica específica de una carcasa cónica. Es más, si los hilos de trama tienen un espaciado uniforme y una separación angular uniforme, entonces, en la carcasa cónica los hilos se desalinean; sin embargo, si los hilos de trama tienen un espaciado variable y/o una separación angular variable, entonces, aunque en la carcasa cónica los hilos se puedan alinear cónicamente, la preforma es muy complicada de tejer con una estructura de fibra variable, y cada preforma solo se puede usar para hacer una forma geométrica específica. No existe ninguna divulgación sobre cómo fabricar en la práctica un tejido tan complicado para la preforma. Asimismo, no existe ninguna divulgación de cómo fabricar con precisión una forma compleja que no sea una carcasa cónica geométrica.

El documento US-A-2003/0056846 divulga una longitud de tejido con una anchura variable para formar un tubo de diámetro variable. Esta divulgación adolece del problema de que cada tubo tiene una disposición específica de las fibras de urdimbre y trama que sólo se puede usar para fabricar una estructura geométrica específica de un tubo de diámetro variable. El tejido es muy complicado de tejer con una estructura de fibra variable. No hay divulgación que indique cómo controlar la geometría exterior del tubo.

El documento WO-A-2004/067264 divulga un método de depositar capas fibrosas inclinadas desde una banda enrollada continua sobre un soporte que puede tener un diámetro variable. Esta divulgación adolece del problema de que el método es muy complejo. Asimismo, no existe ninguna divulgación de cómo fabricar con precisión una forma compleja distinta a las formas tubulares cilíndricas o troncocónicas a partir de las capas fibrosas inclinadas. No hay divulgación de cómo proporcionar fibras orientadas en la dirección longitudinal a lo largo de una longitud sustancial, o en particular a lo largo de toda la longitud, del tubo.

El documento US-A-5876322 divulga que las fibras compuestas se tejen en tiras de tejido helicoidales que se enrollan unas sobre otras como una hélice para formar un cilindro. Cuando las tiras helicoidales se impregnan con resina, se calientan a la temperatura termoendurecible de la resina, y comprimen y curan, se obtiene un cuerpo compuesto cilíndrico en el que las fibras individuales del cuerpo están dispuestas únicamente radial o circunferencialmente.

El objetivo de la presente invención es, por lo tanto, superar al menos parcialmente uno o más de los problemas descritos anteriormente que encuentran los métodos conocidos para la fabricación de árboles tubulares de material compuesto.

Por consiguiente, la presente invención tiene por objeto proporcionar un método de fabricación mejorado para un árbol tubular alargado compuesto de un material compuesto de matriz de resina reforzada con fibra, en particular, en el que el árbol tubular alargado puede exhibir propiedades mecánicas de alta calidad incluso aunque el eje pueda tener un espesor, sección transversal y/o forma exterior o interior y dimensiones no uniformes a lo largo de la longitud del árbol.

Más particularmente, la presente invención tiene por objeto proporcionar un método de fabricación mejorado para un árbol tubular alargado compuesto de un material compuesto de matriz de resina reforzada con fibra, que se puede automatizar de forma fiable, consistente y repetible para proporcionar, en un método de producción de bajo coste, un árbol tubular que tiene una estructura de pared altamente concéntrica, con un espesor de pared controlado uniformemente alrededor del eje del árbol y un control preciso de la alineación de la fibra alrededor del eje del árbol, lo que a su vez puede proporcionar que el árbol exhiba propiedades de flexión constantes alrededor del eje del árbol.

La presente invención tiene además como objetivo proporcionar un método de fabricación mejorado para un árbol tubular alargado compuesto de un material compuesto de matriz de resina reforzada con fibra que puede aumentar las posibilidades de diseño del producto tubular final al permitir que se fabriquen de manera consistente geometrías de tubos complejas, preferentemente mediante el uso de un método de fabricación automatizado o automatizable.

Por último, la presente invención también tiene como objetivo proporcionar un árbol tubular alargado mejorado compuesto de un material compuesto de matriz de resina reforzada con fibra que tiene una superficie circunferencial interior y una sección transversal no cilíndricas. En particular, la presente invención también tiene como objetivo proporcionar un árbol tubular alargado mejorado compuesto de un material compuesto de matriz de resina reforzada con fibra pero que puede exhibir una alineación de fibra altamente precisa y consistente alrededor del eje del árbol, que a su vez puede proporcionar propiedades mecánicas de alta calidad a lo largo de la longitud del árbol, incluso en el caso de que el árbol incorpore geometrías de tubo complejas.

Sumario de la invención

La presente invención proporciona un método de fabricación de un árbol tubular alargado compuesto de un material compuesto de matriz de resina reforzada con fibra según la reivindicación 1. El método de las realizaciones preferidas de la presente invención prevé que cada fibra esté orientada constantemente con respecto a un sistema de coordenadas cilíndricas alrededor del eje de giro del mandril.

Las características preferidas del método se definen en las reivindicaciones dependientes 2 a 8.

La presente invención también proporciona un árbol tubular alargado compuesto de un material compuesto de matriz de resina reforzada con fibra según la reivindicación 9.

Las características preferidas del árbol tubular alargado se definen en las reivindicaciones dependientes 10 a 15.

Las realizaciones preferidas de la presente invención pueden proporcionar un método de fabricación de un árbol tubular alargado sobre un mandril en el que la sección transversal del mandril cambia a lo largo de la longitud del mandril y, de este modo, tiene una forma "compleja".

A pesar de una forma de mandril tan compleja, la orientación de las fibras puede permanecer constante dentro de un sistema de coordenadas cilíndricas asociado al eje de giro del mandril, incluso cuando se usan fibras "largas" con una longitud de al menos 50 mm, y las fibras "largas" pueden tener una longitud de más de 10 metros, al menos algunas de cuyas fibras pueden extenderse individualmente a lo largo de toda la longitud del árbol tubular alargado.

Los presentes inventores consideran que este efecto técnico y la ventaja de lograr una orientación y alineación de fibras altamente consistentes y precisas de dichas fibras largas en un árbol tubular alargado formado a partir de una o más capas de preforma envueltas es único en la técnica de los materiales compuestos y permite aumentar el rendimiento de las estructuras de material compuesto reforzadas con fibra para aplicaciones donde la consistencia del producto es un factor clave de diseño y rendimiento. Asimismo, al proporcionar fibras "largas" altamente alineadas que tengan una longitud de al menos 50 mm, o incluso una longitud de más de 10 metros, las propiedades mecánicas, en particular, la resistencia y la tenacidad, del material compuesto se incrementan.

La geometría del tubo interior puede tener una forma compleja y puede incorporar una o cualquier combinación de las siguientes características geométricas o estructurales: cono con pendiente creciente o/y decreciente o/y neutra; uno o múltiples resaltes o protuberancias; uno o múltiples salientes; una o múltiples ranuras reentrantes; o una o múltiples depresiones; una sección de cualquier forma y que también puede variar a lo largo del tubo. De forma correspondiente, la geometría del tubo exterior puede tener una forma compleja y puede incorporar una o cualquier combinación de las siguientes características geométricas o estructurales: cono con pendiente creciente o/y decreciente o/y neutra; uno o múltiples resaltes o protuberancias; uno o múltiples salientes; una o múltiples ranuras reentrantes; o una o múltiples depresiones.

Las realizaciones preferidas de la presente invención pueden proporcionar un método de fabricación de un árbol tubular alargado sobre un mandril en el que el eje tiene una geometría de tubo compleja y que se puede moldear hasta obtener una forma casi neta, y esto se puede lograr en una operación de envoltura y moldeo con muy poco desperdicio y de manera completamente automatizada, mejorando así la productividad y la repetibilidad y reduciendo el desperdicio.

Asimismo, las realizaciones preferidas de la presente invención pueden proporcionar un método de fabricación de un árbol tubular alargado sobre un mandril en el que existe la capacidad de controlar de forma independiente la geometría del tubo interior y del tubo exterior, lo que aumenta el espacio de diseño de manera general para la fabricación de árboles tubulares.

Las realizaciones preferidas de la presente invención pueden proporcionar un método de fabricación de un árbol tubular alargado en el que, aunque la sección transversal del mandril cambia a lo largo de la longitud del mandril, la preforma no se desvía con respecto a la dirección de envoltura deseada. Por consiguiente, las arrugas en y la desalineación de las fibras se pueden evitar o minimizar en el tubo alargado envuelto. El árbol tubular alargado resultante, compuesto por el material compuesto de matriz de resina reforzada con fibra, puede presentar de manera confiable, consistente y repetible, un rendimiento mecánico y una apariencia visual de alta calidad. La orientación y alineación de las fibras a lo largo de toda la longitud del árbol tubular se pueden mantener dentro de las estrechas tolerancias deseadas para lograr altas propiedades mecánicas.

Las realizaciones preferidas de la presente invención también pueden proporcionar un alto nivel de automatización y un bajo, o ningún, nivel de intervención manual durante el proceso de fabricación que permite adaptar la geometría del mandril a lo largo de su longitud, especialmente cuando se fabrican tubos que tienen una geometría compleja. Se reduce el coste y la complejidad de fabricación, se aumenta la uniformidad de los productos tubulares plurales y se puede disminuir el tiempo de fabricación, en comparación con los métodos de fabricación conocidos, especialmente cuando se fabrican tubos que tienen una geometría compleja.

Las realizaciones preferidas de la presente invención también pueden evitar o minimizar el desperdicio de preforma dependiendo de la complejidad de la geometría del árbol tubular alargado. En las realizaciones preferidas de la presente invención, la forma y configuración de la capa o de cada capa de preforma que se va a envolver alrededor del mandril se calcula previamente antes de la etapa de envoltura, basándose en parámetros de la combinación del espesor de la capa de preforma, la geometría del mandril y la geometría del tubo, para proporcionar una geometría de preforma compleja que esté adaptada para envolverse perpendicularmente alrededor de una geometría de mandril compleja para formar una geometría de tubo compleja. Al calcular previamente una forma de preforma tan compleja antes de la etapa de envoltura, la envoltura se puede automatizar y los residuos se minimizan, porque la capa de preforma se corta y posteriormente se envuelve y después se moldea hasta obtener una "forma casi neta" que evita o minimiza la generación de residuos durante o después de las etapas de envoltura y moldeo. La envoltura para formar un tubo preformado cercano a la forma del producto final puede, en consecuencia, reducir el desperdicio y también reducir o evitar el tiempo requerido por un proceso de acabado para terminar el árbol tubular moldeado final, por ejemplo, un proceso de molienda.

En resumen, las realizaciones preferidas de la presente invención también pueden proporcionar un método de fabricación automatizado altamente flexible para fabricar árboles tubulares complejos compuestos de material compuesto. En consecuencia, las realizaciones preferidas de la presente invención proporcionan además un árbol tubular compuesto de material compuesto que puede tener, por un lado, una geometría compleja, pero, por otro lado, fibras alineadas de manera muy uniforme y precisa, con altas propiedades mecánicas asociadas.

Los árboles tubulares producidos mediante las realizaciones preferidas de la presente invención se pueden usar para fabricar artículos deportivos tales como ejes de palos de golf, cañas de pescar, raquetas, mástiles para barcos y tablas de windsurf, etc., o cualquier otro producto tubular de material compuesto de alta calidad, a partir de un material compuesto de matriz de resina reforzada con fibra, en particular, un material compuesto de fibra de vidrio o de carbono.

Breve descripción de los dibujos

Otras características y ventajas de la presente invención aparecerán más claramente a partir de la descripción detallada de varias realizaciones no limitativas de la invención que se ilustran mediante los dibujos adjuntos en los que:

la Figura 1 es una vista esquemática en planta de una capa de preforma que es adecuada para su uso en un método de fabricación de un árbol tubular alargado compuesto de un material compuesto de matriz de resina reforzada con fibra de acuerdo con una realización de la presente invención;

las Figuras 2a y 2b ilustran esquemáticamente, respectivamente, una vista en planta de una capa de preforma con respecto a un sistema de coordenadas rectangulares, y una sección transversal a través de la capa de preforma después de envolverla alrededor del mandril de acuerdo con una realización de la presente invención;

la Figura 3 es un gráfico que ilustra en detalle una sección transversal a través de la estructura de capas de una capa de preforma envuelta en el mandril de acuerdo con una realización de la presente invención;

la Figura 4 es un gráfico que ilustra en detalle un plano de la capa de preforma usada en la Figura 3 que indica un cálculo de la forma y las dimensiones de la preforma que se envolverá sobre el mandril de acuerdo con una realización de la presente invención;

las Figuras 5a y 5b ilustran esquemáticamente, respectivamente, una vista en planta de una capa de preforma con respecto a un sistema de coordenadas rectangulares, y una sección transversal a través de la capa de preforma después de envolverla alrededor del mandril de acuerdo con una segunda realización de la presente invención; las Figuras 6a y 6b ilustran esquemáticamente, respectivamente, una vista en planta de una capa de preforma con respecto a un sistema de coordenadas rectangulares, y una sección transversal a través de la capa de preforma después de envolverla alrededor del mandril de acuerdo con una tercera realización de la presente invención; las Figuras 7a y 7b ilustran esquemáticamente, respectivamente, una vista en planta de una capa de preforma con respecto a un sistema de coordenadas rectangulares, y una sección transversal a través de la capa de preforma después de envolverla alrededor del mandril de acuerdo con una cuarta realización de la presente invención; las Figuras 8a y 8b ilustran esquemáticamente, respectivamente, una vista en planta de una capa de preforma con respecto a un sistema de coordenadas rectangulares, y una sección transversal a través de la capa de preforma después de envolverla alrededor del mandril de acuerdo con una quinta realización de la presente invención; las Figuras 9a y 9b ilustran esquemáticamente, respectivamente, una vista en planta de una capa de preforma con respecto a un sistema de coordenadas rectangulares, y una sección transversal a través de la capa de preforma después de envolverla alrededor del mandril de acuerdo con una sexta realización de la presente invención; las Figuras 10a y 10b ilustran esquemáticamente, respectivamente, una vista en planta de una capa de preforma con respecto a un sistema de coordenadas rectangulares, y una sección transversal a través de la capa de preforma después de envolverla alrededor del mandril de acuerdo con una séptima realización de la presente invención; las Figuras 11a y 11b ilustran esquemáticamente, respectivamente, una vista en planta de una capa de preforma con respecto a un sistema de coordenadas rectangulares, y una sección transversal a través de la capa de preforma después de envolverla alrededor del mandril de acuerdo con una octava realización de la presente invención; las Figuras 12a y 12b ilustran esquemáticamente, respectivamente, una vista en planta de una capa de preforma con respecto a un sistema de coordenadas rectangulares, y una sección transversal a través de la capa de preforma después de envolverla alrededor del mandril de acuerdo con una novena realización de la presente invención; las Figuras 13a y 13b ilustran esquemáticamente, respectivamente, una vista en planta de una capa de preforma con respecto a un sistema de coordenadas rectangulares, y una sección transversal a través de la capa de preforma después de envolverla alrededor del mandril de acuerdo con una décima realización de la presente invención; y la Figura 14 ilustra esquemáticamente una vista en sección transversal longitudinal a través de una parte de un árbol tubular alargado compuesto de un material compuesto de matriz de resina reforzada con fibra de acuerdo con una realización adicional de la presente invención.

Descripción detallada de las realizaciones de la invención

La Figura 1 y las Figuras 2a y 2b ilustran un ejemplo de una capa de preforma flexible 2 adecuada para su uso en un método de fabricación de un árbol tubular alargado de acuerdo con una realización de la presente invención. La capa de preforma 2 es flexible, lo que en esta memoria descriptiva, significa que, como se describe a continuación, la capa de preforma 2 se puede enrollar de forma giratoria alrededor de un mandril para formar una forma tubular deseada. La capa de preforma flexible 2 comprende al menos una capa 4 de refuerzo fibroso 6. La capa de preforma 2 tiene una superficie principal frontal 10. Preferentemente, la capa de preforma 2 tiene un espesor constante. Sin embargo, en otras realizaciones el espesor puede variar, opcionalmente, de manera controlada, por ejemplo, el espesor puede variar linealmente a lo largo de la longitud de la capa de preforma 2. El espesor de la capa de preforma 2 está preferentemente dentro del rango de 0,015 a 5 mm, opcionalmente, de 0,1 a 2 mm.

La capa de preforma 2 tiene una primera y segunda porciones de extremo 12, 14, que están espaciadas entre sí, y bordes interior y exterior 16, 18, que están espaciados entre sí. Los bordes interior y exterior 16, 18 se extienden desde la primera porción de extremo 12 hacia la segunda porción de extremo 14.

De acuerdo con la presente invención, cuando la capa de preforma 2 está en una configuración plana, como se muestra en la Figura 1, al menos el borde interior 16 no es lineal y el espaciamiento entre los bordes interior y exterior 16, 18 varía a lo largo de la longitud de la capa de preforma 2 que se extiende entre la primera y segunda porciones de extremo 12, 14.

Por consiguiente, existe una relación no lineal entre la forma geométrica y las dimensiones del borde interior 16 de la capa de preforma 2 y la longitud de la capa de preforma 2 entre la primera y segunda porciones finales 12, 14. De forma correspondiente, existe una relación no lineal entre el espaciado entre los bordes interno y externo 16, 18 y la longitud de la capa de preforma 2 entre la primera y segunda porciones de extremo 12, 14. En consecuencia, cuando la capa de preforma 2 se envuelve alrededor de un mandril no cilíndrico como se describe a continuación, existe una relación no lineal entre, por una parte, la posición del borde interior 16 y el espaciado entre los bordes interior y exterior 16, 18, y, por otra parte, la posición de la capa de preforma 2 a lo largo de una dirección de longitud del mandril y el número acumulado de giros de la capa de preforma 2 en una dirección que se extiende a lo largo de la dirección de longitud del mandril, en particular a lo largo de un eje longitudinal del mandril.

En la realización de la Figura 1, cada una de la primera y segunda porciones de extremo 12, 14 comprende un extremo lineal, y los extremos lineales son mutuamente paralelos. Cada uno de los bordes interior y exterior 16, 18 comprende un borde curvado. El borde interior 16 está curvado de forma convexa y el borde exterior 18 se curva de forma cóncava. En consecuencia, en esta realización, la capa de preforma 2 está conformada y dimensionada de manera que cuando la capa de preforma 2 está en una configuración plana, al menos una porción del borde interior 16 se curva, preferentemente, se curva de forma convexa. Sin embargo, en otras realizaciones, el borde interior 16 y el borde exterior 18 pueden tener geometrías diferentes, por ejemplo, el borde interior 16 puede curvarse de forma cóncava y/o el borde exterior 18 puede curvarse de forma convexa.

Como se describe a continuación, las curvaturas de los bordes interior y exterior 16, 18 son diferentes y los bordes interior y exterior 16, 18 no son paralelos. La forma y configuración de cada uno de los bordes interior y exterior 16, 18 se determinan basándose en un análisis de la geometría de un mandril alrededor del que se debe envolver la capa de preforma flexible 2 para formar el árbol tubular alargado, el espesor de la capa de preforma 2, y la forma y dimensiones del árbol tubular alargado.

El refuerzo fibroso 6 puede tener cualquier configuración de fibra y puede comprender fibras tejidas o fibras no tejidas, por ejemplo, en forma de fibras unidireccionales (UD), fibras de remolque extendidas, tejidos cosidos, tejidos de punto o trenzados. El refuerzo fibroso 6 puede comprender múltiples fibras con la misma o diferentes orientaciones. El refuerzo fibroso 6 puede comprender una sola capa de fibras, o como alternativa, puede comprender una pila de varias capas de fibras, teniendo las capas configuraciones de fibras iguales o diferentes.

Cuando hay una pluralidad de capas, aunque toda la capa de preforma 2 tiene una forma y dimensiones que definen la superficie principal frontal 10, la primera y segunda porciones de extremo 12, 14, y los bordes interior y exterior 16, 18, cada capa puede tener opcionalmente una forma y dimensiones diferentes en comparación con cualquier otra capa. De forma adicional, cada capa puede comprender una combinación de dos o más porciones de capa dispuestas adyacentes entre sí. La capa de preforma 2, o una o más capas en la capa de preforma 2, puede incluir al menos un orificio en la misma, estando el orificio o los orificios rodeados por la capa de preforma 2.

Las fibras del refuerzo fibroso 6 pueden comprender cualquier fibra natural y/o sintética. Normalmente, el refuerzo fibroso 6 comprende fibras de vidrio, carbono y/o de aramida, o fibras de algodón o yute.

La capa de preforma 2 puede comprender un refuerzo fibroso seco 6, es decir, material fibroso que está libre de material de resina, por ejemplo, un material de resina termoendurecible y/o termoplástica, que posteriormente se usa para formar la matriz de resina del material compuesto. Después de que la capa de preforma 2 se haya enrollado como se describe a continuación, el refuerzo fibroso seco 6 puede estar recubierto por, impregnado o infundido con un material de resina antes o durante la etapa de moldeo. Por ejemplo, se puede infundir una resina líquida en el refuerzo fibroso seco 6 antes o durante la etapa de moldeo. En otra realización, se puede depositar una capa de resina sólida coherente adyacente al refuerzo fibroso seco 6 antes o durante la etapa de moldeo. Para los expertos en la materia resultarán evidentes otras técnicas para combinar fibra y resina para formar el material compuesto de matriz de resina reforzada con fibra.

Como alternativa, la capa de preforma 2 puede comprender un material preimpregnado que está al menos parcialmente, opcionalmente completamente, impregnado por una resina.

La resina 8 puede ser una resina termoplástica o termoendurecible. Se puede usar cualquier resina termoplástica o termoendurecible que se considere adecuada para su uso en la fabricación de preformas fibrosas. Normalmente, se usa una resina termoendurecible, como una resina epoxi, junto con fibras de vidrio y/o de carbono en el refuerzo fibroso 6. Cuando se usa una resina termoendurecible, la capa de preforma 2 puede comprender un preimpregnado, en el que el refuerzo fibroso 6 está totalmente impregnado por la resina. En algunas realizaciones, una única capa de preforma puede estar provista de diferentes áreas que incorporan diferentes resinas, que pueden comprender una mezcla de resinas termoplásticas y/o termoendurecibles.

En realizaciones alternativas de la presente invención, la capa de preforma 2 puede comprender una capa de refuerzo fibroso seco y una capa de resina, compuesta de una resina termoendurecible o una resina termoplástica, y la capa de preforma y la capa de resina están apiladas una sobre otra. En realizaciones adicionales de la presente invención, la resina en la capa de preforma 2, que está compuesta de una resina termoendurecible o una resina termoplástica, puede curarse parcial o totalmente antes de la etapa de envoltura posterior como se describe a continuación. En otras realizaciones de la presente invención, la capa de preforma 2 puede comprender un material de núcleo (no mostrado) y/o un material adhesivo (no mostrado) sobre una superficie superior de la capa de preforma 2 o el refuerzo fibroso 6. El material del núcleo puede comprender una capa de un material celular, por ejemplo, una espuma celular, normalmente compuesta de un polímero tal como una poliolefina o un poliéster, o un material de estructura alveolar. Cuando se proporciona un material de núcleo, el material del núcleo queda intercalado entre capas opuestas de refuerzo fibroso después de la etapa de envoltura y en el árbol tubular alargado final fabricado de acuerdo con la presente invención.

En el método de la presente invención, como también se muestra en la Figura 1, se proporciona un mandril alargado 20. El mandril 20 puede estar compuesto de una sola parte o de varias partes conectadas o ensambladas entre sí. El mandril 20 está compuesto normalmente de un metal, tal como acero, pero como alternativa puede estar compuesto de un material compuesto, como un material compuesto de matriz de resina reforzada con fibra.

El mandril 20 tiene un eje longitudinal L-L y primer y segundo extremos opuestos 22, 24 que están espaciados mutuamente a lo largo del eje longitudinal L-L. El mandril 20 tiene una superficie circunferencial exterior 26 que no es cilíndrica a lo largo de al menos una parte de una longitud del mandril 20 que se extiende a lo largo del eje longitudinal L-L. En la realización de la Figura 1, la superficie circunferencial exterior 26 que no es cilíndrica es troncocónica. Sin embargo, como se describe a continuación, el mandril 20 puede tener cualquier forma y dimensión de sección transversal deseada y, además, la forma y las dimensiones de la sección transversal pueden variar a lo largo de la longitud del mandril. La superficie exterior 26 del mandril puede tener una forma compleja y puede incorporar una o cualquier combinación de las siguientes características geométricas o estructurales: cono con pendiente creciente o/y decreciente o/y neutra; uno o múltiples resaltes o protuberancias; uno o múltiples salientes; una o múltiples ranuras reentrantes; o una o múltiples depresiones; una sección de cualquier forma y que también puede variar a lo largo del mandril 20.

La presente invención preforma la capa de preforma de acuerdo con la forma y dimensiones del mandril, y del tubo alargado final, de manera que después de envolver la capa de preforma alrededor del mandril mediante giro alrededor del eje longitudinal del mandril, el tubo alargado deseado se produce independientemente de la geometría individual específica del mandril. Por consiguiente, este preformado de la capa de preforma permite usar una amplia variedad de geometrías de mandril diferentes y producir una variedad similar de geometrías de tubos alargados.

Como se describe a continuación con referencia a varias realizaciones de la presente invención, la primera y segunda porciones de extremo 12, 14, y los bordes interior y exterior 16, 18, de la capa de preforma 2 se pueden proporcionar con una variedad de formas y dimensiones diferentes para permitir que la capa de preforma 2 se envuelva alrededor de una variedad de formas y dimensiones de mandril diferentes para fabricar tubos alargados de una variedad de formas y dimensiones diferentes. La característica común en estas realizaciones es que la capa de preforma, en particular, al menos el borde interior de la capa de preforma que entra en contacto con la superficie circunferencial exterior del mandril durante la envoltura, se conforma previamente para controlar la envoltura en relación con el mandril individual.

Para fabricar el árbol tubular alargado, la primera porción de extremo 12 de la capa de preforma 2 está ubicada adyacente al primer extremo 22 del mandril 20 en una configuración inicial. En la configuración inicial, el borde interior 16 está orientado hacia el mandril 20 y el borde exterior 18 está orientado lejos del mandril 20.

Después, la capa de preforma 2 se envuelve alrededor del mandril 2 de modo que la superficie circunferencial exterior 26 del mandril 20 se cubre progresivamente con la capa de preforma envuelta 2 para formar un tubo alargado 28.

Durante esta etapa de envoltura, el mandril 20 y la capa de preforma 2 giran relativamente alrededor de un eje de giro R-R que está a lo largo del eje longitudinal L-L del mandril 20. Normalmente, el mandril 20 gira alrededor del eje de giro R-R para envolver la capa de preforma 2 alrededor del mandril 20, y la capa de preforma 2 es giratoriamente estática. Como alternativa, el mandril 20 es giratoriamente estático y la capa de preforma 2 gira alrededor del eje de giro R-R para envolver la capa de preforma 2 alrededor del mandril 20.

También durante esta etapa de envoltura, la capa de preforma 2 se alimenta de forma continua, de la primera porción de extremo 12 a la segunda porción de extremo 14 de la capa de preforma 2, sobre el mandril 20 a lo largo de una trayectoria de alimentación 32 que es perpendicular al eje longitudinal L-L del mandril 20 y, por tanto, también perpendicular al eje de giro R-R.

La superficie principal frontal 10 se envuelve giratoriamente en contacto superficial con la superficie circunferencial exterior 26. Después del primer giro de envoltura, la superficie principal frontal 10 se superpone preferentemente al menos parcialmente con la parte previamente envuelta de la capa de preforma 2 en el mandril 20. Como resultado de la etapa de envoltura, en el tubo alargado 28, el borde interior 16 contacta la superficie circunferencial exterior 26 del mandril 20 y el borde exterior 18 está situado en una superficie circunferencial exterior 30 del tubo alargado 28.

En particular, el borde interior 16 de la capa de preforma 2 está conformado y dimensionado de manera que, durante la etapa de envoltura, el borde interior 16 coincida continuamente con la superficie circunferencial exterior 26 del mandril 20, de este modo, como se muestra en la Figura 3, el tubo alargado 28 comprende una pluralidad de capas envueltas 34 que forman una espiral 42 alrededor del eje longitudinal L-L, en donde cada capa envuelta 34 está orientada constantemente con respecto a un sistema de coordenadas cilíndricas alrededor del eje longitudinal L-L.

Preferentemente, durante la etapa de envoltura, a lo largo de al menos una parte de la longitud del tubo alargado 28 en una superficie interior 29 del mismo, un contacto entre al menos una porción del borde interior 16 y una región de la superficie circunferencial exterior 26 del mandril 20 que no es cilíndrica forma una línea helicoidal interior continua HL1, que se extiende a lo largo de una pluralidad (es decir, al menos 2) de las capas envueltas 34, por ejemplo, al menos 10 capas envueltas 34, que es coincidente con la superficie circunferencial exterior 26 del mandril 20.

Como resultado de la combinación de la geometría específica del borde interior curvado 16 y la superficie circunferencial troncocónica regular 26 del mandril 20 que tiene un ángulo de inclinación constante con respecto al eje longitudinal L-L, la línea helicoidal interior continua HL1 tiene un paso uniforme entre giros helicoidales sucesivos de las capas envueltas 34. Sin embargo, en otras realizaciones, por ejemplo, que tienen una superficie no cilíndrica no regular del mandril como se describe a continuación, el paso entre giros helicoidales sucesivos de las capas envueltas puede ser variable y no lineal.

En una realización, al menos una porción del borde exterior 18 forma una línea helicoidal exterior continua HL2 en la superficie exterior 30 del tubo alargado 28 que es equidistante de la línea helicoidal interior continua HL1 a lo largo de la pluralidad de capas envueltas 34 de modo que el tubo alargado 28 tiene un espesor constante a lo largo de al menos<dicha parte de la longitud del tubo alargado>28<.>

Puesto que la capa de preforma 2 está ubicada sobre el mandril en una orientación particular y envuelta alrededor del eje longitudinal L-L del mandril 20, que, de este modo, es también el eje longitudinal del tubo alargado 28, la orientación del refuerzo fibroso en el tubo alargado 28 se puede controlar proporcionando una orientación inicial del refuerzo fibroso en la configuración inicial.

En una realización convencional, el refuerzo fibroso comprende fibras estructurales, por ejemplo, fibras estructurales que están comprendidas en una capa fibrosa unidireccional (UD), que durante la etapa de localización se alinean en paralelo con el eje longitudinal L-L y durante la etapa de envoltura se mantienen constantemente orientadas con respecto a un sistema de coordenadas cilíndricas alrededor del eje longitudinal L-L.

En las realizaciones preferidas de la presente invención, la capa de preforma 2 está conformada y dimensionada de manera que cuando la capa de preforma 2 se enrolla alrededor del mandril 20 alrededor del eje de giro que coincide con el eje longitudinal L-L del mandril 20, y la capa de preforma 2 se alimenta continuamente a lo largo de la trayectoria de alimentación 32 que es perpendicular al eje longitudinal L-L del mandril 20, cada giro de envoltura, además del primer giro de envoltura, de la capa de preforma 2 alrededor del mandril 20 cubre al menos parcialmente, y para algunos giros de envoltura puede cubrir totalmente, el giro de envoltura inmediatamente anterior.

Sin embargo, en algunas realizaciones de la presente invención, la capa de preforma 2 puede estar conformada y dimensionada de modo que cuando la capa de preforma 2 se enrolla alrededor del mandril 20 alrededor del eje de giro que coincide con el eje longitudinal L-L del mandril 20, al menos algunos de los giros de envoltura, además del primer giro de envoltura, de la capa de preforma 2 alrededor del mandril 20 pueden estar adyacente o espaciados del giro de envoltura inmediatamente anterior.

Una o más capas de preforma pueden estar compuestas por más de una parte de preforma que están adyacentes a, o espaciadas de, entre sí a lo largo de la longitud del mandril. Las partes de preforma plurales pueden envolverse secuencialmente o al menos parcialmente de manera simultánea. Las partes de preforma plurales pueden estar compuestas por composiciones de preforma iguales o diferentes, por ejemplo, los mismos o diferentes tejidos y/o resinas y/u orientaciones.

Después de que la capa de preforma 2 se haya envuelto completamente en el mandril 20, en algunas realizaciones preferidas de la presente invención, una segunda capa de preforma (no mostrada) puede envolverse correspondientemente sobre la primera capa de preforma 2. Opcionalmente, la segunda capa de preforma puede envolverse en la misma dirección de giro o en una dirección opuesta a la de la primera capa de preforma 2 y/o la segunda capa de preforma puede envolverse en la misma dirección de traslación o en una dirección opuesta a la de la primera capa de preforma 2. Se pueden envolver más capas de preforma sobre la segunda capa de preforma. Estas realizaciones proporcionan estructuras tubulares multicapa que, en el producto de material compuesto terminado, pueden presentar propiedades mecánicas mejoradas en comparación con una estructura tubular de una sola capa.

Por ejemplo, una realización preferida para la fabricación de un artículo deportivo tal como un árbol de palo de golf es una preforma de dos o tres capas, con el eje comprendiendo un laminado de dos preformas de dos o tres capas para formar una estructura multilaminar de cuatro o seis capas. En cada preforma de dos o tres capas, una primera capa puede comprender fibras UD orientadas paralelas que, después de la etapa de envoltura como se ha descrito anteriormente, se orientan sustancialmente longitudinalmente a lo largo del eje, y una o dos segundas capas adyacentes comprenden cada una fibras orientadas paralelamente que, después de la etapa de envoltura como se ha descrito anteriormente, se orientan helicoidalmente alrededor del árbol, por ejemplo, en un ángulo de 30 a 45 grados con respecto al eje longitudinal del eje. Por ejemplo, una preforma de tres capas puede proporcionar fibras a 0, 45 y -45 grados con respecto al eje longitudinal del eje.

Durante la etapa de envoltura, normalmente, las capas de preforma se envuelven bajo tensión de modo que la envoltura inicial coloca las capas de preforma completamente en contacto con la superficie subyacente, por ejemplo, la superficie circunferencial exterior del mandril para la primera o única capa de preforma. Esta disposición de envoltura tiene una aplicación particular cuando la superficie de la preforma tiene un grado de adherencia, por ejemplo, como lo muestran los preimpregnados convencionales que contienen resina termoendurecible a temperatura ambiente. Sin embargo, en realizaciones alternativas, especialmente cuando la superficie de la preforma no está pegajosa, por ejemplo, como lo demuestra el refuerzo fibroso seco convencional, durante la etapa de envoltura, la una o más capas de preforma se pueden envolver sin aplicar tensión a la una o más capas de preforma, de manera que la envoltura inicial quede algo suelta y coloque la una o más capas de preforma solo parcialmente en contacto con la superficie subyacente y/o no completamente en la posición deseada en el tubo alargado final. En dichas realizaciones, después de la etapa de envoltura, se puede aplicar tensión a las capas de preforma para hacer que estas se deslicen bajo tensión hasta la posición deseada en el tubo alargado final.

Después de eso, el tubo alargado 20 se moldea sobre el mandril 20 para formar un árbol tubular alargado 36 compuesto de un material compuesto de matriz de resina reforzada con fibra 38 formado a partir de la capa de preforma 2. Antes o durante la etapa de moldeo, el material de resina se proporciona en contacto con el refuerzo fibroso 6 de la capa de preforma 2, y durante la etapa de moldeo, el material de resina forma una matriz de resina que incorpora el refuerzo fibroso 6.

Como se ha descrito anteriormente, en algunas realizaciones, la capa de preforma 2 puede comprender un preimpregnado, en cuyo caso la una o más capas de preforma envuelta 2 pueden someterse a una temperatura elevada y, opcionalmente, aplicarse presión exterior a la superficie exterior del tubo alargado 20, para formar el árbol tubular alargado moldeado 36.

En otras realizaciones, el refuerzo fibroso seco 6 se envuelve alrededor del mandril 20 y, después de eso, antes o durante la etapa de moldeo, el material de resina se añade de manera que esté en contacto con el refuerzo fibroso 6 de la capa de preforma 6, por ejemplo, mediante infusión de resina líquida o proporcionando una capa de resina sólida coherente adyacente al refuerzo fibroso seco que se licúa durante el proceso de moldeo e impregna el refuerzo fibroso 6. Por consiguiente, durante la etapa de moldeo, el material de resina forma una matriz de resina que incorpora el refuerzo fibroso 6.

Después de la etapa de moldeo, el árbol tubular alargado 36 puede separarse del mandril 20 para formar un tubo hueco; como alternativa, el mandril 20, o una parte del mismo, puede retenerse dentro de la cavidad longitudinal central 40 del árbol tubular alargado 36 para formar un componente sólido. En uno u otro caso, el árbol tubular alargado 36 puede procesarse aún más para formar un producto deseado, por ejemplo, el árbol de palo de golf, una caña de pescar o cualquier otro artículo tubular alargado que pueda estar compuesto de manera útil por un material compuesto de matriz de resina reforzada con fibra.

Puesto que el borde interior 16 de la capa de preforma 2 está conformado y dimensionado de manera que, durante la etapa de envoltura, el borde interior 16 coincida continuamente con la superficie circunferencial exterior 26 del mandril 20, de este modo, el tubo alargado 28 comprende una pluralidad de capas envueltas 34 que forman una espiral 42 alrededor del eje longitudinal L-L, en donde cada capa envuelta 34 es paralela al eje longitudinal L-L, la forma y configuración de la capa de preforma 2 se predeterminan basándose en la geometría del tubo alargado, que puede prever que cada capa envuelta 34 esté libre de arrugas y que cada región de la capa envuelta 34 esté alineada consistentemente con el eje longitudinal L-L.

Esto proporciona una estructura de material compuesto de alta calidad en la que las orientaciones de las fibras y las configuraciones de las capas en el producto tubular moldeo se controlan con gran precisión y se logran de manera consistente a lo largo de toda la longitud del árbol tubular alargado 36.

De acuerdo con las realizaciones preferidas de la presente invención, la capa de preforma 2 está conformada y dimensionada de manera que cuando la capa de preforma 2 está en una configuración plana al menos una porción del borde interior 16 se define usando un sistema de coordenadas rectangular que tiene ejes x e y. El eje x es paralelo a un espaciado entre la primera y segunda porciones finales 12, 14, y paralelo al eje de giro R-R, y por lo tanto también paralelo al eje longitudinal L-L del mandril 20 alrededor del que se envuelve la capa de preforma 2. El eje y es paralelo a un espacio entre los bordes interno y externo 16, 18. Al menos una porción del borde interior 16 está definida por la relación:

Bn = f (xnB, ynB),donde

B es la posición del borde interior con respecto al sistema de coordenadas rectangulares;

n = el número de giros de la capa de preforma envuelta;

<XnB>= f<(Ci,>e),donde ci = circunferencia de la capa de preforma envuelta en Bn y e = espesor de la capa depreforma; y

y i = H n= i cí> donde i = el número total de giros de la capa de preforma envuelta en B.

En otras palabras, la forma y dimensiones del borde interior 16, a lo largo de su longitud relativa al eje longitudinal L-L, son una función tanto de la capa de preforma 2, en particular, del espesor de la capa de preforma 2 y del tubo alargado 28 que se forma, en particular, el número de giros de la capa de preforma envuelta 34 y la circunferencia de la capa de preforma envuelta 34, en cualquier posición dada a lo largo de la longitud del borde interior 16 con respecto al eje longitudinal L-L.

En la práctica, esta relación se puede determinar para cualquier geometría de mandril dada calculando la ubicación del borde interior 16 comenzando desde una posición en la que el borde interior 16 se une a la primera porción de extremo 12 de la capa de preforma 2, que es la parte del borde interior 16 que contacta inicialmente la superficie circunferencial exterior 26 del mandril 20 durante la etapa de envoltura.

Desde esa posición inicial, se realiza un cálculo de la ubicación deseada del borde interior 16 sobre la superficie circunferencial exterior 26 del mandril 20 después de un giro de envoltura, y este cálculo es una función de la diferencia en la circunferencia del mandril 20 en envoltura cero y después de un giro de envoltura, y la tasa de cambio de esa diferencia en la circunferencia. Para el segundo giro de envoltura se realiza un cálculo de la ubicación deseada del borde interior 16 sobre la superficie circunferencial exterior 26 del mandril 20 después del segundo giro de envoltura, y este cálculo es una función de la diferencia en la circunferencia del mandril 20 entre el primer y segundo giros de envoltura, la tasa de cambio de esa diferencia en la circunferencia y el espesor de la capa de preforma 2. Después de eso, la forma y las dimensiones del borde interior 16 se calculan para cada giro de envoltura sucesiva a lo largo de toda la longitud del borde interior 16.

Se realiza un cálculo correspondiente para el borde exterior 18 cuando la superficie circunferencial exterior 30 del tubo alargado 28 tiene una geometría no cilíndrica, por ejemplo, tiene una geometría que corresponde a la geometría del mandril 20. Sin embargo, si la superficie circunferencial exterior 30 del tubo alargado 28 tiene una geometría cilíndrica, el borde exterior 18 puede comprender un borde lineal paralelo al eje x, y de este modo, paralelo al eje longitudinal L-L del mandril 20.

Al predeterminar la geometría precisa de la capa de preforma 2 basándose en un análisis de cómo la capa de preforma 2 se envolvería progresivamente alrededor de una geometría de mandril dada, se pueden lograr capas envueltas 34 consistentemente reproducibles que coincidan exactamente con la geometría del mandril a lo largo de la longitud del mandril 20.

Puesto que la envoltura es perpendicular al eje de giro R-R, correspondiente al eje longitudinal L-L del mandril 20, la envoltura se puede realizar de forma sencilla y fiable mediante un sencillo sistema de control. Esto se debe a que al hacer coincidir geométricamente la forma y configuración de la capa de preforma 2, incluyendo el espesor de la capa de preforma 2, con la forma y configuración del mandril 20 y del tubo alargado resultante 28, esta coincidencia geométrica puede evitar parámetros de envoltura complicados y problemáticos.

Al contrario, por ejemplo, en un método convencional de formación de tubos, una cinta de preforma se enrolla helicoidalmente en un mandril en un ángulo de enrollamiento que forma un ángulo agudo con respecto al eje longitudinal. El diámetro externo del mandril determina el diámetro interno del tubo que se forma. A medida que cambia el diámetro del mandril, la cinta puede desalinearse fácilmente con respecto a las orientaciones de fibra deseadas. Por ejemplo, el cambio de diámetro del mandril y del tubo que se está formando provoca un cambio en el ángulo de la cinta con respecto a la superficie del mandril. Esto puede provocar arrugas en las capas envueltas y fibras desalineadas, y requiere un control complicado y cuidadoso, mediante sistemas de control asociados, del proceso de envoltura para evitar dicha desalineación de las fibras.

Por consiguiente, la presente invención proporciona un método confiable y consistente para fabricar tubos de material compuesto que tienen una orientación y alineación de fibras de alta calidad que se puede lograr usando un aparato de fabricación simple y de bajo coste.

En la Figura 1, la capa de preforma flexible 2 tiene una forma y unas dimensiones que se han determinado para permitir que la capa de preforma flexible 2 se envuelva alrededor de un mandril troncocónico 20 para formar un árbol tubular alargado 28 que es troncocónico y tiene un espesor de pared constante.

Con referencia a la Figura 2, la Figura 2a es una vista en planta de la capa de preforma 2 flexible de la Figura 1 mostrada en relación con los ejes x e y de un sistema de coordenadas rectangular. La Figura 2b muestra la capa de preforma flexible 2 después de envolverse alrededor del mandril troncocónico 20 para formar el tubo alargado 28, que posteriormente se moldea para formar el árbol tubular alargado 36, que es troncocónico y tiene un espesor de pared constante. El mandril troncocónico 20 tiene una sección transversal circular.

Como se ha descrito anteriormente, la etapa de envoltura envuelve progresivamente la capa de preforma flexible 2 sobre el mandril 20 desde la primera porción de extremo 12 hasta la segunda porción de extremo 14. En la Figura 2a, las líneas horizontales H indicadas en la capa de preforma 2 representan respectivamente el comienzo y el final de capas de envoltura sucesivas cada vez que se completa una revolución de envoltura. Se puede observar que a medida que avanza la envoltura desde la primera porción de extremo 12 hasta la segunda porción de extremo 14, la distancia de separación entre las líneas horizontales H aumenta progresivamente como resultado del aumento del diámetro de la superficie exterior 30 del tubo alargado 28 que procede del extremo de diámetro relativamente pequeño 37 al extremo de diámetro relativamente grande 39 del tubo alargado 28, y un aumento correspondiente en la circunferencia de cada capa envuelta sucesiva 34.

En la realización ilustrada de las Figuras 1 y 2, la superficie troncocónica 26 está inclinada en un ángulo a con respecto al eje longitudinal L-L del mandril 20. La capa de preforma 2 está conformada y dimensionada de manera que cuando la capa de preforma 2 está en una configuración plana, la porción curva del borde interior 16 se define, usando el sistema de coordenadas rectangulares como se ha descrito anteriormente, por la relación:

Bn = f (xnB, ynB), donde

n = el número de giros de la capa de preforma envuelta;

Xn = E n = i e/ tana ,donde e = espesor de la capa de preforma e i = número total de giros de la capa de preforma envuelta en B; y

v B _y n - i n

yn - ¿ n = i¿ i1' t udonde rn = radio del mandril en el giro n.

Para geometrías de tubos más complejas, esta fórmula se puede modificar fácilmente para definir la forma y las dimensiones de solo una parte de una capa de preforma 2, parte que está destinada a envolverse en menos de una revolución del mandril 20, por ejemplo, calculando una proporción de la circunferencia2nrn.

Con referencia a la Figura 3, esta Figura ilustra la envoltura de la capa de preforma 2 alrededor del mandril 20 para formar el tubo alargado 28 compuesto de varias capas envueltas 34. El mandril 20 es troncocónico con un ángulo de inclinación constante a con respecto al eje longitudinal del mandril 20. La capa de preforma 2 tiene un espesor constante y el tubo alargado resultante 28 tiene un espesor de pared constante. En la Figura 3, dentro de la ilustración del tubo alargado 28, las líneas horizontales representan capas envueltas sucesivas 34 de la capa de preforma 2 envuelta alrededor del mandril 20 para formar el tubo alargado 28.

A medida que la capa de preforma 28 se envuelve cilindricamente alrededor del mandril 20, el radio de cada línea<horizontal queda, por tanto, determinado por la siguiente ecuación, donde r>0<es el radio externo del mandril en el punto>de inicio y e es el espesor de la capa de preforma:

ri = ro e

n+1= n e

Cada línea horizontal está definida por dos puntos A y B que se intersecan respectivamente con el diámetro del tubo exterior y el diámetro del tubo interior con las siguientes coordenadas:

Con referencia a la Figura 4, esta Figura ilustra la forma y las dimensiones de la capa de preforma 2 usada para formar el tubo alargado 28 de la Figura 3 cuando la capa de preforma está en una configuración plana con respecto al sistema de coordenadas rectangulares como se describió anteriormente. La coordenada y de la capa de preforma 2 plana sin envolver, que se aplica tanto a los bordes interior como exterior 16, 18 en un número determinado de capas envueltas 34, se obtiene calculando la suma de todas las circunferencias de los perímetros de las capas envueltas anteriores 34.

En el caso de una sección circular, esto conduce a:

y i<=>y?<=>yi =2<■>n ■ rx

De nuevo, para geometrías de tubos más complejas, esta fórmula se puede modificar fácilmente para definir la forma y las dimensiones de solo una parte de una capa de preforma 2, parte que está destinada a envolverse en menos de una revolución del mandril 20, por ejemplo, calculando una proporción de la circunferencia2nrn.

Puesto que la envoltura es perpendicular al eje de giro R-R del mandril 20, la coordenada x del borde interior 16 se puede calcular como:

XnB = 2ñ=ie/tana, donde e = espesor de la capa de preforma e i = número total de giros de la capa de preforma envuelta en B.

La coordenada x del borde exterior 18 se puede calcular correspondientemente.

Por lo tanto, las coordenadas x, y de la capa de preforma 2 se pueden definir como:

A i ( x i l ’ r i ) y B i ( x ? , n )

En la realización ilustrada de las Figuras 1 y 2, un espesor convencional de la capa de preforma 2 es de 0,17 mm y normalmente el tubo alargado 28 tiene un espesor constante compuesto por 15 capas envueltas 34, es decir, un espesor de tubo convencional de aproximadamente 2,5 mm. Sin embargo, otros espesores de capa de preforma, espesores de tubo y números de capas envueltas 34 pueden usarse de acuerdo con la presente invención.

La Figura 14 ilustra esquemáticamente una parte de un árbol tubular alargado 300 compuesto de un material compuesto de matriz de resina reforzada con fibra 302 de acuerdo con una realización adicional de la presente invención. El árbol 300 comprende un cuerpo tubular alargado 304 que comprende una pila 306 de capas envueltas 308. Cada capa envuelta 308 comprende un refuerzo fibroso 310 en una matriz de resina 312.

En la Figura 14, para mayor claridad de la ilustración, las dimensiones de los distintos elementos no están a escala y están exageradas. De forma adicional, los bordes helicoidales de las capas 308 se muestran ortogonales al eje longitudinal del cuerpo tubular alargado 304, y por lo tanto las superficies troncocónicas interior y exterior del cuerpo tubular alargado 304 se muestran como escalonadas. Sin embargo, en la manifestación física de la realización, normalmente, las capas envueltas 308 tienen un espesor tan pequeño, y la resina ha fluido durante el proceso de moldeo de modo que está en contacto con toda la superficie circunferencial exterior del mandril y cualquier parte de molde exterior, de manera que, en el árbol tubular alargado moldeado 300, los bordes helicoidales de las capas parecerían a simple vista estar inclinados de forma suave y continua en las superficies exterior e interior de modo que estén alineados con la forma troncocónica general del árbol tubular alargado 300.

El cuerpo tubular alargado 304 tiene una superficie circunferencial alargada interior 314, que tiene una primera parte de superficie 316 que tiene una geometría no cilíndrica a lo largo de al menos una parte de una longitud del cuerpo tubular alargado 304. En esta realización, como también se muestra en la Figura 3, la geometría no cilíndrica es una forma troncocónica. El cuerpo tubular alargado 304 también tiene una superficie circunferencial alargada exterior 318, que, en esta realización, como también se muestra en la Figura 3, tiene una geometría no cilíndrica que es una forma troncocónica.

La pila 306 de capas envueltas 308 de refuerzo fibroso 310 comprende una capa fibrosa 320. La capa fibrosa 320 comprende al menos una capa del refuerzo fibroso 310.

En una realización preferida, el refuerzo fibroso 310 comprende fibras estructurales que están constantemente orientadas con respecto a un sistema de coordenadas cilíndricas alrededor del eje longitudinal L-L. Preferentemente, las fibras estructurales están comprendidas en una capa fibrosa unidireccional (UD).

La capa fibrosa 320 se envuelve en espiral alrededor de un eje longitudinal L-L del cuerpo tubular alargado 304 para formar la pila 306 de capas envueltas 308. Cada capa envuelta 308 es paralela al eje longitudinal L-L.

En una porción 322 de la pila 306 de capas envueltas 308 que rodean circunferencialmente la primera parte de superficie 316, la capa fibrosa 320 tiene una anchura no constante, como se muestra en la Figura 3, que varía de forma no lineal con un cambio en el radio de la superficie circunferencial alargada interior 314 en la porción 322.

El refuerzo fibroso 310 comprende fibras 324 que están, a lo largo de la longitud del cuerpo tubular alargado 304, orientadas constantemente con respecto a un sistema de coordenadas cilíndricas alrededor del eje longitudinal L-L del cuerpo tubular alargado 304. La orientación de las fibras en cualquiera de dichas porciones 322 es independiente de la geometría de las superficies circunferenciales alargadas interior y exterior 314, 318 de esa porción 322.

En esta realización, a lo largo de la primera parte de superficie 316 un borde interior 326 de la capa fibrosa 320 coincide con la superficie circunferencial interior 314 y forma una línea helicoidal interior continua HL3, que se extiende a lo largo de una pluralidad de capas envueltas 308. La línea helicoidal interior continua HL3 tiene un paso uniforme entre giros helicoidales sucesivos de las capas envueltas 308. La línea helicoidal interior continua HL3 normalmente se extiende a lo largo de al menos 10 de las capas envueltas 308.

En esta realización, como se muestra correspondientemente también en las Figuras 1 a 3 con respecto a la capa de preforma 2 usada para formar el cuerpo tubular alargado 304, al menos una porción 328 del borde interior 326 está curvada con respecto a un plano transversal T-T que se extiende ortogonalmente al eje longitudinal L-L. Normalmente, la porción curva 328 del borde interior 326 está curvada convexa con respecto a la capa fibrosa 320.

En esta realización, la superficie circunferencial alargada exterior 318 tiene una geometría no cilíndrica y el cuerpo tubular alargado 304 tiene un espesor constante a lo largo de al menos una parte de su longitud. En otras realizaciones, como se ilustra a continuación con respecto a las Figuras 9 a 13, la superficie circunferencial alargada exterior puede tener una geometría cilíndrica y/o el cuerpo tubular alargado puede tener un espesor no constante a lo largo de al menos una parte de su longitud.

La Figura 5 ilustra una realización adicional de la presente invención que es una modificación de la realización de las Figuras 2a y 2b. La Figura 5a es una vista en planta de la capa de preforma flexible 52 mostrada en relación con los ejes x e y del sistema de coordenadas rectangulares y la Figura 5b muestra la capa de preforma flexible 52 después de envolverse alrededor del mandril troncocónico 54 para formar el tubo alargado 56, que posteriormente se moldea para formar un árbol tubular alargado, que es troncocónico y tiene un espesor de pared constante. En comparación con la realización de las Figuras 2a y 2b, la única modificación es que la capa de preforma 52 comprende un orificio 58 que se extiende a través del espesor de la capa de preforma 52. El orificio 58 está situado hacia el interior de la primera y segunda porciones de extremo 12, 14 y de los bordes interior y exterior 16, 18. El orificio 58 es circular, pero puede tener cualquier otra forma y dimensiones. Como se muestra en la Figura 3b, la capa de preforma flexible 52 se puede envolver para formar el tubo alargado 56 y proporcionar una abertura, depresión o cavidad en el tubo alargado 56. En otras realizaciones, puede haber una pluralidad de orificios presentes.

La Figura 6 ilustra una realización adicional de la presente invención que es una modificación adicional de la realización de las Figuras 2a y 2b. La Figura 6a es una vista en planta de la capa de preforma flexible 62 mostrada en relación con los ejes x e y del sistema de coordenadas rectangulares y la Figura 6b muestra la capa de preforma flexible 62 después de envolverse alrededor del mandril troncocónico 64 para formar el tubo alargado 66, que posteriormente se moldea para formar un árbol tubular alargado, que es troncocónico y tiene un espesor de pared constante. En comparación con la realización de las Figuras 2a y 2b, la única modificación es que la capa de preforma 62 está compuesta por una primera y segunda porciones de capa 68, 70 de la misma. La primera porción de capa 68 se envuelve inicialmente alrededor del mandril 64 como se ha descrito anteriormente, y luego la segunda porción de capa 70 se envuelve posteriormente alrededor del mandril 64 como se ha descrito anteriormente y al menos parcialmente sobre la primera porción de capa 68. Opcionalmente se pueden proporcionar capas adicionales.

En la realización ilustrada, la primera y segunda porciones de capa 68, 70 tienen el mismo espesor, y de esta manera se forma un tubo alargado 66 de espesor constante. Sin embargo, la primera y segunda porciones de capa 68, 70 pueden tener diferentes espesores de modo que el tubo alargado 66 tiene primera y segunda regiones de espesores, preferentemente con una región de transición entre las mismas.

Como alternativa o adicionalmente, las primera y segunda porciones de capa 68, 70 pueden tener diferentes refuerzos de fibra, resinas, orientaciones, etc.

La Figura 7 ilustra una realización adicional de la presente invención que es una modificación adicional de la realización de las Figuras 2a y 2b. La Figura 7a es una vista en planta de la capa de preforma flexible 72 mostrada en relación con los ejes x e y del sistema de coordenadas rectangulares y la Figura 7b muestra la capa de preforma flexible 72 después de envolverse alrededor del mandril 74 para formar el tubo alargado 76, que posteriormente se moldea para formar un árbol tubular alargado, que tiene un espesor de pared constante. En comparación con la realización de las Figuras 2a y 2b, la única modificación es que el mandril 74, y, en consecuencia, el tubo alargado 76, no es troncocónico con una sección transversal circular, sino que es troncopiramidal con una sección transversal cuadrada.

Como se muestra en la Figura 7a, el perfil cuadrado del tubo alargado 76 se puede incorporar al cálculo de un perfil de borde oscilante 77 en los bordes interior y exterior 75, 79 de la capa de preforma 72.

En realizaciones alternativas, el mandril puede tener otras secciones transversales no circulares y puede tener cualquier otra sección regular (por ejemplo, poligonal, elípticas) o formas no regulares.

La Figura 8 ilustra una realización adicional de la presente invención que es una modificación adicional de la realización de las Figuras 2a y 2b. La Figura 8a es una vista en planta de la capa de preforma flexible 82 mostrada en relación con los ejes x e y del sistema de coordenadas rectangulares y la Figura 8b muestra la capa de preforma flexible 82 después de envolverse alrededor del mandril 84 para formar el tubo alargado 86, que posteriormente se moldea para formar un árbol tubular alargado, que tiene un espesor de pared constante. En comparación con la realización de las Figuras 2a y 2b, la única modificación es que se aumenta el espesor de la capa de preforma 82 y, en consecuencia, para un espesor dado del tubo alargado 86, se reduce el número de capas de envoltura.

En la realización de la Figura 8, un espesor convencional de la capa de preforma es de 0,215 mm y normalmente el tubo alargado tiene un espesor constante compuesto por 8 capas envueltas, es decir, un espesor de tubo convencional de aproximadamente 1,7 mm.

Se puede ver, a partir de una comparación de las Figuras 2 y 8, que al cambiar el espesor de la preforma también cambia la geometría de la curvatura de los bordes interior y exterior 85, 89 de la capa de preforma 82; esto es debido a que, como se ha descrito anteriormente, el espesor de la capa de preforma 82 es una variable en el cálculo de la forma y configuración de la capa de preforma 82 para producir una geometría de tubo alargado dada.

La Figura 9 ilustra una realización adicional de la presente invención que es una modificación adicional de la realización de las Figuras 2a y 2b. La Figura 9a es una vista en planta de la capa de preforma flexible 90 mostrada en relación con los ejes x e y del sistema de coordenadas rectangulares y la Figura 9b muestra la capa de preforma flexible 90 después de envolverse alrededor del mandril 91 para formar el tubo alargado 92, que posteriormente se moldea para formar un árbol tubular alargado, que tiene un espesor de pared no constante.

La capa de preforma 90 y el mandril 91 están formados y dimensionados para formar una superficie exterior cilíndrica 93 del tubo alargado 92. En particular, el borde exterior 94 es lineal y paralelo al eje de giro, en lugar de tener una curvatura cóncava como en la realización de las Figuras 2 a 8.

En comparación con la realización de las Figuras 2a y 2b, la superficie circunferencial exterior 95 del mandril 91 comprende además una superficie cilíndrica 96a, 96b adyacente a la superficie troncocónica 97 en al menos un extremo 98a, 98b de la superficie troncocónica 97. La capa de preforma 90 está conformada y dimensionada de modo que cuando la capa de preforma 90 está en una configuración plana, una segunda porción respectiva 99a, 99b del borde interior 100, que en la etapa de envoltura entra en contacto con la superficie cilíndrica 96a, 96b, es lineal y paralela al eje de giro y al eje longitudinal, en la etapa de envoltura.

La Figura 10 ilustra una realización adicional de la presente invención que es una modificación adicional de la realización de las Figuras 2a y 2b. La Figura 10a es una vista en planta de la capa de preforma flexible 102 mostrada en relación con los ejes x e y del sistema de coordenadas rectangulares y la Figura 10b muestra la capa de preforma flexible 102 después de envolverse alrededor del mandril 103 para formar el tubo alargado 104, que posteriormente se moldea para formar un árbol tubular alargado, que tiene un espesor de pared no constante.

La capa de preforma 102 y el mandril 103 están conformados y dimensionados para formar una primera y una segunda superficies exteriores cilíndricas 105a, 105b en extremos opuestos 106a, 106b del tubo alargado 104, y una superficie exterior cónica 105c interconecta la primera y segunda superficies exteriores cilíndricas 105a, 105b. De forma adicional, la primera y segunda superficies exteriores cilíndricas 105a, 105b son exteriores a la primera y segunda porciones de pared cilíndricas respectivas 101a, 101b. La primera porción de pared cilíndrica 101a tiene un espesor de pared que es mayor que el espesor de pared de la segunda porción de pared cilíndrica 101b. La superficie exterior cónica 105c es exterior a una porción de pared cónica 101c cuyo espesor de pared aumenta progresivamente de la primera porción de pared cilíndrica 101a a la segunda porción de pared cilíndrica 101b.

La capa de preforma 102 está conformada y dimensionada de modo que cuando la capa de preforma 102 está en una configuración plana, una segunda porción respectiva 107a, 107b del borde interior 108, que en la etapa de envoltura entra en contacto con las superficies cilíndricas 109a, 109b del mandril 103, es lineal y paralela al eje de giro y al eje longitudinal en la etapa de envoltura. De forma adicional, la capa de preforma 102 está conformada y dimensionada de manera que el borde exterior 110 comprende una porción curva central 112 entre porciones lineales opuestas 113a, 113b. Cada porción lineal opuesta respectiva 113a, 113b del borde exterior 110, que en la etapa de envoltura se aleja de las superficies cilíndricas 109a, 109b del mandril 103, es lineal y paralela al eje de giro y al eje longitudinal en la etapa de envoltura.

La Figura 11 ilustra una realización adicional de la presente invención que es una modificación adicional de la realización de las Figuras 2a y 2b. La Figura 11a es una vista en planta de la capa de preforma flexible 115 mostrada en relación con los ejes x e y del sistema de coordenadas rectangulares y la Figura 11b muestra la capa de preforma flexible 115 después de envolverse alrededor del mandril 116 para formar el tubo alargado 117, que posteriormente se moldea para formar un árbol tubular alargado, que tiene un espesor de pared no constante.

El borde interior 118 de la capa de preforma 115 y el mandril 116 tienen la misma forma y dimensiones que para la realización de las Figuras 2a y 2b para tener un ángulo de inclinación constante para una forma troncocónica. Sin embargo, el borde exterior 119 de la capa de preforma 115 está conformado y dimensionado para formar una superficie exterior 120 del tubo alargado 117 que tiene geometría y dimensiones variables. En particular, la superficie exterior 120 tiene una primera porción cilindrica 121, una primera porción inclinada 122 en un primer ángulo de inclinación, una segunda porción inclinada 123 en un segundo ángulo de inclinación, una tercera porción inclinada 124 en un tercer ángulo de inclinación, una cuarta porción inclinada 125 en un cuarto ángulo de inclinación, una segunda porción cilíndrica 126 y una quinta porción inclinada 127 en un quinto ángulo de inclinación.

Usando los cálculos descritos anteriormente para las realizaciones anteriores, el borde exterior 119 de la capa de preforma 115 está conformado y dimensionado para proporcionar una primera porción lineal 131 para formar la primera porción cilíndrica 121, una primera porción curva 132 para formar la primera porción inclinada 122, una segunda porción curvada 133 para formar la segunda porción inclinada 123, una tercera porción curvada 134 para formar la tercera porción inclinada 124, una cuarta porción curvada 135 para formar la cuarta porción inclinada 125, una segunda porción lineal 136 para formar la segunda porción cilíndrica 126 y una quinta porción curva 137 para formar la quinta porción inclinada 127.

La Figura 12 ilustra una realización adicional de la presente invención que es una modificación adicional de la realización de las Figuras 2a y 2b. La Figura 12a es una vista en planta de la capa de preforma flexible 140 mostrada en relación con los ejes x e y del sistema de coordenadas rectangulares y la Figura 12b muestra la capa de preforma flexible 140 después de envolverse alrededor del mandril 142 para formar el tubo alargado 144, que posteriormente se moldea para formar un árbol tubular alargado, que tiene un espesor de pared no constante.

El mandril 142 tiene la misma forma y dimensiones que para la realización de las Figuras 2a y 2b para tener un ángulo de inclinación constante para una forma troncocónica, excepto que el mandril 142 incorpora una protuberancia circunferencial exterior 148 que tiene caras troncocónicas inclinadas opuestamente 150, 152, que tienen diferentes ángulos de inclinación con respecto al eje longitudinal del mandril 142, en los bordes opuestos de una cara inclinada central 154.

Usando los cálculos descritos anteriormente para las realizaciones anteriores, el borde interior 156 de la capa de preforma 140 tiene porciones curvas inferior y superior opuestas 158, 160 para envolverse alrededor de las porciones inclinadas inferior y superior 162, 164 del mandril 142 en bordes opuestos de la protuberancia 148. El borde interior 156 tiene además una muesca 166 orientada hacia dentro para envolver la protuberancia 148. La muesca 166 está definida por una primera porción curva 168 para envolver la cara troncocónica inferior 150, una segunda porción curva 170 para envolver la cara inclinada central 154, y una tercera porción curva 172 para envolver la cara troncocónica superior 152.

El borde exterior 174 de la capa de preforma 140 es lineal y paralelo al eje de giro para formar una superficie exterior 176 del tubo alargado 144 que es cilíndrico, como en la realización de la Figura 9.

La Figura 13 ilustra una realización adicional de la presente invención que es una modificación adicional de la realización de la Figura 12. La Figura 13a es una vista en planta de la capa de preforma flexible 180 mostrada en relación con los ejes x e y del sistema de coordenadas rectangulares y la Figura 13b muestra la capa de preforma flexible 180 después de envolverse alrededor del mandril 182 para formar el tubo alargado 184, que posteriormente se moldea para formar un árbol tubular alargado, que tiene un espesor de pared no constante.

El mandril 182 tiene la misma forma y dimensiones que para la realización de la Figura 12 para tener un ángulo de inclinación constante para una forma troncocónica, excepto que el mandril 182 incorpora una protuberancia circunferencial exterior 186 que tiene una ranura reentrante 188. La protuberancia 186 tiene caras troncocónicas inclinadas opuestamente 190, 192, que tienen diferentes ángulos de inclinación respecto al eje longitudinal del mandril 182, en lados opuestos de una cara cilíndrica central 194 y la ranura 188 está definida por una cara inclinada reentrante 196 que se conecta entre la cara troncocónica 192 y la superficie troncocónica exterior primaria 198 del mandril con forma troncocónica 182.

Usando los cálculos descritos anteriormente para las realizaciones anteriores, el borde interior 200 de la capa de preforma 180 tiene porciones curvas inferior y superior opuestas 202, 204 para envolverse alrededor de las porciones inclinadas inferior y superior 206, 208 del mandril 182 en lados opuestos de la protuberancia 186. El borde interior 200 tiene además una muesca 210 orientada hacia dentro para envolver la protuberancia 186. La muesca 210 está definida por una primera porción curva 212 para envolver la cara troncocónica inferior 190, una primera porción lineal 214 para envolver la cara cilíndrica central 194, una segunda porción curva 216 para envolver la cara troncocónica superior 192, y una tercera porción curva 218 para rellenar la ranura 188 entre la cara inclinada reentrante 196 y la porción inclinada superior 208 de la superficie troncocónica exterior primaria 198.

El borde exterior 220 de la capa de preforma 180 es lineal y paralelo al eje de giro para formar una superficie exterior 222 del tubo alargado 184 que es cilíndrico, como en la realización de la Figura 12.

El método para fabricar el árbol tubular alargado compuesto de un material compuesto de matriz de resina reforzada con fibra de acuerdo con la presente invención no se limita a las realizaciones detalladas anteriormente. En particular, en otras realizaciones (no mostradas) de la presente invención, el mandril puede tener cualquier combinación de formas circunferenciales, dimensiones y formas transversales. El número de capas de preforma enrolladas alrededor del mandril también puede ser mayor que uno. Asimismo, el número de capas de la capa de preforma puede ser uno o más de uno y la orientación de las fibras de las capas con respecto a la dirección de la capa de preforma que es paralela al eje de giro puede ser cualquier ángulo adecuado para proporcionar un rendimiento deseado de la estructura de material compuesto. En algunas realizaciones preferidas del método de la presente invención, debe elegirse con el fin de formar una estructura de material compuesto reforzado con fibra, una proporción (por ejemplo, en peso) de fibras unidireccionales que tienen una dirección a lo largo del eje del árbol tubular, que son beneficiosas para el rendimiento principal de la estructura de material compuesto, mayor que la proporción (por ejemplo, en peso) de fibras, que opcionalmente pueden ser fibras unidireccionales, oblicuamente orientadas con respecto a esa dirección.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un método de fabricación de un árbol tubular alargado compuesto de un material compuesto de matriz de resina reforzada con fibra, comprendiendo el método las etapas de:

a) proporcionar un mandril alargado (20), teniendo el mandril un eje longitudinal (L-L), primero y segundo extremos opuestos (22, 24) que están espaciados mutuamente a lo largo del eje longitudinal, y una superficie circunferencial exterior (26) que no es cilíndrica a lo largo de al menos una parte de una longitud del mandril que se extiende a lo largo del eje longitudinal;

b) proporcionar una capa de preforma (2) que comprende un refuerzo fibroso (6), teniendo la capa de preforma una primera y segunda porciones de extremo (12, 14), que están espaciadas entre sí, y los bordes interior y exterior (16, 18), que están espaciados entre sí, extendiéndose los bordes interior y exterior desde la primera porción de extremo hacia la segunda porción de extremo, en donde cuando la capa de preforma está en una configuración plana al menos el borde interior no es lineal y el espaciamiento entre los bordes interior y exterior varía a lo largo de una longitud de la capa de preforma que se extiende entre la primera y segunda porciones de extremo;

c) ubicar la primera porción de extremo de la capa de preforma adyacente al primer extremo del mandril en una configuración inicial en la que el borde interior está orientado hacia el mandril y el borde exterior está orientado lejos del mandril;

d) envolver la capa de preforma alrededor del mandril de modo que la superficie circunferencial exterior del mandril se cubre progresivamente con la capa de preforma envuelta para formar un tubo alargado (28), en donde en el tubo alargado, el borde interior contacta la superficie circunferencial exterior del mandril y el borde exterior está situado en una superficie circunferencial exterior (30) del tubo alargado, en donde durante la etapa de envoltura, el mandril y la capa de preforma giran relativamente alrededor de un eje de giro que se encuentra a lo largo del eje longitudinal del mandril y la capa de preforma se alimenta continuamente, de la primera porción de extremo a la segunda porción de extremo de la capa de preforma, sobre el mandril a lo largo de una trayectoria de alimentación (32) que es perpendicular al eje longitudinal del mandril; y

e) moldear el tubo alargado sobre el mandril para formar un árbol tubular alargado (36) compuesto de un material compuesto de matriz de resina reforzada con fibra (38) formado a partir de la capa de preforma;

en donde antes o durante la etapa e) se proporciona un material de resina (8) en contacto con el refuerzo fibroso de la capa de preforma, y durante la etapa e) el material de resina forma una matriz de resina que incorpora el refuerzo fibroso;

en donde en la etapa b) el borde interior de la capa de preforma se conforma y dimensiona de manera que en la etapa d) el borde interior coincide continuamente con la superficie circunferencial exterior del mandril y el tubo alargado comprende una pluralidad de capas envueltas (34) que forman una espiral (42) alrededor del eje longitudinal, en donde cada capa envuelta es paralela al eje longitudinal.

2. El método de la reivindicación 1, en donde cada capa envuelta (34) está libre de arrugas y cada región de la capa envuelta está alineada consistentemente con el eje longitudinal (L-L).

3. El método de la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en donde en la etapa d) a lo largo de al menos una parte de la longitud del tubo alargado (28) un contacto entre al menos una porción del borde interior (16) y una región de la superficie circunferencial exterior (26) del mandril (20) que no es cilíndrica forma una línea helicoidal interior continua (HL1), que se extiende a lo largo de una pluralidad de capas envueltas (34), que es coincidente con la superficie circunferencial exterior del mandril,

opcionalmente, en donde (i) la línea helicoidal interior continua tiene un paso uniforme entre giros helicoidales sucesivos de las capas envueltas y/o (ii) la línea helicoidal interior continua se extiende a lo largo de al menos 2 capas envueltas de la capa de preforma envuelta (2).

4. El método de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en donde en la etapa b) la capa de preforma (2) se forma y dimensiona de manera que cuando la capa de preforma está en una configuración plana al menos una porción del borde interior (16) se curva,

opcionalmente, en donde en la etapa b) la capa de preforma se forma y dimensiona de manera que cuando la capa de preforma está en una configuración plana la porción del borde interior se curva de forma cóncava.

5. El método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la superficie circunferencial exterior (26, 97, 150) que no es cilíndrica es troncocónica, en donde (i) la superficie circunferencial exterior (95) comprende, además, una superficie cilíndrica (96a, 96b) adyacente a la superficie troncocónica (97) en al menos un extremo (98a, 98b) de la superficie troncocónica, y en la etapa b) la capa de preforma (90) se conforma y dimensiona de manera que cuando la capa de preforma está en una configuración plana una segunda porción (99a, 99b) del borde interior (100), que en la etapa d) entra en contacto con la superficie cilíndrica (96a, 96b), es lineal y paralela al eje longitudinal en las etapas c) y d) y/o (ii) la superficie circunferencial exterior comprende además una segunda superficie troncocónica (152) inclinada en una dirección opuesta a la superficie troncocónica, estando la segunda superficie troncocónica adyacente o espaciada de un extremo de la superficie troncocónica, y en la etapa b) la capa de preforma (140) está conformada y dimensionada de modo que cuando la capa de preforma está en una configuración plana, una tercera porción (172) del borde interior, que en la etapa d) entra en contacto con la segunda superficie troncocónica, es parte de una abertura cóncava (166) cortada en el borde interior (156) e inclinada con respecto al eje longitudinal en los pasos c) y d).

6. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde en la etapa b) la capa de preforma (2) se forma y dimensiona de manera que cuando la capa de preforma está en una configuración plana, al menos una porción del borde exterior (18), opuesta al borde interior (16), se curva, y en donde en la etapa d) a lo largo de al menos una parte de la longitud del tubo alargado (28) la porción curva del borde exterior forma una línea helicoidal exterior continua (HL2),

opcionalmente, en donde (i) la porción del borde exterior se curva de forma cóncava y/o curva de forma convexa y/o (ii) en la etapa d) a lo largo de al menos una parte de la longitud del tubo alargado, un contacto entre al menos una porción del borde interior y una región de la superficie circunferencial exterior (26) del mandril (20) que no es cilíndrica forma una línea helicoidal interior continua (HL1), que se extiende a lo largo de una pluralidad de capas envueltas (34), que es coincidente con la superficie circunferencial exterior del mandril, y la línea helicoidal exterior continua es equidistante de la línea helicoidal interior continua a lo largo de la pluralidad de capas envueltas de modo que el tubo alargado tiene un espesor constante a lo largo de su parte.

7. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde en la etapa b) la capa de preforma (90) se forma y dimensiona de manera que cuando la capa de preforma está en una configuración plana al menos una porción del borde exterior (94) es lineal, y en donde en las etapas c) y d) la porción lineal del borde exterior es paralela al eje longitudinal (L-L) en las etapas c) y d) y la superficie exterior (93) del tubo alargado (92) formado por la porción lineal es cilíndrica,

opcionalmente, en donde (i) la superficie circunferencial exterior comprende, además, una superficie cilíndrica (97; 109a, 109b) adyacente a la superficie troncocónica en al menos un extremo (98a, 98b) de la superficie troncocónica, y en la etapa b) la capa de preforma (90, 102) se conforma y dimensiona de manera que cuando la capa de preforma está en una configuración plana una segunda porción (99a, 99b; 107a, 107b) del borde interior (100; 108), que en la etapa d) entra en contacto con la superficie cilíndrica, es lineal y paralela al eje longitudinal en las etapas c) y d) y/o (ii) la superficie circunferencial exterior comprende además una segunda superficie troncocónica (152) inclinada en una dirección opuesta a la superficie troncocónica (150), estando la segunda superficie troncocónica adyacente o espaciada de un extremo de la superficie troncocónica, y la capa de preforma (140) está conformada y dimensionada de modo que cuando la capa de preforma está en una configuración plana, una tercera porción (172) del borde interior (156), que en la etapa d) entra en contacto con la segunda superficie troncocónica, es parte de una abertura cóncava (166) cortada en el borde interior e inclinada con respecto al eje longitudinal en los pasos c) y d).

8. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el refuerzo fibroso (6) comprende fibras estructurales que durante la etapa c) están alineadas en paralelo con el eje longitudinal (L-L) y durante la etapa d) se mantienen constantemente orientadas con respecto a un sistema de coordenadas cilíndricas alrededor del eje longitudinal,

opcionalmente, en donde las fibras estructurales están comprendidas en una capa fibrosa unidireccional (UD).

9. Un árbol tubular alargado (300) compuesto de un material compuesto de matriz de resina reforzada con fibra (302), comprendiendo el árbol un cuerpo tubular alargado (304) que comprende una pila (306) de capas envueltas (308), comprendiendo cada capa envuelta un refuerzo fibroso (310) en una matriz de resina (312), teniendo el cuerpo tubular alargado una superficie circunferencial alargada interior (314), que tiene una primera parte de superficie (316) que tiene una geometría no cilíndrica a lo largo de al menos una parte de una longitud del cuerpo tubular alargado, y una superficie circunferencial alargada exterior (318), en donde la pila de capas envueltas de refuerzo fibroso comprende una capa fibrosa (320), comprendiendo la capa fibrosa al menos una capa del refuerzo fibroso, envolviéndose la capa fibrosa en espiral alrededor de un eje longitudinal (L-L) del cuerpo tubular alargado para formar la pila de capas envueltas en donde cada capa envuelta es paralela al eje longitudinal, en donde en una porción (322) de la pila de capas envueltas que rodean circunferencialmente la primera parte de superficie, la capa fibrosa tiene una anchura no constante que varía de manera no lineal con un cambio en el radio de la superficie circunferencial alargada interior en la porción, y en donde el refuerzo fibroso comprende fibras (324) que están, a lo largo del cuerpo tubular alargado, orientadas constantemente con respecto a un sistema de coordenadas cilíndricas alrededor del eje longitudinal del cuerpo tubular alargado, siendo la orientación de las fibras en cualquiera de dichas porciones (322) independiente de la geometría de las superficies circunferenciales alargadas interior y exterior (314, 318) de esa porción.

10. El árbol tubular alargado de acuerdo con la reivindicación 9, en donde a lo largo de la primera parte de superficie un borde interior (326) de la capa fibrosa (320) coincide con la superficie circunferencial interior (314) y forma una línea helicoidal interior continua (HL3), que se extiende a lo largo de una pluralidad de capas envueltas (308), opcionalmente, en donde (i) la línea helicoidal interior continua tiene un paso uniforme o no uniforme entre giros helicoidales sucesivos de las capas envueltas y/o (ii) la línea helicoidal interior continua se extiende a lo largo de al menos 10 de las capas envueltas.

11. El árbol tubular alargado de acuerdo con la reivindicación 9 o la reivindicación 10, en donde al menos una porción del borde interior (326) se curva con respecto a un plano transversal que se extiende ortogonalmente al eje longitudinal (L-L),

opcionalmente, en donde la porción curva del borde interior se curva de manera convexa con respecto a la capa fibrosa (320).

12. El árbol tubular alargado de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 9 a 11, en donde la primera parte de superficie (316) es troncocónica.

13. El árbol tubular alargado de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 9 a 12, en donde la superficie circunferencial alargada interior (314) comprende además una superficie cilíndrica, que está adyacente a la primera parte de superficie (316) en al menos un extremo de la primera parte de superficie, y la capa fibrosa (320) tiene una porción de extremo que define la superficie cilíndrica, y tiene un borde que es lineal y paralelo al eje longitudinal (L-L).

14. El árbol tubular alargado de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 9 a 13, en donde la superficie circunferencial alargada interior (314) comprende además una segunda parte de superficie que tiene una geometría no cilíndrica y está inclinada en una dirección opuesta a la primera parte de superficie (316), estando la segunda parte de superficie adyacente o separada de un extremo de la primera parte de superficie.

15. El árbol tubular alargado de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 9 a 14, en donde el refuerzo fibroso (310) comprende fibras estructurales que están orientadas constantemente con respecto a un sistema de coordenadas cilíndricas alrededor del eje longitudinal (L-L) del cuerpo tubular alargado (304),