ES2451940A1 - Procedimiento y útil de encintado empleado en la fabricación de piezas de material compuesto - Google Patents

Procedimiento y útil de encintado empleado en la fabricación de piezas de material compuesto Download PDF

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Ruth CHINARRO VERA
Francisco Escobar Benavides
Pedro Nogueroles Viñes
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Abstract

Procedimiento de fabricación de piezas de material compuesto (1) que comprende una primera etapa y una segunda etapa, donde la primera etapa comprende un encintado mediante Posicionamiento de Fibras (FP), sobre la superficie exterior de un útil de encintado (2), de forma que se obtiene al menos un laminado (3) con una geometría diferente a la geometría final de la pieza y un conformado del al menos un laminado (3) obtenido en el encintado mediante un útil de conformado (11), de forma que el laminado (3) adquiere la geometría final de la pieza (1); y la segunda etapa comprende un curado de la al menos una pieza (1) obtenida en la primera etapa.

Description

Objeto de la invención
La presente invención describe un procedimiento para la fabricación de piezas de material compuesto de sección abierta y un dispositivo de encintado de dichas piezas, empleando la tecnología del posicionamiento de tiras, con 10 el que se consigue un aumento de la tasa de producción respecto a los procedimientos actualmente en uso y un aumento de la calidad dimensional de las piezas obtenidas. Con el fin de lograr este propósito, el dispositivo incluye una configuración que permite el encintado de más de un laminado al mismo tiempo, obteniendo con dicho encintado al menos un laminado con una geometría diferente a la de la pieza final, al que se somete a un conformado posterior, que proporciona la geometría final a la pieza. Es de aplicación en el campo técnico de la
15 fabricación de piezas de material compuesto, especialmente en la industria aeronáutica.
Antecedentes de la invención y problema técnico a resolver
En la aeronáutica moderna los materiales compuestos se vienen utilizando muy a menudo en la fabricación de
20 multitud de piezas de aeronaves. Este tipo de materiales, que presentan unas propiedades muy específicas, permiten producir piezas de aeronaves ligeras, resistentes y duraderas.
Existen varios procedimientos para la fabricación de piezas en materiales compuestos, entre los que pueden destacarse el encintado en plano o de poca curvatura (o ATL, de sus siglas en inglés Automated Tape Lay up) y
25 el posicionamiento de fibras (o FP, del inglés Fiber Placement) para piezas de gran curvatura.
En general, mediante la tecnología ATL se fabrican piezas planas o con una pequeña curvatura. Estas piezas posteriormente se curan directamente, si la geometría de la pieza tras el encintado es igual a la geometría final, o en caso contrario, se someten a un conformado para obtener la geometría final, antes de someterse a un ciclo de
30 curado.
Para la fabricación de piezas que presentan simetría de revolución o una geometría complicada, se emplean las técnicas de FP, encintando mediante un cabezal móvil y sobre un útil que rota respecto a un eje.
35 Mediante la técnica de FP actualmente empleada se obtiene una pieza encintada con una geometría lo suficientemente similar a la geometría final como para poder someterla a un ciclo de curado sin necesitar un conformado intermedio. Para ello el útil de encintado tiene una superficie exterior que responde a la geometría final de la pieza deseada.
40 Como es conocido, la técnica de FP es un proceso en el que se disponen tiras de material preimpregnado sobre un útil de encintado, obteniéndose una pieza con una geometría previamente establecida. Para el posicionamiento de las tiras sobre la superficie del útil se utiliza un brazo robótico que se desplaza a lo largo del citado útil, lo que, unido a la rotación del útil, permite colocar las tiras de material preimpregnado en la posición y en la orientación deseadas. En la técnica de FP actualmente empleada, una vez posicionada una tira, se
45 requiere el corte de la misma y una posterior recolocación del brazo robótico para volver a iniciar la colocación de otra nueva tira en otra dirección determinada. En definitiva, este sistema de fabricación de piezas de material compuesto implica paradas y recolocaciones del brazo robótico así como del útil de encintado sobre el que se colocan las tiras de material preimpregnado cada vez que se llega al final de un tramo de tira.
50 En piezas de sección abierta, las tiras de material preimpregnado que se emplean en el encintado son de menor longitud que las tiras que se emplean en el encintado de piezas de sección cerrada, por lo que el número de paradas de la máquina es elevado, lo que conlleva mayores pérdidas de tiempo.
Con la tecnología de FP actualmente en uso, la tasa de producción está limitada ya que, al tener el útil de
55 encintado la geometría final de la pieza, solamente se puede encintar una pieza cada vez que se realiza un encintado.
El objetivo de la presente invención es desarrollar un procedimiento mediante el cual se obtienen piezas abiertas que aumenta la productividad y la flexibilidad del proceso actual, obteniendo piezas de mayor calidad
60 dimensional. Esto se consigue mediante la combinación de un encintado mediante FP sobre un útil de encintado con una geometría diferente a la de la pieza final que se quiere conseguir en la que los ángulos entre lados sean mayores que en la pieza final, seguido de un conformado posterior mediante el cual se alcanza la geometría final de la pieza.
Descripción de la invención
La presente invención describe un procedimiento y un nuevo dispositivo de encintado de piezas de material compuesto utilizando la técnica de posicionamiento de fibras.
El procedimiento de fabricación de piezas de material compuesto objeto de la invención comprende una primera etapa y una segunda etapa.
La primera etapa del procedimiento comprende un encintado mediante Posicionamiento de Fibras (FP), sobre la superficie exterior de un útil de encintado, de forma que se obtiene al menos un laminado con una geometría diferente a la geometría final de la pieza y un conformado del laminado obtenido en el proceso anterior mediante un útil de conformado, de forma que se adquiere la geometría final de la pieza.
La segunda etapa comprende un curado de la al menos una pieza obtenida en la primera etapa.
En una realización del procedimiento de fabricación de piezas de material compuesto objeto de la invención, durante el encintado de la primera etapa, el brazo robótico deposita tiras de material preimpregnado de forma continua cubriendo toda la superficie exterior del útil de encintado, obteniéndose un único laminado, el cual, posteriormente, se corta para obtener al menos dos laminados con geometrías diferentes a la geometría final de la pieza que, tras el conformado pasarán a convertirse en piezas individuales.
En una realización del procedimiento de fabricación de piezas de material compuesto objeto de la invención, durante el encintado de la primera etapa el brazo robótico deposita tiras de material preimpregnado alrededor de la superficie exterior del útil de encintado de manera individual para cada laminado que formará posteriormente una pieza, requiriéndose un corte y una recolocación de dicho brazo al llegar al final de cada tira que forma parte de una capa de un laminado. En una realización del procedimiento de fabricación de piezas de material compuesto objeto de la invención, el útil de encintado tiene una geometría tal que permite encintar al menos un laminado con la geometría final de la pieza, sin necesidad de realizar una etapa de conformado posterior previa al curado de la pieza.
En el procedimiento de fabricación de piezas de material compuesto previamente a realizar el encintado, se aplica una capa adherente sobre la superficie exterior del útil de encintado.
La sección transversal del útil de encintado empleado en la primera etapa es una sección poligonal que permite obtener, simultáneamente, varios laminados. Dichas sección puede ser un polígono regular o irregular en función de si las piezas que se fabrican son iguales o no.
En una realización particular de la invención los lados de dicho polígono son curvos y las esquinas entre dichos lados están redondeadas.
Descripción de los dibujos
Para completar la descripción y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características del invento, se acompaña a esta memoria descriptiva, como parte integrante de la misma, un conjunto de dibujos en dónde, con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
La figura 1 es una figura esquemática del proceso de encintado mediante FP tradicional de piezas de sección en
U.
La figura 2 muestra un esquema del encintado de tres laminados a la vez mediante el proceso objeto de la presente invención.
La figura 3 muestra una vista de la sección transversal de un útil de encintado hexagonal empleado en la fabricación de piezas de sección en U mediante el procedimiento objeto de la invención con tres laminados a su alrededor
La figura 4 muestra una vista para el caso de piezas con sección en U de un laminado encintado colocado sobre el útil empleado para realizar un conformado posterior al encintado.
La figura 5 muestra una vista como la descrita en la figura 4, pero con la pieza resultante tras el proceso de conformado.
La figura 6 muestra una pieza con sección en U.
Las figuras 6A y B ilustran las dos posibilidades que ofrece el procedimiento objeto de la invención para fabricar piezas en U: en el caso de la figura 6A la primera etapa comprende un encintado en el que se obtiene un
laminado con una geometría diferente a la final y un conformado posterior en la que se le da a dicho laminado la geometría final de la pieza, mientras que en la figura 6B se emplea un útil de encintado con la geometría final de la pieza para obtener un laminado con dicha geometría sin necesidad de un conformado posterior.
La figura 7 muestra una pieza con una sección en U con unas alas en los extremos libres de dicha U. De forma análoga a las figuras 6A y B, las figuras 7A y B muestran las dos posibilidades que ofrece el procedimiento objeto de la invención para fabricar piezas como la mostrada en la figura 7.
La figura 8 muestra otro tipo de pieza que se puede fabricar con el procedimiento objeto de la invención y el útil que se emplea para su encintado.
A continuación se proporciona una lista de los distintos elementos representados en las figuras que integran la
invención:
1.-Pieza.
2.-Útil de encintado.
3.-Laminado.
4.-Brazo robótico.
6.-Eje.
7.-Sección transversal del útil.
9.-Ángulos.
10.-Tira de material preimpregnado.
11.-Útil de conformado.
Descripción detallada de la invención
Como se ha mencionado, la técnica de posicionamiento de fibras (del inglés Fiber Placement -FP) es un proceso conocido en el estado de la técnica, especialmente indicado para la fabricación de piezas (1) de doble curvatura. En la técnica de FP un brazo robótico (4) posiciona tiras de material preimpregnado (10) sobre una superficie exterior de un útil de encintado (2) que replica la geometría de la pieza que se pretende fabricar. En la figura 1 se puede observar un ejemplo de este proceso. Antes de que el brazo robótico (4) comience a posicionar las tiras de material preimpregnado (10) sobre el útil de encintado (2), se aplica una capa adherente en la superficie exterior del útil de encintado (2), que está girando alrededor de su eje (6). El objetivo de esta capa adherente es fijar adecuadamente la pieza de material compuesto (1) sobre dicha superficie exterior del útil de encintado (2) evitando desplazamientos no deseados de las tiras de material preimpregnado (10) en el momento de su colocación.
La invención propone un procedimiento para la fabricación de piezas (1) de material compuesto de sección abierta mediante la técnica del posicionamiento de fibras, que aumenta la productividad y la calidad dimensional de las piezas obtenidas respecto al procedimiento empleado hasta ahora.
El procedimiento objeto de la invención comprende dos etapas. La primera etapa comprende un encintado, mediante Posicionamiento de Fibras (FP) sobre la superficie exterior de un útil de encintado (2), de forma que se obtiene al menos un laminado (3) con una geometría diferente a la geometría final de la pieza (1) y un conformado de dichos laminados de forma individual sobre un útil de conformado (11) de forma que éstos adquieran la geometría final de la pieza (1). La segunda etapa consiste en el curado de las piezas (1) obtenidas en la etapa anterior.
El procedimiento objeto de la invención permite una mayor productividad y flexibilidad en la fabricación, ya que permite, con un mismo útil de encintado (2), diseñado adecuadamente, encintar un número de laminados (3) distinto en función de las necesidades particulares de cada momento de producción.
La sección (7) del útil de encintado (2) empleado es una sección poligonal, pudiendo ser un polígono regular, para la fabricación de piezas (1) de idéntica geometría (como puede observarse en las figuras 6A y 6B) o un polígono irregular, para la fabricación de piezas (1) de geometrías distintas (como puede observarse en la figura 8). Es clave en la realización de la invención señalar la posibilidad de que la sección transversal del útil (7) que es poligonal, pueda ser tanto de lados curvos como tener radios de acuerdo entre los lados para piezas (1) que requieran estas geometrías.
La primera etapa del procedimiento objeto de la invención ofrece dos posibilidades: encintar un menor número de laminados (3), adquiriendo directamente su geometría final, o encintar un mayor número de laminados (3) con una geometría diferente a la final, pero que requiere un conformado posterior de cada uno de los laminados (3) para llegar a su geometría final.
El elegir una u otra opción al realizar la primera etapa de encintado, depende de las necesidades productivas de piezas (1) de material compuesto de la planta de fabricación.
Para piezas con sección en U como la mostrada en la figura 6, estas dos posibilidades quedan ilustradas en las figuras 6A y 6B, junto con las figuras 4 y 5 que ilustran la etapa del conformado posterior.
La primera opción, ilustrada en la figura 6A consiste en el encintado de cuatro laminados (3) con una geometría 5 diferente a la de la pieza final, mediante un útil de encintado con sección octogonal (2),de forma que los ángulos
(9) entre los lados de los laminaos son mayores que en la pieza final (1), seguida de un conformado individual, ilustrado en las figuras 4 y 5 de dichos laminados (3) mediante un útil de conformado con sección cuadrada (11) que dota a cada laminado de la geometría final de la pieza (1). Esta operación de conformado es rápida y requiere poca energía. Al haber quedado marcados los ángulos (9) a doblar durante el encintado con unas líneas
10 de doblado y no necesitando una gran deformación, se obtienen unos laminados (3) con una calidad dimensional acorde a las necesidades de la industria aeronáutica.
La segunda opción, ilustrada en la figura 6B consiste en el encintado de dos laminados (3) con la geometría final de la pieza (1) mediante el uso de un útil de encintado (2) con sección rectangular, sin necesidad de un 15 conformado posterior.
En ambos casos la segunda etapa del procedimiento consiste en un ciclo de curado de las piezas (1) obtenidas en la etapa anterior.
20 La calidad dimensional de las piezas obtenidas mediante el procedimiento objeto de la invención es mayor que mediante el procedimiento actual ya que la etapa del conformado posterior al encintado proporciona unas tolerancias dimensionales mejores que las que se obtienen mediante un proceso de encintado mediante FP convencional.
25 Las figuras 7A y 7B muestran las mismas posibilidades que ofrece el procedimiento objeto de la invención para el tipo de piezas ilustrado en la figura 7.
La figura 8 muestra otra configuración que pueden adoptar los laminados (3), en la que los ángulos (9) entre los lados son agudos y la sección del útil de encintado (2) que se emplea en la primera etapa del procedimiento. 30 Esta sección permite el encintado simultáneo de hasta seis laminados (3), dos de ellos con el ángulo (9) entre lados agudo, y los otros cuatro laminados (3) con el ángulo (9) obtuso.
La presente invención no debe considerarse como limitativa a la realización particular descrita aquí. Otras configuraciones pueden ser alcanzadas por los expertos en la técnica a la vista de la presente descripción. En 35 consecuencia, el alcance de la invención se define por las siguientes reivindicaciones.

Claims (8)

  1. REIVINDICACIONES
    1.-Procedimiento de fabricación de piezas (1) de material compuesto que comprende una primera etapa y una 5 segunda etapa, caracterizado por que: -la primera etapa comprende:
    – un encintado mediante Posicionamiento de Fibras (FP), sobre la superficie exterior de un útil de encintado (2), de forma que se obtiene al menos un laminado (3) con una geometría diferente a la geometría de la pieza (1) final;
    10 – un conformado del al menos un laminado (3) obtenido en el encintado mediante un útil de conformado (11), de forma que el laminado (3) adquiere la geometría de la pieza (1) final; -la segunda etapa comprende un curado de la al menos una pieza (1) obtenida en la primera etapa.
  2. 2. – Procedimiento de fabricación de piezas (1) de material compuesto según la reivindicación 1 caracterizado
    15 por que en la geometría del laminado que se obtiene en el encintado de la primera etapa los ángulos entre los lados de dicho laminado son mayores que en la geometría de la pieza final.
  3. 3. – Procedimiento de fabricación de piezas (1) de material compuesto según la reivindicación 1 caracterizado
    por que, previamente a realizar el encintado, se aplica una capa adherente sobre la superficie exterior del útil de 20 encintado (2).
  4. 4. –Útil de encintado (2) empleado en el procedimiento de la reivindicación 1, caracterizado por que su sección transversal (7) es una sección poligonal que permite, en el encintado de la primera etapa, obtener varios laminados (3) simultáneamente.
  5. 5. Útil de encintado (2) según la reivindicación 4 caracterizado por que su sección transversal (7) es un polígono regular.
  6. 6. – Útil de encintado (2) según la reivindicación 4 caracterizado por que su sección transversal (7) es un 30 polígono irregular.
  7. 7. – Útil de encintado (2) según la reivindicación 4 caracterizado por que su sección transversal es un polígono en el cual las esquinas entre sus lados están redondeadas.
    35 8. – Útil de encintado (2) según la reivindicación 4 caracterizado por que su sección transversal (7) comprende lados curvos.
    OFICINA ESPAÑOLA DE PATENTES Y MARCAS
    N.º solicitud: 201231504
    ESPAÑA
    Fecha de presentación de la solicitud: 28.09.2012
    Fecha de prioridad:
    INFORME SOBRE EL ESTADO DE LA TECNICA
    51 Int. Cl. : Ver Hoja Adicional
    DOCUMENTOS RELEVANTES
    Categoría
    56 Documentos citados Reivindicaciones afectadas
    X
    US 2005023728 A1 (BENSON VERNON M et al.) 03.02.2005, 1-6,8
    párrafos [0002,0004-0011,0015,0017-0019,0035]; figuras 1-13E.
    Y
    7
    Y
    US 5043128 A (UMEDA KATSUHIKO) 27.08.1991, 7
    columna 1, líneas 10-14; columna 2, línea 45 – columna 3 línea 11; columna 3,
    línea 36 – columna 6, línea 2; figura 3b,3c,3d.
    E
    ES 2432090 A2 (AIRBUS OPERATIONS, S.L.) 29.11.2013, 1,2,4,5,7
    página 1, líneas 8-14; página 3, líneas 10-49; página 4, línea 13 – página 6, línea 19; figuras 1A-6.
    Categoría de los documentos citados X: de particular relevancia Y: de particular relevancia combinado con otro/s de la misma categoría A: refleja el estado de la técnica O: referido a divulgación no escrita P: publicado entre la fecha de prioridad y la de presentación de la solicitud E: documento anterior, pero publicado después de la fecha de presentación de la solicitud
    El presente informe ha sido realizado • para todas las reivindicaciones • para las reivindicaciones nº:
    Fecha de realización del informe 30.01.2014
    Examinador M. C. Fernández Rodríguez Página 1/4
    INFORME DEL ESTADO DE LA TÉCNICA
    Nº de solicitud: 201231504
    CLASIFICACIÓN OBJETO DE LA SOLICITUD B32B37/02 (2006.01)
    B32B37/12 (2006.01) B32B7/14 (2006.01) Documentación mínima buscada (sistema de clasificación seguido de los símbolos de clasificación)
    B32B
    Bases de datos electrónicas consultadas durante la búsqueda (nombre de la base de datos y, si es posible, términos de búsqueda utilizados) INVENES, EPODOC
    Informe del Estado de la Técnica Página 2/4
    OPINIÓN ESCRITA
    Nº de solicitud: 201231504
    Fecha de Realización de la Opinión Escrita: 30.01.2014
    Declaración
    Novedad (Art. 6.1 LP 11/1986)
    Reivindicaciones Reivindicaciones 6 1-5, 7, 8 SI NO
    Actividad inventiva (Art. 8.1 LP11/1986)
    Reivindicaciones Reivindicaciones 1-8 SI NO
    Se considera que la solicitud cumple con el requisito de aplicación industrial. Este requisito fue evaluado durante la fase de examen formal y técnico de la solicitud (Artículo 31.2 Ley 11/1986).
    Base de la Opinión.-
    La presente opinión se ha realizado sobre la base de la solicitud de patente tal y como se publica.
    Informe del Estado de la Técnica Página 3/4
    OPINIÓN ESCRITA
    Nº de solicitud: 201231504
    1. Documentos considerados.-
    A continuación se relacionan los documentos pertenecientes al estado de la técnica tomados en consideración para la realización de esta opinión.
    Documento
    Número Publicación o Identificación Fecha Publicación
    D01
    US 2005023728 A1 (BENSON VERNON M et al.) 03.02.2005
    D02
    US 5043128 A (UMEDA KATSUHIKO) 27.08.1991
    D03
    ES 2432090 A2 (AIRBUS OPERATIONS, S.L.) 29.11.2013
  8. 2. Declaración motivada según los artículos 29.6 y 29.7 del Reglamento de ejecución de la Ley 11/1986, de 20 de marzo, de Patentes sobre la novedad y la actividad inventiva; citas y explicaciones en apoyo de esta declaración
    El D01 (ver D01, párrafos [0002, 0004 -0011, 0015, 0017-0019, 0035]; figuras 1 -13E.) divulga un procedimiento de fabricación de piezas de material compuesto que comprende una primera etapa y una segunda etapa, de modo que: -la primera etapa comprende:
    –
    un encintado mediante Posicionamiento de Fibras (FP) con un dispositivo (312A-312D; 322A-322D), sobre la superficie exterior de un mandril o útil de encintado (106, 106’, 206A-206C, 306A-306D, 404, 600), de forma que se obtiene al menos un laminado con una geometría diferente a la geometría de la pieza final;
    –
    un conformado del al menos un laminado obtenido en el encintado mediante un rodillo o útil de conformado (116A-116D, 116A'-116C', 342, 406A-406E, 606), de forma que el laminado adquiere la geometría de la pieza final; -la segunda etapa comprende un curado de la al menos una pieza obtenida en la primera etapa. (Las referencias entre paréntesis no corresponden al D01).
    Por tanto, la reivindicación independiente 1 no tiene novedad (art.6 L11/86).
    El D01 describe que los rodillos se utilizan para adaptar la forma del material encintado a la geometría del mandril o útil de encintado, por ser los ángulos entre los lados de dicho laminado mayores que la geometría de la pieza final.
    Por tanto, se considera que la reivindicación 2 carece de novedad (art.6 L11/86).
    El D01 describe la presencia de unas boquillas (608) que pulverizan resina, sobre el mandril o útil de encintado (600), con orificios (602), para la obtención de material preimpregnado o prepeg en el encintado (fig.12A, 12B).
    Se considera así que la reivindicación 3 no tiene novedad (art.6 L11/86).
    El D01 divulga un útil de encintado (404) empleado en el procedimiento tal que su sección transversal es una sección poligonal que permite, en el encintado de la primera etapa, obtener varios laminados simultáneamente, mediante un aparato (400).
    Por tanto, la reivindicación independiente 4 no tiene novedad (art.6 L11/86).
    El D01 anticipa que el útil de encintado tenga una sección transversal en forma de polígono regular, por ejemplo un perfil con sección trapezoidal, rectangular o triangular.
    Por tanto, la reivindicación 5 no implica novedad (art.6 L11/86).
    Se considera que una opción de diseño obvia que el polígono fuera irregular, y por tanto que la reivindicación 6 no implica actividad inventiva. (art.8 L11/86).
    El D02 (ver D02, columna 1, líneas 10 -14; columna 2, línea 45 -columna 3, línea 11; columna 3, línea 36 -columna 6, línea 22; figura 3b, 3c, 3d.) divulga piezas de material compuesto realizadas mediante encintado (30, 40, 50, D02) con sección transversal poligonal, con esquinas entre sus lados redondeadas. (Las referencias entre paréntesis no corresponden al D02).
    Resultaría evidente la combinación de las características anticipadas por el D02 con las divulgadas por el D01, para obtener el útil de encintado objeto de la reivindicación 7, que por tanto, implicaría falta de actividad inventiva (art.8 L11/86).
    Sin embargo, el documento D03 (página 1, líneas 8 -14; página 3, líneas 10 -49; página 4, línea 13 -página 6, línea 19; figuras 1A -6) también divulga un útil de encintado con sección transversal poligonal, que permite, en el encintado de la primera etapa, obtener varios laminados simultáneamente, y también que su sección transversal puede ser un polígono en el cual las esquinas entre sus lados están redondeadas, de modo que la reivindicación 7, así como la reivindicación 4 de la que es dependiente, no tienen novedad (art.6 L11/86).
    El D01 anticipa asimismo que el útil de encintado tenga una sección transversal con lados curvos, por ejemplo un perfil en C, en J.
    Por tanto, la reivindicación 8 no implica novedad (art.6 L11/86).
    Informe del Estado de la Técnica Página 4/4
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