ES2945909T3

ES2945909T3 - Moldeo por inducción para piezas que tienen partes termoplásticas

Info

Publication number: ES2945909T3
Application number: ES18198804T
Authority: ES
Inventors: Marc R Matsen; William C Dykstra; Tunde A Olaniyan; John R Hull; Landon K Henson; Lee Charles Firth
Original assignee: Boeing Co
Current assignee: Boeing Co
Priority date: 2017-10-24
Filing date: 2018-10-05
Publication date: 2023-07-10
Anticipated expiration: 2038-10-05
Also published as: US20190118415A1; EP3487262A3; JP2023052317A; JP2019077179A; US10792842B2; CN109693363A; EP3487262A2; JP7210215B2; CA3013612A1; JP7403011B2; CN109693363B; EP3487262B1

Abstract

Se proporcionan sistemas y métodos para sistemas de moldeo que tienen una baja masa térmica. Una realización es una primera herramienta que incluye un primer marco. El primer marco incluye un primer juego de placas de material magnéticamente permeable y un material dispuesto entre las placas del primer juego. La primera herramienta también incluye un primer conjunto de bobinas de inducción que están dispuestas dentro del primer marco y que generan un primer campo electromagnético y un primer susceptor que se extiende desde el primer conjunto de placas. El primer susceptor genera calor en respuesta al primer campo electromagnético. La primera herramienta incluye además un molde que se extiende desde el primer susceptor y recibe calor a través de la transferencia de calor por conducción desde el primer susceptor. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Moldeo por inducción para piezas que tienen partes termoplásticas

Campo

La descripción se refiere al campo de la fabricación mediante moldeo y, en particular, al moldeo de piezas a través del uso de herramientas calentadas.

Antecedentes

Las piezas compuestas, tales como piezas que comprenden fibras (por ejemplo, fibras de carbono) dispuestas em una matriz (por ejemplo, una resina termoplástica), pueden fabricarse mediante moldeo, lo que implica calentar una parte termoplástica de la pieza y presionar la parte termoplástica de la pieza en una forma deseada. Sin embargo, sigue siendo un proceso complicado garantizar que el moldeado se realice de manera consistente a una temperatura constante y sin generar calor residual. Si las herramientas de moldeo tienen una masa térmica demasiado grande, entonces el proceso de moldeo puede consumir cantidades prohibitivas de energía, y la duración del ciclo para fabricar la pieza compuesta puede aumentar, debido al mayor tiempo que se requiere para enfriar el molde. De manera similar, la generación de calor residual en un entorno operativo es indeseable, ya que el calor residual aumenta la temperatura del entorno circundante sin facilitar el moldeado de las piezas.

Sería deseable, por lo tanto, tener un procedimiento y un aparato que tuvieran en cuenta por lo menos algunos de los problemas tratados anteriormente, así como otros posibles problemas.

US 8383998 B1, de acuerdo con su resumen, establece que un aparato puede comprender un primer troquel y un segundo troquel , cada uno con una base. Cada base puede tener una estructura laminada que presente una pluralidad de laminaciones metálicas separadas. La estructura laminada puede tener una parte truncada que forme una cavidad configurada para recibir un inserto y por lo menos una abertura para recibir una bobina de inducción. El primer troquel y el segundo troquel también pueden tener un inserto configurado para alojarse en la cavidad de la base. El inserto puede tener un susceptor de troquel capaz de ser calentado por la bobina de inducción. El aparato también puede tener un actuador para mover el primer troquel y el segundo troquel uno hacia el otro para formar un componente entre el susceptor de troquel del inserto del primer troquel y el susceptor de troquel del inserto del segundo troquel.

EP 2596937 A1, de acuerdo con su resumen, establece que un sistema para calentar inductivamente una pieza de trabajo puede incluir una bobina de inducción, por lo menos una lámina frontal del susceptor y un controlador de corriente acoplado. La bobina de inducción puede estar configurada para conducir corriente alterna y generar un campo magnético en respuesta a la corriente alterna. La lámina frontal del susceptor puede estar configurada para tener una pieza de trabajo posicionada con la misma. La lámina frontal del susceptor puede estar formada por una aleación ferromagnética que tenga una temperatura de Curie y que pueda calentarse por inducción hasta una temperatura de equilibrio que se aproxime a la temperatura de Curie en respuesta al campo magnético. El controlador de corriente puede acoplarse a la bobina de inducción y puede configurarse para ajustar la corriente alterna de manera que provoque un cambio en por lo menos un parámetro de calentamiento de la lámina frontal del susceptor.

US 2009/0071217 A1, de acuerdo con su resumen, presenta un aparato de fabricación compuesto que puede incluir un primer troquel y un segundo troquel móviles entre sí; un sistema de control térmico que tiene unas bobinas de inducción dispuestas en contacto térmico con el primer troquel y el segundo troquel; un primer susceptor de troquel dispuesto en el primer troquel y un segundo susceptor de troquel dispuesto en el segundo troquel y conectado a las bobinas de inducción; y un sistema de enfriamiento dispuesto en contacto térmico con el primer troquel y el segundo troquel. También se describe un procedimiento para la fabricación del compuesto.

US 2017/0113421 A1, de acuerdo con su resumen, establece sistemas y procedimientos para producir una preforma para un elemento compuesto. Un procedimiento de ejemplo incluye preparar un laminado de capas de refuerzo y capas intermedias termoplásticas, y transferir el laminado a una herramienta de preforma. El procedimiento incluye, además, inducir calor en la herramienta de preforma a un rango de temperaturas de transición que hace que las capas intermedias termoplásticas se vuelvan pegajosas o viscosas, y aplicar presión al laminado con la herramienta de preforma para dar forma al laminado en la preforma.

US 2015/0151471 A1, de acuerdo con su resumen, describe un procedimiento y un dispositivo para precalentar una primera superficie de moldeo de un molde con una posición abierta y una posición cerrada que define una cavidad cerrada entre la primera superficie de moldeo precalentada y una segunda superficie de moldeo. Un núcleo se calienta por inducción fuera del molde colocando el núcleo dentro de una bobina a través de la cual pasa una corriente alterna. El núcleo se inserta entre las superficies de moldeo del molde en la posición abierta. La primera superficie de moldeo se calienta previamente transfiriendo el calor entre el núcleo y la primera superficie de moldeo. A continuación, se retira el núcleo y se cierra el molde.

US 6566635 B1, de acuerdo con su resumen, describe un dispositivo de calentamiento por inducción para fabricar una pieza calentando la pieza a una temperatura predeterminada. El dispositivo de calentamiento por inducción incluye una bobina de inducción conectada a una fuente de alimentación eléctrica para generar un campo de flujo electromagnético. En el campo de flujo electromagnético se coloca un susceptor inteligente del dispositivo de calentamiento e incluye un material permeable magnéticamente soportado por una estructura de malla. El material magnéticamente permeable genera calor en respuesta al campo de flujo. La estructura de malla proporciona soporte para el material magnéticamente permeable y se ajusta estrechamente a la geometría exterior deseada de la pieza. El material magnéticamente permeable puede aplicarse como polvo a la malla utilizando una pistola de pulverización en caliente, lo que permite que el susceptor se ajuste perfectamente a la geometría de la pieza y evita la formación de límites de susceptores de láminas de metal.

Descripción

Se describe aquí un aparato que comprende: una primera herramienta que comprende: una primera estructura que comprende: un primer conjunto de placas de material magnéticamente permeable que son paralelas entre sí y se encuentran enfrentadas entre sí; y un material, dispuesto entre placas del primer conjunto, que impide la conducción eléctrica entre placas; un primer conjunto de bobinas de inducción que están dispuestas dentro de unas ranuras en la primera estructura y que generan un primer campo electromagnético; un primer susceptor que se extiende desde el primer conjunto de placas de la primera estructura, el primer susceptor está realizado de un material ferromagnético que genera calor en respuesta al primer campo electromagnético, el material ferromagnético tiene un punto de Curie y está configurado para calentarse asintóticamente hacia el punto de Curie sin exceder el punto de Curie en presencia del primer campo electromagnético; y un molde que se extiende desde el primer susceptor y recibe calor por transferencia de calor por conducción desde el primer susceptor, cada placa del primer conjunto es más delgada que la profundidad de la capa en la que el primer campo electromagnético generaría una corriente de inducción eléctrica, comprendiendo el aparato, además, un sistema de refrigeración configurado para aplicar un fluido al molde para enfriar el molde, en el que el molde comprende múltiples cavidades interiores; y el sistema de refrigeración está en comunicación para el fluido con las cavidades interiores, comprendiendo el sistema de refrigeración unos tubos insertados en las cavidades interiores.

Se describe también aquí un procedimiento para fabricar un componente calentando el material que forma el componente a una temperatura predeterminada, comprendiendo el procedimiento: colocar un material, que será calentado y fabricado para obtener el componente, en un receptáculo realizado de un material ferromagnético que genera corriente inductiva en respuesta a un campo de flujo electromagnético, siendo el receptáculo capaz de generar calor a una primera temperatura predeterminada cuando se somete al campo de flujo electromagnético; colocar un molde, realizado de un material ferromagnético que genera corriente inductiva en respuesta al campo de flujo electromagnético, en el receptáculo, incluyendo el molde una pluralidad de insertos del susceptor inteligentes desmontables, estando realizado cada inserto del susceptor inteligente de un material ferromagnético que genera corriente inductiva en respuesta al campo de flujo electromagnético para generar calor a una segunda temperatura predeterminada, presentando el material ferromagnético de los insertos del susceptor inteligentes un punto de Curie y estando configurado para calentarse asintóticamente hacia el punto de Curie sin exceder el punto de Curie en presencia del campo de flujo electromagnético, cooperando la pluralidad de insertos del susceptor inteligentes y el molde para obtener una temperatura compuesta predeterminada cuando se someten al campo de flujo electromagnético; generar el campo de flujo electromagnético en proximidad del receptáculo y el molde; y aplicar, mediante un sistema de enfriamiento, un fluido al molde para enfriar el molde, en el que el molde comprende múltiples cavidades interiores; y el sistema de refrigeración está en comunicación para el fluido con las cavidades interiores, en el que el sistema de refrigeración comprende unos tubos insertados en las cavidades interiores.

Las realizaciones que se describen aquí prevén el moldeo por inducción de piezas termoplásticas y utilizan susceptores "inteligentes" que pasan de estados magnéticos a no magnéticos cuando se encuentran cerca de una temperatura de moldeo por inducción. Esto asegura que cualquier termoplástico que entre en contacto con los susceptores inteligentes no excedan la temperatura de moldeo por inducción/temperatura de procesamiento. El aparato que se describe aquí también incluye componentes estructurales que son lo suficientemente delgados para evitar que sean calentados por inducción por bobinas de inducción dentro del aparato. Esto asegura que se aplique un calentamiento por inducción a los susceptores y no a los componentes estructurales del aparato.

Pueden describirse a continuación otras realizaciones ilustrativas (por ejemplo, procedimientos y medios legibles por ordenador relacionados con las realizaciones anteriores). Las características, funciones y ventajas que se han descrito pueden lograrse de manera independiente en varias realizaciones o pueden combinarse en otras realizaciones adicionales de las cuales pueden verse detalles adicionales con referencia a la siguiente descripción y dibujos.

Descripción de los Dibujos

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

La figura 1 es un diagrama de vista en perspectiva en despiece de un sistema de moldeo en una realización ilustrativa.

La figura 2 es una vista en perspectiva de una herramienta superior del sistema de moldeo de la figura 1 en una realización ilustrativa.

La figura 3 es una vista en sección de una herramienta superior del sistema de moldeo de la figura 1 en una realización ilustrativa.

La figura 4 es una vista en perspectiva de una herramienta inferior del sistema de moldeo de la figura 1 en una realización ilustrativa.

La figura 5 es una vista en sección de una herramienta inferior del sistema de moldeo de la figura 1 en una realización ilustrativa.

La figura 6 es una vista en perspectiva del sistema de moldeo de la figura 1 en una realización ilustrativa.

Las figuras 7-9 son vistas en corte transversal del sistema de moldeo de la figura 1 en una realización ilustrativa. La figura 10 es un diagrama de flujo que ilustra un procedimiento para operar un sistema de moldeo en una realización ilustrativa.

Las figuras 11-12 son vistas ampliadas y recortadas de regiones del sistema de moldeo de la figura 1 en una realización ilustrativa.

La figura 13 es una vista en perspectiva de un soporte para tapones para herramientas dentro de un sistema de moldeo en una realización ilustrativa.

La figura 14 es un diagrama de bloques que ilustra un sistema de moldeo en una realización ilustrativa.

La figura 15 es otro diagrama de flujo que ilustra un procedimiento para operar un sistema de moldeo en una realización ilustrativa.

La figura 16 es un diagrama de flujo de la metodología de producción y servicio de aviones en una realización ilustrativa.

La figura 17 es un diagrama de bloques de un avión en una realización ilustrativa.

Descripción

Las figuras y la siguiente descripción ilustran unas realizaciones ilustrativas específicas de la descripción. Por lo tanto, se apreciará que los expertos en la materia podrán idear diversas disposiciones que, aunque no se describen o se muestran explícitamente aquí, incorporan los principios de la descripción y están incluidos dentro del alcance de la descripción. Además, todos los ejemplos descritos aquí pretenden ayudar a comprender los principios de la descripción, y deben interpretarse sin limitación a dichos ejemplos y condiciones mencionados específicamente. Como resultado, la descripción no se limita a las realizaciones o ejemplos específicos que se describen a continuación, sino a las reivindicaciones y sus equivalentes.

Las figuras 1-9 ilustran vistas del sistema de moldeo 100 y varios componentes del mismo en una realización ilustrativa. Por ejemplo, la figura 1 es un diagrama de vista en perspectiva en despiece del sistema de moldeo 100 en una realización ilustrativa. En esta realización, el sistema de moldeo 100 comprende una herramienta superior 110 y una herramienta inferior 130. La herramienta superior 110 y la herramienta inferior 130 se unen para conformar una parte termoplástica 122 de una pieza compuesta 120.

La pieza compuesta 120 puede comprender una pieza de polímero reforzado con fibra de carbono (CFRP) que se dispone inicialmente en múltiples capas las cuales forman juntas un laminado. Las fibras individuales dentro de cada capa del laminado pueden alinearse paralelas entre sí, pero diferentes capas pueden presentar diferentes orientaciones de fibra para aumentar la resistencia de la pieza compuesta resultante a lo largo de diferentes dimensiones. El laminado puede incluir una resina líquida. La resina se solidifica a mayor temperatura, lo que endurece el laminado para dar lugar a una pieza compuesta (por ejemplo, para su uso en un avión). Para resinas termoestables, el endurecimiento es un proceso unidireccional denominado curado, mientras que, para resinas termoplásticas, la resina puede volver a su forma líquida si se vuelve a calentar. En algunas realizaciones, la pieza compuesta 120 puede incluir fibras cortadas cortas (por ejemplo, fibras de unos pocos centímetros de longitud o menos) que están orientadas aleatoriamente dentro de la pieza.

La herramienta superior 110 incluye una base 112, que define múltiples orificios 111. La herramienta superior 110 también incluye una estructura 114, que está unida a la base 112, así como un primer conjunto 115 de bobinas de inducción 116 que penetran a través de la estructura 114. Las bobinas de inducción 116 calientan uno o más susceptores internos a la herramienta superior 110, tal como el susceptor 210 de la figura 2. Puede seleccionarse la frecuencia de las bobinas de inducción 116 para que se garantice un calentamiento eficiente de los susceptores correspondientes. Las bobinas de inducción 116 pueden alimentarse a través de una fuente de alimentación (por ejemplo, una fuente de alimentación eléctrica 1460 de la figura 14).

Los susceptores descritos aquí pueden comprender susceptores "inteligentes" que tengan un punto de Curie correspondiente a (por ejemplo, dentro de diez grados Celsius (°C) de) una temperatura de moldeo/temperatura de procesamiento deseada (por ejemplo, doscientos °C). Los susceptores inteligentes están realizados de materiales que se calientan asintóticamente hacia su punto de Curie, sin exceder su punto de Curie en presencia de campos generados por bobinas de inducción circundantes. Este efecto es causado por la conducción eléctrica dentro de los susceptores que caen cuando el material del susceptor se desmagnetiza. Ejemplos de materiales susceptores inteligentes incluyen materiales ferromagnéticos como Kovar, y otras aleaciones de hierro, níquel, y cobalto. Los susceptores que se describen aquí también pueden fabricarse del mismo material ferromagnético si se desea.

El molde 118 forma una superficie inferior de la herramienta superior 110, y hará contacto con la parte termoplástica 122 durante el proceso de moldeo. El molde 118 puede estar formado a partir de un material magnéticamente permeable tal como acero inoxidable no magnético. En tal caso, el grosor de los componentes del molde 118 puede ser menor que la profundidad de la capa a la que las bobinas de inducción 116 provocarían la inducción dentro del molde 118. Por lo tanto, el material no genera calor en respuesta al campo eléctrico generado por las bobinas de inducción 116. El molde 118 puede estar realizado de un material distinto de los susceptores descritos anteriormente, por ejemplo, para reducir costes, asegurar una mayor vida útil de la herramienta, etc. El molde 118 puede conformarse en un contorno según se desee.

La herramienta inferior 130 comprende una base 132 y una estructura 134. La estructura 134 define múltiples ranuras 135. En las ranuras 135 hay insertado un segundo conjunto 137 de bobinas de inducción 136. Las bobinas de inducción 136 facilitan la generación de calor en el susceptor 138 para aumentar la temperatura de la parte termoplástica 122 para una temperatura de procesamiento (por ejemplo, punto de fusión, punto de adherencia, temperatura de adhesión, etc.). El susceptor 138 forma un receptáculo 139. En realizaciones en las que el receptáculo 139 contiene poliéter-cetona-cetona (PEKK) cortada suelta u otro termoplástico, el receptáculo 139 puede ser lo suficientemente profundo para contener un volumen deseado de termoplástico para moldear.

La figura 2 es una vista en perspectiva de la herramienta superior 110 del sistema de moldeo 100 en una realización ilustrativa. La figura 2 se corresponde con las flechas de vista 2 de la figura 1, y la herramienta superior 110 se ha girado respecto a la vista mostrada en la figura 1 de modo que la herramienta superior 110 queda invertida. La figura 2 ilustra el susceptor 210, que se apoya en el molde 118. De este modo, a medida que las bobinas de inducción 116 calientan el susceptor 210, el susceptor 210 participa en la transferencia de calor por conducción con el molde 118. La figura 3 es una vista en sección de la herramienta superior 110 y se corresponde con las flechas de vista 3 de la figura 2. La figura 3 ilustra que el molde 118 comprende múltiples tapones para herramientas 310 (por ejemplo, piezas individuales). Cada tapón para herramientas 310, además quedar en contacto con un susceptor 210, se encuentra acoplado físicamente a un soporte 350. Cada soporte 350 incluye unas paredes 330. Las paredes 330 definen una cámara 332 que está acoplada al orificio 111 de la base 112. Unos tubos 340 penetran a través de los orificios 111 y las cámaras 332 hacia los tapones para herramientas 310. Los tubos 340 pueden aplicar un fluido refrigerante a presión (por ejemplo, un gas frío que se encuentre por debajo de la temperatura de procesamiento, aire, nitrógeno líquido, etc.) para reducir la temperatura de los tapones para herramientas 310 después de que se haya completado el moldeo. Por lo tanto, el conjunto de tubos 340 se denomina aquí sistema de refrigeración 342. La figura 3 ilustra, además, unas ranuras 320 a través de las cuales las bobinas de inducción 116 atraviesan la estructura 114.

La figura 4 es una vista en perspectiva de la herramienta inferior 130 del sistema de moldeo 100 en una realización ilustrativa, mientras que la figura 5 es una vista en sección de la herramienta inferior 130 indicada por las flechas de vista 5 de la figura 4. La figura 4 ilustra una vista en detalle del susceptor 138, incluyendo el receptáculo 139. La figura 5 ilustra que el tamaño de cada ranura 135 puede variar dentro de la estructura 134.

Con una descripción que se ha dado, tanto para la herramienta superior 110 como para la herramienta inferior 130, se ilustra el proceso de moldeo en las figuras 6-9. La figura 6 es una vista en perspectiva del sistema de moldeo 100 en una realización ilustrativa. En esta vista, la parte compuesta 120 se ha insertado en un receptáculo 139 definido por el susceptor 138.

Las figuras 7-9 son vistas transversales del sistema de moldeo 100 que participa en el moldeo de la pieza compuesta 120 en una realización ilustrativa. La figura 7 se corresponde con las flechas de vista 7 de la figura 6. Tal como se muestra en la figura 7, el molde 118 queda dispuesto justo encima de la pieza compuesta 120. El molde 118 se calienta por transferencia de calor por conducción con el susceptor 138 el cual, a su vez, se calienta mediante unas bobinas de inducción 116. Mientras, el susceptor 210 puede calentarse mediante unas bobinas de inducción 136. Después de calentar el molde 118 a una temperatura específica, tal como la temperatura de procesamiento para la parte termoplástica 122, el molde 118 da forma a la parte termoplástica 122 moviéndose hacia abajo y penetrando en la parte termoplástica 122.

La figura 7 también ilustra que la estructura 114 está compuesta por un primer conjunto 712 de placas 700 de material magnéticamente permeable (por ejemplo, acero no magnético), y esa estructura 114 está compuesta por un segundo conjunto 714 de placas 700 de material magnéticamente permeable. Cada placa 700 está separada de otra placa 700 por un material 710, dispuesto entre las placas 700, que une estructuralmente las placas 700 mientras que evita la conducción eléctrica entre las placas 700. El material 710 puede implementarse, por ejemplo, en placas de cerámica que se disponen entre placas 700. Tal como se utiliza aquí, un material "magnéticamente permeable" es capaz de permitir que un campo magnético penetre a través del mismo, sin atenuar sustancialmente el campo magnético (por ejemplo, en más del diez por ciento). Las placas 700 también son más delgadas que la profundidad de la capa (por ejemplo, un cuarto de pulgada) en la que su material (por ejemplo, acero no magnético) generaría corriente de inducción eléctrica en respuesta a los campos magnéticos de las bobinas de inducción. Esto es cierto para las placas 700 en la estructura 114 y la estructura 134. La profundidad de la capa se basa en una frecuencia de energía eléctrica que se suministra a las bobinas de inducción que generan campos electromagnéticos. Seleccionar el grosor de la placa de esta manera ayuda a reducir la masa térmica general tanto de la herramienta superior 110 como de la herramienta inferior 130.

La estructura 134 también puede construirse con componentes no magnéticos, pero magnéticamente permeables, lo que garantiza que las bobinas de inducción 116 y 136 no generen corrientes inductivas dentro de la estructura 134 o la estructura 114 lo que haría que estas estructuras se calentasen rápidamente. Al mismo tiempo, esto asegura que los campos electromagnéticos generados por las bobinas de inducción 116 y las bobinas de inducción 136 no se atenúen indebidamente. La figura 8 corresponde a la misma vista mostrada en la figura 7, pero ilustra alteraciones a la pieza compuesta 120 mientras está siendo moldeada por el molde 118 que se desplaza en la dirección D.

La figura 9 también ilustra la pieza compuesta 120 durante el proceso de moldeo, y se corresponde con las flechas de vista 9 de la figura 6. La figura 9 ilustra unos tubos 340, que pueden dispersar un fluido refrigerante en los tapones para herramientas 310 después de definir una forma deseada mediante moldeo por inducción. El fluido refrigerante reduce la temperatura de los tapones para herramientas 310. Cuando los tapones para herramientas 310 se enfrían, experimentan una contracción térmica. Esto, a su vez, mejora la facilidad con la que se retiran los tapones para herramientas 310 de la parte termoplástica 122. Además, acelerar el proceso de enfriamiento mediante el uso de tubos 140 reduce el tiempo de ciclo cuando se fabrican grandes cantidades de piezas.

Con una descripción de los componentes físicos del sistema de moldeo 100 que se ha dado anteriormente, se da a continuación una explicación del proceso de moldeo para ilustrar un procedimiento mediante el cual puede utilizarse el sistema de moldeo 100. Para esta realización, se supone que la parte compuesta 120 incluye una parte termoplástica 122, y que la herramienta superior 110 y la herramienta inferior 130 se encuentran separadas y no se calientan. Se desea moldear la parte termoplástica 122.

La figura 10 es un diagrama de flujo que ilustra un procedimiento para operar un sistema de moldeo en una realización ilustrativa. Las etapas del procedimiento 1000 se describen con referencia al sistema de moldeo 100 de la figura 1, pero los expertos en la materia apreciarán que el procedimiento 1000 puede realizarse en otros sistemas. Las etapas de los diagramas de flujo que se describen aquí no son todas y pueden incluir otras etapas que no se muestran. Las etapas descritas aquí también pueden realizarse en un orden alternativo.

La parte termoplástica 122 de la pieza compuesta 120 se alinea con el molde 118 (etapa 1002). Esto puede comprender colocar la pieza compuesta 120 en un receptáculo 139 del susceptor 138. En este momento, el sistema de moldeo 100 queda en posición para iniciar el moldeo. Se aplica un campo electromagnético al susceptor 210 de material ferromagnético que hace contacto con el molde 118, así como susceptores adicionales 1118 que se insertan en los tapones para herramientas 310 (tal como se ilustra en la figura 11) (etapa 1004). Esta operación puede realizarse activando bobinas de inducción 116 y/o bobinas de inducción 136. Esto genera calor en susceptores 210, 138 y susceptores adicionales 1118 en respuesta al campo electromagnético (etapa 1006). Los susceptores 138, 210 y los susceptores adicionales 1118 tienen un punto de Curie correspondiente con la temperatura de procesamiento para la parte termoplástica 122 (por ejemplo, dentro de los diez grados Celsius de ésta). Esto significa que, cuando los susceptores 138, 210 y los susceptores adicionales 1118 se calientan sustancialmente hacia la temperatura de procesamiento para la parte termoplástica 122, esos susceptores se vuelven no magnéticos y dejan de calentarse inductivamente. Esto efectivamente hace que los susceptores alcancen una temperatura de estado estable mientras son calentados por las bobinas de inducción 116 y 136.

A medida que se calientan los susceptores 210, 138 y los susceptores adicionales 1118 aumenta la temperatura de la parte termoplástica 122 a la temperatura de procesamiento (por ejemplo, doscientos °C) (etapa 1008). El aumento de temperatura es, por lo menos en parte, en respuesta a la transferencia de calor por conducción del susceptor 210 a la parte termoplástica 122 a través del molde 118. Al llegar a la temperatura de procesamiento, la parte termoplástica 122 puede moldearse. De este modo, el molde 118 se dispone hacia la parte termoplástica 122 (etapa 1010). Después de que se haya formado la parte termoplástica 122, el molde 118 puede enfriarse a través de los tubos 340, que aplican un fluido refrigerante a los tapones para herramientas 310, enfriando rápidamente los tapones para herramientas 310 y facilitando la extracción del molde 118 de la pieza compuesta 120.

En resumen, el procedimiento 1000 puede facilitar el moldeado con calor controlado de un termoplástico mientras se limita el calor residual. El procedimiento 1000 logra este objetivo: calentando inductivamente por lo menos un susceptor que entra en contacto con un molde, mientras evita el calentamiento por inducción de los componentes estructurales que soportan el molde (debido a que los componentes estructurales de las herramientas son demasiado delgados para un calentamiento por inducción). El procedimiento 1000 procede, además, a moldear el termoplástico introduciendo el molde en el termoplástico y puede incluir enfriar el molde aplicando un fluido refrigerante directamente a una o más cámaras interiores (por ejemplo, la cámara 332) del molde.

El procedimiento 1000 proporciona una ventaja sustancial sobre los sistemas anteriores, ya que utiliza susceptores mejorados que son capaces de realizar un calentamiento "inteligente" en lugar de un calentamiento térmico descontrolado. Esta tecnología de susceptor inteligente permite un control térmico preciso a la temperatura de procesamiento crítica. Además, el procedimiento 1000 utiliza un sistema de moldeo que incluye piezas que se diseñan y moldean cuidadosamente para evitar que se produzca un calentamiento por inducción en otros componentes que no son los susceptores. Al reducir el calor residual de esta manera, la herramienta superior 110 y la herramienta inferior 130 pueden calentarse y enfriarse rápidamente, lo que aumenta la velocidad de fabricación de estas herramientas y, por lo tanto, se mejora la eficiencia de producción.

Con una descripción de los componentes y operaciones del sistema de moldeo 100 que se ha dado anteriormente, las figuras 11-12 son vistas ampliadas y recortadas de regiones del sistema de moldeo de la figura 1 en una realización ilustrativa. Estas vistas ilustran específicamente los componentes del sistema de moldeo 100. Específicamente, la figura 11 corresponde a la región 11 de la figura 3, mientras que la figura 12 corresponde a la región 12 de la figura 3.

La figura 11 ilustra que cada tapón para herramientas 310 incluye una cavidad interior 1114 definida por las paredes interiores 1110. Las paredes interiores 1110 y las paredes exteriores 1112 también definen la cavidad exterior 1116, en la cual se dispone el susceptor adicional 1118. El uso de susceptores adicionales 1118 dentro de las cavidades exteriores 1116 de los tapones para herramientas 310 puede mejorar el grado de calentamiento proporcionado a los tapones para herramientas 310. Si bien la figura 11 ilustra ubicaciones adicionales para susceptores que se insertan dentro del molde 118, la figura 12 ilustra una configuración para un tubo 340 que enfría un tapón para herramientas 310. La figura 12 ilustra que cada tubo 340 puede incluir un conducto hueco 1210 a través del cual pasa un fluido de enfriamiento a presión, que sale a través de los puertos 1220 hacia las cavidades interiores 1114 de cada tapón para herramientas 310. Por lo tanto, los tubos 340 están insertados en las cavidades interiores 1114 de manera que los tubos 340 quedan en comunicación para el fluido con las cavidades interiores 1114.

La figura 13 es una vista en perspectiva de un soporte 350 para tapones para herramientas dentro de un sistema de moldeo en una realización ilustrativa. En esta realización, el soporte 350 incluye un cuerpo 1300 que es un cilindro hueco con una hendidura 1310. La hendidura 1310 asegura que no existan vías de corriente eléctrica dentro del soporte 350 que, de lo contrario, provocaría un calentamiento por inducción. Además, el soporte 350 está acoplado al molde 118 y está realizado de un material magnéticamente permeable (por ejemplo, acero inoxidable no magnético) que no aumenta la temperatura en más de una cantidad umbral (por ejemplo, diez grados Celsius) en respuesta al campo electromagnético generado por bobinas de inducción dentro del sistema de moldeo 100. Unos elementos de fijación 1320 unen el soporte 350 a un tapón para herramientas 310, mientras que los elementos de fijación 1330 unen el soporte 350 a la base 112.

Ejemplos

En los siguientes ejemplos, se describen procesos, sistemas, y procedimientos adicionales en el contexto de un sistema de moldeo inductivo.

La figura 14 es un diagrama de bloques que ilustra un sistema de moldeo 1400 en una realización ilustrativa. De acuerdo con la figura 14, el sistema de moldeo 1400 incluye una primera herramienta 1410 y una segunda herramienta 1430. El sistema de moldeo 1400 moldea la forma de la pieza termoplástica 1420. La primera herramienta 1410 incluye una base 1412, que incluye múltiples orificios 1411. También se ilustra una estructura 1413, que incluye múltiples placas 1414. Unas ranuras 1415 dentro de la estructura 1413 contienen unas bobinas de inducción 1416, que son alimentadas por una fuente de alimentación eléctrica 1460 y susceptores de calor en la primera herramienta 1410.

La primera herramienta 1410 incluye, además, unos soportes 1450 que incluyen unas hendiduras 1452. El primer susceptor 1417 está unido a los soportes 1450, y los tubos 1457 continúan a través del primer susceptor 1417 y dentro de los tapones para herramientas 1454. De los puertos 1453 de los tubos 1457 sale un fluido refrigerante. Los tapones para herramientas 1454 incluyen una pared 1459, una cavidad (pared) exterior 1455, una pared interior 1456, y una cavidad (central) interior 1458.

La segunda herramienta 1430 incluye una estructura 1433, que comprende unas placas 1434. Las ranuras 1435 continúan a través de las placas 1434, y dentro de las ranuras 1435 se dispone una o más bobinas de inducción 1436. Un segundo susceptor 1438 queda en contacto con la pieza termoplástica 1420 durante el moldeo.

La figura 15 es otro diagrama de flujo que ilustra un procedimiento 1500 para operar un sistema de moldeo 100 en una realización ilustrativa. Según la figura 15, el procedimiento 1500 se utiliza para fabricar un componente (por ejemplo, la pieza compuesta 120) calentando, a una temperatura predeterminada, el material (por ejemplo, termoplástico) que forma el componente. El procedimiento 1500 incluye colocar un material, que será calentado y fabricado para obtener el componente, en un receptáculo 139 realizado de un material ferromagnético que genera corriente inductiva en respuesta a un campo de flujo electromagnético (en la etapa 1502). El receptáculo 139 es capaz de generar calor a una primera temperatura predeterminada (por ejemplo, ciento ochenta °C) cuando se somete al campo de flujo electromagnético. El procedimiento 1500 comprende, además, colocar un molde 118, realizado de un material ferromagnético que genera corriente inductiva en respuesta al campo de flujo electromagnético, en el receptáculo 139 (etapa 1504). El molde 118 incluye una pluralidad de insertos del susceptores inteligentes desmontables (por ejemplo, susceptores adicionales 1118), estando realizado cada inserto del susceptor inteligente en un material ferromagnético que genera corriente inductiva en respuesta al campo de flujo electromagnético para generar calor a una segunda temperatura predeterminada (por ejemplo, doscientos cinco °C). La pluralidad de insertos del susceptor inteligentes y el molde cooperan para lograr una temperatura compuesta predeterminada (por ejemplo, doscientos °C) cuando se someten al campo de flujo electromagnético. El procedimiento 1500 comprende, además, generar el campo de flujo electromagnético en las proximidades del receptáculo y el molde (etapa 1506).

En otras realizaciones, el procedimiento 1500 puede comprender evitar la conducción eléctrica entre las placas que hacen contacto con el molde 118, generar un primer campo electromagnético en un primer conjunto de bobinas de inducción en una primera herramienta dispuesta dentro de las ranuras en una primer estructura, y generar calor en respuesta al primer campo electromagnético a un punto de Curie dentro de diez grados Celsius de una temperatura de procesamiento para una parte termoplástica de una pieza.

Haciendo referencia más particularmente a los dibujos, pueden describirse unas realizaciones de la descripción en el contexto de un procedimiento de fabricación y servicio de aviones 1600 tal como se muestra en la figura 16 y un avión 1602 tal como se muestra en la figura 17. Durante la preproducción, el procedimiento ilustrativo 1600 puede incluir especificación y diseño 1604 del avión1602 y adquisición de materiales 1606. Durante la producción, tiene lugar la fabricación de componentes y subconjuntos 1608 y la integración del sistema 1610 del avión 1602. Posteriormente, el avión 1602 puede pasar por certificación y entrega 1612 para ponerse en servicio 1614. Mientras está en servicio por parte de un cliente, el avión 1602 está programado para mantenimiento y servicio de rutina 1616 (que también puede incluir modificación, reconfiguración, reacondicionamiento, etcétera). Los aparatos y procedimientos que se indican aquí pueden emplearse durante una o más etapas adecuadas del procedimiento de producción y servicio 1600 (por ejemplo, especificación y diseño 1604, adquisición de materiales 1606, fabricación de componentes y subconjuntos 1608, integración de sistemas 1610, certificación y entrega 1612, servicio 1614, mantenimiento y servicio 1616) y/o cualquier componente adecuado del avión 1602 (por ejemplo, fuselaje 1618, sistemas 1620, interior 1622, de propulsión 1624, eléctrico 1626, hidráulico 1628, ambiental 1630).

Cada uno de los procesos del procedimiento 1600 puede realizarse o llevarse a cabo por un integrador de sistemas, un tercero, y/o un operario (por ejemplo, un cliente). A los efectos de esta descripción, un integrador de sistemas puede incluir, entre otros, cualquier número de fabricantes de aviones y subcontratistas de sistemas principales; un tercero puede incluir, entre otros, cualquier número de distribuidores, subcontratistas, y proveedores; y un operario puede ser una línea aérea, una empresa de leasing, una entidad militar, una organización de servicios, etc.

Tal como se muestra en la figura 17, el avión 1602 producido mediante el procedimiento ilustrativo 1600 puede incluir un fuselaje 1618 con una pluralidad de sistemas 1620 y un interior 1622. Ejemplos de sistemas de alto nivel 1620 incluyen uno o más de un sistema de propulsión 1624, un sistema eléctrico 1626, un sistema hidráulico 1628, y un sistema ambiental 1630. Puede incluirse cualquier número de otros sistemas. Aunque se muestra un ejemplo aeroespacial, los principios de la invención pueden aplicarse a otras industrias, tales como la industria automovilística.

Tal como ya se ha mencionado anteriormente, los aparatos y procedimientos que se dan aquí pueden emplearse durante cualquiera o más de las etapas del procedimiento de producción y servicio 1600. Por ejemplo, los componentes o subconjuntos correspondientes a la etapa de producción 1608 pueden fabricarse o manufacturarse de manera similar a componentes o subconjuntos producidos mientras que el avión 1602 está en servicio. Además, pueden utilizarse una o más realizaciones de aparatos, realizaciones de procedimientos o una combinación de los mismos durante las etapas de producción 1608 y 1610, por ejemplo, acelerando sustancialmente el ensamblaje o reduciendo el coste de un avión 1602. De manera similar, puede utilizarse una o más de realizaciones de aparatos, realizaciones de procedimientos, o una combinación de los mismos mientras que el avión1602 está en servicio, por ejemplo y sin limitación, para mantenimiento y servicio 1616. Por ejemplo, las técnicas y sistemas descritos aquí pueden utilizarse para las etapas 1606, 1608, 1610, 1614, y/o 1616, y/o, pueden utilizarse para el fuselaje 1618 y/o el interior 1622. Estas técnicas y sistemas pueden utilizarse incluso para sistemas 1620, incluyendo, por ejemplo, de propulsión 1624, eléctrico 1626, hidráulico 1628, y/o o ambiental 1630.

En una realización, una pieza comprende una parte del fuselaje 1618, y se fabrica durante la manufactura de componentes y subconjuntos1608. La parte puede ensamblarse después en un avión en una integración del sistema 1610 y utilizarse después en el servicio 1614 hasta que el desgaste hace que la pieza quede inutilizable. Después, en mantenimiento y servicio 1616, la pieza compuesta 120 puede desecharse y reemplazarse por una pieza recién fabricada. Los componentes y procedimientos inventivos descritos aquí pueden utilizarse en la fabricación de componentes y subconjuntos 1608 para moldear piezas nuevas.

Cualquiera de los diversos elementos de control (por ejemplo, componentes eléctricos o electrónicos) mostrados en las figuras o descritos aquí puede implementarse como hardware, un procesador que implementa un software, un procesador que implementa un firmware, o alguna combinación de éstos. Por ejemplo, puede implementarse como hardware dedicado un elemento que controla la potencia de las bobinas de inducción, o que acciona las herramientas descritas anteriormente. Los elementos de hardware dedicado pueden denominarse "procesadores", "controladores" o alguna terminología similar. Si se dispone un procesador, las funciones las pueden proporcionar un solo procesador dedicado, un solo procesador compartido, o una pluralidad de procesadores individuales, algunos de los cuales pueden ser compartidos. Además, el uso explícito del término "procesador" o "controlador" no debe interpretarse como una referencia exclusiva al hardware capaz de ejecutar software y puede incluir implícitamente, entre otros, hardware de procesador de señal digital (DSP), un procesador de red, un circuito integrado para aplicaciones específicas (ASIC) u otro circuito, una matriz de puertas programable en campo (FPGA), memoria de solo lectura (ROM) para almacenar software, memoria de acceso aleatorio (RAM), almacenamiento no volátil, lógica, o algún otro módulo o componente de hardware físico.

También, un elemento de control puede implementarse como instrucciones ejecutables por un procesador o un ordenador para realizar las funciones del elemento. Algunos ejemplos de instrucciones son software, código de programa, y firmware. Las instrucciones son operativas cuando las ejecuta el procesador para indicarle que realice las funciones del elemento. Las instrucciones pueden almacenarse en dispositivos de almacenamiento que pueda leer el procesador. Algunos ejemplos de dispositivos de almacenamiento son memorias digitales o de estado sólido, medios de almacenamiento magnético tales como discos magnéticos y cintas magnéticas, discos duros o medios de almacenamiento de datos digitales legibles ópticamente.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Aparato (100) que comprende:

una primera herramienta (110) que comprende:

una primera estructura (114) que comprende:

un primer conjunto (712) de placas (700) de material magnéticamente permeable que son paralelas entre sí y se encuentran enfrentadas entre sí; y

un material (710), dispuesto entre placas del primer conjunto, que impide la conducción eléctrica entre placas; un primer conjunto (115) de bobinas de inducción (116) que están dispuestas dentro de unas ranuras (135) en la primera estructura y que generan un primer campo electromagnético;

un primer susceptor (210) que se extiende desde el primer conjunto de placas de la primera estructura, el primer susceptor está realizado de un material ferromagnético que genera calor en respuesta al primer campo electromagnético, presentando el material ferromagnético un punto de Curie y estando configurado para calentarse asintóticamente hacia el punto de Curie sin exceder el punto de Curie en presencia del primer campo electromagnético; y

un molde (118) que se extiende desde el primer susceptor y recibe calor por transferencia de calor por conducción desde el primer susceptor,

cada placa del primer conjunto es más delgada que una profundidad de la capa a la que el primer campo electromagnético generaría una corriente de inducción eléctrica,

caracterizado por el hecho de que el aparato comprende, además, un sistema de enfriamiento (342) configurado para aplicar un fluido al molde para enfriar el molde,

en el que el molde comprende múltiples cavidades interiores (1114) y el sistema de enfriamiento (342) está en comunicación para el fluido con las cavidades interiores, y

en el que sistema de enfriamiento comprende unos tubos (340) insertados en las cavidades interiores.

2. Aparato según la reivindicación 1, en el que cada tubo comprende un puerto (1220) que permite que el fluido vaya del tubo a una cavidad interior (1114).

3. Aparato según la reivindicación 1, que comprende, además

una segunda herramienta (130) que comprende:

una segunda estructura (134) que comprende:

un segundo conjunto (714) de placas (700) de material magnéticamente permeable que son paralelas entre sí y se encuentran enfrentadas entre sí; y

un material (710), dispuesto entre placas del segundo conjunto, que evita la conducción eléctrica entre placas; un segundo conjunto (137) de bobinas de inducción (136) que están dispuestas dentro unas de ranuras (135) de la segunda estructura y que generan un segundo campo electromagnético; y

un segundo susceptor (138) de material ferromagnético que genera calor en respuesta al segundo campo electromagnético, el segundo susceptor queda encastrado dentro de la segunda estructura y define un receptáculo (139) que está dimensionado para alojar el molde,

cada placa del segundo conjunto es más delgada que la profundidad de la capa.

4. Aparato según la reivindicación 3, en el que:

el primer susceptor y el segundo susceptor comprenden, cada uno, una aleación de hierro, níquel y cobalto.

5. Aparato según la reivindicación anterior, que comprende, además:

susceptores adicionales (1118) que están insertados en el molde, y que están realizados en un material ferromagnético que genera calor en respuesta al primer campo electromagnético.

6. Aparato según la reivindicación 5, en el que:

el molde comprende una pared interior (1110) que no hace contacto con la pieza y una pared exterior (1112) que hace contacto con la pieza, y

los susceptores adicionales están insertados entre la pared interior y la pared exterior.

7. Aparato según la reivindicación 6, en el que:

el material magnéticamente permeable que forma el primer conjunto de placas es acero inoxidable no magnético.

8. Aparato según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que:

el molde está realizado de un material ferromagnético que es químicamente distinto del material ferromagnético del primer susceptor.

9. Aparato según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que:

el molde incluye paredes (1110, 1112) que son más delgadas que una profundidad de la capa a la que el primer campo electromagnético generaría una corriente de inducción eléctrica dentro del molde.

10. Aparato según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende, además:

un soporte (350) que está acoplado al molde y que está realizado de un material magnéticamente permeable.

11. Aparato según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende, además:

una fuente de alimentación eléctrica (1460) que suministra energía al primer conjunto de bobinas de inducción.

12. Aparato según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7 y 9 a 11, en el que:

el molde está realizado de un material magnéticamente permeable, en el que el material magnéticamente permeable es acero inoxidable no magnético.

13. Procedimiento para fabricar un componente calentando material que forma el componente a una temperatura predeterminada, comprendiendo el procedimiento:

colocar un material, que se calentará y se fabricará para obtener el componente, en un receptáculo realizado de un material ferromagnético que genera una corriente inductiva en respuesta a un campo de flujo electromagnético, siendo capaz el receptáculo de generar calor a una primera temperatura predeterminada cuando se somete al campo de flujo electromagnético (1502);

colocar un molde, realizado de un material ferromagnético que genera corriente inductiva en respuesta al campo de flujo electromagnético, en el receptáculo, incluyendo el molde una pluralidad de insertos de susceptor inteligentes desmontables, estando realizado cada inserto del susceptor inteligente de un material ferromagnético que genera una corriente inductiva en respuesta al campo de flujo electromagnético para generar calor a una segunda temperatura predeterminada, presentando el material ferromagnético de los insertos de susceptor inteligentes un punto de Curie y estando configurados para calentarse asintóticamente hacia el punto de Curie sin exceder el punto de Curie en presencia del campo de flujo electromagnético, cooperando la pluralidad de insertos de susceptor inteligentes y el molde para lograr una temperatura predeterminada compuesta cuando se someten al campo de flujo electromagnético (1504); y

generar el campo de flujo electromagnético en la proximidad del receptáculo y el molde (1506); y

aplicar, mediante un sistema de refrigeración, un fluido al molde para enfriar el molde,

en el que el molde comprende múltiples cavidades interiores (1114) y el sistema de refrigeración (342) está en comunicación para el fluido con las cavidades interiores,

en el que el sistema de refrigeración comprende unos tubos (340) insertados en las cavidades interiores.

14. Procedimiento según la reivindicación 13, que comprende, además:

disponer un material entre placas en contacto con el molde que impide una conducción eléctrica entre placas; generar, en una primera herramienta, un primer campo electromagnético en un primer grupo de bobinas de inducción dispuestas entre ranuras en una primera estructura;

generar calor en respuesta al primer campo electromagnético.