Una máquina de intercalación de material compuesto, que comprende:

un dispositivo de compactación (5) para prensar la cinta de fibras (2) contra una pieza de trabajo (4) en una región de compactación (6), de tal manera que la cinta de fibras (2) se adapta al contorno de la pieza de trabajo (4) y se adhiere a la misma,

un sistema de inspección (19) para supervisar al menos una de la cinta de fibras (2) y la pieza de trabajo (4), produciendo el sistema de inspección una salida representativa de al menos una característica de al menos una de la cinta de fibras y la pieza de trabajo,

comprendiendo el sistema de inspección (19) un sensor de temperatura (8) para medir una temperatura de al menos una de la cinta de fibras (2) y la pieza de trabajo (4) y para producir una salida representativa de la temperatura medida; y

un controlador (20) capaz de recibir la salida desde el sistema de inspección (19) y de alterar automáticamente al menos un parámetro del sistema que define una característica operativa de la máquina de intercalación de material compuesto en base al mismo, caracterizado por una serie de diodos láser (7) para calentar al menos una cinta de fibras (2) y porque el sistema de inspección (19) comprende, además:

una cámara (9) para recibir imágenes de la cinta de fibras (2) después de que la cinta de fibras (2) ha pasado a través de la región de compactación

Máquina y procedimiento para el ensamblaje rápido de materiales compuestos.

Campo de la invención

La invención se refiere a la fabricación de artículos compuestos de una manera acelerada y, más específicamente, a un aparato y método para inspeccionar artículos compuestos durante la fabricación y alterar automáticamente parámetros del sistema en base a ellos de acuerdo con las reivindicaciones 1 y 10.

Antecedentes de la invención

Las estructuras compuestas fabricadas a partir de materiales (se resina) de matriz de polímero reforzado con fibras se fabrican comúnmente para formar progresivamente la estructura con una pluralidad de capas de cinta compuesta fina o estopa, referida en adelante colectivamente como una cinta tendida una capa sobre otra. Típicamente, la operación comienza tendiendo una o más cintas sobre una plantilla o herramienta inicial que tiene una configuración que corresponde generalmente a la forma deseada del artículo a producir. Una cabeza de colocación de la cinta guía una o más cintas continuas sobre la plantilla proporcionando movimiento relativo entre la plantilla y la cabeza, de tal manera que la cabeza se mueve sobre la superficie de la plantilla. La cabeza realiza habitualmente pasos repetidos sobre la plantilla en un patrón definido hasta que el material compuesto está totalmente intercalado. Se forman típicamente pliegues o capas de cinta por medio de pasos continuos de la cabeza sobre la superficie. Normalmente se utiliza un rodillo de compactación para presionar la cinta contra la plantilla o las capas de cinta tendidas anteriormente, referencias colectivamente a continuación como una pieza de trabajo. La compactación facilita la adhesividad de la cinta a la pieza de trabajo.

La cinta, la pieza de trabajo o ambas son calentadas justamente antes de ser compactadas para ablandar la resina y favorecer la adhesividad de la cinta a la pieza de trabajo.

Se pueden formar estructuras compuestas que tienen una forma perfilada intercalando múltiples capas sobre una plantilla perfilada. Alternativamente, pueden producirse estructuras compuestas de geometría variable tendiendo en primer lugar múltiples capas de cinta sobre una plantilla lisa de la manera descrita anteriormente. Después de que se ha conseguido un espesor suficiente, se calienta el material compuesto y posteriormente se endurece en la forma de una plantilla perfilada. Entonces se retira el exceso de material.

Pueden producirse un número de defectos durante la fabricación de estructuras compuestas por un proceso de intercalación automático. Por ejemplo, pueden resultar intersticios entre cintas, solape de cintas o torsiones en las cintas a partir de una variación inesperada de la anchura de la cinta o de la coordinación inadecuada o imprecisa de la colocación de las cintas de fibras. Tales intersticios, solapes y torsiones pueden tener efectos adversos significativos sobre la resistencia y durabilidad del material compuesto resultante. Además, pueden resultar problemas de adhesividad a partir de calentamiento o compactación insuficientes o excesivos. La adhesividad insuficiente incrementa la probabilidad de separación de las capas sucesivas de cintas, reduciendo de esta manera la resistencia del artículo acabado. Los problemas por mantener la adhesividad adecuada en tasas altas son abordados añadiendo exceso de calor al material. Desafortunadamente, a veces es difícil remediar problemas de adhesividad, puesto que el grado ideal de calentamiento y de compactación dependen mutuamente y también dependen de factores tales como el tipo de cinta de cintas empleada, el grado de impregnación de la cinta de fibras, la velocidad a la que se colocan las cintas de fibras y las condiciones ambientales, por mencionar algunos.

Algunos defectos se pueden reparar, incrementando de esta manera el coste medio efectivo por parte utilizable producida. Otros defectos se pueden reparar, pero requieren la intervención humada costosa y que requiere mucho tiempo. En métodos de fabricación tradicionales, la estructura compuesta es inspeccionada después de haber colocado cada capa de cinta. Algunos defectos son detectados en general manualmente y se introduce de manera desfavorable un elemento de subjetividad en el proceso de inspección. Una vez que los defectos han sido detectados, un trabajador repara los defectos, si es posible. Como se ha descrito, este proceso requiere la intervención humana durante la inspección y reparación. La máquina de colocación de fibras puede estar, por lo tanto, totalmente inoperativa o al menos ralentizada durante el tiempo requerido para la inspección y reparación, reduciendo de esta manera el rendimiento de la máquina. Como resultado, una máquina de colocación de fibras convencional funciona de manera desfavorable a una velocidad muy por debajo de sus capacidades máximas en la mayoría de las situaciones, limitando la producción potencial.

"Neuronal Network-Based Control for the Fiber Placement Composite Manufacturing Process" por Lichtenwalner, publicado en el Journal of Materials Engineering and Performance, Volumen 2(5), Octubre de 1993, páginas 687-691, describe una máquina de colocación de fibras, que emplea un sistema de control basado en red neuronal para controlar su calentamiento por láser.

El documento US-A-5.177.340 describe una máquina de máquina de intercalación de material compuesto de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 1.

Resumen de la invención

La presente invención pretende mejorar la calidad de materiales compuestos y la eficiencia de su producción proporcionando un sistema de inspección que proporciona reacción, que es utilizado por un controlador para controlar diversos parámetros del sistema, que incluyen una fuente de calor avanzada. En particular, de acuerdo con un primer aspecto de la presente invención, se proporciona una máquina de intercalación de material compuesto como se define en la reivindicación 1. También se proporciona un método de acuerdo con la reivindicación 10.

La integración del sistema de inspección permite un sistema de control de circuito cerrado que puede ajustar rápidamente parámetros del sistema para corregir o evitar defectos en el producto, permitiendo de esta manera que la máquina de intercalación de material compuesto funcione mucho más cerca de sus capacidades máximas que las proporcionadas por máquina de intercalación de material convencionales. Por lo tanto, el sistema ofrece reducciones significativas en el tiempo de fabricación y en el coste de fabricación, proporcionando también al mismo tiempo una mejora prevista de la calidad.

Las máquinas de intercalación de material compuesto incluyen máquinas de colocación de cinta de fibras que colocan varias cintas simultáneamente así como máquinas para colocar otros tipos de materiales, tales como cintas individuales de varias pulgadas de anchura. Aunque las formas de realización de la presente invención se describen en el contexto de la colocación de fibras, se entiende que cada una de las formas de realización es aplicable a todas las otras máquinas y métodos para intercalación de materiales compuestos.

En una forma de realización preferida, el controlador de la presente invención puede ajustar la potencia de la serie de diodos láser, la temperatura de la cinta de fibras, la temperatura de la pieza de trabajo, la velocidad de colocación de la cinta de fibras, la presión de compactación, la adhesividad de la cinta de fibras, y/o la colocación de la cinta de fibras con relación a otra cinta. A este respecto, si el controlador detecta un intersticio entre dos cintas de fibras adyacentes, la colocación de esas cintas podría ajustarse de tal forma que se colocan más cerca juntas y/o se pueden incrementar la temperatura y la presión de compactación. Si el controlador detecta una adhesividad de las cintas por debajo de la adhesividad óptima, entonces se podría incrementar la temperatura de la serie de diodos láser, incrementando la presión de compactación, reduciendo la velocidad de colocación de las cintas o alguna combinación de ellas. Alternativamente, las cintas de fibras pueden supervisarse antes de que las cintas de fibras sea compactadas con el controlador tomando de manera similar una acción de corrección adecuada, aunque, en general, antes de la producción de una capa inaceptable en este caso. Por ejemplo, un sensor de temperatura puede detectar la temperatura de las cintas de fibras antes de que el dispositivo de compactación presione las cintas sobre la pieza de trabajo. Esto puede ocurrir o bien antes, durante o después de que la cinta de fibras sea calentada...

1. Una máquina de intercalación de material compuesto, que comprende:

2. La máquina de intercalación de material compuesto (1) de la reivindicación 1, en la que la serie de diodos láser (7) está configurada para irradiar una pluralidad de zonas de irradiación de tal forma que cada zona de irradiación puede ser irradiada independientemente de las otras zonas irradiadas.

3. La máquina de intercalación de material compuesto (1) de la reivindicación 1, en la que al menos una de las zonas de irradiación define un área sobre la cinta de fibras (2) y al menos una de las zonas de irradiación define un área sobre la pieza de trabajo (4).

4. La máquina de intercalación de material compuesto de la reivindicación 1, 2 ó 3, en la que el sistema de inspección (19) comprende, además, un dispositivo de supervisión de la adhesividad (10) capaz de medir la movilidad molecular de una resina de la cinta de fibras (2).

5. La máquina de intercalación de material compuesto de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en la que el sistema de inspección (19) genera una salida representativa de al menos una característica de la cinta de fibras (2), la característica es seleccionada del grupo que consta de la temperatura de la cinta de fibras (2), la temperatura de la pieza de trabajo (4), la velocidad de colocación de la cinta de fibras (2), la presión de compactación, la adhesividad de la cinta de fibras (2) y la colocación de la cinta de fibras (2) con relación a otra cinta de fibras (2).

6. La máquina de intercalación de material compuesto de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en la que el controlador (20) es capaz de alterar automáticamente al menos uno de los parámetros del sistema seleccionados del grupo que consta de la temperatura de la cinta de fibras (2), la temperatura de la pieza de trabajo (4), la velocidad de colocación de la cinta de fibras (2), la presión de compactación, la adhesividad de la cinta de fibras (2) y la colocación de la cinta de fibras (2) con relación a otra cinta de fibras (2).

7. La máquina de intercalación de material compuesto de la reivindicación 1, en la que el sensor de temperatura (8) está configurado para medir la temperatura de al menos una zona de detección y el controlador (20) es capaz de controlar automáticamente la serie de diodos láser (7) para irradiar independientemente una pluralidad de zonas de irradiación, en la que cada una de las zonas de detección y las zonas de irradiación define un área seleccionada del grupo que consta de un área sobre una de las cintas de fibras (2) y un área sobre la pieza de trabajo (4).

8. La máquina de intercalación de material compuesto de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, que comprende, además, un dispositivo de marcar (11) sensible a dicho controlador (20) para indicar defectos sobre la cinta de fibras (2).

9. La máquina de intercalación de material compuesto de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en la que la máquina de intercalación de material compuesto comprende una máquina de colocación de cinta de fibras (1).

10. Un método de formación de un artículo compuesto a partir de una cinta de fibras compuesta (2), donde el método comprende:

11. El método de formar una artículo compuesto de la reivindicación 10, en el que la inspección de la cinta de fibras (2) comprende medir la movilidad molecular de una resina de la cinta de fibras (2).

12. El método de formación de un artículo compuesto de la reivindicación 10 u 11, en el que la inspección de la cinta de fibras (2) comprende detectar la adhesividad de la resina de la cinta de fibras (2) antes de compactar la cinta de fibras (2) contra la pieza de trabajo (4) y en el que la alteración automática de al menos un parámetro del sistema comprende alterar automáticamente la temperatura de la cinta de fibras (2) antes de compactar la cinta de fibras (2) contra la pieza de trabajo (4 sobre la base de la adhesividad de la resina de la cinta de fibras (2).

13. El método de formación de un artículo compuesto de la reivindicación 10, 11 ó 12, en el que la inspección de la cinta de fibras (2) produce una salida representativa de al menos una característica de la cinta de fibras (2), siendo seleccionadas las características del grupo que consta de la temperatura de la cinta de fibras (2), la temperatura de la pieza de trabajo (4), la velocidad de colocación de la cinta de fibras (2), la presión de compactación, la adhesividad de la cinta de fibras (2) y la colocación de la cinta de fibras (2) con relación a otra cinta de fibras (2).

14. El método de formación de un artículo compuesto de una cualquiera de las reivindicaciones 10 a 13, en el que la alteración automática de al menos uno de los parámetros del sistema comprende alterar automáticamente al menos un parámetro del sistema seleccionado del grupo que consta de la temperatura de la cinta de fibras (2), la temperatura de la pieza de trabajo (4), la velocidad de colocación de la cinta de fibras (2), la presión de compactación, la adhesividad de la cinta de fibras (2) y la colocación de la cinta de fibras (2) con relación a otra cinta de fibras (2).

15. El método de formación de un artículo compuesto de una cualquiera de las reivindicaciones 10 a 14, que comprende, además,

16. El método de formación de un artículo compuesto de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 10 a 15, que comprende, además, marcar un área de la cinta de fibras (2) para indicar un defecto basado en la inspección de la cinta de fibras (2).