Sistema y método de calentamiento de fibra de carbono utilizando la radiación infrarroja en una máquina de colocación de fibra.
Aparato que comprende:
un conjunto de cabezal de colocación de fibras (10);
y
un conjunto de calentador por infrarrojos (18) acoplado operativamente al conjunto de cabezal de colocación de fibras (10) y orientado a calentar un área (60) de una herramienta (32) próxima al conjunto de cabezal de colocación de fibras (10), comprendiendo el conjunto de calentador por infrarrojos (18) un calentador por infrarrojos (52) cuya superficie exterior (54) presentará el contorno configurado para crear un perfil de calor (58);
caracterizado porque el aparato comprende además un conjunto de disipador de calor residual (74) acoplado operativamente al conjunto de calentador por infrarrojos (18) para extraer el calor de las estructuras calentadas (48, 50) alrededor del calentador por infrarrojos (52) y para calentar por convección un área de la herramienta (32), comprendiendo el conjunto de disipador de calor residual (74):
una cavidad (86) dentro de una cubierta (78) y tapas laterales (76);
una conexión rápida (80) que acopla el suministro de gas a la cavidad (86);
unos orificios (92) a través de los cuales sale el gas de la cavidad (86); y
una cubierta secundaria (82) que guía el gas calentado hacia la herramienta.
Tipo: Patente Europea. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: E07003312.
Solicitante: INGERSOLL MACHINE TOOLS, INC..
Nacionalidad solicitante: Estados Unidos de América.
Dirección: 707 FULTON AVENUE ROCKFORD IL 61103 ESTADOS UNIDOS DE AMERICA.
Inventor/es: OLDANI,TINO, Goebel,Daniel.
Fecha de Publicación: .
Clasificación Internacional de Patentes:
- B29C35/08 TECNICAS INDUSTRIALES DIVERSAS; TRANSPORTES. › B29 TRABAJO DE LAS MATERIAS PLASTICAS; TRABAJO DE SUSTANCIAS EN ESTADO PLASTICO EN GENERAL. › B29C CONFORMACIÓN O UNIÓN DE MATERIAS PLÁSTICAS; CONFORMACIÓN DE MATERIALES EN ESTADO PLÁSTICO, NO PREVISTA EN OTRO LUGAR; POSTRATAMIENTO DE PRODUCTOS CONFORMADOS, p. ej. REPARACIÓN (fabricación de preformas B29B 11/00; fabricación de productos estratificados combinando capas previamente no unidas para convertirse en un producto cuyas capas permanecerán unidas B32B 37/00 - B32B 41/00). › B29C 35/00 Calentamiento, enfriamiento o endurecimiento, p. ej. reticulación, vulcanización; Aparatos a este efecto (moldes con medios de calentamiento o de enfriamiento incorporados B29C 33/02; dispositivos para el endurecimiento de prótesis dentales de materia plástica A61C 13/14; antes del moldeo B29B 13/00). › utilizando energía ondulatoria o radiación de partículas.
- B29C70/38 B29C […] › B29C 70/00 Conformación de materiales compuestos, es decir, materiales plásticos con refuerzos, cargas o partes preformadas, p. ej. inserciones. › Apilado (lay-up) automático, es decir, utilizando robots, aplicando filamentos según modelos predeterminados.
PDF original: ES-2379733_T3.pdf
Fragmento de la descripción:
Sistema y método de calentamiento de fibra de carbono utilizando la radiación infrarroja en una máquina de colocación de fibra.
CAMPO DE LA INVENCIÓN
La presente invención se refiere en general a maquinaria de colocación de fibras y, en particular, a un método y un aparato utilizado en este tipo de maquinaria para calentar la fibra que se va a colocar.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Las máquinas de colocación automática de fibras (AFP) se utilizan ampliamente en la fabricación de piezas, componentes y estructuras de resinas compuestas (composite) . Los materiales utilizados en la colocación automática de fibras normalmente están compuestos por fibras longitudinales y resina consolidadas en bandas delgadas denominadas "cintas". La máquina de colocación de fibras produce de una a varias cintas adyacentes a medida que deposita y compacta una "lámina" o "recorrido" sobre una herramienta. El número de cintas que la máquina de colocación de fibras produce y deposita sobre una herramienta depende de distintos factores, entre ellos, por ejemplo el tamaño, las dimensiones, la forma y el contorno de la herramienta. Como cada lámina o recorrido se pone sobre otra lámina o recorrido anterior, una pieza de composite se conforma capa a capa sobre la herramienta.
El proceso de colocación automática de fibras descrito anteriormente de forma general permite construir estructuras complejas de composite con trayectos de las fibras dirigidos o curvilíneos. Este método para producir estructuras de composite resulta más económico que los métodos manuales. Además, ofrece una mejor eficiencia estructural, gracias a su capacidad de orientar las fibras a lo largo de trayectos de carga interna locales, con lo que se pueden lograr estructuras más ligeras y resistentes, con un coste de construcción menor en comparación con las estructuras conseguidas por otros métodos de producción.
Durante el proceso de colocación automática de fibras, las cintas se suelen calentar a medida que se colocan sobre la herramienta o sobre una capa de cintas anterior. El calor suministrado a las cintas hace que estas se vuelvan pegajosas. En este estado, las cintas individuales se unen con las fibras adyacentes o próximas, formando una lámina homogénea o una pieza de composite.
Lamentablemente, el uso de la maquinaria de colocación de fibras actual se ve limitado en parte por la incapacidad de calentar rápidamente la herramienta o las cintas de fibra de carbono próximas al punto de aplicación y compactación. Los anteriores métodos de calentamiento exigían equipos costosos y complejos, así como un método de transferencia térmica por convección. El soplado de aire caliente hacia la herramienta o las cintas previamente colocadas es un método de calentamiento relativamente efectivo, pero tiene tiempos de reacción largos y resulta mucho más difícil de controlar. La patente US-A-5177340 da a conocer una máquina de colocación de fibras con dos matrices de ampollas de cuarzo que calientan la herramienta y la siguiente cinta que se aplicará en la misma, respectivamente. El aire se sopla sobre las ampollas hacia las superficies que se van a calentar. La solicitud de patente europea publicada EP-A-0167377 da a conocer un aparato según el preámbulo de la reivindicación 1 en el que las superficies de contacto se calientan mediante un haz de energía radiante dirigido por delante del punto de contacto entre la herramienta y la cinta que se va a aplicar. Además, el documento EP-A-0167377 da a conocer un método para formar una pieza de composite utilizando un conjunto de cabezal de colocación de fibras. La patente US-A-5078821 da a conocer una máquina de colocación de fibras en la que el sustrato y la cinta se precalienta, p. ej., mediante lámparas de infrarrojos, y el punto de contacto entre el sustrato y la cinta se siguen calentando por encima de la temperatura de fusión mediante energía láser, aire caliente, microondas o radiación de infrarrojos.
BREVE SUMARIO DE LA INVENCIÓN
La presente invención proporciona un aparato según la reivindicación 1 y un método para calentar la herramienta o las cintas previamente dispuestas cerca del punto de aplicación y compactación, según la reivindicación 14, sin los problemas e inconvenientes asociados a los métodos y aparatos utilizados actualmente. Estas y otras ventajas de la presente invención, así como otras características inventivas, se pondrán claramente de manifiesto a partir de la descripción de la presente invención que se proporciona en la presente memoria.
En un aspecto, se proporciona un aparato, un sistema y un método que pueden utilizarse con una máquina de colocación de fibras para calentar rápidamente una herramienta o las cintas dispuestas previamente en la proximidad del área de aplicación o de un punto de compactación. El calor procede de un calentador por infrarrojos (IR) cuya superficie exterior presenta un contorno que crea un perfil de calor, estando el calentador IR acoplado a un conjunto de disipador de calor residual que extrae el calor de las estructuras calentadas situadas alrededor del calentador IR y calienta por convección un área de la herramienta. El conjunto de disipador de calor residual comprende una cavidad dentro de una cubierta y unas tapas laterales; una conexión rápida que acopla el suministro de gas a la cavidad; unos orificios a través de los que sale el gas de la cavidad; y una cubierta secundaria que guía el gas calentado hacia la herramienta. Este sistema y su método resultan económicos, de reacción rápida, fáciles de controlar y requieren menos componentes que los sistemas convencionales.
El nuevo sistema propuesto y su método de compactación y calentamiento permitirán una mejora general del rendimiento y unos costes menores en la industria de la colocación de fibras. Otros aspectos, objetivos y ventajas de la presente invención se pondrán claramente de manifiesto a partir de la siguiente descripción detallada junto con los dibujos adjuntos. Aunque la presente invención se describe según determinadas formas de realización preferidas, no se verá limitada a dichas formas. Al contrario, se pretende cubrir todas las alternativas, modificaciones y equivalentes comprendidos en el alcance de la presente invención tal y como se define en las reivindicaciones.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Los dibujos adjuntos, incorporados en la presente memoria y que forman parte de la misma, ilustran varios aspectos de la presente invención y, junto con la descripción, sirven para describir los principios de la presente invención. En los dibujos:
La figura 1 es una vista en perspectiva de un ejemplo de forma de realización de un conjunto de cabezal de colocación de fibras que resulta útil para explicar la presente invención, comprendiendo dicho conjunto de cabezal un conjunto de calentador por infrarrojos (IR) sin conjunto de disipador de calor residual, y estando dicho conjunto de cabezal acoplado operativamente a una máquina de colocación de fibras ilustrada de forma esquemática y general.
La figura 2 es una vista en alzado lateral del conjunto de cabezal de colocación de fibras de la figura 2 depositando cintas sobre una herramienta.
La figura 3 es una vista en alzado lateral del conjunto de cabezal de colocación de fibras de la figura 1 depositando cintas sobre cintas previamente colocadas en la herramienta.
La figura 4 es una vista en perspectiva del conjunto de cabezal de colocación de fibras de la figura 1, adaptado según la presente invención reivindicada al incluir un conjunto de disipación de calor residual dispuesto sobre el conjunto de calentador por infrarrojos.
Por último, la figura 5 es una vista en alzado lateral, parcialmente cortada, del conjunto de cabezal de colocación de fibras de la figura 4.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN
Tal como se ilustra en la figura 1, se trata de un conjunto de cabezal de colocación de fibras 10 para una máquina de colocación de fibras 12. Aunque no se representa, la máquina de colocación de fibras 12 está acoplada operativamente a un pórtico u otra estructura mecánicamente móvil, de forma que el conjunto de cabezal de colocación de fibras 10 puede desplazarse y maniobrar en varias direcciones. Tal como se describirá más detalladamente posteriormente, una fuente de calor por infrarrojos (IR) acoplada operativamente al conjunto de cabezal de colocación de fibras 10 suministra calor durante la colocación de fibras de una... [Seguir leyendo]
Reivindicaciones:
1. Aparato que comprende:
un conjunto de cabezal de colocación de fibras (10) ; y un conjunto de calentador por infrarrojos (18) acoplado operativamente al conjunto de cabezal de colocación de fibras (10) y orientado a calentar un área (60) de una herramienta (32) próxima al conjunto de cabezal de colocación de fibras (10) , comprendiendo el conjunto de calentador por infrarrojos (18) un calentador por infrarrojos (52) cuya superficie exterior (54) presentará el contorno configurado para crear un perfil de calor (58) ; caracterizado porque el aparato comprende además un conjunto de disipador de calor residual (74) acoplado operativamente al conjunto de calentador por infrarrojos (18) para extraer el calor de las estructuras calentadas (48, 50) alrededor del calentador por infrarrojos (52) y para calentar por convección un área de la herramienta (32) , comprendiendo el conjunto de disipador de calor residual (74) :
una cavidad (86) dentro de una cubierta (78) y tapas laterales (76) ; una conexión rápida (80) que acopla el suministro de gas a la cavidad (86) ; unos orificios (92) a través de los cuales sale el gas de la cavidad (86) ; y una cubierta secundaria (82) que guía el gas calentado hacia la herramienta.
2. Aparato según la reivindicación 1, en el que el conjunto de calentador por infrarrojos (18) comprende una placa guía (56) con una forma del perfil de calor (58) influida por dicha placa guía (56) .
3. Aparato según la reivindicación 2, en el que la placa guía (56) es una placa guía curvada. 25
4. Aparato según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el conjunto de cabezal de colocación de fibras (10) comprende un conjunto de rodillo compactador (14) y un conjunto de alimentador (16) , situándose el conjunto de alimentador (16) entre el conjunto de calentador por infrarrojos (18) y el conjunto de rodillo compactador (14) , y estando el área (60) calentada por el conjunto de calentador por infrarrojos (18) adyacente al conjunto de rodillo compactador (14) .
5. Aparato según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el conjunto de calentador por infrarrojos
(18) comprende por lo menos un sensor de temperatura (22) , estando por lo menos un sensor de temperatura (22) orientado para detectar la temperatura dentro del área (60) . 35
6. Aparato según la reivindicación 5, en el que dicho aparato comprende además un controlador (24) acoplado operativamente al conjunto de calentador por infrarrojos (18) y a por lo menos un sensor de temperatura (22) , estando configurado el controlador (24) para desactivar el calentador por infrarrojos (52) si dicho controlador (24) determina una temperatura excesiva.
7. Aparato según la reivindicación 6, en el que el controlador (24) determina la temperatura excesiva basándose en un valor predeterminado inferior a 260 º C (quinientos grados Fahrenheit) .
8. Aparato según la reivindicación 7, en el que el valor está predeterminado a unos 71 º C (ciento sesenta grados 45 Fahrenheit) y a unos 93 º C (doscientos grados Fahrenheit) .
9. Aparato según cualquiera de las reivindicaciones 6 a 8, en el que el conjunto de calentador por infrarrojos (18) comprende un mecanismo refrigerador (20) acoplado operativamente al controlador (24) , activando el controlador (24) el mecanismo refrigerador (20) cuando se haya determinado una temperatura excesiva.
10. Aparato según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en el que el conjunto de calentador por infrarrojos (10) comprende un mecanismo refrigerador (20) estando el mecanismo refrigerador (20) dispuesto para dirigir el refrigerante hacia el área (60) .
55 11. Aparato según cualquiera de las reivindicaciones 9 ó 10, en el que el mecanismo refrigerador (20) es un tubo refrigerante (70) y el refrigerante es aire.
12. Aparato según la reivindicación 11, en el que el tubo refrigerante (70) comprende una conexión rápida (71) estando la conexión rápida (71) para acoplar el tubo refrigerante (70) a un suministro de aire.
13. Aparato según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la cubierta (78) separada del calentador por infrarrojos (52) por una pluralidad de espaciadores (88) , impulsando la pluralidad de espaciadores (88) el gas a través de la cavidad (86) para que realice un recorrido tortuoso (90) .
65 14. Método para formar una pieza de composite utilizando un conjunto de cabezal de colocación de fibras (10) sobre una herramienta (32) , que comprende las siguientes etapas:
uso de un aparato compuesto por un conjunto de calentador por infrarrojos (18) según la reivindicación 1 para radiar calor sobre un área (60) de la herramienta (32) ; uso del aparato según la reivindicación 1 que comprende además un conjunto de disipador de calor residual (74) para calentar por convección un área de la herramienta (32) ;
movimiento del conjunto de cabezal de colocación de fibras (10) sobre el área calentada por radiación (60) de la herramienta (32) ; y aplicación de una primera cinta (34) sobre dicha área calentada por radiación (60) de la herramienta (32) .
15. Método según la reivindicación 14, en el que el método comprende además las etapas de utilizar el calentador por infrarrojos (52) para calentar por radiación una parte de la primera cinta (34) y aplicar una segunda cinta sobre la parte calentada por radiación de la primera cinta (34) .
16. Método según la reivindicación 15, en el que el método comprende además las etapas de controlar la temperatura superficial de por lo menos una de las áreas calentadas por radiación de la herramienta (32) y la parte calentada por radiación de la primera cinta (34) e interrumpir el paso de calentamiento por radiación cuando la temperatura superficial alcance o supere un valor predefinido.
17. Método según la reivindicación 16, en el que el método comprende además la etapa de refrigerar por lo menos una de las áreas calentadas por radiación de la herramienta (32) y la parte calentada por radiación de la 20 primera cinta (34) cuando la temperatura superficial controlada alcance o supere un valor predefinido.
AL CALENTADOR IR
A LOS SENSORES DE TEMPERATURA
AL MECANISMO REFRIGERANTE
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