ES1188008U

ES1188008U - Cinta de espesor y anchura calibrados

Info

Publication number: ES1188008U
Application number: ES201730617U
Authority: ES
Inventors: Didier Kurtz
Original assignee: Daher Aerospace SAS
Current assignee: Daher Aerospace SAS
Priority date: 2012-07-02
Filing date: 2012-07-02
Publication date: 2017-07-17
Anticipated expiration: 2022-07-02
Also published as: ES1188008Y

Abstract

1. Una cinta (115) de espesor y anchura calibrados, caracterizada por que está adaptada para la fabricación de una pieza de trabajo de material compuesto consolidada por tendido de cinta y consolidación in situ, comprendiendo dicha cinta: - un polímero termoplástico; - hebras de fibras continuas -en la que la cinta está en un estado pre-consolidado, estando las fibras uniformemente impregnadas con el polímero termoplástico.

Description

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CINTA DE ESPESOR Y ANCHURA CALIBRADOS

DESCRIPCION

La invencion se refiere a una cinta de espesor y anchura calibrados para el tendido de cinta y la consolidation tras la deposition de una pieza de trabajo termoplastica de material compuesto con refuerzo de fibra.

El tendido de cinta automatico, depositando cintas o colocando fibras pre- impregnadas, es un metodo de fabrication que esta muy generalizado en el area de la preparation de piezas de material compuesto con refuerzo de fibra en una matriz termoestable. Esto es debido a que la adhesividad y fluidez de estas resinas hace posible lograr una calidad de la pieza de trabajo que esta libre de huecos y porosidades durante las posteriores operaciones de deposicion y curado. Con cintas llamadas pre-impregnadas con un polfmero termoplastico, dicho polfmero no muestra adhesividad a la temperatura de tendido de cinta. La 'pre-impregnation' se lleva a cabo en la practica tanto por calandrado de una pelfcula constituida de dicho polfmero sobre dichas cintas de fibra como por el recubrimiento con polvo de dichas fibras o insertando fibras de polfmero mezcladas junto con las fibras de refuerzo. A menos que se indique lo contrario, los terminos 'pre-impregnacion' y 'pre-impregnado' en relation con las fibras y un polfmero termoplastico debe entenderse en el significado practico expuesto anteriormente. Las capas que son sucesivamente depositadas se unen entre si fundiendo el polfmero. Pero el polfmero termoplastico fundido se caracteriza por una viscosidad muy alta, frecuentemente de varios ordenes de magnitud en comparacion con las resinas termoendurecibles no curadas. Asf, incluso cuando la carga de polfmero contenida en la cinta fibrosa esta fundida, es muy diffcil de obtener la impregnacion eficaz de todas las capas depositadas. Ademas, aunque la viscosidad del polfmero fundido puede reducirse aumentando la temperatura, generalmente mas alla de la temperatura de fusion, el polfmero se hincha entonces significativamente y es diffcil de controlar en un proceso de deposicion dinamica. Como resultado, quedan huecos o porosidades en la pila, con mayor razon aun cuando la velocidad de deposicion, o mas precisamente

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la velocidad de salida del material depositado, es alta. Asf, aun cuando el polfmero termoplastico no requiera curado para lograr sus propiedades mecanicas, es, sin embargo, necesario consolidar la estratificacion obtenida por el tendido de cinta con el fin de obtener una pieza acabada que cumple los requisitos de las aplicaciones estructurales de una pieza tal. Tal consolidacion consiste en elevar la temperatura de la estratificacion obtenida por el tendido de cinta a la temperatura de fusion del polfmero, mientras que se mantiene el espesor de la pieza de trabajo por medios de despresurizacion, generalmente en un autoclave. Asf, el hacer que el polfmero se funda otra vez y sometiendolo al efecto de presion permiten la compactacion del conjunto y eliminan huecos y porosidades de dicha estratificacion. Adicionalmente, debido al hinchamiento del polfmero cuando esta fundido, la pieza de trabajo solo alcanza su espesor final despues de la operacion de compactacion que es posterior al tendido de cinta, y esa operacion hace necesario implementar medios tales como platos calientes que hacen posible obtener un espesor uniforme de la pieza de trabajo y la condicion superficial requerida de sus lados. Esa operacion de compactacion se lleva a cabo a la temperatura de fusion del polfmero termoplastico, y esa temperatura es generalmente significativamente superior a las temperaturas de curado de resinas termoendurecibles. La operacion implica el uso de medios tales como autoclaves, herramientas y consumibles, particularmente para lograr el sellado, y su coste es alto.

Todos los dispositivos conocidos del estado de la tecnica, y por ejemplo el dispositivo y metodo descrito en el documento EP-B-1 911 569, abordan el problema de la consolidacion, llamado la consolidacion in situ, es decir, durante la deposicion de cintas fibrosas pre-impregnadas con un polfmero termoplastico, buscando un metodo para calentar y someter a presion tan uniformemente como sea posible la cinta que se deposita y las capas pre- depositadas. Asf, la preparacion de una pieza de trabajo en una calidad que este libre de porosidades se basa en complejos dispositivos de calentamiento y aplicacion de presion que hacen posible mantener las capas depositadas a temperatura y presion suficientes durante un tiempo que es suficiente para permitir la impregnacion uniforme de las capas. Asf, los resultados se obtienen al precio de dispositivos complejos y al coste de eficiencia. Incluso con tal

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complejidad, estos metodos estan en la practica limitados en terminos de los espesores maximos que pueden as^ depositarse y consolidarse in situ y la experiencia industrial del solicitante muestra que no es posible, en condiciones de produccion industrial, usar estos metodos para lograr estratificaciones con mas de 8 capas apiladas que cumplan los requisitos para piezas estructurales de clase 2F en el campo de la aeronautica.

El documento "Manufacturing processes for advanced composites” CapRulo 10, Elsevier Advanced Technology de 1 de enero de 2004, confirma que estos metodos de consolidacion in situ de una estratificacion de capas pre- impregnadas con un polfmero termoplastico no hacen posible lograr, en condiciones industriales, velocidades de consolidacion superiores al 90 % y que se requiere una etapa de post-consolidacion, particularmente usando una placa de compactacion, despues de la formacion de la cortina.

La invencion pretende remediar los inconvenientes del estado de la tecnica y para ese fin desvela una cinta de espesor y anchuras calibrados para un metodo de tendido de cinta de una cinta de fibras que comprende un polfmero termoplastico y de consolidacion durante la deposicion de una pieza de trabajo que se hace tendiendo cinta de esa manera, comprendiendo dicho metodo las etapas de:

a. pre-consolidar una cinta de fibras pre-impregnadas con el polfmero termoplastico;

b. guardar dicha cinta pre-consolidada en forma de un producto semi-acabado;

c. tender la cinta de dicho producto semi-acabado sobre una capa de la misma naturaleza que se deposita primero en una forma que comprime dicho producto semi-acabado sobre dicha capa y calentar la superficie de separacion entre el producto semi-acabado y la capa depositada primero a una temperatura T, capaz de soldar el producto semi-acabado sobre dicha capa.

Asf, la pre-consolidacion hace posible obtener una cinta de fibras que esta libre de defectos tales como porosidades, eliminando el aire bloqueado en dichas fibras y en sus uniones, e impregnar uniformemente las fibras de dicha

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cinta, haciendo ademas posible aumentar la superficie de polimero expuesta a la soldadura durante la operacion de tendido de cinta. Asi, el metodo en la invencion no hace necesario fundir la totalidad del polimero incluido en la cinta pre-consolidada y el polimero incluido en las capas depositadas antes, sino simplemente elevar la temperatura de la superficie de separacion entre los dos a una temperatura que permita la soldadura en dicha superficie de separacion; esa temperatura es aproximadamente la temperatura de fusion del material y es menos limitante en terminos de viscosidad que la temperatura que permite la impregnacion de las fibras durante la consolidacion. El termino soldadura significa la fusion conjunta de al menos una capa superficial de cada uno de los elementos (cinta y capa pre-depositada) ensamblados de esa manera. Ademas del beneficio de la consolidacion in situ, estas condiciones permiten la rapida deposicion con medios simples, permitiendo la preparacion de formas complejas y/o el uso de cintas anchas para obtener los caudales masicos de tendido de cinta comparables a aquellos obtenidos con capas impregnadas con resinas termoendurecibles. En ausencia de consolidacion de alta temperatura al final del tendido de cinta, se reducen los costes de mecanizado, instalacion y consumibles.

La invencion puede implementarse segun las ventajosas realizaciones descritas mas adelante, que pueden considerarse individualmente o en cualquier combinacion tecnicamente operativa.

Ventajosamente, la etapa (a) se lleva a cabo por pultrusion de hebras pre- impregnadas con polimero termoplastico a traves de una boquilla. Asi, el metodo de pultrusion permite la pre-consolidacion dinamica y rapida de la cinta de fibras pre-impregnadas y ademas permite el dimensionar el espesor y la anchura de la cinta. El paso a traves de una boquilla hace asi posible comprimir las mechas de hebras pre-impregnadas y obtener la distribucion homogenea de resina mientras que se elimina el aire incluido en las hebras.

Ventajosamente, la pre-consolidacion de la etapa (a) se lleva a cabo a una temperatura T1 superior a la temperatura de fusion del polimero termoplastico. Asi, la fluidez del polimero permite la perfecta impregnacion de

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las fibras.

Ventajosamente, el producto semi-acabado se almacena en la etapa (b) en forma de un rollo que puede ser instalado y proporcionado por una maquina de tendido de cinta durante la etapa (c). La cinta de polfmero es suficientemente fina para prestarse a si misma a este modo de embalaje, que usa una tendencia natural de la cinta, particularmente en la entrega de la pultrusion, de enrollarse en ella misma al final de la consolidacion dinamica.

En una realizacion particular, el polfmero termoplastico es una polieter- eter-cetona (PEEK), T1 = 400 °C y Tes igual a la temperatura de fusion cristalina del polfmero. Asf, el metodo segun la invencion hace posible crear, mediante tendido de cinta y consolidacion in situ, piezas de trabajo hechas de material compuesto con refuerzo de fibra continuo en una matriz de alto rendimiento tal sin requerir medios, tales como una estufa o autoclave, capaces de consolidar la pieza a alta temperatura.

La invencion se describe a continuacion en sus realizaciones preferidas, que no son de ningun modo limitantes, y por referencia a las Figuras 1A y 1B en las que:

- la Figura 1A es una vista lateral de un diagrama de principio de la operacion de pre-consolidacion por pultrusion de una cinta pre-impregnada fibrosa con un polfmero termoplastico segun una realizacion a modo de ejemplo del metodo segun la invencion;

- la Figura 1B es una vista lateral de un diagrama de principio del rendimiento de una operacion de tendido de cinta segun una realizacion a modo de ejemplo de la invencion.

En la Figura 1A, durante una primera etapa del metodo segun la invencion, hebras (110) constituidas de fibras, por ejemplo fibras de carbono, pre-impregnadas con un polfmero termoplastico, por ejemplo polieter-eter- cetona o PEEK, se pre-consolidan durante un proceso dinamico (120), por ejemplo pultrusion. Un proceso de pultrusion tal es conocido del estado de la tecnica y consiste, en una realizacion a modo de ejemplo no limitante, en elevar

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la temperatura de dichas hebras (110) pre-impregnadas por envoltura de pelfcula, recubrimiento con polvo o combinadas con hebras de polfmero a una temperatura proxima a la temperatura de fusion de dicho polfmero, por ejemplo cuando dichas hebras se pasan a un dispositivo de calentamiento de infrarrojos (125). Si el polfmero termoplastico esta hecho de PEEK, esa primera operacion de calentamiento eleva la temperatura de dichas hebras a una temperatura que oscila entre 300 °C y la temperatura de fusion cristalina de dicho polfmero, es decir, aproximadamente 360 °C dependiendo de la calidad de PEEK usada. Las hebras se pasan entonces a traves de una primera boquilla (126) llamada la boquilla caliente, elevada a una temperatura que es suficiente para la fluidez del polfmero fundido para impregnar las hebras regularmente. Para PEEK, esa temperatura T1 normalmente oscila entre la temperatura de fusion cristalina y 400 °C, de manera que T1 se establece preferentemente a 400 °C. Dicha boquilla tienen un hueco variable que hace posible formar gradualmente las hebras en una banda impregnada con un espesor y anchura definidos, banda que entonces se introduce en una boquilla de refrigeracion y de dimensionado (127). La banda consolidada (115) a la salida de la boquilla de dimensionado es delgada (1 capa) y suficientemente flexible para ser enrollada en un rodillo de almacenamiento (130) con un diametro apropiado. La banda asf pre- consolidada es estable y puede almacenarse indefinidamente a temperatura ambiente en forma de un producto semi-acabado. Asf, el producto semi- acabado (115) puede fabricarse en series muy largas, usando metodos de fabricacion continuos en fabricas dedicadas o unidades de produccion, alejadas e independientes de las unidades de tendido de cinta.

En la Figura 1B, la pieza de trabajo de material compuesto se fabrica por tendido de cinta, colocando el rollo de producto semi-acabado (130) en una maquina de tendido de cinta. El tendido de cinta se lleva a cabo usando herramientas (150) esculpidas a la forma de la pieza de trabajo a hacer. Una maquina de tendido de cinta tal, capaz de implementar dicho producto semi- acabado, es conocida en el estado de la tecnica y su principio de deposicion se ha descrito en un ejemplo no limitante en el documento FR-A-2 950 285. Una maquina de tendido de cinta tal adaptada a la implementacion del metodo segun la invencion comprende:

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- medios para recibir y proporcionar el rollo (130) de producto semi- acabado (115);

- medios de compresion (160) capaces de aplicar presion (165) sobre el producto semi-acabado (115) durante el tendido de cinta;

- medios de calentamiento (170) capaces de calentar la superficie de separacion entre el producto semi-acabado (115) que se deposita y la capa (117) depositada anteriormente.

Los medios de calentamiento (170) se disenan para elevar la temperatura de esa superficie de separacion a una temperatura T, que permite la soldadura del producto semi-acabado pre-consolidado sobre la capa (117) ya depositada, estando esta capa por si misma pre-consolidada. Esta temperatura es proxima a la temperatura de fusion cristalina del polfmero termoplastico, es decir, aproximadamente 360 °C para la PEEK dependiendo de la calidad usada.

La primera capa pre-consolidada, depositada sobre la herramienta puede, por ejemplo, depositarse de la misma forma sobre una tela movil, por ejemplo una tela de vidrio, tela de vidrio que puede mantenerse sobre la herramienta por adhesivos o por un dispositivo de vacfo. Las capas se depositan asf por tendido de cinta segun las orientaciones definidas hasta que se obtiene la estratificacion deseada. La pieza acabada puede entonces ser desmoldeada y no requiere una consolidacion posterior. Asf, la herramienta (150) usada no requiere resistencia a alta temperatura, o el control de la dilatacion diferencial entre la herramienta y la pieza de trabajo durante dicha etapa de consolidacion.

La descripcion y las realizaciones a modo de ejemplo anteriores muestran que la invencion logra sus objetivos, en particular hace posible hacer una pieza acabada que comprende un refuerzo continuo de fibra en una matriz termoplastica directamente por tendido de cinta.

Claims

REIVINDICACIONES

1- Una cinta (115) de espesor y anchura calibrados, caracterizada por que esta adaptada para la fabricacion de una pieza de trabajo de material 5 compuesto consolidada por tendido de cinta y consolidacion in situ,

comprendiendo dicha cinta:

- un polfmero termoplastico;

- hebras de fibras continuas

en la que la cinta esta en un estado pre-consolidado, estando las 10 fibras uniformemente impregnadas con el polfmero termoplastico.

2- La cinta (115) segun la reivindicacion 1 caracterizada por que esta dispuesta en un rollo (130) adaptada para ser usada por una maquina de tendido de cinta automatica.

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3- La cinta segun la reivindicacion 1, caracterizada por que el polfmero termoplastico es una polieter-eter-cetona (PEEK) .

4- La cinta segun la reivindicacion 1, caracterizada por que el estado pre-

20 consolidado de la cinta se logra por la pultrusion de hebras de fibras

calandradas con el polfmero termoplastico, o empolvadas con el polfmero termoplastico, o combinadas con las hebras de polfmero termoplastico.