ES3035208A1 - Procedimiento de fabricacion de moldes hibridos para piezas de materiales compuestos y molde hibrido obtenido - Google Patents
Procedimiento de fabricacion de moldes hibridos para piezas de materiales compuestos y molde hibrido obtenidoInfo
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Abstract
Procedimiento de fabricación de moldes para piezas formadas de materiales compuestos, con el cual se realiza un molde (1) formado por una base de molde (2) que se realiza por fabricación aditiva, en la cual se mecaniza una superficie de molde (2.1) que sirve de modelo para formar un lecho de molde (3), fijándose, una vez realizados, el lecho de molde (3) con la base de molde (2) por medio de unos conectores de unión (5, 6), los cuales determinan una disposición de montaje flotante que permite absorber las diferencias de dilatación de ambas partes componentes del molde, causadas por las variaciones de temperatura.
Description
DESCRIPCIÓN
PROCEDIMIENTO DE FABRICACIÓN DE MOLDES HÍBRIDOS PARA PIEZAS DE
MATERIALES COMPUESTOS Y MOLDE HÍBRIDO OBTENIDO
SECTOR DE LA TÉCNICA
La presente invención está relacionada con la fabricación de moldes para piezas formadas de materiales compuestos, proponiendo un procedimiento que permite fabricar de una manera eficiente moldes compuestos por múltiples materiales de diferentes coeficientes de dilatación térmica.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
La fabricación de piezas en material compuesto se basa, en la mayoría de aplicaciones existentes hoy en día, en el uso de moldes de curado. Los materiales compuestos, formados por un refuerzo y una matriz, suelen incorporar matrices poliméricas que deben ser curadas en un proceso térmico, que se realiza una vez el material está posicionado sobre un molde, de forma que la pieza resultante copia la geometría de dicho molde.
Ahora bien, dichos moldes para piezas de materiales compuestos deben cumplir con una serie de requisitos, que principalmente son de tipo estructural, de tipo geométrico, de porosidad y de temperatura. Dado que las temperaturas de curado pueden ser elevadas, especialmente para resinas de altas propiedades mecánicas, los moldes deben soportar ciclos térmicos manteniendo unas geometrías muy controladas, para que las piezas que se moldean cumplan con las especificaciones deseadas.
Además, las aplicaciones en las que las resinas de altas propiedades son requeridas se encuentran principalmente en el sector aeronáutico, donde adicionalmente las dimensiones de las piezas que se fabrican son también grandes, de modo que la influencia de los coeficientes de dilatación es más notable.
Por ello, para fabricar esas piezas de materiales compuestos se utilizan habitualmente moldes de aceros especiales, como el acero Invar, con un coeficiente de dilatación muy bajo, o bien moldes fabricados también de material compuesto a base de fibra de carbono continua, con lo que el coeficiente de dilatación del molde se puede aproximar al de las piezas a fabricar, simplificando el cálculo y el proceso. No obstante, la fabricación de dichos moldes implica procesos complejos, plazos de fabricación largos y costes muy notables, en tanto que para la fabricación de moldes de material compuesto es necesaria, además, la fabricación de un modelo.
Existen actualmente opciones para la fabricación de los moldes por procesos más rápidos y eficientes, como los procesos de fabricación aditiva. No obstante, los materiales que se emplean en dicha tecnología y la configuración de las piezas a fabricar llevan a piezas con una deformación en ciclos térmicos muy superior a la de los materiales tradicionales como el acero Invar o los materiales compuestos a base de fibra de carbono continua, dificultando la obtención de resultados dentro de las tolerancias geométricas permitidas en los procesos de curado de resinas de altas propiedades. Existen también referencias, como el documento US10427330, para realizar moldes formados por múltiples materiales, pero empleando materiales especiales con bajos coeficientes de dilatación, con los cuales las mejoras de los procesos de fabricación de los moldes son muy limitadas.
Una solución a dichos problemas es el empleo de diferentes materiales dentro del mismo molde, con lo que se puede generar una estructura de molde más sencilla basada en materiales con peores propiedades, pero más eficientes, unida a una superficie lecho de molde con mejores propiedades de dilatación térmica que puede deslizar respecto de la estructura soporte del molde. En ese sentido, el documento AT503547 describe una solución que resuelve el problema de las dilataciones mediante un molde compuesto por una base de metal y un lecho de molde de otro material diferente, de manera que el lecho de molde, que es donde se deposita el material de la pieza a fabricar, está formada de material compuesto reforzado con fibra de vidrio o de carbono, mientras que la base, en la que se apoya la piel de molde, es una estructura metálica que proporciona estabilidad, fijándose la superficie de molde a la base mediante unas varillas roscadas que permiten compensar posibles desviaciones geométricas. En este documento no se describe el proceso de fabricación del lecho de molde, por lo que se entiende que se conforma de acuerdo con un proceso tradicional de fabricación de modelo para fabricación de molde.
A la vista de las descritas desventajas que presentan las soluciones existentes en la actualidad, se considera necesaria una solución con un proceso de fabricación eficiente de moldes multimaterial y que aseguren el mejor comportamiento dimensional en la fabricación de piezas de materiales compuestos.
EXPLICACIÓN DE LA INVENCIÓN
Con la finalidad de cumplir este objetivo y solucionar los problemas técnicos comentados hasta el momento, además de aportar ventajas adicionales que se pueden derivar más adelante, la presente invención se refiere a un procedimiento de fabricación de moldes para piezas de materiales compuestos, que comprende las siguientes etapas:
- fabricación de una base de molde mediante fabricación aditiva con una superficie de moldeo con la geometría de la pieza a fabricar,
- mecanizado de la superficie de moldeo de la base de molde,
- fabricación, sobre la superficie de moldeo mecanizada, de un lecho de molde mediante laminado en material compuesto,
- mecanizado en el lecho de molde de unos alojamientos,
- retirada del lecho de molde de la base de molde, y mecanizado en dicha base de molde de unos alojamientos,
- incorporación del lecho de molde mediante la fijación, en los alojamientos de la base de molde o en los alojamiento del lecho de molde, de unos conectores de unión entre base de molde y lecho de molde, siendo al menos uno de los conectores de unión, un conector fijo configurado para conexión de la base de molde y el lecho de molde sin posibilidad de desplazamiento entre ambas, pudiendo permitir una rotación relativa entre ellas, y el resto de conectores de unión siendo conectores móviles configurados para permitir el movimiento relativo entre la base de molde y el lecho de molde en una o dos direcciones y/o una rotación, generando una unión flexible entre lecho de molde y base de molde.
Siendo el lecho de molde de material compuesto se consigue un comportamiento térmico lo más parecido posible a la pieza, de forma que se reduzcan los problemas derivados de las dilataciones. Dicho material compuesto pueden ser fibras de carbono, fibra de vidrio u otras fibras de refuerzo, preferentemente en configuración de fibra continua. Se emplearán además preferentemente resinas termoestables capaces de soportar altas temperaturas, si bien otras opciones pueden ser implementadas.
Por otro lado, los conectores de unión permiten absorber las dilataciones térmicas diferentes debido a las variaciones de temperatura del lecho de molde en el que se fabrica la pieza, y la base de molde, sin generar de este modo deformaciones que afecten a la geometría o cargas estructurales de la pieza a fabricar. Preferentemente, los conectores de unión podrán situarse tanto dentro como fuera de la superficie de la pieza según las necesidades propias del molde y/o la geometría de la pieza a fabricar. Dichos conectores de unión permitirán la conexión entre la base del molde y el lecho de molde sin afectar a la estanqueidad necesaria para su funcionalidad como molde.
Además, al fabricarse el lecho de molde sobre la base de molde se consigue evitar la necesidad de modelos adicionales para la fabricación de dicho lecho.
Con la fabricación de la base de molde por fabricación aditiva, se consigue una producción más rápida de bases para la ejecución de las geometrías, y la posibilidad de generar geometrías más complejas de forma más eficiente. Preferentemente, la base de molde estará basada en resinas termoplásticas, entre las que se pueden encontrar PESU, PEI, PPE/PS, PPO, ABS, PA, PC, PC/PBT, PET, y PA, preferentemente reforzadas con fibra de carbono o fibra de vidrio en formato corto.
Se contempla que el mecanizado de la base comprenda un desbastado, un afinado y procesos de estabilizado térmico para actuar como molde de fabricación de un lecho de molde. Este mecanizado deja la base de molde lista para actuar como modelo para la fabricación del lecho de molde.
Preferentemente, posteriormente al mecanizado de la base de molde, se aplica un tratamiento superficial sobre la superficie mecanizada de la base de molde para facilitar el desmoldeo del lecho de molde tras su fabricación. Este tratamiento permite un acabado superficial de la pieza con mejores características.
Según una característica de la invención, en la fabricación del lecho de molde se aplica el material compuesto mediante medios manuales o automáticos, y posteriormente se realiza un curado, previo a su retirada.
De acuerdo con otra característica de la invención, el lecho de molde se fabrica con un sobredimensionado, y previamente a su retirada de la base de molde se realiza sobre la superficie de dicho lecho de molde un mecanizado superficial y un recanteo de la misma.
Gracias a esta configuración, se dotará al lecho de molde de la geometría exterior y superficial necesaria para poder ser utilizada posteriormente como superficie de curado de las piezas para las cuales ha sido diseñado el molde.
Según otra característica de la invención, en la base del molde se realizan mecanizados adicionales para la incorporación de juntas y tomas de vacío que permitan la correcta sujeción del lecho de molde sobre la base de molde. Esta configuración permite el posicionamiento y fijación flexible del lecho de molde de forma que se faciliten los procesos de mecanizado y recanteo indicados anteriormente, convirtiendo la base de molde en un útil de mecanizado.
Preferentemente, los conectores de unión están configurados para permitir un ajuste geométrico entre el lecho de molde y la base de molde. De esta manera se podrá realizar un ajuste en función de las tolerancias requeridas para cada pieza. Además, se obtienen beneficios adicionales en la fabricación como la posibilidad de compensar el retorno elástico (springback).
Adicionalmente, está previsto que se puedan realizar sucesivos mecanizados para adaptar el molde a los nuevos requerimientos tras su uso. De esta forma, se aumenta la versatilidad del molde sirviendo para fabricación de varias piezas, pudiendo ser dichas piezas con diferentes características.
Finalmente, según otro aspecto, la invención también contempla un molde de fabricación de piezas en materiales compuestos, obtenible según un procedimiento de fabricación de acuerdo con las características anteriormente descritas, el cual comprende una base de molde realizada por fabricación aditiva, un lecho de molde fabricado en material compuesto, y dispuesto dicho lecho de molde sobre la base de molde con unos conectores de unión que permiten un movimiento relativo entre ambas partes componentes del molde para absorber las diferencias de dilatación térmica durante el procedimiento de molde de la pieza.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
La figura 1 muestra una perspectiva explosionada del conjunto componente de un molde que se realiza según el procedimiento de fabricación objeto de la invención.
La figura 2 es una perspectiva de la base de molde en bruto que se realiza por fabricación aditiva en el procedimiento de fabricación objeto de la invención.
La figura 3 es una perspectiva que muestra el mecanizado que se realiza en el procedimiento de la invención para configurar la base de molde como modelo para fabricar el lecho de molde componente del molde de fabricación de piezas a obtener.
La figura 4 es una perspectiva que muestra el lecho de molde sobre la base de molde una vez terminado.
La figura 5 es una perspectiva de la base de molde con un mecanizado para útil de mecanizado.
La figura 6 es una perspectiva del lecho de molde con un mecanizado de alojamientos para los conectores de unión.
La figura 7 es una perspectiva de la base de molde con un mecanizado de alojamientos para los conectores de unión.
La figura 8 es una perspectiva de la base de molde con los conectores de unión fijados en los alojamientos de dicha base de molde.
La figura 9 es una perspectiva de la base de molde con el lecho de molde sobre la base de molde y con los conectores ya fijados.
La figura 10 es una vista de sección por el punto medio de los alojamientos del molde una vez finalizado el procedimiento de fabricación, con el lecho de molde conectado a la base de molde con los conectores de unión.
La figura 11 es una vista explosionada de un ejemplo de realización de un conector de unión móvil.
La figura 12 es una vista de sección del conector de unión móvil de la figura 11 una vez montado.
REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN
El objeto de la invención se refiere a un procedimiento de fabricación de moldes para moldear piezas formadas de materiales compuestos, permitiendo la realización de dichos moldes de una manera eficiente con una composición multimaterial.
El molde (1) multimaterial que se fabrica con este procedimiento de la invención comprende, como se observa en la figura 1, una base de molde (2), un lecho de molde (3) y unos conectores de unión (5, 6) con los que se fijan entre sí la base de molde (2) y el lecho de molde (3), determinando un conjunto que permite las dilataciones térmicas entre las partes componentes del molde (1) unidas, sin generar tensiones y donde la superficie de contacto con las piezas a moldear, configurada por el lecho de molde (3), puede ser de un comportamiento térmico próximo al de las piezas que se moldean, de manera que con los moldes así realizados se pueden fabricar piezas de materiales compuestos sin variaciones geométricas significativas respecto de las especificaciones previstas.
El procedimiento para fabricar dichos moldes comprende, en primer lugar, como se puede ver en la figura 2, la fabricación de la base de molde (2) mediante fabricación aditiva, para obtener dicha base de molde (2) según una pieza en bruto.
Después de obtener la pieza en bruto de la base de molde (2), se realiza en esa pieza un mecanizado de conformación de superficie de moldeo (2.1), por ejemplo, mediante desbastado, afinado y estabilizado térmico, para que la misma base de molde (2) sirva como modelo de fabricación del lecho de molde (3). Preferentemente, además, en la superficie de moldeo (2.1) mecanizada se aplican tratamientos superficiales, para facilitar el desmoldeo del lecho de molde (3) con un acabado superficial adecuado, como se puede ver en la figura 3.
Una vez realizada la base de molde (2) en la forma indicada, se procede a la fabricación del lecho de molde (3), preferentemente en material compuesto reforzado con fibra continua, de vidrio o carbono, y empleando resinas preferentemente termoestables como por ejemplo resinas epoxídicas, fenólicas, vinilesteres, bismaleimidas, u otros; pero también con la posibilidad de emplear resinas termoplásticas avanzadas como PEEK, PAEK, PEI, u otros. La fabricación del lecho de molde (3) se realiza mediante un moldeo del material sobre la superficie de moldeo (2.1) mecanizada de la base de molde (2), con un curado posterior, pudiendo utilizarse materiales preimpregnados o materiales en formato seco, requiriendo en el caso de materiales secos un proceso de inyección o infusión de resina previo al curado. Se obtiene entonces un lecho de molde (3) sobre la base de molde (2) como se puede ver en la figura 4.
Después del curado del lecho de molde (3) moldeado, opcionalmente se puede retirar el lecho de molde (3) y realizar un mecanizado en la base de molde (2) para darle capacidades para su empleo como útil de mecanizado, como se puede ver en la figura 5. Así, en caso necesario se realizará un mecanizado superficial y un recanteo sobre la superficie de dicho lecho de molde (3) que dotará al lecho de molde de la geometría exterior y superficial necesaria para ser utilizado posteriormente como superficie de curado de las piezas a fabricar mediante el molde (1). Opcionalmente, se realizará en dicha base de molde (2) un mecanizado de ranuras para la distribución de vació, así como para la colocación de juntas de estanqueidad y tomas de vacío para facilitar el proceso de mecanizado y recanteo.
De acuerdo con la figura 6, a continuación, se realizará en el lecho de molde (3) el mecanizado de unos alojamientos (4.2) necesarios para colocar los elementos de unión (5, 6) de montaje del molde (1), y tras la retirada del lecho de molde, tal y como se visualiza en la figura 7, se procederá con el mecanizado de los alojamientos (4.1) en la base de molde (2).
Como se puede ver en la figura 8, posteriormente se colocarán los conectores de unión (5, 6) en los alojamientos (4.1) de la base de molde (2).
A continuación, se fijará el lecho de molde (3) con los conectores de unión (5, 6) a la base de molde (2) para formar el molde (1) como se puede ver en la figura 9.
Los conectores de unión para la fijación relativa entre el lecho de molde (3) y la base de molde (2), pueden ser conectores fijos (5) o móviles (6), en función de la configuración específica de la geometría de las piezas a fabricar con el molde (1), pudiendo permitir dichos conectores de unión un ajuste geométrico de las partes componentes del molde (1), para obtener beneficios adicionales en la utilización del molde, como la compensación del retorno elástico. Dentro de los conectores móviles (6), en función de la geometría de pieza se emplearán conectores que permitan el desplazamiento en una o varias direcciones, permitiendo tanto en el caso de conectores fijos (5) como conectores móviles (6) el giro relativo.
Los conectores de unión (5, 6) pueden ser fijos como es el caso del conector fijo (5) mostrado en las figuras 8 y 9 de forma que en ese punto se fijan la base de molde (2) y el lecho de molde (3) sin posibilidad de desplazamiento relativo entre ambos, pero sí de rotación, o pueden ser conectores móviles (6), con capacidad de deslizamiento y/o rotación en una o varias direcciones. En el ejemplo práctico mostrado en las figuras, el conector móvil (6) tiene la configuración mostrada en más detalle en las figuras 11 y 12, teniendo dicho conector móvil (6) un canal de desplazamiento (6.1) en forma de coliso, que determina una disposición flexible que permite absorber dilataciones térmicas diferentes del lecho de molde (2) y la base de molde (1) en dicha dirección, sin que se generen deformaciones que afecten a la geometría estructural entre ambas partes (2, 3).
En el caso mostrado, la fijación de los elementos de unión (5, 6) se realiza sobre la base de molde (2) para completar la fijación con el lecho de molde (3), sin embargo, se contempla que pueda ser realizado de forma contraria fijando los elementos de unión (5, 6) al lecho de molde (3) en función de los requerimientos de la pieza a fabricar. En la figura 10 de sección del molde (1) se puede ver la disposición relativa entre el lecho de molde (3) y la base de molde (2).
El ejemplo mostrado en las figuras es un ejemplo de realización práctica sin embargo resultará evidente para los expertos en la materia que no es un ejemplo limitativo y podrá tener diferentes configuraciones siempre que no afecte a la extensión definida por las reivindicaciones.
Claims (8)
1. - Procedimiento de fabricación de moldes (1) para piezas de materiales compuestos, que comprende las siguientes etapas:
- fabricación de una base de molde (2) mediante fabricación aditiva con una superficie de moldeo (2.1) con la geometría de la pieza a fabricar,
- mecanizado de la superficie de moldeo (2.1) de la base de molde (2),
- fabricación, sobre la superficie de moldeo (2.1) mecanizada, de un lecho de molde (3) mediante laminado en material compuesto,
- mecanizado en el lecho de molde (3) de unos alojamientos (4.2),
- retirada del lecho de molde (3) de la base de molde (2), y mecanizado en dicha base de molde (2) de unos alojamientos (4.1),
- incorporación del lecho de molde (3) mediante la fijación, en los alojamientos (4.1) de la base de molde (2) o en los alojamientos (4.2) del lecho de molde, de unos conectores de unión entre base de molde (2) y lecho de molde (3), siendo al menos uno de los conectores de unión, un conector fijo (5) configurado para conexión de la base de molde (2) y el lecho de molde (3) sin posibilidad de desplazamiento entre ambas pero sí de rotación, y el resto de conectores de unión siendo conectores móviles (6) configurados para permitir el movimiento relativo entre la base de molde (2) y el lecho de molde (3) en una o dos direcciones y/o una rotación, generando una unión deslizante entre lecho de molde (3) y base de molde (2).
2. - Procedimiento de fabricación de moldes (1) de acuerdo con la primera reivindicación, en el cual se aplican tratamientos superficiales sobre la superficie (2.1) mecanizada en la base de molde (2) para facilitar el desmoldeo del lecho de molde (3).
3. - Procedimiento de fabricación de moldes (1) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde en la fabricación del lecho de molde (3) se aplica el material compuesto mediante medios manuales o automáticos, y posteriormente se realiza un curado, previo a su retirada.
4. - Procedimiento de fabricación de moldes (1) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el lecho de molde (3) se fabrica con un sobredimensionado, y previamente a su retirada de la base de molde (2) se realiza sobre la superficie de dicho lecho de molde (3) un mecanizado superficial y un recanteo.
5. - Procedimiento de fabricación de moldes (1) de acuerdo con la reivindicación anterior, donde en la base de molde (2) se realizan mecanizados para incorporar juntas y tomas de vacío que permitan la correcta sujeción del lecho de molde (3) sobre la base de molde (2) durante el proceso de mecanizado superficial y recanteo.
6. - Procedimiento de fabricación de moldes (1) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde los conectores de unión (5, 6) están configurados para permitir un ajuste geométrico entre el lecho de molde (3) y la base de molde (2) ante diferentes niveles de dilatación térmica entre ellos.
7. - Procedimiento de fabricación de moldes (1) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde se realizan sucesivos mecanizados para adaptar el molde a los nuevos requerimientos tras su uso.
8.- Molde (1) de fabricación de piezas en materiales compuestos obtenible según un procedimiento de fabricación de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende una base de molde (2) realizada por fabricación aditiva, un lecho de molde (3) fabricado en material compuesto, y dispuesto dicho lecho de molde (3) sobre la base de molde (2) con unos conectores de unión (5, 6) que permiten un movimiento relativo entre ambas partes componentes del molde (1) para absorber las diferencias de dilatación térmica durante el procedimiento de moldeo de la pieza.
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|---|---|---|---|
| BA2A | Patent application published |
Ref document number: 3035208 Country of ref document: ES Kind code of ref document: A1 Effective date: 20250829 |