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WO2008020094A1 - Cabezal de aplicación de cintas de fibra de carbono y método de aplicación - Google Patents

Cabezal de aplicación de cintas de fibra de carbono y método de aplicación Download PDF

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WO2008020094A1
WO2008020094A1 PCT/ES2007/000382 ES2007000382W WO2008020094A1 WO 2008020094 A1 WO2008020094 A1 WO 2008020094A1 ES 2007000382 W ES2007000382 W ES 2007000382W WO 2008020094 A1 WO2008020094 A1 WO 2008020094A1
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WO
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application
tapes
carbon fiber
coils
head
Prior art date
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Application number
PCT/ES2007/000382
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English (en)
French (fr)
Inventor
Manuel Torres Martínez
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Original Assignee
Individual
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Publication date
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Priority to CN2007800293161A priority patent/CN101500786B/zh
Priority to US12/309,972 priority patent/US8202385B2/en
Priority to JP2009523309A priority patent/JP5517618B2/ja
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    • Y10T156/00—Adhesive bonding and miscellaneous chemical manufacture
    • Y10T156/17—Surface bonding means and/or assemblymeans with work feeding or handling means

Definitions

  • the present invention is related to the manufacture of parts, by means of carbon fiber taping, especially for the aeronautical industry, proposing a system of particular characteristics in relation to a multi-tape applicator head and the method of applying said tapes on the surface to form.
  • the complexity of the surface of the pieces includes the determination of curved areas, which in the formations by means of curb with carbon fiber, as is done in the construction of aeronautical parts, is a problem, since the radii of curvature that can be practiced depend on the width of. the bands of ⁇ .Ia fiber of carbon used in the application, so that the greater the width of the band that is applied, the radius of the curvatures practicable in the application must be less closed, that is, a larger radius is necessary to avoid wrinkles of the band used
  • the head applies a single tape that can be of different sizes in width, 300, 150 or 75mm, but always a single tape.
  • the width of the application band has a proportional impact on the productivity of the forming processes of the pieces by means of said carbon fiber wrapping process, so that the smaller the width of the application curb, the greater the number of passes that must be done and, therefore, the longer the necessary time and the lower the productivity.
  • the carbon fiber of the application strips that are used for the indicated function is impregnated with a resin, so that the duration from which the strip leaves the manufacturing autoclave is about ten days, at which time the strip must be used and otherwise it must be discarded; therefore the productivity of the application is important, to achieve a use :. Quick strips, with it. end of reduce if possible the loss of material due to its aging.
  • a carbon fiber tape application head is proposed, with which functionality features are achieved that allow to solve in an advantageous way the problems for the formation of large and complex parts by taping them with said tapes.
  • the head is of the type "tape layer machine", that is to say, those that use carbon fiber tape rolled on a support paper and not a multiplicity of carbon fibers rolled in "fiber layer machine” reels.
  • the head uses at least two tapes and preferably four Carbon fiber tapes, each of them 75mm wide so that if the head applies the four tapes at the same time it reaches the standard size of 300mm in width which is the one with the highest productivity and, which allows to draw very closed radii without that wrinkles occur on the tapes.
  • the standard size of 300mm in width which is the one with the highest productivity and, which allows to draw very closed radii without that wrinkles occur on the tapes.
  • You can use two 150mm tapes, always maintaining a total curb width of 300mm, or even a single 300mm tape too, if the radius of the curve is very large and the piece is almost flat.
  • an applicator head in which at least two coils of carbon fiber ribbons and preferably four coils are arranged, said coils being incorporated on a master roller formed by a composition of consecutive consecutive sections, which are associated with respective rotary drive transmissions that are controlled by computer programming, the tapes provided, in the winding on the coils, of the conventional protective paper that is separated and collected in independent rewinding reels, one for each coil, when the carbon tapes are applied on the surface to be formed.
  • the application tapes are driven from the supply coils to the application area through guides that keep them separated, a multiple heel with independent sections of pressure on each of the tapes being provided in the application area, so depending on this pressure, the application of each tape on the forming surface by means of the curb becomes effective or not.
  • a head is thus obtained by means of which bands of different widths can be applied, equal or not, for the formation of a tape with a width of application equivalent to that of a band of. great width, allowing to establish, through the control of the transmission of the rotary drive to the coils of the carbon fiber tapes, the continuous or interrupted application of each of the tapes, according to the requirements of the surface to be formed, as well as vary individually the speed of supply of the different tapes, for the adaptation of the application on the curves of the surface to form, allowing to compensate the greater route of the application in the outer part of the curves than in the inner part, maintaining the tension of the Tapes used throughout the width of the application, without them deforming.
  • an application width can be covered just as with a wide band of tape, so that, for example, for an application width of 300 millimeters, two can be used tapes of 150 millimeters in width each of them, or four tapes of 75 millimeters in width each of them, without these measures, nor the number of coils, being limiting, being able to adapt in each case and depending on the surface to Perform, optimal productivity.
  • the assembly of the coils of the carbon fiber belts is included with an axial positioning arrangement by means of an automatically controlled longitudinal drive spindle system, which places each of the coils on the master roller in correspondence with the respective guides of driving from. the tapes; and with • a., fixing system rotating each of the coils on the corresponding section of the master roller, by means of radial pressure tiles arranged in said sections of the master roller, which are operated pneumatically, thereby determining a diametral expansion of said sections of the master roller to fix to the coils that go over them.
  • an independent sensor is arranged, by which the drive of the rotary transmission to the coils is controlled, to adapt the application speed of each of the tapes as required, maintaining a correct application tension.
  • Said sensors are also provided with an oscillating motion arrangement, making it possible to compensate for the variation of the inertia of the reels depending on the amount of the tape consumed from them.
  • the replacement of the tape reels can be done individually, when the tape contained in them is finished, changing in each case the coil that is finished, or replacing the whole set of the reels when one of them is finished, which reduces the number of substitutions and stops required, but it involves wasting the material that is left in the unfinished coils.
  • An alternative, to achieve a better use of the application tapes, with a minimum number of replacements of the reels carrying said tapes, is to apply a software for managing the supply of the tapes, in: - combination with a program. of .: successive uses- of the applicator head for the formation of different parts, so that the software calculates the curves of application of curb that must be made in the different uses, to develop these so that, the greater consumption of some tapes in some application uses, is it compensates with the greater consumption of the other tapes in other uses, with which all the coils carrying the application tapes are finished at the same time and can be replaced at the same time, without waste of material from them.
  • an ultrasonic cutting unit oriented towards the side of the head is incorporated in an axis parallel to the axis of the master roller for incorporating the carbon fiber tape reels, so that by turning the head at 90 ° with respect to the position of application of the carbon fiber tapes, said cutting unit is in operative position, to effect the cutting of the leftovers of the applied tapes.
  • the now recommended head and method therefore offer functional characteristics - very advantageous for the practice of forming pieces by means of carbon fiber curb, this system acquiring its own life and preferential character with respect to the means used so far for the same function.
  • Figure 1 shows in perspective a head for the application of carbon fiber tapes, according to the invention.
  • Figure 2 shows an exploded view of the parts of the head corresponding to its general frame.
  • Figure 3 is a perspective view of the head like Figure 2 but with the parts already arranged in their mounting position.
  • Figure 4 shows in perspective and in the assembly phase the ultrasonic cutting unit (15).
  • Figure 5 is a view like Figure 4 but with the ultrasonic cutting unit (15) already mounted.
  • Figure 6 shows in perspective and in the assembly phase the master roller (5).
  • Figure 7 is a view like that of Figure 6 but with the master roller (5) already mounted.
  • Figure 8 is a partially exploded perspective view of the master roller (5) of. assembly of the • coils. (1) of the carbon fiber tapes in the _ Q _
  • Figure 9 is a perspective with a longitudinal section of said master roller (5), without the drive motor block.
  • Figure 9A is an enlarged detail of a part of the previous figure.
  • Figure 10 is a perspective of the assembly of the master roller (5) for assembling the coils (1), with the sensor block (14) for regulating the supply of the carbon fiber tapes.
  • Figure 11 is an enlarged perspective of the block of the sensors (14) for regulating the supply of the tapes.
  • Figure 12 is a perspective of the pressure heel (10) of the carbon fiber tapes on the application surface.
  • Figure 13 is a perspective of the block of reels (8) rewinding the protective paper of the carbon fiber tapes.
  • Figure 14 is a perspective view of the head of the invention in the operative position of the cutting unit (15).
  • Figure 14A is a perspective showing the drive means of the cutting unit (15).
  • the object of the invention refers to a head of application of carbon fiber tapes for the formation of parts of the aviation industry or similar, with improvements in the head used for this function and in the method of application.
  • the head is arranged conventionally on a support (2) of rotary movement with respect to a mounting coupling (3) of vertical axis III, while the block (2.1) or head itself is incorporated in a rotating assembly "pinion-crown "
  • At least two coils (1) supplying the carbon tapes to be applied are arranged in the head.
  • the head has, as shown in Figure 10, four coils (1), in each of which a carbon fiber tape of one measured in width of 75mm.
  • the head applies the four carbon fiber tapes at the same time it reaches a covering width of 300mm and with it maximum productivity; whereas if only one coil (1) of 75mm width is used, very closed radii can be drawn without wrinkles; in this way one, two, three or the four coils (1) will be used depending on the curvature of the radii to be traced.
  • the head When the head is used to cover less complex surfaces, it is possible to choose, for example, two coils (1) of 150mm, covering a dimension in width of 300mm, or even a single coil (1) of 300mm in width that allows develop curves of. radios.- large for almost flat pieces.
  • the coils (1) are incorporated on a master roller (5) which is formed by a composition of consecutive independent rings (5.1), which are mounted on an axis (16), see Figure 9, whose theoretical longitudinal axis II is perpendicular to the horizontal axis I.
  • each of the sections (5.1) is controlled by its respective independent motor (7), which, as seen in Figure 9A, drives a pinion (24) engaged with a crown (25) of the inside the corresponding section (5.1), so that with this assembly the controlled individual rotation drive of each section (5.1) is ensured, as set forth in Patent P200200524 of the same applicant as the present invention.
  • the coils (1) can rotate at different speeds between them; . of - way that, by For example, when arriving at a curved section, the coil (1) that corresponds to the tape that is outside the curve "will run" more than the one next to it and so on; so that at the exit of the curve all the tapes are already unwound at the same speed.
  • Carbon fiber tapes intended for application are provided, with the corresponding and conventional protective paper that prevents said tapes from sticking on themselves in the winding on the coils (1), so that when said tapes are applied in the surface to be formed, the protective paper is separated from them, being collected in rewind reels (8) that are arranged for that purpose in the same head, see Figure 11.
  • the carbon fiber belts are driven by guides (9), see Figure 1, which keep them separated, to the application area, where it goes arranged a multiple heel (10), which is formed, as seen in Figure 12, by independent stretches (10.1) of pressure on each of the belts, so that depending on said pressure it becomes effective or not the application of the corresponding tapes on the formation surface by means of the curb.
  • the tapes that are initially pressed against said surface by the corresponding sections (10.1) of the heel (10), are applied on the surface that is being forming, while the tapes that are not • pressed by the respective sections (10.1) of the heel (10) pass without being applied on the surface in formation; whereby, by selecting the operability, through the programming of operation control of the head, surfaces of any type can be formed, applying the formation tapes only on the parts that must be covered with the application material.
  • the assembly of the coils (1) supplying the carbon fiber belts is carried out by means of an axial positioning arrangement by means of a longitudinal drive spindle, in combination with optical sensors arranged in the conductive guides (9) of the tapes, allowing automatic control to align the coils
  • reels (8) for rewinding the protective paper of the carbon fiber tapes are incorporated as is. appreciate •• Figure 11, on an axis (12), blocking with respect thereto by means of a wedge system (13), which are in turn operated by a pneumatic system.
  • some sensors (14), shown in Figure 11, are disposed, with respect to which they pass individually carbon fiber tapes; so that by means of said sensors (14) the output speed of each of the tapes is controlled, regulating, depending on that speed, the drive of the rotary transmission to the coils (1) by means of the corresponding motors (7), to adapt the supply of each tape to the speed of application of the same that is required at every moment, avoiding tensions or pulls that cause a bad application.
  • the aforementioned sensors (14) are also arranged in an oscillating motion arrangement, making it possible to compensate for the variation of the inertia of the coils (1), as consumption of the corresponding tape content in said coils (1) occurs, so that the tape tension is constant during the supply process; so that the application is uniform.
  • the method of application of the carbon fiber tapes can be carried out, by means of the described head, using two or more tapes that add a width equivalent to the width of a curb that allows covering the surface of application with a minimum number of passed, but in such a way that, by controlling the speed of the supply of each of the tapes, the application can be made following the necessary paths, both straight and curved, so that 5 in the areas of straight application all the tapes they are supplied at the same speed, but in the curved application areas the application tapes on the outside of the curvature are supplied at a higher speed than those for application on the inside of
  • the application process can be established so that when a coil (1) is finished, said coil is replaced individually
  • the application method can also be set to replace all coils (1) of
  • a management software is applied, in combination with a program of successive application uses to form the same or different parts, so that said software calculates the paths of application of the curb that must be made in the different uses, determining an order of realization of these, so that the greater consumption of some application tapes in some uses is compensated with the greater consumption of the others tapes in other uses, whereby all the coils (1) carrying the application tapes are finished at the same time.
  • all the coils (1) are changed at the same replacement stop, taking full advantage of the carbon fiber material of the tapes, since there is no waste of waste.
  • an ultrasonic cutting unit (15) is incorporated in the head, which is arranged on an axis Ha parallel to axis II of the master roller (5), in orientation towards the side of the head ,. see Figures 4, 5 and 6.. . . -. •
  • the cutting unit (15) remains in an operative arrangement, in order to be able to cut the leftovers of the carbon fiber tapes used in the formation of the application surface.
  • the cutting unit (15) has a rotation (CU) of the blade (17) by means of a servo-controlled drive that is operated by a servo motor (18) through a pinion (19) and a crown ( 20), so that it is possible to cut the carbon fiber material.
  • a servo-controlled drive that is operated by a servo motor (18) through a pinion (19) and a crown ( 20), so that it is possible to cut the carbon fiber material.
  • the blade (17) is axially excited by an ultrasonic frequency with an amplitude of a few tenths of a millimeter, whereby it is able to cut the deposited and uncured material left over from the carbon fiber tapes, said ultrasonic frequency being generated from the blade (17) by a resonator (21) that is incorporated into the support (2) of the. head, from which is transmitted to a collector (22), which allows the blade (17) to be excited even when it is rotatably actuated in the rotation (CU).

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Abstract

Cabezal de aplicación de cintas de fibra de carbono que dispone, al menos, de dos bobinas (1) portadoras de respectivas cintas de fibra de carbono, para el suministro selectivo de dichas cintas y componer asi con ellas la anchura del encintado de aplicación. Estas bobinas (1) van dispuestas sobre un rodillo maestro (5) formado por tramos independientes que son accionados de forma individual por respectivas transmisiones giratorias.

Description

CABEZAL DE APLICACIÓN DE CINTAS DE FIBRA DE CARBONO Y
MÉTODO DE APLICACIÓN
Sector de la técnica
La presente invención está relacionada con la fabricación de piezas, mediante encintado con fibra de carbono, especialmente para la industria aeronáutica, proponiendo un sistema de caracteristicas particulares en relación con un cabezal aplicador de múltiples cintas y el método de aplicación de dichas cintas sobre la superficie a formar.
Estado de la técnica
En la construcción de estructuras aeronáuticas las uniones entre las piezas componentes son las partes más criticas de resistencia, por lo que se tiende a utilizar piezas de la mayor dimensión posible, con el fin de reducir el número de uniones .
Sin embargo, el aumento de la dimensión de las piezas, supone a la vez un aumento de la complejidad de las mismas, requiriéndose de una maquinaria capaz de cumplir con las cualidades de la aplicación en las condiciones de complejidad de las grandes piezas.
Asi, por ejemplo, la complejidad de la superficie de las piezas incluye la determinación de zonas curvadas, las cuales en las formaciones mediante encintado con fibra de carbono, como se hace en la construcción de piezas aeronáuticas, supone un problema, ya que los radios de curvatura que se pueden practicar dependen del ancho de. las bandas . de^ .Ia fibra de carbono que se empleen en la aplicación, de modo que cuanto mayor es la anchura de la banda que se aplica, el radio de las curvaturas practicables en la aplicación debe ser menos cerrado, es decir es necesario un mayor radio para evitar arrugas de la banda utilizada.
En los cabezales de encintar hasta ahora conocidos, denominados "tape layer machine", el cabezal aplica una única cinta que puede ser de diferentes medidas en anchura, 300, 150 o 75mm, pero siempre una única cinta.
Con la cinta de 300mm de anchura se alcanza la mayor productividad; mientras que con la de 75mm se pueden trazar curvaturas de radios más cerrados.
La anchura de la banda de aplicación repercute de forma proporcional en la productividad de los procesos de formación de las piezas mediante dicha realización de encintado con fibra de carbono, de manera que cuanto menor es la anchura del encintado de aplicación mayor es el número de pasadas que hay que realizar y, por lo tanto, mayor el tiempo necesario y menor la productividad.
Por otro lado, se debe tener en cuenta que la fibra de carbono de las tiras de aplicación que se utilizan para la función indicada, va impregnada con una resina, de manera que la duración desde que la tira sale del autoclave de fabricación es de unos diez dias, tiempo en el cual debe ser utilizada la tira y de lo contrario hay que desecharla; por lo cual es importante la productividad de la aplicación, para conseguir una utilización:. rápida de las tiras, con el. fin .de. reducir en lo posible las pérdidas de material por envejecimiento del mismo.
Además de estas máquinas encintadoras "tape layer machine" que encintan a partir de una única cinta de fibra de carbono, se conocen otras máquinas encintadoras denominadas "fiber layer machine" que utilizan estrechas fibras de carbono a modo de hilos enrollados en múltiples bobinas.
Objeto de la invención.
De acuerdo con la invención se propone un cabezal de aplicación de cintas de fibra de carbono, con el cual se consiguen unas características de funcionalidad que permiten solucionar de una manera ventajosa los problemas para la formación de piezas grandes y complejas mediante encintado con dichas cintas.
Según este sistema, el cabezal es del tipo "tape layer machine", es decir de los que utilizan cinta de fibra de carbono enrollada sobre un papel soporte y no una multiplicidad de fibras de carbono enrolladas en carretes "fiber layer machine". Ahora bien frente a las soluciones tradicionales en las que el cabezal utilizaba una única cinta de 300, 150 o 75mm, ahora y de acuerdo con el sistema objeto de la presente invención, el cabezal utiliza, al menos, dos cintas y, preferentemente, cuatro cintas de fibra de carbono, cada una de ellas de 75mm de anchura de manera que si el cabezal aplica las cuatro cintas a la vez alcanza la medida standard de 300mm de anchura que es la de mayor productividad y, que permite trazar radios muy cerrados sin que se produzcan arrugas en las cintas. En cambio, : cuando, .se . trata de zonas .curvas.,-, .dependiendo del radio de las mismas puede utilizar dos cintas, de 150mm, manteniendo siempre una anchura total de encintado de 300mm, o incluso una sola cinta de 300mm también, si el radio de la curva es muy grande y la pieza es casi plana.
En efecto, de acuerdo con el objeto de la invención se utiliza un cabezal aplicador en el que se disponen, al menos, dos bobinas de cintas de fibra de carbono y preferentemente, cuatro bobinas, incorporándose dichas bobinas sobre un rodillo maestro formado por una composición de tramos consecutivos independientes, los cuales van asociados a respectivas transmisiones de accionamiento giratorio que son controladas mediante programación informática, yendo las cintas provistas, en el enrollado sobre las bobinas, del convencional papel protector que se separa y recoge en carretes de rebobinado independientes, uno para cada bobina, cuando se realiza la aplicación de las cintas de carbono sobre la superficie a formar.
Las cintas de aplicación se conducen desde las bobinas de suministro hasta la zona de aplicación pasando por unas guias que las mantienen separadas, estando previsto en la zona de la aplicación un tacón múltiple con tramos independientes de presión sobre cada una de las cintas, de forma que en función de dicha presión se hace efectiva o no la aplicación de cada cinta sobre la superficie de formación mediante el encintado.
Se obtiene asi un cabezal mediante el que se pueden aplicar cintas de diferentes anchuras, iguales o no, para la formación de un encintado con una anchura .de aplicación equivalente- a la de .una banda .de. gran anchura, permitiendo establecer, mediante el control de la transmisión del accionamiento giratorio a las bobinas de las cintas de fibra de carbono, la aplicación continua o interrumpida de cada una de las cintas, según los requerimientos de la superficie a formar, así como variar individualmente la velocidad de suministro de las diferentes cintas, para la adaptación de la aplicación sobre las curvas de la superficie a formar, permitiendo compensar el mayor recorrido de la aplicación en la parte exterior de las curvas que en la parte interior, manteniendo la tensión de las cintas utilizadas en todo el ancho de la aplicación, sin que las mismas se deformen.
Según las curvaturas que requiera la aplicación se pueden utilizar por lo tanto un mayor o menor número de las cintas de fibra de carbono. Además y con el conjunto de las cintas individuales utilizadas a la vez, se puede cubrir una anchura de aplicación igual que con una banda de cinta de gran anchura, de manera que, por ejemplo, para una anchura de aplicación de 300 milímetros pueden usarse dos cintas de 150 milímetros de anchura cada una de ellas, o cuatro cintas de 75 milímetros de anchura cada una de ellas, sin que estas medidas, ni el número de bobinas, sean limitativos, pudiendo adaptarse en cada caso y en función de la superficie a realizar, la productividad óptima.
El montaje de las bobinas de las cintas de fibra de carbono se incluye con una disposición de posicionamiento axial mediante un sistema de husillo de arrastre longitudinal controlado automáticamente, que sitúa a cada una de la bobinas sobre el rodillo maestro en correspondencia con las guías respectivas de conducción . de. las cintas; y con • un., sistema de fijación giratoria de cada una de las bobinas sobre el tramo correspondiente del rodillo maestro, mediante unas tejas de presión radial dispuestas en dichos tramos del rodillo maestro, las cuales se actúan pneumáticamente, determinándose con ellas una expansión diametral de los mencionados tramos del rodillo maestro para fijar a las bobinas que van sobre ellos.
En relación con el suministro de cada cinta de fibra de carbono, desde las correspondientes bobinas, se dispone un sensor independiente, mediante el cual se controla el accionamiento de la transmisión giratoria a las bobinas, para adecuar la velocidad de aplicación de cada una de las cintas según se requiera, manteniendo una tensión de correcta aplicación de las mismas. Dichos sensores se prevén además con una disposición de movimiento oscilante, permitiendo compensar la variación de la inercia de las bobinas en función de la cantidad de la cinta consumida de las mismas.
La sustitución de las bobinas porta-cintas puede hacerse individualmente, cuando se acaba la cinta contenida en ellas, cambiando en cada caso la bobina que se acaba, o bien sustituyendo todo el conjunto de las bobinas cuando una de ellas se acaba, lo cual reduce el número de sustituciones y paradas necesarias, pero conlleva el desperdicio del material que queda en las bobinas no terminadas.
Una alternativa, para conseguir un mejor aprovechamiento de las cintas de aplicación, con un minimo número de sustituciones de las bobinas portadoras de dichas cintas, consiste en aplicar un software de gestión del suministro de las cintas, en : -combinación con un programa . de.: sucesivas utilizaciones- del cabezal aplicador para la formación de distintas piezas, de forma que el software calcula los recorridos de aplicación de encintado que deben efectuarse en las distintas utilizaciones, para desarrollar éstas de forma que, el mayor consumo de unas cintas en unas utilizaciones de aplicación, se compense con el mayor consumo de las otras cintas en otras utilizaciones, con lo que todas las bobinas portadoras de las cintas de aplicación se acaban al mismo tiempo y se pueden sustituir a la vez, sin desperdicios de material de las mismas .
Según la invención, en un eje paralelo al eje del rodillo maestro de incorporación de las bobinas suministradoras de las cintas de fibra de carbono, se incorpora una unidad de corte por ultrasonidos orientada hacia el costado del cabezal, de manera que mediante un giro del cabezal a 90° respecto de la posición de aplicación de las cintas de fibra de carbono, la mencionada unidad de corte queda en posición operativa, para efectuar el corte de los sobrantes de las cintas aplicadas.
De este modo se reduce notablemente el tiempo de trabajo global en la aplicación de las cintas de fibra de carbono, ya que con el mismo cabezal se realiza la aplicación de las cintas y el corte de los sobrantes de las mismas, resultado además un conjunto de los medios necesarios mucho más sencillo y económico, ya que el posicionamiento operativo de la unidad de corte se realiza mediante el giro del cabezal sobre uno de sus propios ejes de montaje.
El cabezal y método ahora preconizados ofrecen por lo tanto unas características funcionales - muy ventajosas para la práctica de formación de piezas mediante encintado con fibra de carbono, adquiriendo este sistema vida propia y carácter preferente respecto de los medios utilizados hasta el momento para la misma función.
Descripción de las figuras
La figura 1 muestra en perspectiva un cabezal para la aplicación de cintas de fibra de carbono, según la invención.
La figura 2 muestra una vista explosionada de las partes del cabezal correspondiente a su armazón general.
La figura 3 es una en perspectiva del cabezal como la figura 2 pero con las partes ya dispuestas en su posición de montaje.
La figura 4 muestra en perspectiva y en fase de montaje a la unidad de corte por ultrasonidos (15) .
La figura 5 es una vista como la figura 4 pero con la unidad de corte por ultrasonidos (15) ya montada.
La figura 6 muestra en perspectiva y en fase de montaje al rodillo maestro (5) .
La figura 7 es una vista como la de la figura 6 pero con el rodillo maestro (5) ya montado.
La figura 8 es una perspectiva parcialmente explosionada del rodillo maestro (5) de. montaje de las • bobinas .(1) de las cintas de fibra de carbono en el _ Q _
cabezal de la invención.
La figura 9 es una perspectiva con una sección longitudinal, de dicho rodillo maestro (5) , sin el bloque de los motores de accionamiento.
La figura 9A es un detalle ampliado de una parte de la figura anterior.
La figura 10 es una perspectiva del conjunto del rodillo maestro (5) de montaje de las bobinas (1) , con el bloque de sensores (14) de regulación del suministro de las cintas de fibra de carbono.
La figura 11 es una perspectiva ampliada del bloque de los sensores (14) de regulación del suministro de las cintas.
La figura 12 es una perspectiva del tacón de presión (10) de las cintas de fibra de carbono sobre la superficie de aplicación.
La figura 13 es una perspectiva del bloque de los carretes (8) de rebobinado del papel protector de las cintas de fibra de carbono.
La figura 14 es una perspectiva del cabezal de la invención en la posición operativa de la unidad de corte (15) .
La figura 14A es una perspectiva que muestra los medios de accionamiento de la unidad de corte (15) .
Descripción de-tallada de la invención • .'.-. El objeto de la invención se .refiere a un cabezal de aplicación de cintas de fibra de carbono para la formación de piezas de la industria aeronáutica o semejantes, con mejoras en el cabezal utilizado para dicha función y en el método de aplicación.
El cabezal se dispone de manera convencional sobre un soporte (2) de movimiento giratorio respecto de un acoplamiento de montaje (3) de eje vertical III, mientras que el bloque (2.1) o cabezal propiamente dicho se incorpora en montaje giratorio "piñón-corona"
(4) de eje horizontal I sobre el mencionado soporte
(2), ver Figuras 1, 2 y 3.
De acuerdo con la invención, en el cabezal se disponen, al menos, dos bobinas (1) suministradoras de las cintas de carbono a aplicar.
Según la realización práctica no limitativa que se representa en los planos adjuntos, el cabezal presenta, tal y como se aprecia en la Figura 10, cuatro bobinas (1) , en cada una de las cuales va bobinada una cinta de fibra de carbono de una medida en anchura de 75mm. De esta forma, si el cabezal aplica las cuatro cintas de fibra de carbono a la vez alcanza una anchura de cubrición de 300mm y con ello la máxima productividad; mientras que si se utiliza solo una bobina (1) de anchura 75mm se pueden trazar radios muy cerrados sin que se produzcan arrugas; de esta forma se utilizará una, dos, tres o las cuatro bobinas (1) según sea la curvatura de los radios a trazar. Cuando se utilice el cabezal para cubrir superficies menos complejas, se puede optar por utilizar, por ejemplo, dos bobinas (1) de 150mm, cubriendo una dimensión en anchura de 300mm, o incluso una única bobina (1) de 300mm de anchura que permite desarrollar curvas de. radios.- grandes para piezas casi planas.
Las bobinas (1) se incorporan sobre un rodillo maestro (5) que se halla formado por una composición de anillos consecutivos independientes (5.1), que van montados sobre un eje (16), ver Figura 9, cuyo teórico eje longitudinal II es perpendicular al eje horizontal I.
Tal y como se aprecia en las Figuras 6, 8 y 9, los anillos (5.1) van asociados por medio de respectivas transmisiones (6) de accionamiento giratorio, en relación con correspondientes motores independientes
(7) que son controlados por una programación informática.
Los mencionados tramos (5.1) del rodillo maestro
(5) van separados entre si mediante rodamientos de bolas (23) dispuestos entre las caras de contacto lateral de los tramos consecutivos (5.1), permitiendo el giro independiente de cada uno de éstos, ver Figuras
9 y 9A.
Dicho giro de cada uno de los tramos (5.1) es controlado por su respectivo motor independiente (7), el cual, tal y como se aprecia en la Figura 9A, acciona a un piñón (24) engranado con una corona (25) del interior del tramo (5.1) correspondiente, de modo que con este montaje se asegura el accionamiento de giro individual controlado de cada tramo (5.1), según se halla recogido en la Patente P200200524 del mismo solicitante que la presente invención.
De esta forma las bobinas (1) pueden girar a velocidades diferentes entre ellas; . de -.manera que, por ejemplo, al llegar a un tramo en curva, la bobina (1) que corresponda a la cinta que quede por el exterior de la curva "correrá" más que la que vaya a su lado y asi sucesivamente; de manera que a la salida de la curva todas las cintas se desbobinen ya a la misma velocidad.
Las cintas de fibra de carbono destinadas para la aplicación, van provistas, con el correspondiente y convencional papel protector que evita que dichas cintas se peguen sobre si mismas en el enrollado en las bobinas (1) , de manera que cuando dichas cintas son aplicadas en la superficie a formar, el papel protector se separa de ellas, recogiéndose en unos carretes de rebobinado (8) que se hallan dispuestos al efecto en el mismo cabezal, ver Figura 11.
Desde las bobinas (1) de suministro incorporadas sobre el rodillo maestro (5) , las cintas de fibra de carbono son conducidas por unas guias (9), ver Figura 1, que las mantienen separadas, hasta la zona de aplicación, en donde va dispuesto un tacón múltiple (10), el cual se halla formado, como se observa en la Figura 12, por tramos independientes (10.1) de presión sobre cada una de las cintas, de forma que en función de dicha presión se hace efectiva o no la aplicación de las cintas correspondientes sobre la superficie de formación mediante el encintado.
Es decir, que en la aplicación de las cintas de fibra de carbono sobre la superficie a formar, las cintas que son inicialmente presionadas contra dicha superficie por los correspondientes tramos (10.1) del tacón (10) , se aplican sobre la superficie que se está formando, mientras que las cintas que no son • presionadas por los respectivos .tramos (10.1) del tacón (10) pasan sin ser aplicadas sobre la superficie en formación; con lo cual, seleccionando la operatividad, mediante la programación de control de funcionamiento del cabezal, se pueden formar superficies de cualquier tipo, aplicando las cintas de formación solo en las partes que deben ir cubiertas con el material de aplicación.
El montaje de las bobinas (1) suministradoras de las cintas de fibra de carbono, se lleva a cabo mediante una disposición de posicionamiento axial mediante un husillo de arrastre longitudinal, en combinación con unos sensores ópticos dispuestos en las guias (9) conductoras de las cintas, permitiendo realizar un control automático para alinear las bobinas
(1) suministradoras de las cintas en correspondencia con las guias (9) respectivas.
Cada uno de los tramos (5.1) componentes del rodillo maestro (5) , va provisto además en su contorno
(Figuras 8 a 9A) con unas tejas (11) que son susceptibles de movimiento radial mediante un sistema pneumático, de forma que mediante dichas tejas (11) se produce una expansión diametral de los mencionados tramos (5.1), para fijar sobre ellos las bobinas (1), con lo cual el accionamiento del suministro de las cintas para la aplicación se actúa mediante la transmisión giratoria que se suministra a los tramos
(5.1) con los correspondientes motores (7).
El movimiento radial de las tejas (11) para la expansión diametral de tramos (5.1) se produce de la manera siguiente, ver Figura 9A.
Al aumentar la' presión en una cámara- ..pneumática existente entre un pistón fijo (26) y una camisa (27) axialmente móvil, se consigue que dicha camisa (27) se desplace en sentido axial al giro del tramo (5.1) correspondiente, de manera que unos rodamientos de cuatro puntos (28) de contacto angular, existentes entre la mencionada camisa (27) y un anillo achaflanado (29) solidario giratoriamente con el tramo (5.1), transmiten el movimiento longitudinal de la camisa (27) a dicho anillo achaflanado (29) , permitiendo al mismo tiempo que la camisa (27) no gire, mientras que el anillo achaflanado (29) si lo hace conjuntamente con el tramo (5.1), al que va sujeto mediante pasadores o espárragos (30) .
Sobre la rampa del anillo achaflanado (29) apoya una pieza (31) provista en el extremo con una bola, que va dispuesta en sentido radial, de manera que el desplazamiento longitudinal del anillo achaflanado
(29) , provocado por el movimiento axial de la camisa (27) actuada pneumáticamente, provoca el desplazamiento de la pieza (31) en sentido radial, al deslizar su extremo sobre la rampa del anillo achaflanado (29) , empujando dicha pieza (31) a la teja (11) dispuesta sobre ella.
En el contorno exterior de los tramos (5.1) se prevén además unos ranurados axiales, mediante los cuales se asegura el perfecto bloqueo de las bobinas
(1) sobre dichos tramos (5.1) impidiendo el deslizamiento giratorio relativo para asegurar el control perfecto de las bobinas (1) .
Por su parte, los carretes (8) de rebobinado del papel protector de las cintas de fibra de carbono, van incorporados tal y como se . aprecia ••
Figure imgf000016_0001
la figura 11, sobre un eje (12) , bloqueándose respecto del mismo mediante un sistema de cuñas (13) , las cuales se actúan a su vez mediante un sistema pneumático.
En relación con la salida de las cintas de fibra de carbono desde las correspondientes bobinas (1) de suministro incorporadas sobre el rodillo maestro (5) , se disponen unos sensores (14) , representados en la Figura 11, respecto de los cuales pasan individualmente las cintas de fibra de carbono; de manera que mediante dichos sensores (14) se controla la velocidad de salida de cada una de las cintas, regulándose, en función de esa velocidad, el accionamiento de la transmisión giratoria a las bobinas (1) mediante los correspondientes motores (7), para adecuar el suministro de cada cinta a la velocidad de aplicación de las mismas que se requiera en cada instante, evitando, que se produzcan tensiones o tirones causantes de una mala aplicación.
Los mencionados sensores (14) van dispuestos además en una disposición de movimiento oscilante, permitiendo compensar la variación de la inercia de las bobinas (1) , a medida que se produce el consumo del contenido de la cinta correspondiente en dichas bobinas (1) , para que la tensión de la cinta sea constante durante el proceso del suministro; de manera que la aplicación resulte uniforme.
El método de aplicación de las cintas de fibra de carbono, según el sistema de la invención, se puede realizar, mediante el cabezal descrito, utilizando dos o más cintas que sumen una anchura equivalente a la anchura de un encintado que permita cubrir la superficie de aplicación con un número mínimo de pasadas, pero de forma que, controlando la velocidad del suministro de cada una de las cintas, se puede realizar la aplicación siguiendo los trayectos que sean necesarios, tanto rectos como en curva, de manera que 5 en las zonas de aplicación recta todas las cintas se suministran a la misma velocidad, pero en las zonas de aplicación en curva las cintas de aplicación en la parte exterior de la curvatura se suministran a mayor velocidad que las de aplicación en la parte interior de
10 la curvatura, para que la aplicación sea uniforme en toda la anchura de la aplicación, sin estirado de las cintas en la parte exterior y arrugado en la parte interior. Incluso, tal y como ya se ha indicado, en un momento dado puede aplicarse solo la cinta de una
15 bobina (1) y no aplicar las cintas del resto o todas las variantes lógicas posibles, teniendo en cuenta que puede jugarse con cuatro bobinas (1) independientes, según la realización práctica ahora representada o con más bobinas (1) si asi fuera preciso.
20
En esas condiciones, el proceso de la aplicación se puede establecer de forma que cuando se acaba una bobina (1) , se sustituya individualmente dicha bobina
(1), continuando con las demás bobinas (1) en el
25 proceso hasta que se vayan acabando cada una de ellas, para sustituirlas individualmente de la misma manera. Con este método se logra el aprovechamiento total de las cintas de fibra de carbono, pero se requieren muchas paradas del proceso, ya que hay que parar para
30 cambiar cada una de las bobinas (1) cuando éstas se acaban.
El método de la aplicación se puede- establecer igualmente para sustituir todas las bobinas (1) de
35../suministro de las cintas de fibra de carbono cuando .se. acaba una de ellas, con lo cual se reduce el número de paradas necesarias, ya que a partir de cada parada de sustitución se cambian todas las bobinas (1) y por lo tanto todas ellas reanudan el proceso del suministro partiendo de una situación de totalmente llenas. Con este método resulta sin embargo una pérdida de material, ya que se desecha todo el contenido restante de las bobinas (1) no terminadas, cuando se realiza la sustitución al acabarse cualquier bobina (1) .
De acuerdo con una opción particular, según la invención, y en relación con el suministro de la cintas de fibra de carbono se aplica un software de gestión, en combinación con un programa de sucesivas utilizaciones de aplicación para formar piezas iguales o diferentes, de forma que dicho software calcula los recorridos de aplicación del encintado que se debe realizar en las distintas utilizaciones, determinando un orden de realización de éstas, de forma que el consumo mayor de unas cintas de aplicación en unas utilizaciones se compense con el consumo mayor de las otras cintas en otras utilizaciones, con lo que todas las bobinas (1) portadoras de las cintas de aplicación se acaban al mismo tiempo. Con este método todas las bobinas (1) se cambian en la misma parada de sustitución, aprovechándose además totalmente el material de fibra de carbono de las cintas, ya que no existen desperdicios de desecho.
De acuerdo con otra caracteristica de la invención, en el cabezal se incorpora una unidad (15) de corte por ultrasonidos, la cual se dispone en un eje Ha paralelo al eje II del rodillo maestro (5) , en orientación hacia el costado del cabezal, .ver Figuras 4, 5 y 6. . . . - . • Con esta disposición, mediante el giro del bloque (2.1) sobre el acoplamiento (4) del eje horizontal I, hasta una posición a 90° respecto de la posición de aplicación de las cintas de fibra de carbono, como representa la Figura 14, la unidad de corte (15) queda en una disposición operativa, para poder efectuar el corte de los sobrantes de las cintas de fibra de carbono utilizadas en la formación de la superficie de aplicación.
Con esto se reduce el tiempo global del proceso de fabricación de las piezas que se forman con las cintas de fibra de carbono, ya que con el mismo cabezal con el que se realiza la aplicación de las cintas, se efectúa también el corte de los sobrantes de dichas cintas, mediante un sencillo giro de 90° del bloque (2.1) del cabezal alrededor del eje I, entre la posición de aplicación representada en la Figura 1 y la de corte representada en la Figura 14.
Como muestra la Figura 14A, la unidad de corte (15) tiene un giro (CU) de la cuchilla (17) mediante un accionamiento servocontrolado que es actuado por un servomotor (18) a través de un piñón (19) y una corona (20) , de forma que es posible cortar asi al material de fibra de carbono.
La cuchilla (17) es excitada axialmente por una frecuencia ultrasónica con una amplitud de unas décimas de milímetro, mediante la cual es capaz de cortar el material depositado y no curado sobrante de las cintas de fibra de carbono, siendo generada dicha frecuencia ultrasónica de la cuchilla (17) por un resonador (21) que va incorporado en el soporte (2) del. cabezal, desde el cual se transmite hasta un colector (22) , que permite excitar a la cuchilla (17) aún cuando es actuada rotativamente en el giro (CU) .

Claims

REIVINDICACIONES
1.- Cabezal de aplicación de cintas de fibra de carbono, del tipo que va dispuesto en montaje de giro sobre un eje vertical y su bloque o cabezal propiamente dicho sobre un eje horizontal, para realizar un encintado de formación de superficies mediante una cinta de fibra de carbono que se suministra desde una bobina de alimentación y que va provista con un papel protector, aplicándose el material de fibra de carbono sobre la superficie a formar mediante presión contra dicha superficie, mientras que el papel protector se rebobina en un carrete de recogida, caracterizado en que se utiliza un cabezal en el que se disponen, al menos, dos bobinas (1) portadoras de respectivas cintas de fibra de carbono, para el suministro selectivo de dichas cintas componiendo con ellas la anchura del encintado de aplicación, incorporándose las bobinas (1) de las cintas de aplicación sobre un rodillo maestro (5) formado por tramos independientes (5.1) que son accionados de manera individual por respectivas transmisiones giratorias, lo que permite el suministro independiente de las cintas de fibra de carbono desde las bobinas (1) .
2.- Cabezal de aplicación de cintas de fibra de carbono, de acuerdo con la anterior reivindicación, caracterizado en que según una realización preferente el cabezal incorpora tres o más de tres bobinas (1) ; de manera que en el caso de que incorpore cuatro bobinas (1) de accionamiento independiente, cada una de ellas tendrá preferentemente una dimensión en anchura de setenta y cinco milímetros; con lo que, aplicando simultáneamente la cinta de las cuatro bobinas (1) se alcanza una cubrición de trescientos.- milímetros, de anchura a partir de la cual, pueden aplicarse independientemente las cintas de un menor número de tales bobinas (1) hasta alcanzar la cubrición de mínima anchura, que se establece al aplicar la cinta de una sola bobina (1) .
3.- Cabezal de aplicación de cintas de fibra de carbono, de acuerdo con la primera reivindicación, caracterizado en que en relación con el suministro de las cintas de fibra de carbono, desde las bobinas (1) correspondientes, se disponen unos sensores (14) que controlan el paso de dichas cintas, regulando el accionamiento de la transmisión giratoria de las bobinas (1) de suministro, en función de la velocidad de aplicación necesaria de cada una de las cintas, estando previsto que en las zonas de encintado en curvatura las cintas de la parte exterior de la curvatura se suministren a mayor velocidad que las de la parte interior, para compensar la diferencia del recorrido de aplicación.
4.- Cabezal de aplicación de cintas de fibra de carbono, de acuerdo con la primera reivindicación, caracterizado en que los tramos (5.1) del rodillo maestro (5) sobre los que se incorporan las bobinas (1) suministradoras de las cintas de fibra de carbono, incorporan en la periferia unas tejas (11) susceptibles de movimiento radial individualizado, las cuales se actúan mediante un sistema pneumático, permitiendo determinar una expansión diametral de los mencionados tramos (5.1) para la fijación sobre ellos de las bobinas (1) .
5.- Cabezal de aplicación de cintas de fibra de carbono,- de acuerdo con la • primera reivindicación, caracterizado en que en correspondencia con el número de bobinas (1) suministradoras de cintas de fibra de carbono que se incorporan sobre el rodillo maestro (5) , se disponen respectivos carretes (8) para el rebobinado del papel protector de las cintas de fibra de carbono, incorporándose dichos carretes sobre un eje (12) , respecto del cual se fijan mediante un sistema de cuñas
(13) que son accionadas por sistema pneumático.
6.- Cabezal de aplicación de cintas de fibra de carbono, de acuerdo con la primera reivindicación, caracterizado en que paraxial al eje II del rodillo maestro (5) se dispone una unidad (15) de corte por ultrasonidos, la cual queda orientada hacia el costado en el propio cabezal, siendo susceptible de colocarse en posición operativa, para el corte de los sobrantes de las cintas de fibra de carbono utilizadas en la aplicación, mediante un giro del cabezal a una posición de 90° respecto de la posición de aplicación de las cintas de fibra de carbono.
7.- Cabezal de aplicación de cintas de fibra de carbono, de acuerdo con la primera y sexta reivindicaciones, caracterizado en que el cabezal, a través de su accionamiento piñón-corona (4) puede girar ±90° alrededor del eje I, lo cual permite disponer a la unidad (15) de corte por ultrasonidos en su posición operativa con tan solo el giro de un eje del cabezal.
8.- Método de aplicación de cintas de fibra de carbono, comprendiendo un cabezal en el que se incorporan, unas bobinas (1) suministradoras de cintas de fibra de carbono, mediante las cuales se compone la anchura del encintado de aplicación sobre las superficies a formar, .yendo las bobinas .(!.)•• sobre tramos independientes (5.1) de un rodillo maestro (5) que son accionados en giro de manera individual para el suministro de las cintas de aplicación, caracterizado en que en relación con las bobinas (1) de suministro de las cintas de fibra de carbono se establece un control individual de cada una de las bobinas (I)/ para determinar la aplicación de la cinta de cada una de ellas en función de lo que se requiera en cada zona de la superficie de aplicación, determinándose un control individual de la velocidad de cada una de las bobinas (1) , para suministrar en las zonas de aplicación en curva con mayor velocidad las cintas de la parte exterior de la curvatura que las de la parte interior, compensando la diferencia de recorrido.
9,- Método de aplicación de cintas de fibra de carbono, de acuerdo con la octava reivindicación, caracterizado en que el suministro de las cintas de fibra de carbono para la aplicación se establece con un control mediante un software de selección respecto de distintas utilizaciones consecutivas de formación de piezas iguales o diferentes, para compensar el mayor gasto de unas cintas en unas utilizaciones, con el mayor gasto de las otras cintas en otras utilizaciones, con el fin de que todas las bobinas (1) suministradoras de las cintas de aplicación se acaben al mismo tiempo.
10.- Método de aplicación de cintas de fibra de carbono, de acuerdo con la octava reivindicación, caracterizado en que el suministro de las cintas de fibra de carbono para la aplicación se establece con un control de la presión de aplicación sobre la superficie a formar, mediante un tacón múltiple de presión individual sobre cada una de las cintas, de modo que solo se' presionan los tramos de ..las' ..cintas que tienen que ser aplicados en la superficie a formar,
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