ES2208248T3

ES2208248T3 - Componente de plastico con partes de insercion.

Info

Publication number: ES2208248T3
Application number: ES00810218T
Authority: ES
Inventors: Georg Reif; Dieter Faisst; Michael Niedermeier
Original assignee: Alcan Technology and Management Ltd
Current assignee: 3A Composites International AG
Priority date: 1999-03-31
Filing date: 2000-03-15
Publication date: 2004-06-16
Anticipated expiration: 2020-03-15
Also published as: US20050048266A1; EP1380404A3; DE50007631D1; EP1197316A1; CA2302964A1; EP1197316B1; US6835436B1; EP1380404A2; EP1048442B1; EP1048442A1; DE50004396D1; CA2302964C

Abstract

Componente de plástico (56), compuesto por un material de plástico (6) y una parte de inserción (8), que contiene una sección compuesta (31) conectada con el componente de plástico (56), donde la parte de inserción (8) presenta, en comparación con el material de plástico (6), una rigidez y/o coeficiente de dilatación térmica diferentes, y la parte de inserción (8) está unida con su sección compuesta (31), por medio de una capa de acoplamiento (7), con el material de plástico (6), caracterizado porque la capa de acoplamiento (7) es una campa intermedia de un plástico reforzado con fibras, que lleva a cabo una igualación gradual o uniforme del módulo E determinante de la rigidez y/o del coeficiente de dilatación térmica entre el material de plástico (6) y la parte de inserción (8), donde el efecto de gradiente con respecto al coeficiente de dilatación térmica y del módulo E en la capa de acoplamiento (7) se consigue a través de la selección del contenido de volumen de las fibras, del tipo defibras y/o a través de la alineación selectiva de las fibras o de las capas de fibras en la capa de acoplamiento (7).

Description

Componente de plástico con partes de inserción.

La presente invención se refiere a un componente de plástico según el preámbulo de la reivindicación 1. En el marco de la invención está también un procedimiento para la fabricación de componentes de plástico según la invención. La invención se refiere, además, a la utilización de componentes de plástico según la invención.

Debido a las propiedades favorables del material como peso reducido, resistencia a la corrosión, a las posibilidades de configuración casi ilimitadas y a la alta rigidez, se emplean cada vez con mayor frecuencia plásticos reforzados en la fabricación de vehículos y de aviones y en la construcción. Así, por ejemplo, se emplean plásticos reforzados en la fabricación de vehículos para partes de la carrocería, como tapa del maletero o aletas traseras, donde encuentran aplicación extendida especialmente los plásticos reforzados con fibras de vidrio (GFK) y los plásticos reforzados con fibras de carbono (CFK) así como plásticos reforzados con fibras de aramida. Desde que se conoce el empleo de plásticos difícilmente combustibles, se emplean plásticos reforzados también en sectores, en los que esto no era posible hasta ahora por razones de seguridad contra incendios.

No obstante, el montaje o la unión de tales componentes de plástico con componentes metálicos o también con otros componentes de plástico, es decir, los procedimientos de unión, plantean máximos requerimientos al diseñador. Especialmente los componentes de plástico reforzados con fibras de forma continua no se pueden unir directamente con medios de fijación mecánicos, como por ejemplo remaches o tornillos, con otros componentes, puesto que las diferencias en la resistencia, la rigidez y la elasticidad entre los materiales individuales conducen a puntos débiles locales en sus superficies de unión.

Para uniones entre componentes metálicos y componentes de plástico reforzados se aplican con frecuencia también uniones encoladas. Sin embargo, éstas requieren superficies de encolado muy puras y condicionan, por lo tanto, a menudo un tratamiento superficial especial previo. Requieren un trabajo costoso y laborioso en máximas condiciones de pureza. Las uniones encoladas muestran con frecuencia una resistencia sólo limitada y condicionan superficies de encolado muy grandes, lo que conduce de nuevo a limitaciones de las posibilidades de diseño.

Además, se conoce integrar partes de inserción de metal, como por ejemplo casquillos roscados, en los componentes de plástico. Éstos sirven como interfaz de unión para uniones atornilladas con otros componentes, por ejemplo con estructuras metálicas. En las partes de inserción mencionadas se trata, sin embargo, de partes relativamente pequeñas, que se montan al mismo tiempo de manera muy localizada en el material de plástico. Estas partes de inserción presentan con frecuencia una estructura superficial compleja, para conseguir una resistencia satisfactoria de la unión de metal y plástico. La aplicación de tales partes de inserción es cara y se limita a partes fundidas de plástico, especialmente a partes fundidas por inyección, que no son plásticos reforzados con fibras o contienen a lo suma fibras cortas. Esta aplicación no es adecuada especialmente para la fabricación de carrocerías.

El documento DE 37 21 577 C2 describe un procedimiento para la fabricación de manguitos de plástico con inserto de metal, que presenta una sección cilíndrica y provista en el exterior con una sección ranurada en forma de dientes, donde se fabrica en primer lugar el manguito de plástico y a continuación se introduce el inserto de metal en un orificio de alojamiento del manguito de plástico y se introduce a presión la sección ranurada o dentada en el inserto de metal, aplicando presión, dentro de la pared interior del orificio de alojamiento y se calienta adicionalmente todavía el plástico además de la aplicación de presión. Sin embargo, este procedimiento no es adecuado para plásticos reforzados con fibras, especialmente para aquéllos que tienen un alto contenido de fibras. Los procedimientos, en los que el inserto de metal es laminado directamente durante la fabricación de la parte de plástico, no son satisfactorios según el documento DE 37 21 577 C2, puesto que la gran diferencia entre los dos materiales conduce a discontinuidades y a la formación de fugas en el cuerpo compuesto.

El documento EP 0 872 650 A1 describe igualmente un inserto de metal, que se introduce, previo calentamiento de la parte de plástico, en un orificio de alojamiento de la misma. Tampoco este procedimiento es adecuado para plásticos reforzados con fibras u no se consigue la resistencia deseada para máxima solicitación.

El documento DE 41 17 167 C2 describe un inserto de metal, que está configurado en forma de un soporte metálico y que está laminado totalmente en la parte de plástico. Las llamadas secciones redondas del material en el soporte metálico se proveen con taladros roscados y forman los llamados insertos roscados para uniones roscadas. La fabricación de tales cuerpos compuestos es igualmente muy costosa, puesto que el plástico está constituido por un laminado de base y un laminado superior. Por lo demás, las secciones redondas del material solamente permiten esencialmente la utilización de uniones roscadas.

El documento US-A-5.118.257 describe un componente de plástico según la parte de introducción de la reivindicación 1. Describe en particular un soporte de unión para una pala de turbina de una turbina de aire de remanso, donde el soporte de unión es una parte de inserción, que está fundida integralmente con una sección parcial en la pala de turbina que está constituida por un plástico reforzado con fibras. Con el fin de mejorar la unión encolada, la parte de inserción está provista con una capa de imprimación.

En los ejemplos mencionados anteriormente, se soluciona, además, de forma poco satisfactoria el problema del salto de rigidez y de los diferentes coeficientes de dilatación térmica entre los dos materiales metal y plástico.

Las partes de inserción de metal en materiales de plástico están afectadas, como se conoce, con el problema de que los dos materiales plástico y metal presentan elasticidades o bien rigideces muy diferentes, con lo que se forma zonas débiles en las superficies de unión. El valor del módulo de elasticidad, mencionado a continuación como módulo E, puede ser, por ejemplo, en los plásticos reforzados con fibras de carbono (CFK) aproximadamente cuatro veces mayor que en los materiales de metal, como por ejemplo aluminio. Puesto que la rigidez de un material se calcula a partir del producto del módulo E y el momento de inercia superficial, se produce un salto de rigidez marcado en las superficies de unión de los dos materiales.

Además, el alto momento de inercia superficial de partes de inserción planas, superficiales o en forma de banda, por ejemplo de metal, no ha permitido hasta ahora, debido al salto demasiado alto de la rigidez en las superficies de unión con el material de plástico, incrustar partes de inserción mayores y planas como elementos de unión, por ejemplo una banda metálica o chapa de metal, con efecto de transmisión de fuerza en un componente de plástico.

Por otra parte, los materiales de metal y los plásticos presentan, en general, un comportamiento de dilatación térmica diferente, es decir, que tienen en cada caso diferentes coeficientes de dilatación térmica (coeficientes cúbicos y lineales de dilatación térmica). Esto conduce, en el caso de modificaciones de la temperatura, a tensiones que pueden ser tan altas que se producen fenómenos de desprendimiento en las superficies de unión de los dos materiales.

Por las razones mencionadas anteriormente, se producen en las superficies de unión entre el material de plástico y la parte de inserción puntos débiles que reducen en una medida considerable los límites de carga de una estructura de cuerpos estructurales o bien de un componente de plástico.

Por lo tanto, los talleres no están equipados, en general, para realizar uniones de alta calidad y resistencia entre materiales de plástico reforzados y partes de inserción de metal, por lo que tiene una gran importancia fabricar componentes de plástico, que presenten ya al mismo tiempo, por ejemplo, medios de fijación mecánicos en los interfaces de unión necesarios en forma de partes de inserción para la fijación de estructuras metálicas u otras estructuras.

Por lo tanto, la presente invención tiene el cometido de crear elementos de construcción o componentes de coste favorable de plástico, especialmente de plástico reforzado, con interfaces de unión en forma de partes de inserción, especialmente partes de inserción planas, con preferencia de metal, en las que la unión entre el material de plástico del componente de plástico y las partes de inserción presenta una alta resistencia mecánica, capacidad de carga y adhesión duradera a pesar de la diferente elasticidad o rigidez de la diferente dilatación térmica de los dos materiales.

El cometido se soluciona según la invención a través de las características de la reivindicación 1.

El material compuesto presenta una resistencia y adhesión duradera mejoradas entre el material de plástico y la parte de inserción y resiste cargas elevadas.

Por sección compuesta se entiende la sección de la parte de inserción integrada o a integrar en el material de plástico del componente de plástico o la sección de la parte de inserción unida o a unir con al menos un lado superficial con el material de plástico.

El componente de plástico, llamada también estructura de plástico, está fabricada a partir de un plástico con preferencia reforzado, especialmente reforzado con fibras (FVK). Como fibras de refuerzo se pueden emplear especialmente fibras inorgánicas, como fibras de vidrio, fibras de carbono o fibras de grafito, fibras metálicas, fibras cerámicas, o fibras a partir de derivados de celulosa o a partir de materiales termoplásticos, como por ejemplo cloruro de polivinilo, poliacrilonitrilos, poliacrilos, poliolefinas, por ejemplo polipropileno, poliésteres, poliamidas o fibras de plástico conocidas bajo el nombre Kevlar® o bien aramida, etc., o fibras naturales, como minerales de silicato en forma de fibras, yute, sisal, cáñamo, algodón, fibras de ramio. Los plásticos pueden ser también plásticos reforzados con tejidos, tejidos de punto, esteras, mechas o velos de los materiales mencionados. Como material de refuerzo se pueden insertar en el plástico también capas, barras, placas o láminas de materiales adecuados, por ejemplo de los materiales mencionados anteriormente. Los componentes de plástico son con preferencia CFK, GFK o plásticos reforzados con fibras de aramida.

El contenido de fibras del componente de plástico esté de una manera conveniente en el intervalo de 20 - 80% en vol. (por ciento en volumen), especialmente de 30 - 70% en vol. y con preferencia en el intervalo de 55 - 65% en vol. Si el contenido de fibras está en torno al 60% en vol., entonces se obtienen plásticos compuestos de fibras de rigidez y capacidad de carga especialmente altas.

El plástico puede contener adicionalmente, por ejemplo, además de fibras de refuerzo, también substancias de relleno, que pueden ser, por ejemplo de grano grueso o fino, en forma de placas. Las substancias de relleno, como por ejemplo carbonato de calcio, caolin, vidrio, mica, talco, silicato, wollastonita u óxidos de aluminio, reducen el coeficiente de dilatación térmica del plástico. Las substancias de relleno, como óxidos de aluminio y óxido de antimonio, se pueden utilizar para elevar la resistencia al fuego del plástico, lo que es especialmente importante en la fabricación de carrocerías, y las substancias de relleno como mica y silicatos se pueden emplear para elevar la resistencia química del plástico. Se emplea material de relleno conductor de electricidad para evitar la carga estática del plástico. Las substancias de relleno, como por ejemplo, cal, partículas de carbón o dióxido de titanio, se pueden emplear como pigmentos. Se pueden añadir pigmentos colorantes para la coloración de los plásticos.

El plástico que forma la matriz del material de plástico en el componente de plástico puede ser un material termoplástico (termoplasto) o un material duroplástico (duroplasto). Como termoplastos se emplean especialmente poliolefinas, cloruro de polivinilo, poliestirenos, copolimerizados de estireno, espuma de poliestireno, poliestireno resistente al impacto, copolimerizados de estireno - acrilonitrilo, terpolimerizados de acrilonitrilo - butadieno - estireno, terpolimerizados de éster acrílico - estireno -acrilonitrilo, polimetilmetacrilatos, cristal acrílico, carbazoles de polivinilo, poliamidas o policarbonatos. Se prefieren especialmente poliésteres, como tereftalatos de polietileno (PET), o poliamidas.

Como duroplastos encuentran aplicación especialmente resinas epóxido, plásticos que contienen resinas epóxido o que están constituidos por ellas, resinas de fenol - formaldehído, resinas de urea - formaldehído, resinas de melamina - formaldehído, resinas de melamina - fenol - formaldehído, resinas de poliésteres insaturados, poliimidas o poliuretanos. Se prefieren resinas epóxido o ésteres de vinilo.

Las partes de inserción son, por ejemplo, de metal pueden ser de metales de hierro o de metales no ferrosos, por ejemplo de hierro, hierro galvanizado, acero, latón, aluminio y sus aleaciones o magnesio y sus aleaciones. Con preferencia se emplean partes de inserción de aluminio o sus aleaciones, de acero o hierro galvanizado.

Las partes de inserción pueden ser también compuestos de capas constituidos por al menos dos capas, donde al menos una capa está constituida por uno de los metales mencionados anteriormente. A partir de la serie de los compuestos de capas se utilizan con preferencia elementos sándwich con capas de cubierta de un metal, con preferencia de aluminio o sus aleaciones, acero o hiero galvanizado, así como de un núcleo de plástico, por ejemplo un núcleo de un elastómero o con preferencia de un termoplasto o duroplasto. Tales materiales compuestos son distribuidos, por ejemplo, bajo los nombres de marcas Carbond® e Hylite®.

El tamaño o bien la dilatación longitudinal de tales partes de inserción puede estar, por ejemplo, en el intervalo de 1 - 20 cm, pudiendo extenderse especialmente partes de inserción en forma de banda a lo largo de los lados de componentes de plástico también de 20 cm hasta longitudes en el intervalo de metros. En principio, no existe ninguna limitación especialmente con respecto a la dilatación de las longitudes de las partes de inserción ni hacia arriba ni hacia abajo.

El espesor de pared, especialmente de las partes de inserción de metal o bien de las partes de inserción de aluminio, es de una manera más conveniente de 1 - 10 mm, con preferencia de 2 - 7 mm y de manera ventajosa de 3 - 5 mm. Los espesores de pared a partir de 7 mm aproximadamente están previstos para el caso de cargas especialmente grandes. Las partes de inserción son incrustadas de una manera conveniente aproximadamente 5 - 60 mm, con preferencia de 5 - 20 mm y de manera ventajosa de 10 - 15 mm de profundidad en la pieza de plástico.

La capa de acoplamiento está constituida por un plástico reforzado, de manera conveniente de un plástico reforzado con fibras, que contiene uno o varios de los tipos de fibras mencionados anteriormente, siendo utilizados, por razones de costes, especialmente plásticos reforzados con fibras de vidrio, con preferencias fibras de vidrio E ("bajo contenido alcalino" o "de grado eléctrico"). No obstante, se prefieren también fibras de carbono o fibras de aramida, especialmente fibras de carbono HT ("Alta Tenacidad") o una combinación de las fibras mencionadas. El contenido de fibras de la capa de acoplamiento está de una manera conveniente en el intervalo de 20 - 70% en vol., especialmente de 30 - 60% en vol. y con preferencia en el intervalo de 45 - 55% en vol.

La capa de acoplamiento puede contener una matriz de plástico formada por un termoplasto o por un duroplasto de uno de los tipos de plástico mencionados anteriormente. Los materiales de la matriz de la capa de acoplamiento y del material de plástico del componente de plástico no tienen que ser necesariamente iguales. La capa de acoplamiento puede ser, por ejemplo, de un duroplasto reforzado, mientras que el material de plástico del componente de plástico es de un termoplasto reforzado o a la inversa. Con preferencia, la capa de acoplamiento y el material de plástico contienen la misma matriz de plástico.

Las superficies de las partes de inserción de metal, llamadas también elementos de unión de metal, o bien las superficies metálicas de los compuestos de capas, especialmente las superficies de aluminio o sus aleaciones, se someten de una manera conveniente a un tratamiento para la mejora de la capacidad de adhesión de la capa de acoplamiento a las superficies correspondientes.

La superficie es provista con un revestimiento generado químicamente, por ejemplo, por medio de procedimientos de cromato - fosfato, procedimientos de cromato (por ejemplo, cromatización amarilla, verde o transparente), procedimientos de cromato - proteína o procedimientos de fosfatado. Además, se puede oxidar la superficie también anódica o químicamente, para mejorar la capacidad de adhesión de las capas siguientes. Si el elemento de unión de metal es de acero, entonces el desengrase y/o el raspado rugoso de la superficie de metal, por ejemplo a través de desengrase inicial o chorreado con substancia sólida, puede ser suficiente en determinadas circunstancias como tratamiento superficial. También las superficies de metales distintos al aluminio se pueden proveer con un revestimiento generado químicamente, que es generado, por ejemplo, de acuerdo con uno de los procedimientos adecuados mencionados anteriormente. Por otra parte, las superficies metálicas se pueden proveer también con una capa de imprimación o bien con un agente adhesivo, como silanos o pegamentos diluidos.

La capa de acoplamiento sirve como capa de gradiente entre la parte de inserción y el material de plástico del componente de plástico. A continuación solamente se habla todavía de material de plástico, por razones de simplicidad, entendiendo por ello el componente principal de un componente de plástico según la invención.

Por capa de gradiente se entiende lo siguiente en siguiente en el presente texto: si se unen entre sí dos materiales diferentes, entonces se modifican, en general, en sus superficies de unión una o varias magnitudes físicas, como densidad, elasticidad o dilatación térmica, lo que conduce a los inconvenientes conocidos como formación de grietas, desprendimiento de los puntos de unión, etc. Esto se puede evitar introduciendo una capa de gradiente en forma de una capa intermedia, una llamada capa de acoplamiento, que se caracteriza porque las magnitudes físicas respectivas entre los materiales a unir como, por ejemplo, plástico y metal, se modifican de una manera uniforme o gradual o bien escalonada y de este modo tiene lugar una igualación de las magnitudes físicas de los materiales adyacentes. De esta manera se eliminan o se reducen las modificaciones marcadas, repentinas de estas magnitudes físicas en las superficies de unión.

En la presente invención, la capa de acoplamiento cumple, entre otras, dos tareas:

1.: Sirve como capa de gradiente con relación a las diferentes elasticidades entre el material de plástico y la parte de inserción.

2.: Sirve como capa de gradiente con relación ala diferente dilatación térmica entre el material de plástico y la parte de inserción.

La capa de acoplamiento se puede emplear para cumplir solamente una o las dos tareas mencionadas anteriormente. No obstante, con preferencia sirve como capa de gradiente tanto con relación a la elasticidad como también con relación a la dilatación térmica, sirviendo la capa de acoplamiento con preferencia principalmente para la igualación de los coeficientes de dilatación térmica, puesto que esta última magnitud característica ejerce en determinadas circunstancias una influencia más significativa sobre la resistencia y la calidad del compuesto de plástico o bien del compuesto de plástico y metal que sobre los módulos E diferentes.

Por otra parte, la capa de acoplamiento sirve, dado el caso, también para impedir la corrosión por contacto entre las partes de inserción metálicas, especialmente las de aluminio, pero también las de acero o de metales de hierro, y las fibras de carbono del componente de plástico. La capa de acoplamiento contiene aquí, especialmente en los puntos de contacto con el elemento de unión de metal, con preferencia fibras de vidrio como fibras de refuerzo.

La parte de inserción se puede recubrir en una etapa de fabricación separada con la capa de acoplamiento de plástico.

La acción de gradiente en la capa de acoplamiento con respecto al coeficiente de dilatación térmica y al módulo E se consigue, entre otras cosas, a través e la selección del contenido de volumen de fibras, del tipo de las fibras y especialmente a través de la alineación selectiva de las fibras o de las capas de fibras en el compuesto de capas.

Una elevación del contenido de volumen de fibras conduce, en general, a una elevación de la rigidez o bien a una reducción de la elasticidad del plástico. Además, la elevación del contenido de volumen de fibras provoca, en general, una disminución del coeficiente de dilatación térmica.

En el caso de utilización de componentes de CFK, es decir, de componentes de plástico con un material de plástico reforzado con fibras de carbono, con un contenido de fibras de manera conveniente de 40 - 70% en vol., y con elementos de unión de metal de aluminio o magnesio o de una aleación, que contiene al menos uno de estos metales, el contenido de fibras de la capa de acoplamiento puede ser de una manera conveniente aproximadamente de 5 - 20% en vol. y especialmente de 5 - 15% en vol. menor que en el componente de CFK.

Los tipos de fibras como fibras de carbono presentan, además, un módulo E de 5 a 6 veces más alto que las fibras de vidrio. Entre las fibras de vidrio y las fibras de carbono se encuentran, con respecto al módulo E, las fibras de aramida. Además, se puede influir al mismo tiempo sobre el coeficiente de dilatación térmica en la capa de acoplamiento igualmente a través del tipo de fibras. Las fibras de carbono presentan, por ejemplo, un coeficiente de dilatación térmica menor que las fibras de vidrio.

En componentes de CFK con elementos de unión de metal de aluminio o magnesio o de una aleación, que con tiene al menos uno de estos metales, la capa de acoplamiento contiene, por ejemplo, fibras de vidrio, especialmente fibras de vidrio E, en particular en las superficies de contacto con el elemento de unión de metal.

Son especialmente adecuadas como fibras en la capa de acoplamiento las llamadas fibras de carbono HT (alta tenacidad). Éstas se caracterizan por una resistencia a la tracción comparativamente alta. Las fibras de carbono HT se emplean especialmente cuando la estructura de plástico contiene las llamadas fibras de carbono HM (Módulo Alto), que se caracterizan, en comparación con las fibras de carbono HT por un módulo E más alto y una resistencia a la tracción más baja, y el elemento de unión de metal está constituido de aluminio o de magnesio o de una aleación que contiene al menos uno de estos metales.

En las variantes de realización descritas a continuación, el material de plástico está constituido por un plástico reforzado con fibras y la parte de inserción está constituida con preferencia por uno de los metales mencionados anteriormente. La capa de acoplamiento está constituida por un plástico reforzado con fibras.

En una primera variante de realización, la capa de acoplamiento es un compuesto de fibras no laminado y esencialmente homogéneo con alineación aleatoria de las fibras. Las magnitudes físicas como módulo E y coeficiente de dilatación térmica, llamado también valor de dilatación térmica, se encuentran en un intervalo de valores entre los módulos E y los coeficientes de dilatación térmica de los materiales de metal o plástico adyacentes a la capa de acoplamiento. La capa de acoplamiento presente con preferencia valores medios de estas magnitudes. De esta manera se distribuyen las modificaciones de las magnitudes de los módulos E y de los coeficientes de dilatación térmica sobre al menos dos superficies de contacto y de esta manera se reducen en las superficies de unión individuales. El módulo E y el coeficiente de dilatación térmica son determinados, entre otras cosas, por la selección del contenido de volumen de fibras y del tipo de las fibras.

En otra variante de realización, la capa de acoplamiento es un compuesto de fibras con distribución gradual de las fibras, en el que, sin embargo, las fibras están orientadas de forma aleatoria y localmente de manera esencialmente uniforme en la matriz. Tales capas de acoplamiento, como también las de la primera variante de realización mencionada anteriormente, se aplican, por ejemplo, en un procedimiento de fundición por inyección de termoplásticos, procedimientos de inyección de fibras, en un procedimiento en prensa como el procedimiento "Bulk - Transfer - Moulding - Compound" (Procedimiento BMC), o el procedimiento "Dough - Transfer - Moulding - Compound" (Procedimiento DMC), sobre las superficies de unión previstas de la parte de inserción. Un procedimiento de fundición por inyección especialmente adecuado es el llamado procedimiento "Reinforced Reaction Injection Moulding" (RRIM) (ver: Kunststoffkompendium, Vogel Fachbuch, 1990, páginas 211 y siguientes, 229 y siguientes). El aumento o disminución gradual del módulo E y del coeficiente de dilatación térmica dentro de la capa de acoplamiento se consigue en este ejemplo de una manera ventajosa a través de la modificación del contenido de volumen de las fibras y del tipo de las fibras en la capa de acoplamiento.

En otra variante de realización, la capa de acoplamiento propiamente dicha está laminada, es decir, que está constituida por capas de fibras y representa un compuesto de capas de fibras, aplicando a tal fin especialmente procedimientos de fabricación como "Resin - Transfer - Moulding" (RTM) o como SMC, por ejemplo, con esteras o tejidos impregnados, es decir, con los llamados Prepregs. La estructura de capas se puede realizar también a través de laminación manual parcial o total (ver: Einführung in die Technologie der Faserverbundwerkstoffe, Michaeli / Wegener, Karl Hanser Verlag, página 41 y siguientes).

La modificación gradual de la elasticidad, de la rigidez o bien del coeficiente de dilatación térmica no sólo se consigue aquí a través del contenido de volumen de las fibras, del tipo de fibras o de la longitud de las fibras en las capas sino de una manera muy esencial a través de la orientación de las fibras individuales en las capas de fibras con respecto a la dirección principal de la carga (tracción, tensión de presión) en el elemento de unión de metal. A tal fin se utilizan, por ejemplo, capas de fibras, cuyos valores mecánicos, es decir, la alineación de las fibras, están acentuados con preferencia en una dirección (mechas colocadas en paralelo) o también en dos direcciones (tejidos, telas) o en varias direcciones (telas multiaxiales). Las alineación exacta en la dirección principal de las fuerzas de actuación corresponde a una orientación de las fibras de 0º. La alineación exacta de las fibras transversalmente a la dirección principal de las fuerzas de actuación corresponde a una orientación de las fibras de \pm 90º.

En elementos de unión de metal comparativamente más elásticos (en comparación con el elemento de plástico), por ejemplo de aluminio, de magnesio o sus aleaciones, las capas de fibras son con preferencia más blandas en cuanto al empuje. Es decir, que la alineación de las fibras está de manera conveniente en el intervalo de -70º a -30º o bien de -30º a +70º, con preferencia de -60º a -30º y de +30º a +60º, respectivamente, y de una manera especialmente preferida de -50º a -40º y de +40º a +50º.

Las fibras se extienden especialmente en el caso de una estructura alineada de capas de fibras con preferencia siempre paralelas a la superficie longitudinal de la parte de inserción. En las formas de realización siguientes se considera, por lo tanto, como supuesto que las fibras alineadas se encuentran, entre otras, esencialmente paralelas a la superficie longitudinal de las partes de inserción.

En elementos de unión de metal comparativamente menos elásticos, por ejemplo ciertos tipos de acero, de manera conveniente las capas de fibras menos blandas al empuje están presentes con orientaciones de las fibras, por ejemplo, de -20º a -20º, con preferencia de -10º a +10º.

La orientación de las fibras o capas de fibras en la capa de acoplamiento en la superficie de contacto con el material de plástico se ajusta de manera conveniente de acuerdo con la orientación de las fibras o capas de fibras que se encuentran en la superficie de contacto en el material de plástico. La desviación entre estas dos orientaciones de las fibras en la superficie límite del material de plástico / capa de acoplamiento es de manera conveniente menor que \pm 60º y con preferencia menor que \pm 45º.

Las capas intermedias de fibras en la capa de acoplamiento presentan, por ejemplo, orientaciones de las fibras, que se encuentran entre los valores de la orientación de las fibras que están presentes en las capas de fibras más exteriores respectivas.

También se pueden formar sistemas de capas, que se caracterizan por secuencias que se repiten varias veces de capas de fibras con diferentes orientaciones de las fibras.

En general, la modificación del contenido de volumen de las fibras en la capa de acoplamiento muestra una influencia menor sobre el comportamiento de dilatación térmica y la elasticidad que la alineación selectiva de las fibras, por lo que se prefiere este último método.

Un sistema de capas de fibras de una capa de acoplamiento está constituido, por ejemplo, de la siguiente manera: [(0º / +45º / -45º) x ] sym, donde 0º corresponde a la dirección de las fuerzas principales que actúan sobre la parte de inserción, que se extienden, en general, paralelamente a la superficie longitudinal de la parte de inserción, y los datos de los ángulos colocados entre paréntesis corresponden a una secuencia de capas de fibras de tres partes con orientaciones correspondientes de las fibras. "x" representa un número natural (con la exclusión de 0) y representa el número de las secuencias de capas de fibras de tres partes, que se suceden directamente, en la capa de acoplamiento, donde x = 1 corresponde exactamente a una secuencia de capas de fibras de este tipo. Tales secuencias de capas de fibras son aplicadas de forma simétrica, como es habitual en la técnica de laminación. "sym" representa una estructura simétrica de espejo de las secuencias de capas de fibras que se repiten en determinadas circunstancias, colocadas entre corchetes, donde el plano de simetría en las capas de acoplamiento más finas está con preferencia en el plano medio longitudinal de la parte de inserción y en el caso de capas de acoplamiento más gruesas se forma con preferencia a través de una superficie que se encuentra en la capa de acoplamiento respectiva, paralelamente a la superficie longitudinal o bien al plano medio longitudinal de la parte de inserción. En este caso, hay que tener en cuenta que en los elementos de unión metálicos comparativamente más blandos de materiales de aluminio o de magnesio, las capas de fibras más blandas al empuje se apoyan en el elemento de unión metálico.

La alineación de las fibras en las capas de fibras está aquí de manera conveniente en un intervalo de valores de [(-10º a +10º / +30º a +60º / -30º a -60º)x ] sym. Se prefiere una secuencia de 2 a 4 capas de fibras y especialmente 3 capas de fibras. Pero son posibles al mismo tiempo también secuencias de capas con más o menos que tres capas de fibras. El número x de las secuencias de capas de fibras es con preferencia 1, pero puede ser casi discrecionalmente grande, aunque de manera conveniente es menor que 7 y de manera ideal es menor que 3.

También son posibles secuencias inmediatas de varios sistemas de capas de fibras del tipo mencionado anteriormente, donde se pueden distinguir los sistemas de capas individuales con preferencia a través de diferentes materiales de fibras y/o de plástico, pero también a través de diferentes alineaciones de las capas de fibras en las secuencias respectivas de las capas de fibras:

[(0º / +45º / -45º) x ] sym // [(0º / +60º / -60º) x ] sym.

Los sistemas de capas de fibras son delimitados entre sí en la escritura por medio de "//". Los planos de simetría de espejo de los sistemas de los sistemas de capas de fibras individuales se encuentran en este caso, respectivamente, en la capa de acoplamiento y se extienden con preferencia en paralelo a las superficies longitudinales de las partes de inserción. En el ejemplo anterior, uno de los sistemas de capas de fibras contiene fibras de vidrio y el otro contiene fibras de carbono HT, donde en el caso de elementos de unión de metal comparativamente elásticos de aluminio o de magnesio, las capas de fibras de vidrio se apoyan con preferencia en el elemento de unión de metal.

El espesor de la capa de acoplamiento es de una manera conveniente de 0,4 - 4 mm, con preferencia de 0,5 - 3 mm, con ventaja de 0,8 - 2,5 mm. Especialmente en las puntas y en los extremos de las superficies longitudinales de las partes de inserción, la capa de acoplamiento en la dirección paralela a las superficies longitudinales puede ser un múltiplo de los espesores de capa mencionados anteriormente. En estos lugares es válido eliminar los picos especialmente altos del salto de rigidez y dejar que el momento de inercia de la superficie salga a la capa de acoplamiento para elevar la resistencia a la fatiga.

Además, hay que observar que la capa de adhesivo o bien la capa de la matriz de la capa de acoplamiento entre el elemento de unión de metal y las primeras fibras o bien capas de fibras no es demasiado gruesa, puesto que durante el endurecimiento de la capa de acoplamiento se retrae el adhesivo y tiende a debilitarse la superficie de unión. El espesor mencionado de la capa de adhesivo es convenientemente menor que 0,6 mm, con preferencia de 0,1 - 0,5 mm, idealmente en torno a 0,3 mm.

La capa de acoplamiento puede contener, además, también substancias de carga del tipo descrito anteriormente. Así, por ejemplo, se puede influir sobre la dilatación térmica a través de la aportación de aditivos con reducida dilatación térmica, como por ejemplo harina de cuarzo o polvo metálico. Se puede influir sobre la resistencia mecánica a través de la adición de arena, virutas de metal, copos textiles, etc.

El material de plástico del componente de plástico puede ser, en una primera variante de realización, un compuesto de fibras, por ejemplo con fibras sin fin o fibras largas, con preferencia de CF (fibras de carbono), especialmente CF de módulo alto, en el que las fibras están orientadas de una manera aleatoria y esencialmente uniforme en la matriz. Los componentes de plástico son fabricados, por ejemplo, en un procedimiento de fundición por inyección de termoplastos, en un procedimiento de "Bulk - Transfer - Moulding - Compound" (procedimiento BMC) o un procedimiento "Dough - Transfer - Moulding - Compound" (Procedimiento DMC), siendo aplicado con preferencia un procedimiento BMC.

Un segundo tipo de realización preferido se refiere a materiales de plástico que están constituidos por un compuesto de capas de fibras, que contiene, por ejemplo, fibras sin fin o fibras largas, con preferencia de CF, especialmente de CF de módulo alto en forma de estructuras superficiales textiles. Los componentes de plástico son fabricados, por ejemplo, en un procedimiento RTM o procedimiento SMC con esteras, tejidos impregnados con preferencia con resina, es decir, con los llamados Prepregs. La estructura de capas se puede realizar también a través de laminación manual parcial o total, siendo especialmente la laminación manual un procedimiento muy costoso, caro y poco preferido.

Las herramientas de fundición o bien de prensado están configuradas de tal forma que pueden recibir partes de inserción y pueden unirlas fijamente con el material de plástico en una región definida durante el proceso de fundición y de prensado, respectivamente.

La sección delantera y que no debe integrarse en el material de plástico de la parte de inserción provista con la capa de acoplamiento es introducida, por ejemplo, previamente en el lugar deseado en unión positiva en una cavidad en la herramienta o bien en el molde de fundición, de manera que la masa de plástico no puede penetrar en la cavidad durante el proceso de fundición o de prensado y esta sección permanece libre de la parte de inserción.

La resistencia a la tracción en las superficies de unión entre el material de plástico y la parte de inserción en el componente de plástico puede corresponder, por ejemplo, ala del aluminio gracias a la capa de acoplamiento descrita.

En el caso de componentes de plástico reforzados con fibras de vidrio, se puede prescindir de una capa de acoplamiento después de la laminación del material de plástico. No obstante, esto presupone que los módulos E y los coeficientes de dilatación térmica no experimentan en la transición del material modificaciones marcadas, repentinas. En esta variante de realización, se reducen las diferencias en la rigidez de los dos materiales especialmente a través de la configuración del elemento de unión de metal, como se describe a continuación.

La reducción del salto de la rigidez en el compuesto de metal y plástico se puede mejorar también a través de la reducción del momento de inercia de la superficie de la parte de inserción, especialmente del momento de inercia de la superficie de la sección compuesta. Esto se refiere especialmente a las partes de inserción de acero o a las partes de inserción de pared gruesa, por ejemplo de aluminio o de magnesio, que presentan una rigidez más elevada que el componente de plástico.

A través de la configuración de la forma de la parte de inserción deben mantenerse bajo su momento de inercia de la superficie. La sección compuesta de la parte de inserción se configura, por ejemplo, en forma de linguete. Una forma de realización ventajosa es la configuración en forma de peine de los linguetes, estando dispuestos éstos, por ejemplo, en forma de tiras paralelas entre sí y esta do configurados de una anchura uniforme o estrechándose hacia su extremo libre. La longitud de los linguetes es, por ejemplo, de 5 - 50 mm, con preferencia de 7 - 20 mm, de manera ventajosa de 10 - 15 mm, y el espesor de los linguetes es, por ejemplo, de 1 - 10 mm, con preferencia de 3 - 5 mm. Los linguetes o tiras de la sección compuesta pueden estar configurados como franjas a través del corte por incisión de la parte de inserción, de manera que no se forman espacios intermedios o bien distancias entre las tiras individuales o pueden estar configuradas distancias o bien escotaduras entre los linguetes o tiras, que corresponden, por ejemplo, a la anchura de los linguetes o tiras. Otra forma de realización preferida consiste en un despliegue en forma de abanico de las tiras en forma de linguete y su estrechamiento hacia el extremo libre. A través del despliegue en forma de abanico de las tiras en forma de linguete se consigue un efecto de anclaje adicional.

La sección compuesta también puede estar perforada, pudiendo variarse la porción perforada de acuerdo con la rigidez deseada. La rigidez se puede reducir en una medida especialmente grande, por ejemplo, a través de una configuración en forma de rejilla de la sección compuesta. El incremento de la superficie que va unido con ello proporciona, además, un material compuesto mejorado entre la sección compuesta y el material de plástico. Por otra parte, se puede reducir la rigidez de la parte de inserción también a través de la reducción del espesor de la pared. Las configuraciones mencionadas anteriormente, que se caracterizan por una reducción de la rigidez de la parte de inserción, son también adecuadas para compensar o amortiguar las tensiones termo-mecánicas en virtud de los diferentes coeficientes de dilatación térmica.

No obstante, la configuración exacta para la reducción del momento de inercia de la superficie depende esencialmente del tipo de carga de la parte de inserción, por ejemplo si actúan sobre ésta fundamentalmente fuerzas de tracción, de torsión o de cizallamiento.

Además, las partes de inserción pueden presentar escotaduras, por ejemplo en forma de orificios perforados, y lazos conducidos a través de las escotaduras con fibras de refuerzo, cuerdas de fibras y/o con estructuras superficiales preferentemente textiles. Las fibras de refuerzo conducidas en forma de lazos a través de las escotaduras, las cuerdas de fibras o las estructuras superficiales textiles están incrustadas en la matriz de plástico del componente de plástico y están unidas íntimamente con ésta. Los lazos pueden ser, por ejemplo, lazos sencillos, lados de ojal o lazos paralelos.

Las estructuras superficiales textiles pueden ser de forma rectangular y se pueden conducir a través de uno o varios orificios ranurados o a través de orificios de taladros redondos en la sección compuesta de la parte de inserción, presentando los orificios con preferencia cantos y esquinas redondeados. Las estructuras superficiales textiles pueden presentar una forma discrecional, especialmente en sus extremos libres. Las estructuras superficiales textiles pueden terminar, por ejemplo, en tiras dispuestas en forma de peine o en franjas, es decir, que presentan fibras individuales o bien cuerdas de fibras que terminan en el extremo. Las estructuras superficiales textiles pueden ser especialmente en forma de tiras y se pueden conducir a través de orificios de taladros redondos en la sección compuesta de la parte de inserción. El número de las escotaduras con uniones con lazos en una parte de inserción se puede seleccionar de forma discrecional.

Una parte de inserción puede contener una o varias estructuras superficiales textiles en forma de lazo, dispuestas adyacentes o unas detrás de otras, especialmente estructuras superficiales textiles en forma de tira. Especialmente las estructuras superficiales textiles en forma de tira pueden estar dispuestas, además, también en forma de abanico alrededor de la parte de inserción, de manera que las fuerzas de tracción, que se extienden paralelamente a la superficie de la parte de inserción, de diferentes direcciones se pueden introducir de forma mejorada en el componente de plástico. La parte de inserción o bien su sección compuesta puede presentar también conformaciones con escotaduras en forma de taladro para la formación de lazos de las fibras, cuerdas de fibras o estructuras superficiales textiles.

Los componentes de plástico, que contienen las partes de inserción mencionadas anteriormente con estructuras superficiales textiles en forma de lazos, contienen con preferencia fibras de refuerzo en forma de estructuras superficiales textiles.

Las estructuras superficiales textiles son, por ejemplo, velos, "no-tejidos", sistemas no formadores de mallas, como tejidos, telas uni o bidireccionales, trenzas o esteras, etc. o, por ejemplo, sistemas formadores de mallas, como tejidos de punto o géneros de mallas así como estructuras de punto. Con preferencia se emplean principalmente estructuras superficiales textiles de fibras dirigidas y especialmente tejidos textiles de fibras preferentemente largas con longitudes de las fibras, por ejemplo, de 3 - 150 mm o fibras sin fin. Las fibras están constituidas de manera conveniente de vidrio o de carbono y con preferencia de aramida flexible y elástica (por ejemplo, Kevlar® o Twaron®).

Los componentes de plástico con partes de inserción mencionadas anteriormente con estructuras superficiales textiles de lazos se fabrican con preferencia por medio de un procedimiento de "Resin - Transfer - Moulding" (RTM). Las partes de inserción son colocadas con su sección compuesta y las estructuras superficiales textiles que pasan en forma de lazo a través de éstas, junto con la pieza bruta de fibras del componente de plástico en una calidad del molde. Las estructuras de fibras insertadas son impregnadas con una matriz de plástico y son endurecidas a continuación para formar un componente de plástico. Las estructuras superficiales textiles en forma de lazo se incorporan en este caso en la matriz de plástico y se encolan con ésta, con lo que se obtiene una unión extraordinariamente íntima y resistente del material. Otros procedimientos de fabricación aplicables son, por ejemplo, los procedimientos SMC o BMC mencionados anteriormente.

Las partes de inserción con fibras de refuerzo en forma de lazo, las cuerdas de fibras y/o las estructuras superficiales textiles pueden contener opcionalmente una capa de acoplamiento de una estructura prescrita anteriormente.

Se evitan con preferencia los cantos vivos y las esquinas en punta en las secciones compuestas de las partes de inserción. Por lo tanto, los cantos y esquinas respectivos de las partes de inserción son biselados, achaflanados y/o redondeados con preferencia. Para la consecución de una resistencia y una aplicación de la fuerza óptimas en la estructura de plástico se biselan especialmente las partes de inserción de pared gruesa, por ejemplo a partir de 5 mm, en una relación x : y, que está con preferencia entre 1 : 40 y 1 : 5, de manera ventajosa entre 1 : 30 y 1 : 10, y de forma ideal en torno a 1 : 20. La relación x : y representa la tangente del ángulo agudo \alpha, que se forma a través de una trayectoria paralela al eje medio longitudinal z y a la recta que une los dos puntos extremos del chaflán.

Los componentes de plástico según la invención se pueden fijar sobre las partes de inserción p bien los elementos de unión metálicos con técnicas de unión mecánicas casi discrecionales en una estructura metálica adyacente, en partes compuestas o en otros componentes de plástico. Las uniones se pueden realizar por medio de procedimientos de soldadura por difusión según TOX, Böllhof o Eckold, por medio de procedimientos de remachado, como remachado y estampado, remachado con tracción y cizallamiento o procedimientos de remaches convencionales, por medio de tornillos o por medio de soldadura, como soldadura por arco bajo gas inerte (soldadura MIG), soldadura por arco bajo atmósfera gaseosa con electrodo de volframio (soldadura TIG), soldadura por puntos, soldadura por fricción. Con preferencia se emplea un procedimiento de soldadura, en el que se puede mantener lo más reducida posible la introducción de calor en el componente de plástico, como es el caso, por ejemplo, en la soldadura por rayo láser. Si la estructura adyacente es un material compuesto, entonces es adecuado, por ejemplo, también un procedimiento de soldadura por impulsos, especialmente el procedimiento de soldadura por ultraimpulsos.

El componente de plástico según la invención con parte de inserción se puede fabricar sometiendo la parte de inserción de metal, en las regiones superficiales a aplicar en la capa de acoplamiento, a un tratamiento superficial de mejora de la adhesión y proveyéndola con una capa de acoplamiento de plástico reforzado con fibras e introduciendo la parte de inserción con la sección que se proyecta desde el componente de plástico en unión positiva en una cavidad del molde de fundición o de la herramienta de prensa y moldeando el componente de plástico en un procedimiento de fundición o de prensado y laminando la sección compuesta de la parte de inserción, provista con la capa de acoplamiento, en el material compuesto y estableciendo una conexión en unión positiva con éste.

La presente invención presenta la ventaja de que en un procedimiento de fabricación de coste favorable se pueden fabricar componentes de plástico compuestos por un material de plástico reforzado con partes de inserción como interfaces de unión, que se caracterizan por una resistencia y capacidad de carga muy alta de los puntos de unión. De esta manera se pueden incorporar partes de inserción planas, en forma de banda o en forma de chapa con alta resistencia en el componente de plástico. Esto permite al diseñador colocar componentes de otros grupos estructurales en lugares discrecionales en la parte de inserción del componente de plástico, pudiendo elegirse el tipo de unión igualmente de forma libre. Por otra parte, gracias a la presente invención, se pueden emplear componentes de plástico para funciones, en las que hasta ahora el componente no resistía en sus interfaces de unión las altas cargas y solicitaciones requeridas. Gracias a la capa de acoplamiento se elimina, además, el peligro posible de que comiencen a corroerse sobre todo partes de inserción de aluminio a través de un contacto electrolítico con fibras de carbono.

En los tres ejemplos siguientes se representan formas de realización preferidas de componentes de plástico según la invención compuestos por material de plástico reforzado con fibras con partes de inserción metálicas (elemento de unión metálico) laminadas sobre una capa de acoplamiento.

En este caso, son:

\alpha : coeficiente de dilatación térmica en la unidad 1/K (K : Kelvin)

E : Módulo E en la dirección de tracción principal en la unidad GPa (GPa: Giga-Pascal).

Ejemplo 1 Elemento de unión metálico

Material: chapa de aluminio AA6060 (AlMgSi0,5 según DIN)

\alpha = 23,4 x 10^{-6}

E = 73

Capa de acoplamiento

Material:	Laminado de GFK con matriz de resina epóxido y fibras de vidrio,
	Contenido de fibras: aprox. 50% en vol.

Estructura de las capas de fibras y su alineación en la capa de acoplamiento:

: [(0º / +45º / -45º)x] sym, donde x = 1

: y la capa de -45º se apoya en el elemento de unión metálico

\alpha = 12,0 x 10^{-6}

E = 30

Material de plástico del componente de plástico

Material:	Laminado de CFK unidireccional con matriz de resina epóxido y fibras de carbono HT (alta
	tenacidad)
	Contenido de fibras: aprox. 60% en vol.

\alpha\rightarrow 0

E = 180

Ejemplo 2 Elemento de unión metálico

Material: chapa de aluminio AA6060 (AlMgSi0,5 según DIN)

\alpha = 23,4 x 10^{-6}

E = 73

Capa de acoplamiento

Material:	Laminado de GFK con matriz de resina epóxido y fibras de carbono HT (alta tenacidad)
	Contenido de fibras: aprox. 50% en vol.

Estructura de las capas de fibras y su alineación en la capa de acoplamiento:

: [(0º / +45º / -45º)x] sym, donde x = 1

: y la capa de -45º se apoya en el elemento de unión metálico

\alpha = 12,0 x 10^{-6}

E = 125

Material de plástico del componente de plástico

Material:	Laminado de CFK unidireccional con matriz de resina epóxido y fibras de carbono HM (módulo
	alto)
	Contenido de fibras: aprox. 60% en vol.

\alpha\rightarrow 0

E = 180

Ejemplo 3 Elemento de unión metálico

Material: chapa de acero ST 14

\alpha = 13,0 x 10^{-6}

E = 206

Capa de acoplamiento

Material:	Laminado de GFK con matriz de resina epóxido y fibras de carbono HT (alta tenacidad),
	Contenido de fibras: aprox. 50% en vol.

Estructura de las capas de fibras y su alineación en la capa de acoplamiento:

: [(0º / +45º / -45º)x] sym, donde x = 1

: y la capa de 0º se apoya en el elemento de unión metálico

\alpha = 12,0 x 10^{-6}

E = 125

Material de plástico del componente de plástico

\alpha\rightarrow 0

E = 180

En todos los ejemplos, el material de plástico reforzado con fibras presenta un coeficiente de dilatación térmica \alpha que tiende hacia el valor cero (\alpha\rightarrow 0). Los coeficientes medios de dilatación térmica de las capas de acoplamiento son en cada caso menores que los de los elementos de unión metálicos correspondientes y mayores que los del material de plástico correspondiente. En los Ejemplos 1 y 2, estos valores están aproximadamente en un término medio. La chapa de acero utilizada en el ejemplo 3 presenta, en cambio, un coeficiente de dilatación térmica relativamente bajo, por lo que la capa de acoplamiento provoca a este respecto con un coeficiente de dilatación térmica sólo poco reducido con respecto a la chapa de acero, un efecto de igualación menor.

Los módulos E de las capas de acoplamiento de los ejemplos mostrados anteriormente son valores mixtos. La igualación del módulo E tiene una importancia secundaria en comparación con el coeficiente de dilatación térmica, por lo que en los ejemplos 1 y 3 se ha dado menos importancia a la adaptación del módulo E. El ejemplo 2 muestra una capa de acoplamiento, que establece una transición gradual entre el elemento de unión metálico y el material de plástico tanto con respecto a los coeficientes de dilatación térmica como también con respecto a los módulos E.

A continuación se explica la invención en detalle a modo de ejemplo con la ayuda de los dibujos adjuntos. En este caso:

La figura 1 muestra una sección transversal a través de un componente de plástico con parte de inserción.

La figura 2 muestra una sección transversal a través de una sección extrema de una parte de inserción biselada.

La figura 3 muestra una sección transversal a través de un componente de plástico con parte de inserción en forma de T.

La figura 4 muestra una vista en perspectiva de un componente de plástico con una parte de inserción en forma de banda.

La figura 5 muestra una vista en perspectiva de un componente de plástico con una parte de inserción en forma de banda.

La figura 6a muestra una vista lateral de otra parte de inserción.

La figura 6b muestra una sección transversal a través de una parte de inserción según la figura 6a.

La figura 6c muestra una sección transversal ampliada a través del taladro en la parte de inserción según la figura 6b.

La figura 7 muestra una vista lateral de otra parte de inserción en forma de banda.

La figura 8 muestra una vista lateral de otra parte de inserción en forma de linguete.

La figura 9 muestra una vista lateral de una parte de inserción en forma de banda con ranura longitudinal y con una estructura superficial textil que se extiende a través de ésta.

La figura 10a muestra una vista lateral de una parte de inserción en forma de banda con orificios de taladros redondos y estructura superficial textil que se extiende a través de éstos.

La figura 10b muestra una sección transversal a través de una parte de inserción según la figura 10a.

La figura 11 muestra una vista lateral de una parte de inserción en forma de linguete con orificios de taladros redondos y estructuras superficiales textiles que se extienden a través de éstos.

La figura 1 muestra un componente de plástico 55 con parte de inserción 3 en la vista en sección transversal. La parte de inserción 3 está constituida por una chapa de aluminio. El espesor de pared es aproximadamente 4 mm y la parte de inserción 3 está incrustada con su sección compuesta 33 a una profundidad de aproximadamente 10 mm en el material de plástico 1. El material de plástico 1 es un laminado compuesto de capas de CFK con matriz de resina epóxido. Las fibras de carbono están incrustadas como mechas con fibras que se extienden paralelas (fibras sin fin) en la matriz. El contenido de fibras es aproximadamente 60% en vol. El material de plástico 1 y la parte de inserción 3 se conectan entre sí por medio de una capa de acoplamiento 2 de GFK. La dilatación térmica longitudinal de la parte de inserción en la figura 1 es mayor que la dilatación térmica transversal, por lo que en el extremo delantero de la parte de inserción 3 la capa de acoplamiento 2 está configurada más gruesa en la dirección de la dilatación longitudinal.

La figura 3 muestra un componente de CFK 56 con una parte de inserción 8 en forma de T en la vista en la sección transversal. La sección compuesta 31 está conectada a través de la capa de acoplamiento 7 de CFK con el material de plástico 6. La parte de inserción 8 es originalmente de forma plana y recibe a través de una o varias incisiones laterales dos o más llamadas pestañas. Éstas son dobladas aproximadamente 90º hacia fuera, alternando en cada caso hacia la derecha y hacia la izquierda. De esta manera se obtiene un elemento de anclaje en forma de T en la vista en la sección transversal. No obstante, el ángulo de flexión puede ser también discrecionalmente mayor o menor que 90º. La forma en T de la parte de la parte de inserción 8 conduce a un anclaje excelente en el material de plástico 6, con lo que la parte de inserción 8 se puede exponer a cargas más elevadas. El efecto de anclaje se puede conseguir también a través de otras formas de la sección transversal como por ejemplo formas de ganchos, formas trapezoidales o superficies dentadas. Además, la parte de inserción 8 puede contener también elementos de anclaje del tipo mencionado anteriormente y otros más, como por ejemplo formas cónicas, como formaciones integrales.

La parte de inserción 8 puede ser un perfil longitudinal, que se fabrica con preferencia a través de prensado por extrusión.

La figura 4 muestra una vista en perspectiva de un componente de CFK 57 con una parte de inserción en forma de banda 13 de aluminio, que está conectada a través de una capa de acoplamiento 12 de GFK con el material de plástico 11. Las capas de fibras dirigidas en la capa de acoplamiento 12 se extienden esencialmente paralelas a la superficie longitudinal 35 de la parte de inserción 13. El componente de plástico 57 puede estar configurado, por ejemplo, en forma de bandeja y como grupo de fondo para vehículos. Las partes de inserción 13 en forma de banda laminadas en sus flancos verticales laterales se unen por soldadura, por ejemplo, con traviesas o perfiles laterales. El eje A muestra la dirección principal de las fuerzas de tracción y de presión, que actúan sobre la parte de inserción 13 y esencialmente también sobre todas las otras partes de inserción descritas.

Las superficies exteriores de las secciones extremas de las partes de inserción 13, que se encuentran en el material de plástico 11, están biseladas o achaflanadas, con lo que se rompen los cantos.

La figura 5 muestra una sección longitudinal a través de un componente de plástico 58 con una parte de inserción 18 de aluminio en forma de linguete. La sección compuesta 30 está conectada a través de la capa de acoplamiento 17 de plástico reforzado con fibras con un material de plástico 16. La forma de la parte de inserción 18 provoca una reducción de la rigidez de la parte de inserción 18, con lo que se reduce también el salto de la resistencia en las superficies de unión. Los linguetes individuales de la parte de inserción 18 se pueden extender paralelos adyacentes entre sí o pueden estar biselados. Un despliegue en forma de abanico, como se representa en la figura 4, provoca, de una manera similar a la sección transversal en forma de T, un efecto de anclaje en el material de plástico 16.

La figura 2 muestra una sección transversal a través de la sección extrema 22 de una parte de inserción 21. La sección extrema se define por el comienzo del bisel en el punto P- El biselado o achaflanado de los cantos se selecciona de tal forma que la tangente del ángulo agudo \alpha formado por las rectas R-P y R-Q corresponde a una relación x : y = 1 : 20. El biselado entre los puntos P y R no tiene que corresponder forzosamente a una recta. La sección transversal de la trayectoria P-R puede presentar, por ejemplo, también una forma parabólica, contener una sección ranurada o en otro caso adoptar una configuración conveniente. Para el lado opuesto de la parte de inserción 21 según la figura 2 se aplican de una manera correspondientes las mismas condiciones mencionadas anteriormente. Las esquinas y cantos se pueden redondear, por lo demás, todavía localmente.

Las figuras 6a y 6b muestran otra configuración de una parte de inserción 40. Ésta se caracteriza porque la sección compuesta presenta uno o una pluralidad de taladros 42 o bien de escotaduras, a través de los cuales se conducen fibras de refuerzo o bien cuerdas de fibras 41, con lo que durante la laminación de la parte de inserción 40 en el material de plástico se consigue un entrelazado de la parte de inserción 40 en el material de plástico. De manera conveniente a tal fin se emplean mechas de fibras o curdas de fibras 41 o hilos secos, con preferencia mechas 12K. Los hilos hilados de aproximadamente 6 - 12 \mum de diámetro están procesados en este caso de forma conveniente en hebras de aproximadamente 1 - 3 mm de diámetro. Los hilos están constituidos de forma ideal de vidrio o de carbono, pero con preferencia de aramida o de Kevlar®, que son especialmente flexibles y elásticos. Las fibras son incorporadas profundamente en la matriz del material de plástico durante la laminación de la parte de inserción 40 especialmente con sus extremos libres que se alejan de la parte de inserción 40, con lo que se obtiene un material compuesto extraordinariamente íntimo y tenaz.

La mitad de la longitud h de las fibras corresponde aproximadamente a la profundidad de penetración de la sección compuesta. Puede ser, por ejemplo, aproximadamente de 5 - 70 mm, de manera conveniente aproximadamente de 10 - 50 mm. Las cuerdas de fibras 41 actúan con efecto de introducción de fuerzas y amarran la parte de inserción 40 adicionalmente en el material de plástico. Las mechas 41 pueden estar dispuestas, además, también en forma de abanico alrededor de la parte de inserción 40, con lo que la parte de inserción 40 puede introducir de forma mejorada, en general, las fuerzas de tracción y de presión en el componente de plástico con vectores de fuerza que se encuentran en la superficie longitudinal de la parte de inserción 40. Se puede conducir también varias mechas 41 a través de cada taladro 42. Las mechas se pueden fijar antes de la laminación por medio de encolado o técnicas de fijación similares adicionalmente en la parte de inserción 40.

Los taladros 42 provocan, además, una reducción del momento de inercia de la superficie de la parte de inserción 40. La parte de inserción 40 descrita puede presentar adicionalmente una capa de acoplamiento según la invención.

Las paredes perforadas 45 de los taladros 42 de la parte de inserción 40 están de una manera conveniente libres de rebabas (ver la figura 6c), para que las fibras reciban una superficie de apoyo de absorción de fuerza lo más grande posible y sean resistentes al desgaste. Esto se aplica especialmente para partes de inserción 40 con un espesor de pared mayor que 2-3 mm. El radio de las curvas r de las paredes perforadas 45 desbarbadas corresponde aproximadamente a la mitad del espesor de pared s.

Son posibles otras variantes de realización de las partes de inserción descritas con referencia a las figuras 6a-c con conexiones de tubos flexibles, donde las partes de inserción se pueden utilizar con formas y dimensiones discrecionales, pero con preferencia esencialmente las formas descritas en esta solicitud. Se prefieren especialmente partes de inserción 43 en forma de banda (figura 7) y partes de inserción 44 de linguetes en forma de abanico o paralelas (figura 8). El número de los taladros 42 o de las uniones de lazos o bien de las mechas de fibras 41 por unidad de superficie es discrecionalmente variable, pero se puede hacer depender, entre otras cosas, de la solicitación de la parte de inserción 40, 43, 44, de las dimensiones del componente de plástico y de la rentabilidad.

En otra forma de realización de la invención, una estructura superficial textil 66 de forma rectangulares entrelazada a través de un orificio ranurado 65 en la sección compuesta 68 de una parte de inserción 60 en forma de banda (figura 9). La mitad de la longitud h de la estructura superficial textil corresponde aproximadamente a la profundidad de penetración de la sección compuesta 68. La longitud h puede ser, por ejemplo, aproximadamente de 5 - 70 mm, de manera conveniente aproximadamente de 10 - 50 mm. La estructura superficial textil 66 enlazada actúa con efecto de aplicación de fuerza y amarra la parte de inserción 60 adicionalmente en el material de plástico.

La parte de inserción 63 representada en la figura 10a presenta una sección compuesta 69 con una pluralidad de taladros 62 o bien de escotaduras dispuestas en dos líneas, desplazadas relativamente entre sí, a través de los cuales están guiadas o entrelazadas estructuras superficiales textiles 61 en forma de tira, y que actúan como lazos de tracción a través de la laminación de la sección compuesta 69 en el material de plástico. Los taladros o escotaduras 62 provocan, por otra parte, una reducción del momento de inercia de la superficie de la parte de inserción 63.

La figura 10b muestra una sección transversal a través de una parte de inserción 63 a lo largo de la línea A - A en la figura 10a, donde la parte de inserción 63, o bien su sección compuesta está incrustada, en la figura 10b, en un componente de plástico 71 y está rodeada por éste. El componente de plástico 71 contiene capas de fibras 72,incrustadas en una matriz de plástico, en forma de estructuras superficiales. Las estructuras superficiales textiles 61, en forma de tira, entrelazadas en la parte de inserción 63 a través de escotaduras 62 se conectan a distancia paralela en las capas de fibras 72. Las escotaduras 62 están redondeadas, de manera que las estructuras superficiales textiles 61 en forma de tiras, se apoyan de manera uniforme en la pared de la escotadura.

La figura 11 muestra una parte de inserción 64 en forma de banda, que contiene una sección compuesta 70 con conformaciones 67 en forma de linguete, estando dispuestos en las secciones extremas delanteras de las conformaciones 67 y en la proximidad del borde, entre dos conformaciones 67 respectivas, orificios de taladros redondos 62 y estructuras superficiales textiles 61 en forma de tira entrelazados a través de éstos.

Las paredes de las escotaduras en la parte de inserción 60, 63, 64 están de manera conveniente libres de rebabas (ver también la figura 6c), para que las fibras reciban una superficie de apoyo de absorción de fuerza lo más grande posible y no sean generados picos de fuerza puntuales en los cantos. Esto se aplica especialmente para partes de inserción con un espesor de pared mayor que 2-3 mm. El radio de las curvas r de las paredes taladradas desbarbadas corresponde, por ejemplo, aproximadamente a la mitad del espesor de pared s.

Además, las secciones compuestas de las partes de inserción según las figuras 7 a 11 pueden presentar una capa de acoplamiento.

Claims

1. Componente de plástico (56), compuesto por un material de plástico (6) y una parte de inserción (8), que contiene una sección compuesta (31) conectada con el componente de plástico (56), donde la parte de inserción (8) presenta, en comparación con el material de plástico (6), una rigidez y/o coeficiente de dilatación térmica diferentes, y la parte de inserción (8) está unida con su sección compuesta (31), por medio de una capa de acoplamiento (7), con el material de plástico (6), caracterizado porque la capa de acoplamiento (7) es una campa intermedia de un plástico reforzado con fibras, que lleva a cabo una igualación gradual o uniforme del módulo E determinante de la rigidez y/o del coeficiente de dilatación térmica entre el material de plástico (6) y la parte de inserción (8), donde el efecto de gradiente con respecto al coeficiente de dilatación térmica y del módulo E en la capa de acoplamiento (7) se consigue a través de la selección del contenido de volumen de las fibras, del tipo de fibras y/o a través de la alineación selectiva de las fibras o de las capas de fibras en la capa de acoplamiento (7).

2. Componente de plástico según la reivindicación 1, caracterizado porque el material de plástico es un plástico reforzado, especialmente un plástico reforzado con fibras.

3. Componente de plástico según una de las reivindicaciones 1 a 2, caracterizado porque la capa de acoplamiento (7) está constituida por un plástico reforzado con fibras con una matriz de resina epóxido, con preferencia por un GFK, que contiene especialmente fibras de vidrio E, y por un CFK, especialmente de fibras de carbono HT, o por una mezcla de CFK y GFK, con un contenido de fibras de 20 - 70% en vol. y con preferencia de 35 - 60% en vol.

4. Componente de plástico según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque el material de plástico (6) está constituido por un plástico reforzado con una matriz de resina epóxido, con preferencia por un plástico reforzado con fibras, con preferencia por un GFK o CFK, especialmente con fibras de carbono HT, o por una mezcla de CFK y GFK, con un contenido de fibras de 30 - 70% en vol. y con preferencia de 55 - 65% en vol.

5. Componente de plástico según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque la parte de inserción (8) contiene un metal, especialmente aluminio, magnesio o una aleación que contiene al menos aluminio o magnesio, o acero o hierro galvanizado.

6. Componente de plástico según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque la parte de inserción (8) está constituida por aluminio, magnesio o por una aleación que contiene al menos aluminio o magnesio, y el material de plástico está reforzado por fibras, especialmente, por fibras de carbono, y presenta un contenido de fibras de 30% en vol. a 70% en vol., y la capa de acoplamiento está reforzada por fibras de carbono, especialmente fibras de carbono HT, o fibras de vidrio, especialmente fibras de vidrio E, o por una mezcla de fibras de carbono y fibras de vidrio, y el contenido de fibras en la capa de acoplamiento (7) es de 5 - 15% en vol. menor que en el material de plástico (6).

7. Componente de plástico según las reivindicaciones 1 y 6, caracterizado porque el contenido de volumen de fibras de la capa de acoplamiento (7) se reduce de una manera gradual o uniforme a partir del material de plástico (6) hacia la parte de inserción (8) y/o la porción de las fibras de vidrio se incremente hacia la parte de inserción (8) con relación a la porción de las fibras de carbono.

8. Componente de plástico según una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque la parte de inserción (13) está constituida por aluminio, magnesio o por una aleación que contiene al menos aluminio o magnesio, y la capa de acoplamiento (12) es un compuesto de capa de fibras y presenta una estructura de capas de fibras, donde las fibras de las capas individuales están orientadas en una, dos o varias, pero con preferencia en una dirección y de manera preferida en dirección paralela con respecto a la superficie lateral (35) y las fibras o capas de fibras que siguen más próximas a la parte de inserción (13) presentan con preferencia una alineación de -30º a -70º y de +30º a +70º, donde 0º corresponde a la dirección de las fuerzas principales que actúan sobre la parte de inserción, y las fibras o capas de fibras próximas al material de plástico (11) se alinean en la orientación de las fibras o capas de fibras adyacentes en el material de plástico (11), siendo la desviación en la orientación de las fibras de manera conveniente menor que 60º, con preferencia menor que 45º.

9. Componente de plástico según las reivindicaciones 1 y 8, caracterizado porque las fibras en el plástico reforzado con fibras de la capa de acoplamiento (2) están presentes como capas de fibras, donde varias capas de fibras forman un sistema de capa de fibras, y las capas de fibras individuales o los sistemas de capas de fibras individuales, que están constituidos por secuencias de capas de fibras, contienen diferentes tipos de fibras, donde los tipos de fibras son con preferencia fibras de carbono, especialmente fibras de carbono HT, y fibras de vidrio, y en la sección compuesta (33) se encuentra al menos una capa de fibras de vidrio.

10. Componente de plástico según una de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque la parte de inserción (8) es al menos en su superficie de aluminio o de sus aleaciones, y está tratada químicamente, con preferencia fosfatada, cromada, oxidada o anodizada en los lugares que reciben la capa de acoplamiento.

11. Componente de plástico según una de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado porque las superficies metálicas de las partes de inserción (8), están desengranadas y/o arrugadas en los lugares que reciben la capa de acoplamiento (7).

12. Componente de plástico según una de las reivindicaciones 1 a 11, caracterizado porque la sección compuesta (30) de la parte de inserción (18) presenta tiras en forma de dientes, colocados paralelos o dispuestos en forma de abanico, o linguetes o formas configuradas como linguetes, y/o la sección compuesta (30) presenta incrementos de la superficie, con preferencia taladros, escotaduras o estructuras en forma de rejillas.

13. Componente de plástico según una de las reivindicaciones 1 a 12, caracterizado porque la sección compuesta (31) de la parte de inserción (8) presenta elementos de anclaje, con preferencia conformaciones en forma de ganchos, en forma de T o de forma trapezoidal, o incluso está configurada en forma de un elemento de anclaje, con preferencia a través de acodamientos en la sección compuesta (31), o contiene patrones de rugosidad, con preferencia estriados.

14. Componente de plástico según una de las reivindicaciones 1 a 13, caracterizado porque la parte de inserción (40) contiene, especialmente en su sección compuesta, una o una pluralidad de escotaduras (62), a través de las cuales están entrelazadas fibras de refuerzo, cuerdas de fibras y/o estructuras superficiales textiles (61), que están laminadas con sus extremos libres, con efecto de aplicación de fuerza, en la matriz de plástico del componente de plástico y están unidas íntimamente con ésta y que amarran la parte de inserción (40) en el material de plástico.

15. Componente de plástico según una de las reivindicaciones 1 a 13, caracterizado porque las secciones extremas (22) de las partes de inserción (21) están biseladas en una relación x:y de 1:30 a 1:10, con preferencia de aproximadamente 1 : 20, donde la relación x:y representa la tangente del ángulo agudo \alpha, que se forma a través de una trayectoria paralela al eje medio longitudinal z y a la recta que une los dos puntos extremos P, R del bisel.

16. Procedimiento para la fabricación de componentes de plástico según la reivindicación 1, caracterizado porque la parte de inserción es de metal (3) y ésta es sometida, en las regiones superficiales a emplazar la capa de acoplamiento (2), a un tratamiento superficial de mejora de la adhesión y se provee con una capa de acoplamiento (2) de plástico reforzado con fibras y la parte de inserción (3) es introducida con la sección que se proyecta desde el componente de plástico (1) en unión positiva en una cavidad del molde de fundición o de la herramienta de prensa y el componente de plástico (55) es moldeado en un procedimiento de fundición o de prensado y la sección compuesta (33), provista con la capa de acoplamiento (2), de la parte de inserción (3) es laminada en el material de plástico (1) y establece una conexión por unión positiva con ésta.

17. Procedimiento para la fabricación de componentes de plástico según la reivindicación 16, caracterizado porque la capa de acoplamiento (2) es un compuesto de fibras y es fabricada en un procedimiento de fundición por inyección o "Sheet - Transfer - Moulding - Compound" (SMC), en un procedimiento "Resin - Transfer - Moulding" (RTM) o en un procedimiento "Reinforced Reaction Injection Moulding" (RRIM) y se aplica sobre la sección compuesta (33).

18. Procedimiento para la fabricación de componentes de plástico según una de las reivindicaciones 16 a 17, caracterizado porque la capa de acoplamiento (2) es una capa compuesta de fibras y se aplica en un procedimiento "Resin - Transfer - Moulding" (RTM) o a través de laminación manual sobre la sección compuesta (33).

19. Procedimiento para la fabricación de componentes de plástico según una de las reivindicaciones 16 a 18, caracterizado porque el componente de plástico (55) se fabrica en un procedimiento de fundición por inyección, en un procedimiento "Sheet -Transfer - Moulding - Compound" (SMC), en un procedimiento "Resin - Transfer - Moulding" (RTM) o en un procedimiento "Reinforced Reaction Injection Moulding" (RRIM).

20. Vehículos de carretera y vehículos ferroviarios, vehículos espaciales, máquinas y edificios con al menos un componente de plástico (55) según la reivindicación 1.