ES2216875T3 - Refuerzos para estructuras. - Google Patents
Refuerzos para estructuras.Info
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Abstract
Componente de refuerzo para reforzar estructuralmente un componente hueco, comprendiendo dicho componente de refuerzo dotado de nervios: un componente que presenta un cuerpo (20), definiendo dicho cuerpo un canal (40) para recibir en él una tira de resina no endurecida expansible térmicamente (42), definiendo además dicho cuerpo (20) unos medios de bloqueo mecánico en dicho canal (40); y una tira de resina no endurecida expansible térmicamente (42) dispuesta en dicho canal (40), presentando dicha resina no endurecida expansible térmicamente (42) una superficie (46) que está conformada para unirse con dicho canal (40) de modo que dichos medios de enclavamiento mecánico retienen mecánicamente dicha tira de resina no endurecida expansible térmicamente (42) en dicho canal (40).
Description
Refuerzos para estructuras.
La presente invención se refiere en general al
refuerzo de estructuras huecas, y más específicamente a la
utilización de refuerzos rígidos que utilizan resinas
expansibles.
Ha habido un aumento de la necesidad de refuerzos
selectivos de estructuras de automóvil a efectos de cumplir diversas
normas de ensayo gubernamentales. Con dicho objetivo, se han
desarrollado espumas estructurales y soportes con el propósito de
reforzar lugares específicos de los vehículos. El foco principal de
estos refuerzos ha consistido en añadir resistencia o rigidez a la
estructura, por ejemplo, el documento WO 974 3501 A.
Tal como se observará por los expertos en la
técnica, los tres factores de mayor importancia general en la
evaluación de la efectividad del refuerzo son rigidez, peso y coste.
En muchas de las técnicas anteriores, el aumento de la rigidez daba
como resultado una penalización correspondiente de aumento de peso
y/o aumento de coste. Por ejemplo, el utilizar calibres más gruesos
de metal para aumentar la resistencia daba como resultado un aumento
en peso no deseado. De forma similar, la utilización de aleaciones
inusuales de resistencia elevada resultaba efectiva para aumentar la
resistencia, pero esto aumentaba considerablemente el coste del
vehículo. Finalmente, se reconoció que el coste de las resinas es
también una preocupación y por lo tanto las espumas estructurales
deben ser utilizadas con
moderación.
moderación.
Otra preocupación en el uso de las espumas
estructurales consiste en el problema asociado con el endurecimiento
completo del material que es muy grueso. Es decir, en algunas
aplicaciones de la técnica anterior, los materiales requeridos para
reforzar satisfactoriamente eran tan gruesos que resultaba difícil
conseguir su endurecimiento completo. En consecuencia, se reconocerá
que las técnicas para reforzar estructuras huecas que no ocasionen
problemas sustanciales de peso y coste o de endurecimiento tienen la
posibilidad de proporcionar ventajas significativas.
Por consiguiente, es un objetivo de la presente
invención dar a conocer un refuerzo estructural que utilice espuma
estructural de una manera que ahorre resina.
Otro objetivo de la invención es dar a conocer un
refuerzo tal que pueda ser endurecido completamente en poco
tiempo.
Un objetivo adicional es dar a conocer un
refuerzo estructural de coste bajo y peso ligero que proporcione una
resistencia y rigidez significativas a la zona reforzada.
Otro objetivo adicional es dar a conocer un
refuerzo estructural que pueda ser transportado fácilmente al lugar
de la instalación.
Los anteriores objetivos de la invención se
consiguen por las reivindicaciones independientes 1, 8 y 14. Otros
aspectos se consiguen mediante las reivindicaciones
dependientes.
De esta manera, la invención da a conocer un modo
para reducir el coste, mejorar la rigidez, y aumentar la posibilidad
de conseguir el endurecimiento completo de toda la espuma
estructural mediante la utilización de una construcción compuesta.
La formación de nervios o similares en la superficie del componente
de refuerzo permite que resina sin endurecer sea aplicada de forma
tal que se produzca el enclavamiento mecánico entre el componente y
la resina sin endurecer aplicada. Este enclavamiento permite que la
resina sea colocada sobre el componente de refuerzo sin necesidad de
calentar el componente de refuerzo, utilizar un adhesivo secundario,
calentar la espuma estructural no endurecida, o utilizar una espuma
estructural no endurecida sensible a la presión. De forma adicional
para facilitar el proceso, la superficie dotada de nervios produce
una estructura que es fuertemente resistente a daños durante la
expedición o la manipulación en una planta de montaje. En un
aspecto, el material principal no endurecido, expansible al calor,
unido al componente de refuerzo dotado de nervios no es sensible a
la presión. Esto hace posible el embalaje de modo que las partes
preformadas adyacentes no se adhieran una a otra durante la
expedición (es decir, el material no se comporta como un adhesivo
sensible a la presión).
Estas y otras características serán explicadas de
forma más completa en esta descripción en relación con los
dibujos.
La figura 1 representa una vista en sección
transversal de un componente lineal rígido del refuerzo dotado de
nervios de la presente invención, anterior a la unión de las tiras
de resina.
La figura 2 representa una sección transversal de
un grupo de tiras de resina antes de su inserción en el componente
lineal de la figura 1.
La figura 3 representa una vista en sección
transversal del refuerzo dotado de nervios mostrado en la figura 1
después de la unión de las tiras de resina de la figura 1 y con la
introducción de un pasador de centraje.
La figura 4 representa una vista lateral del
componente de refuerzo dotado de nervios mostrado en la figura 1 de
los dibujos.
La figura 5 representa una sección transversal de
un refuerzo lineal dotado de nervios en otra forma de
realización.
La figura 6 representa una vista en perspectiva
de una parte de un refuerzo dotado de nervios no lineal, en un
aspecto de la invención.
La figura 7 representa una sección transversal
según las líneas 7-7 de la figura 6, pero con la
tira de resina insertada en el canal.
La figura 8 representa una vista en planta de la
estructura en anillo completa, mostrada parcialmente en la figura
6.
Haciendo referencia ahora a las figuras 1 a 4 de
los dibujos, se muestra un componente dotado de nervios de varias
paredes (20) como una extrusión lineal que presenta paredes opuestas
(22), (24) y paredes opuestas (26), (28). El componente dotado de
nervios (20) sirve no solamente para proporcionar rigidez y
resistencia al componente de refuerzo estructural compuesto (30)
(figura 3), sino también como un soporte enclavado mecánicamente
para tiras de resina expansibles térmicamente (32). El componente
dotado de nervios (20) puede estar formado de diversos materiales
como aluminio, acero de peso ligero y plásticos de elevada
resistencia. De forma más preferente, el componente dotado de
nervios (20) es una extrusión de aluminio, pero también puede ser
realizado de forma eficaz utilizando el moldeo por inyección, el
moldeo por compresión, el moldeo por soplado, plástico extruido o
moldeado de forma giratoria, o acero estampado o conformado en
rollo, así como otros procedimientos de conformado conocidos por los
expertos en la técnica de la utilización de material y de su
conformado. En esta realización específica, el componente dotado de
nervios (20) presenta una partición interna o pared (34) que define
dos cámaras, (36) y (38). La partición (34) proporciona resistencia
y rigidez adicionales al componente (20).
En la realización de las figuras
1-4, cada pared del componente dotado de nervios
(20) está provista como mínimo de un canal (40) que está adaptado
para retener una tira de resina (42). En mayor detalle, y haciendo
referencia ahora a la figura 1 de los dibujos, la pared (22) del
componente dotado de nervios (20) presenta un canal (40) que será en
general coextensivo a lo largo de la longitud completa del
componente dotado de nervios (20). En esta realización específica,
el canal (40) está provisto de labios o flancos (44) que se
extienden parcialmente sobre la abertura o cavidad del canal (40).
Como se muestra en la figura 3, las tiras de resina (42) presentan
una forma que hacen tope con canales (40) para proporcionar un
enclavamiento mecánico, como se muestra mejor en la figura 3 de los
dibujos. Debe comprenderse que las formas o geometrías precisas de
acoplamiento del componente dotado de nervios y la tira de enclavado
no son críticas para la práctica de la invención. Es importante, sin
embargo, que los dos (componente (20) y tiras (42)) tengan formas
que consigan el deseado enclavamiento mecánico, esto es, las tiras
de resina (42) se sujetan en su lugar mediante el componente (20)
sin necesidad de unión por adhesivo o partes externas adicionales de
bloqueo. De esta manera, en el ejemplo mostrado en las figuras 2 y 3
de los dibujos, los bordes inferiores (46) de las tiras de resina
(42) se extienden para acoplarse con los labios (44) de los canales
(40). En la figura 4 de los dibujos, se muestra más claramente la
naturaleza lineal del componente dotado de nervios (20) y de la tira
(42). Se apreciará que las tiras (42) (que preferentemente también
serán extrusionadas) pueden ser deslizadas fácilmente en los canales
(40) para montar la estructura de refuerzo compuesta (30) o pueden
ser formadas en su lugar como se describirá de forma más completa en
el presente documento.
A efectos de colocar el refuerzo compuesto (30)
en una estructura a reforzar, tal como un cuerpo de vehículo a
motor, y haciendo referencia a continuación a la figura 3 de los
dibujos, puede estar previsto un pasador de centraje (48). La
naturaleza de los pasadores de centraje es bien conocida por las
personas expertas en la técnica. De forma adicional, en la forma de
realización más preferente de la invención, como mínimo dos paredes
del componente dotado de nervios (20) están cada una cubierta como
mínimo en un 25% (en términos de superficie; ésta es la cobertura
total y la cobertura puede no ser continua) por sus respectivas
tiras de resina.
Haciendo referencia a continuación a la figura 5
de los dibujos, otra forma de realización del refuerzo compuesto
(50) tiene el componente dotado de nervios (52) con un elemento
laminar central (54) que forma los canales (56) en los cuales se
sujetan mecánicamente las tiras de resina (58) en una configuración
de bloqueo en forma de T. Esto ilustra la naturaleza variable de las
superficies de enclavamiento del componente dotado de nervios y las
tiras de resina; en este caso, la tira (58) presenta una superficie
convexa (60) que se recibe en una depresión cóncava (62). Tal como
en la forma de realización descrita anteriormente, las tiras (64)
están previstas de modo tal que todos los lados del componente
dotado de nervios (52) tienen una tira de resina asociada. También
se muestra el pasador de centraje (66).
La construcción de la presente invención hace
posible cierto número de opciones diferentes para la instalación en
una parte estructural hueca de un vehículo a motor. Una posibilidad
es acoplar tapas finales (no mostradas) en la estructura de
refuerzo. Dichas tapas finales pueden tener un elemento de sujeción
integral o ser accionadas como un resorte para hacer posible la
instalación y posicionamiento en el vehículo. Otra opción es
conformar una parte que presenta la forma exacta reticular de la
estructura que está destinada a reforzar, de modo tal que cuando se
instala en una cavidad hueca resulta atrapada y queda situada de
este modo. Esto sería típicamente una zona del vehículo que requiere
un refuerzo que no es lineal e implica que una parte repose en una
cavidad parcial que más tarde se tapa con otra pieza de metal
laminar. Un procedimiento adicional de instalación consiste en
aplicar un adhesivo sensible a la presión en alguna superficie de la
estructura de refuerzo compuesta. Dependiendo de los objetivos del
refuerzo, el adhesivo sensible a la presión puede tener o no también
características estructurales después del endurecimiento.
Tal como se ha mencionado anteriormente, en una
realización de la invención, el refuerzo dotado de nervios compuesto
(30) es lineal; es decir, preferentemente su longitud es como mínimo
el doble de su anchura o altura. En otra forma de realización
preferente, sin embargo, y haciendo referencia ahora a las figuras 6
a 8 de los dibujos, el refuerzo compuesto (70) tiene la naturaleza
de un anillo o estructura de pared continua. Cada cara (72) tiene un
canal (74) en el cual se dispone una tira de resina (76) por
enclavamiento mecánico como en las realizaciones descritas
anteriormente. (De forma adicional, tal como se observa mejor en la
figura 7, en una forma de realización preferente de la invención,
como mínimo el 50% del peso de la tira de resina (76) queda en el
exterior del canal (74), aunque no es necesario que alguna parte del
material quede en el exterior en algunas aplicaciones). En
consecuencia, las estructuras de las figuras 1-5 se
utilizan típicamente si se precisa una resistencia al doblado
aumentada. Si se precisa un refuerzo denominado de respiración o de
depósito de aceite, podrá utilizarse el material circunferencial de
la figura 6.
Las tiras de resina (42), (64) y (76) son
expansibles térmicamente. Es decir, a la aplicación de calor se
expanden, típicamente por una reacción espumante, y preferentemente
como mínimo al 50% del volumen del estado sin expandir, pero más
preferentemente al doble (estando dibujado en las figuras el estado
no expandido). En una forma de realización preferente, la resina
utilizada para formar las tiras de resina es un material basado en
un epoxi.
La resina forma preferentemente del 5% al 75% del
peso, y más preferentemente del 15% al 65% en peso de la tira de
resina. El relleno forma preferentemente de un 0% a un 70% en peso,
y más preferentemente de un 20% a un 50% en peso de la tira de
resina. El agente espumante forma preferentemente de un 0% a un 10%
en peso, y más preferentemente de un 0,2% a un 5% en peso de la tira
de resina. El agente endurecedor forma preferentemente de un 0% a un
10% en peso, y más preferentemente de un 0,5% a un 5% en peso de la
tira de resina. El acelerador forma preferentemente de un 0% a un
10% en peso, y más preferentemente, de un 0,3% a un 5% en peso de la
tira de resina. Se expone una formulación preferente en la Tabla que
sigue.
Ingrediente | % de peso |
Resina epoxi | 15% a 65% |
Copolímero de etileno | 0% a 20% |
Agente espumante | 0,2% a 5% |
Agente endurecedor | 0,5% a 5% |
Acelerador | 0,3% a 5% |
Relleno | 20% a 50% |
Tal como se ha mencionado, el material expansible
por calor es más preferente que el material activado por el calor,
sustancialmente basado en un epoxi. Sin embargo, otros materiales
adecuados pueden ser también adecuados. Estos incluyen materiales
poliolefínicos, copolímeros y terpolímeros, como mínimo, con un
monómero del tipo alfa olefina, materiales fenol/formaldehído,
materiales fenoxi, materiales de poliuretano con una transición a
cristal elevada, y otros. En general, las características deseadas
de este material expansible al calor serán rigidez elevada,
resistencia elevada, temperatura de transición al cristal elevada,
buena resistencia a la corrosión, capacidad de adherirse a
superficies metálicas y de polímero contaminadas, rápido
endurecimiento a la activación, buenas características de
manipulación, baja densidad endurecida, bajo coste, y larga duración
de almacenado.
Tal como se ha mencionado, la parte de refuerzo
dotada de nervios compuesta (30) resulta más preferente destinada a
ser colocada en la cavidad hueca de un vehículo con la finalidad de
refuerzo estructural. Cuando el vehículo se calienta, el material
expansible por calor (espuma estructural) se expande para contactar
con la superficie de la cavidad hueca que se destina a ser
reforzada. No es necesario que el espacio entre el componente y la
superficie interior de la cavidad hueca u otra superficie que sea
reforzada esté completamente llena de material expandido expansible
al calor para que tenga lugar un refuerzo sustancial. Si se precisa
un relleno completo, es posible aumentar la distancia entre piezas
de material expansible al calor no endurecido y/o ajustar la
cantidad de material expansible al calor de modo que el material
expansible al calor se suelde entre sí durante el proceso de
expansión.
Un beneficio particular de la presente invención
es que permite que secciones grandes sean reforzadas con la completa
confianza de que todo el material de espuma estructural resultará
completamente endurecido. Debido a que el material debe ser
calentado para que se endurezca, es importante que el endurecimiento
completo tenga lugar para obtener las propiedades óptimas. Si
secciones muy grandes se llenan con espuma estructural solamente,
puede ser difícil entonces obtener suficiente transferencia de calor
a través del material. La utilización de un componente de refuerzo
dotado de nervios compuesto aumenta grandemente la probabilidad de
que tenga lugar el endurecimiento completo. Esto es posible tanto
porque ello permite la posibilidad de utilizar menos espuma activada
al calor, como porque el refuerzo rígido proporciona un conducto de
transferencia de calor a la superficie interior del material
activado por el calor. Un beneficio adicional es que puede
proporcionarse un refuerzo con menos peso y menor coste para ciertos
tipos de diseño. Otro beneficio adicional es que esto permite la
posibilidad de producir una parte que resulta de una elevada
resistencia a los daños durante el transporte debido al soporte que
el componente de refuerzo dotado de nervios proporciona al material
expansible al calor.
El componente de refuerzo dotado de nervios (20)
puede ser producido de muchas maneras diferentes que facilitan la
producción de una entalladura dotada de nervios que permite el
bloqueo mecánico. Es posible hacer un componente de refuerzo dotado
de nervios por extrusión de aluminio, por conformado de rollo de
acero, por compuestos de polímero "pultruded", por polímeros
extrusionados, por polímeros moldeados por soplado, por polímeros
extruidos termoformados, y por metales en polvo moldeados por
compresión. Además, muchos otros procedimientos pueden ser
concebidos. El tipo de refuerzo depende de la forma deseada de la
parte, las características de comportamiento, y el coste.
La estructura compuesta de refuerzo (30) puede
estar construida por el suministro de material expansible activado
por calor en el componente de refuerzo dotado de nervios utilizando
un extrusionador, incluyendo un extrusionador que esté articulado
por un robot. Este proceso depende de que el extrusionador esté
situado de modo que el material moldeado expansible por el calor se
suministre dentro de la sección dotada de nervios del componente de
refuerzo dotado de nervios. Al enfriarse, el material expansible al
calor se volverá rígido y resistirá las deformaciones mientras se
transporta. Al recalentarse suficientemente (una temperatura
necesariamente más elevada que la temperatura utilizada para
conformar el material expansible al calor), el material expansible
al calor se activará de modo tal que se expandirá y se endurecerá en
la cavidad hueca del vehículo y de este modo proporcionará el
refuerzo deseado. Un modo particularmente preferente de suministrar
material en el componente de refuerzo dotado de nervios es utilizar
extrusionador articulado por robot para presionar el material
expansible al calor fundido dentro de las secciones dotadas de
nervios. Un procedimiento adicional es introducir en el molde de
inyección este material en la estructura de refuerzo dotada de
nervios. Otro modo de construir esta clase de refuerzo es extruir
separadamente el material expansible al calor en una forma que imita
la sección de una localización dotada de nervios y a continuación
deslizar o embutir el material expansible al calor dentro de la
sección dotada de nervios de un componente de refuerzo dotado de
nervios. Otro modo adicional de fabricar la construcción compuesta
es presionar el material deformable expansible al calor fundido
dentro de la sección dotada de nervios del componente de
refuerzo.
Claims (20)
1. Componente de refuerzo para reforzar
estructuralmente un componente hueco, comprendiendo dicho componente
de refuerzo dotado de nervios:
un componente que presenta un cuerpo (20),
definiendo dicho cuerpo un canal (40) para recibir en él una tira de
resina no endurecida expansible térmicamente (42), definiendo además
dicho cuerpo (20) unos medios de bloqueo mecánico en dicho canal
(40); y
una tira de resina no endurecida expansible
térmicamente (42) dispuesta en dicho canal (40), presentando dicha
resina no endurecida expansible térmicamente (42) una superficie
(46) que está conformada para unirse con dicho canal (40) de modo
que dichos medios de enclavamiento mecánico retienen mecánicamente
dicha tira de resina no endurecida expansible térmicamente (42) en
dicho canal (40).
2. Componente de refuerzo, según la
reivindicación 1, en el que son lineales dicho cuerpo (20), dicho
canal (40) y dicha tira de resina no endurecida expansible
térmicamente (42).
3. Componente de refuerzo, según la
reivindicación 1, en el que no son lineales dicho cuerpo (20), dicho
canal (40) y dicha tira de resina no endurecida expansible
térmicamente (42).
4. Componente de refuerzo, según la
reivindicación 1, en el que dicha tira de resina no endurecida
expansible térmicamente (42) es de base epoxi.
5. Componente de refuerzo, según la
reivindicación 1, que incluye además como mínimo unos medios de
situación (48) para situar dicho componente de refuerzo dotado de
nervios en una estructura hueca.
6. Componente de refuerzo, según la
reivindicación 5, en el que dichos medios de centraje (48) consisten
en un pasador.
7. Componente de refuerzo, según la
reivindicación 1, en el que dichos medios de enclavamiento (40, 46)
consisten en una ranura en forma de T.
8. Componente de refuerzo para reforzar
estructuralmente un componente hueco, comprendiendo dicho componente
de refuerzo dotado de nervios:
un componente metálico o termoplástico de elevada
resistencia (20) que define un canal (41) para recibir en él una
resina no endurecida expansible térmicamente de base de epoxi (42),
definiendo además dicho componente metálico (20) unos medios de
enclavamiento mecánico en dicho canal (40); y
una resina no endurecida expansible térmicamente
de base de epoxi (42) dispuesta en dicho canal (40), presentando
dicha resina no endurecida expansible térmicamente de base de epoxi
(42) una superficie que está conformada para unirse con dicho canal
(40) de modo que dichos medios de enclavamiento mecánico retengan
mecánicamente dicha resina no endurecida expansible térmicamente de
base de epoxi (42) en dicho canal.
9. Componente de refuerzo, según la
reivindicación 8, en el que dicho componente metálico (20) es lineal
o contiene una curvatura.
10. Componente de refuerzo, según la
reivindicación 8, en el que dicho componente metálico (20) es un
anillo.
11. Componente de refuerzo, según la
reivindicación 8, que incluye además como mínimo unos medios de
centraje (48) para centrar dicho componente de refuerzo en una
estructura hueca.
12. Componente de refuerzo, según la
reivindicación 11, en el que dichos medios de centraje (48)
consisten en un pasador.
13. Componente de refuerzo, según la
reivindicación 8, en el que dichos medios de enclavamiento (40, 46)
consisten en una ranura en forma de T.
14. Componente de refuerzo para reforzar
estructuralmente un componente hueco, comprendiendo dicho componente
de refuerzo dotado de nervios:
un componente que presenta un cuerpo (20),
definiendo dicho cuerpo un canal (40) para recibir en él una tira de
resina no endurecida expansible térmicamente (42), definiendo además
dicho cuerpo (20) unos medios de enclavamiento mecánico en dicho
canal (40); y
una tira de resina no endurecida expansible
térmicamente (42) dispuesta en dicho canal (40), presentando dicha
tira de resina no endurecida expansible térmicamente (42) una
superficie que está conformada para unirse con dicho canal (40), de
modo que dichos medios de enclavamiento mecánico retienen
mecánicamente dicha tira de resina no endurecida expansible
térmicamente (42) en dicho canal (40), siendo retenida dicha tira de
resina no endurecida expansible térmicamente (42) en dicho canal
(40) solamente por dichos medios de enclavamiento mecánico.
15. Componente de refuerzo, según la
reivindicación 14, en el que son lineales dicho cuerpo (20), dicho
canal (40) y dicha tira de resina no endurecida expansible
térmicamente (42).
16. Componente de refuerzo, según la
reivindicación 14, en el que no son lineales dicho cuerpo (20),
dicho canal (40) y dicha tira de resina no endurecida expansible
térmicamente (42).
17. Componente de refuerzo, según la
reivindicación 14, en el que dicha tira de resina no endurecida
expansible térmicamente (42) es de base epoxi.
18. Componente de refuerzo, según la
reivindicación 14, que incluye además como mínimo unos medios de
centraje (48) para centrar dicho componente de refuerzo dotado de
nervios en una estructura hueca.
19. Componente de refuerzo, según la
reivindicación 18, en el que dichos medios de centraje (48)
consisten en un pasador.
20. Componente de refuerzo, según la
reivindicación 14, en el que dichos medios de enclavamiento (40, 46)
consisten en una ranura en forma de T.
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