ES2223022T3 - Material preimpregnado. - Google Patents
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Abstract
Material preimpregnado (1) con una napa (2) en forma de banda a base de filamentos (3) y con una resina (4) de impregnación, en donde la napa (2) está impregnada en una primera zona de espesor (5) de todo el espesor (D) de la napa, de modo que la resina (4) de la napa (2) de filamentos (3) está absorbida en la primera zona de espesor (5), y la napa (2) no está impregnada o está sustancialmente menos impregnada en una segunda zona de espesor (6), y en donde las zonas de espesor primera y segunda (5, 6) se extienden cada una de ellas en toda la anchura (B) de la napa, de modo que los filamentos (3) de la segunda zona de espesor (6) son permeables al aire transversalmente a la extensión longitudinal (L) del material preimpregnado (1).
Description
Material preimpregnado.
La presente invención concierne a un material
preimpregnado (prepreg) con una napa de filamentos en forma de
banda y con una resina de impregnación, a un procedimiento para la
fabricación de un componente según el preámbulo de la
reivindicación 8 y a un componente según el preámbulo de la
reivindicación 10.
Bajo la denominación de "material
preimpregnado" ha de entenderse una esterilla de fibras,
especialmente en forma de una napa, que está o puede se impregnada
(embebida) con una resina especialmente termoendurecible. Los
materiales preimpregnados se elaboran adicionalmente, en particular
mediante prensado en caliente, transformándolos, entre otras
cosas, en piezas moldeadas o semiproductos. En particular, se
pueden fabricar componentes de pared gruesa a base de materiales
preimpregnados estratificados uno encima de otro.
Bajo el término de "resina" han de
entenderse aquí especialmente productos orgánicos de líquidos a
sólidos, preferiblemente según DIN 55958, que se pueden endurecer o
reticular para la consolidación de la esterilla de fibras. Sin
embargo, se puede tratar también en general de otro aglutinante
para la consolidación de la esterilla de fibras impregnada con él
durante el endurecimiento.
Los materiales preimpregnados con esterillas de
fibras, napas unidireccionales, napas multiaxiales, telas y
similares se utilizan especialmente en la fabricación de
componentes cuando importa la obtención de propiedades mecánicas
definidas. En efecto, mediante una orientación definida y una
solicitación uniforme de los medicamentos se pueden lograr
componentes apropiados para someterse a cargas muy altas.
Para la fabricación de un componente se colocan
usualmente varios materiales preimpregnados uno encima de otro, se
comprimen bajo vacío y se someten a un vacío adicional, y a
continuación se calientan para licuar y endurecer la resina. Es
problemático el caso en el que se ocluya aire entre los propios
materiales preimpregnados individuales o entre materiales
preimpregnados individuales y este aire no pueda escapar durante la
puesta bajo vacío. Esto conduce a una disposición indefinida no
deseada de los filamentos. En particular, se pueden provocar así
una solicitación o tensión no uniforme de los filamentos y, por
tanto, un empeoramiento de las propiedades mecánicas del componente
terminado.
Para evitar oclusiones de aire es ya conocido en
la práctica el disponer alternando una sobre otra capas de napa
seca, tela, esterillas, etc. -es decir, capas sin resina- y
materiales preimpregnados con resina o películas de resina, de modo
que pueda escapar aire lateralmente a través de las capas secas
durante la puesta bajo vacío.
En el modo de proceder antes citado es
desventajoso el hecho de que el coste es relativamente alto y, en
particular, tiene que cuidarse meticulosamente de que se obtenga
una estratificación correspondiente. Además, se ha visto que es
frecuente que las capas secas más gruesas no puedan impregnarse o
embeberse perfectamente durante la licuación y el endurecimiento de
la resina. Esto conduce en el componente terminado a propiedades
mecánicas deficientes.
El documento DE 35 36 272 A1, que forma el punto
de partida de la presente invención, divulga un material
preimpregnado a base de una capa de resina y un estratificado de
fibras adyacente no impregnado, es decir, seco.
Asimismo, se conocen ya por la práctica
materiales preimpregnados a manera de emparedados. Por ejemplo,
entre una napa superior seca y una napa inferior seca se dispone
una capa de resina.
En la estructura antes citada es desventajoso el
hecho de que es necesaria una fabricación complicada del material
preimpregnado. Además, en el caso de napas gruesas, las cuales son
deseables especialmente en la fabricación de componentes de pared
gruesa, se efectúa también aquí frecuentemente una impregnación o
embebido no impecable de los distintos filamentos durante la
licuación y el endurecimiento de la resina.
La presente invención se basa en el problema de
indicar un material preimpregnado y un procedimiento para la
fabricación de un componente, así como un componente fabricado a
base de materiales preimpregnados, de modo que, con una fabricación
sencilla del material preimpregnado, se haga posible una
fabricación sencilla y barata de componentes, especialmente
componentes de pared gruesa, en particular evitando oclusiones de
aire no deseadas.
El problema anterior se resuelve con un material
preimpregnado según la reivindicación 1, un procedimiento según la
reivindicación 8 o un componente según la reivindicación 10.
Perfeccionamientos ventajosos son objeto de las reivindicaciones
subordinadas.
Una idea básica de la presente invención consiste
en que en un material preimpregnado con una napa esta última sea
impregnada con resina solamente en parte en la dirección del
espesor -en una primera zona de espesor- de modo que se forme -en
una segunda zona de espesor de la napa- una capa que abarque toda
la extensión de la superficie del material preimpregnado y que no
esté impregnada (embebida) con resina o al menos lo esté en medida
sensiblemente menor que la primera zona de espesor. Por tanto, la
impregnación parcial conduce a que los filamentos de la segunda
zona de espesor, que están secos o están sólo en ligero contacto
con resina, formen una capa permeable al aire que haga posible un
escape lateral de aire durante la puesta bajo vacío y/o la
compresión de materiales impregnados superpuestos.
El material preimpregnado según la presente
propuesta se puede fabricar de manera muy sencilla y barata.
Otra ventaja reside en que, en caso necesario, se
pueden construir paredes especialmente gruesas de componentes a
base exclusivamente de materiales preimpregnados según la presente
propuesta.
Sin embargo, por ejemplo, se pueden utilizar
también, precisamente en el caso de altos pesos por unidad de
superficie, capas intermedias de materiales preimpregnados que
estén completamente impregnados con alto contenido de resina.
La impregnación solamente parcial conduce aquí
además, de manera sorprendentemente sencilla, a una doble función
deseada, a saber, por un lado, una amplia impregnación de la napa
ya antes de una elaboración final del material preimpregnado, tal
como resulta necesario precisamente en el caso de napas más
gruesas, y, por otro lado, una purga de aire segura para poder
evitar oclusiones de aire no deseadas durante la estratificación
superpuesta y la subsiguiente compresión o puesta bajo vacío. Hasta
ahora, un material preimpregnado o una capa de napa ha sido
impregnado siempre al menos en grado sustancialmente uniforme o
incluso no ha sido impregnado. Sin embargo, la presente invención
se basa en la idea de variar la proporción de resina en todo el
espesor de la napa para obtener las propiedades deseadas.
Preferiblemente, el contenido de resina del
material preimpregnado según la presente propuesta (material
preimpregnado con purga de aire) es tan alto o se ha dosificado de
tal manera que en la elaboración se impregne o embeba la napa
completa, es decir, también la segunda zona de espesor de la napa.
Por tanto, mediante un ajuste correspondiente del contenido de
resina del material preimpregnado según la presente propuesta se
puede conseguir un contenido de resina deseado o una proporción de
fibras deseada en el componente terminado. En particular, en la
fabricación de un componente especialmente de pared gruesa pueden
estratificarse capas superpuestas de materiales preimpregnados
exclusivamente según la presente propuesta, preferiblemente de
espesor relativamente grande, sin intercalación de otras películas
o capas de resina, capas secas o similares.
Preferiblemente, la segunda zona de espesor se
une directamente a un lado plano (exterior) de la napa. En
particular, según una ejecución especialmente preferida, los
filamentos "sueltos" exteriores del lado plano exterior de la
segunda zona de espesor están fijados entonces por medio de un
elemento de fijación dispuesto exclusivamente en el lado plano. Por
ejemplo, la fijación puede realizarse según los documentos DE 31 32
697 A1, EP 0 072 453 A2 o DE 197 07 125 A1. En una ejecución
especialmente preferida el elemento de fijación está formado por
una red o rejilla muy delgada de malla relativamente grande que
está unida al menos puntualmente con al menos algunos de los
filamentos exteriores. En caso necesario, puede estar previsto
también un elemento de fijación o una fijación en ambos lados
planos de la napa.
Otras ventajas, propiedades, características y
aspectos de la presente invención se desprenden de la descripción
siguiente de un ejemplo de ejecución preferido con referencia al
dibujo. La única figura muestra una representación esquemática de
un material preimpregnado según la presente propuesta.
El material preimpregnado 1 representado sólo en
forma muy esquemática, no a escala, presenta una napa 2 de
filamentos 3.
La napa 2 es aquí de configuración
unidireccional, es decir que todos los filamentos 3 discurren
paralelos uno a otro, aquí en la extensión longitudinal L del
material preimpregnado 1.
Sin embargo, en caso necesario, la napa 2 puede
ser también de configuración multidireccional o multiaxial, es
decir que puede presentar capas superpuestas de filamentos 3 con
direcciones de extensión diferentes.
El espesor D de la napa asciende preferiblemente
a al menos 0,3 mm, en particular al menos 0,5 mm. Por ejemplo, el
espesor de la napa es incluso de 1 mm o más. Esto es deseable o
ventajoso especialmente en la fabricación de componentes de pared
gruesa.
En lugar de una napa 2 de estructura
especialmente unidireccional, los filamentos 3 pueden presentarse
también en forma de una napa Malimo, una tela o similar.
Los filamentos 3 están formados preferiblemente
por fibras de vidrio, fibras de plástico y/o fibras de carbono. En
particular, se utilizan filamentos 3 de carbono (fibras de
carbono), vidrio E, vidrio R o aramida.
El diámetro de los filamentos 3 es
preferiblemente de 2 a 20 \mum, en particular sustancialmente 5 a
12 \mum.
Preferiblemente, los filamentos 3 se aplican uno
a otro de manera muy estrecha y uniforme, discurriendo los
filamentos 3 preferiblemente en forma muy rectilínea en lo que
respecta a una tensión o solicitación uniforme al someter a carga
el componente (no representado) fabricado a base del material
preimpregnado 1.
El rayado oblicuo indica una resina 5 con la cual
el material preimpregnado 1 según la presente propuesta o su napa
2 está impregnado (embebido) solamente en parte del espesor D de
dicha napa. La parte impregnada con la resina 4 forma una primera
zona de espesor 5 de la napa 2. La primera zona de espesor 5 va
seguida de una segunda zona de espesor 6 de la napa 2 que
preferiblemente no está impregnada o eventualmente está en todo
caso sólo un poco impregnada con la resina 4 u otra resina o
aglutinante.
La resina 4 consiste especialmente en un
duroplasto o termoplasto, preferiblemente una resina epoxídica.
El peso por unidad de superficie de la napa 2 sin
resina 4 es preferiblemente de 200 a 5000 g/m^{2}, en particular
500 a 2000 g/m^{2}, por ejemplo sustancialmente 1000
g/m^{2}.
Un aspecto esencial de la presente invención
reside en que la segunda zona de espesor 6 de la napa 2 forma una
capa de filamentos 3 "secos" o al menos relativamente sueltos,
no pegados uno con otro de manera hermética al aire, la cual se
extiende por toda la anchura B de la napa 2 y a lo largo de la
extensión longitudinal L del material preimpregnado 1,
preferiblemente sobre o en un lado plano 7 de la napa 2, y es
permeable al aire en una medida suficiente para hacer posible un
escape lateral de aire situado entre los materiales preimpregnados
1 o de aire de la primera zona de espesor 5 de la napa 2 durante la
puesta bajo vacío y/o la compresión de materiales preimpregnados 1
dispuestos en capas unos sobre otros.
La segunda zona de espesor 6 presenta
preferiblemente al menos un espesor de un filamento 3, en
particular al menos 5%, 10% ó 20% del espesor total D de la napa.
El espesor asciende de preferencia a como máximo un 50%, en
particular como máximo un 40% del espesor D de la napa.
Preferiblemente, el material preimpregnado 1
según la presente propuesta está formado exclusivamente por una
napa 2 realizada preferiblemente en "una sola pieza", que
puede estar construida eventualmente también en forma
multidireccional.
La napa 2 consiste preferiblemente a su vez en
tan sólo la primera zona de espesor 5 y la segunda zona de espesor
6, las cuales hacen transición de una a otra de manera
especialmente definida (siempre que esto sea posible).
Según una forma de ejecución muy especialmente
preferida, la napa 2 se impregna con la resina 4 hasta una
profundidad o espesor prefijado partiendo exclusivamente de un lado
(del lado plano inferior en el ejemplo de representación). Por
tanto, esta profundidad o espesor determina la primera zona de
espesor 5.
En caso necesario, se puede unir al lado
plano
exterior del material preimpregnado 1 -al lado plano inferior en el ejemplo de representación- directamente adyacente a la primera zona de espesor 5 una capa de resina pura 4. Sin embargo, es preferible que la resina 4 esté contenida o alojada en forma al menos sustancialmente completa en la napa 2, es decir, en la primera zona de espesor 5.
exterior del material preimpregnado 1 -al lado plano inferior en el ejemplo de representación- directamente adyacente a la primera zona de espesor 5 una capa de resina pura 4. Sin embargo, es preferible que la resina 4 esté contenida o alojada en forma al menos sustancialmente completa en la napa 2, es decir, en la primera zona de espesor 5.
La proporción de la resina 4 en la napa 2 o en el
material preimpregnado 1 se ha elegido de tal manera que, después
de la transformación en un componente, se consigan las propiedades
mecánicas deseadas, en particular se impregne o embeba entonces
suficientemente la segunda zona de espesor 6.
En particular, el material preimpregnado
(material preimpregnado con purga de aire) 1 o la napa 2 contiene
sustancialmente 35 a 60% en volumen, preferiblemente 40 a 45% en
volumen de resina 4, referido a todos los filamentos 3 de la napa
2. Al licuarse la resina 4 durante la elaboración del material
preimpregnado 1 se distribuye entonces dicha resina 4 en grado al
menos sustancialmente uniforme por todo el espesor de la napa 2, de
modo que se puede conseguir el contenido de fibras ideal
frecuentemente deseado de 55 a 60% en volumen.
En la elaboración o en la fabricación de un
componente se estratifican los materiales preimpregnados 1 según la
presente propuesta disponiéndolos en capas superpuestas de
preferencia en forma directa, es decir, sin intercalación de otras
capas, láminas, esterillas o similares, concretamente de tal manera
que en la transición de un material preimpregnado 1 al siguiente
vengan a quedar siempre una sobre otra una primera zona de espesor
5 y una segunda zona de espesor 6. Esto asegura que en la puesta
bajo vacío y/o compresión subsiguientes de la pila de materiales
impregnados pueda escapar aire de entre los lados planos de
materiales preimpregnados contiguos 1 en dirección lateral -es
decir, transversalmente a la extensión longitudinal L- a través de
la respectiva segunda zona de espesor 6. Se aplica una
consideración correspondiente para el escape de aire de la primera
zona de espesor 5 al poner bajo vacío y/o comprimir la pila de
materiales preimpregnados. Por tanto, la segunda zona de espesor 6
impide oclusiones de aire no deseadas en la pila de materiales
preimpregnados, con lo que pueden evitarse las consecuencias para
el componente terminado originadas por las oclusiones de aire y ya
explicadas al principio.
A continuación se efectúa, especialmente por
calentamiento, por ejemplo a aproximadamente 60ºC a 180ºC, en
particular 60ºC a 100ºC, una licuación y endurecimiento o
reticulación de la resina 4 preferiblemente termoendurecible.
La estructura del material preimpregnado 1 según
la presente propuesta hace posible por sí sola en el caso de una
napa muy gruesa 2 que la segunda zona de espesor 6 sea impregnada o
embebida suficientemente con la resina licuada 4 antes de su
endurecimiento, ya que el espesor de la segunda zona de espesor 6
se ha elegido relativamente pequeño en comparación con el espesor
total D de la napa 2 y puede adaptarse según sea necesario (por
ejemplo, en función de la resina empleada 4, del material
filamentario, del diámetro de los filamentos y similares).
Para la fabricación o almacenaje intermedio o
para el transporte, el material preimpregnado 1 según la presente
propuesta puede ser provisto de un soporte no representado, por
ejemplo papel de silicona, especialmente en el lado impregnado (es
decir, en el lado plano inferior en el ejemplo de
representación).
Preferiblemente, el material preimpregnado 1
según la presente propuesta lleva un elemento de fijación 8 en su
lado plano 7, al que se une la segunda zona de espesor 6 de la napa
2, o en el lado exterior de la segunda zona de espesor 6.
El elemento de fijación 8 está dispuesto de
preferencia exclusivamente sobre el lado plano 7 para no perturbar
el recorrido de los filamentos 3 en la napa 2. En el ejemplo de
representación el elemento de fijación 8 está formado por una red o
rejilla preferiblemente de malla grande que, para estabilizar la
napa 2, especialmente la segunda zona de espesor 6 de la napa 2,
está unida al menos puntualmente, por ejemplo pegada, con al menos
algunos de los filamentos exteriores 3 del lado plano 7.
Es esencial el que en el material preimpregnado 1
según la presente propuesta no hay elementos, tales como costuras
de pespunteado o similares, que atraviesen o estrangulen la napa 2,
de modo que se pueden conseguir sin dificultades una orientación
óptima y un recorrido óptimo de los filamentos 3 en el componente
que ha de fabricarse.
Claims (10)
1. Material preimpregnado (1) con una napa (2) en
forma de banda a base de filamentos (3) y con una resina (4) de
impregnación, en donde la napa (2) está impregnada en una primera
zona de espesor (5) de todo el espesor (D) de la napa, de modo que
la resina (4) de la napa (2) de filamentos (3) está absorbida en la
primera zona de espesor (5), y la napa (2) no está impregnada o
está sustancialmente menos impregnada en una segunda zona de
espesor (6), y en donde las zonas de espesor primera y segunda (5,
6) se extienden cada una de ellas en toda la anchura (B) de la
napa, de modo que los filamentos (3) de la segunda zona de espesor
(6) son permeables al aire transversalmente a la extensión
longitudinal (L) del material preimpregnado (1).
2. Material preimpregnado según la reivindicación
1, caracterizado porque la segunda zona de espesor (6) se
une a un lado plano (7) de la napa (2), presentando especialmente
el material preimpregnado (1) un elemento de fijación (8) dispuesto
exclusivamente en el lado plano (7) y configurado preferiblemente a
manera de una red que fija al menos en parte y/o puntualmente los
filamentos (3) de la segunda zona de espesor (6) dispuestos en el
lado plano (7), presentando preferiblemente el elemento de fijación
(8) un peso por unidad de superficie de 0,5 a 4 g/m^{2},
especialmente 1 a 1,5 g/m^{2}.
3. Material preimpregnado según una de las
reivindicaciones precedentes, caracterizado porque los
filamentos (3) de la napa (2) discurren sin alteraciones y, en
particular, no están previstos elementos que se extiendan a través
de la napa (2), y/o porque los filamentos (3) discurren en forma
unidireccional o multidireccional, y/o porque los filamentos (3)
presentan un diámetro de 2 a 20 \mum, en particular
sustancialmente 5 a 12 \mum, y/o porque los filamentos (3) están
formados por fibras de vidrio, fibras de plástico y/o fibras de
carbono.
4. Material preimpregnado según una de las
reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el
material preimpregnado (1) presenta solamente una única napa (2)
y/o porque el material preimpregnado (1) contiene 35 a 60% en
volumen, especialmente 40 a 45% en volumen de resina (4), referido
a todos los filamentos (3) de la napa (2).
5. Material preimpregnado según una de las
reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la
segunda zona de espesor (6) presenta al menos un espesor de un
filamento (3) y/o porque la segunda zona de espesor (6) presenta,
referido a todo el espesor (D) de la napa, un espesor de 5% a 50%,
en particular 10% a 40%, y/o porque la segunda zona de espesor (6)
lleva directamente unida la primera zona de espesor (5), estando
formada especialmente la napa (2) por solamente las zonas de
espesor primera y segunda (5, 6).
6. Material preimpregnado según una de las
reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el espesor
(D) de la napa es de al menos 0,3 mm, preferiblemente al menos 0,5
mm y en particular sustancialmente 1 mm o más, y/o porque la napa
(2) sin resina (4) presenta un peso por unidad de superficie de 200
a 5000 g/m^{2}, en particular 500 a 2000 g/m^{2}, y/o porque la
napa (2) está impregnada en un lado con la resina (4).
7. Material preimpregnado según una de las
reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la resina
(4) está dispuesta al menos sustancialmente en tan solo la napa
(2), especialmente en la primera zona de espesor (5), y/o porque la
resina (4) es térmicamente endurecible y/o consiste en un
duroplasto y/o un termoplasto térmicamente reticulable.
8. Procedimiento para fabricar un componente a
base de materiales preimpregnados (1), caracterizado
porque
se disponen en capas superpuestas varias
materiales preimpregnados (1) según una de las reivindicaciones 1 a
7,
se ponen bajo vacío y/o se comprimen los
materiales preimpregnados (1) dispuestos en capas unos sobre otros,
escapando aire ocluido entre materiales preimpregnados (1) a
través de la segunda zona de espesor (6), y
a continuación, en el estado puesto bajo vacío
y/o comprimido, se licúa la resina (4) para homogeneizar la
impregnación en todas las zonas de espesor (5, 6) y finalmente se
endurece o retícula dicha resina.
9. Procedimiento según la reivindicación 8,
caracterizado porque se emplean solamente materiales
preimpregnados (1) según una de las reivindicaciones 1 a 7, y/o
porque se licúa y/o endurece la resina (4) por calentamiento, y/o
porque se disponen los materiales preimpregnados (1) en capas
superpuestas de tal manera que en la transición de un material
preimpregnado (1) al siguiente queden situadas siempre una sobre
otra una primera zona de espesor (5) y una segunda zona de espesor
(6) o quede situado un material preimpregnado completamente
impregnado entre las segundas zonas de espesor mutuamente opuestas
(6) de dos materiales preimpregnados (1).
10. Componente fabricado a base de materiales
preimpregnados (1), caracterizado porque los materiales
preimpregnados (1) se han construido según una de las
reivindicaciones 1 a 7 y/o porque el componente se ha fabricado
según las reivindicaciones 8 ó 9.
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