ES2234707T3 - Procedimiento de infusion al vacio, con doble volsa, para fabricar un material compuesto y material compuesto asi obtenido. - Google Patents

Abstract

Un procedimiento para preparar micropartículas, que comprende: preparar una primera fase, comprendiendo la primera fase un agente activo y un polímero; preparar una segunda fase; combinar la primera fase y la segunda fase en un primer mezclador estático para formar una emulsión; combinar la emulsión y un primer líquido de extracción en un segundo mezclador estático; y combinar un caudal del segundo mezclador estático con un segundo líquido de extracción.

Description

Procedimiento de infusión al vacío, con doble bolsa, para fabricar un material compuesto y material compuesto así obtenido.

Campo técnico

El presente invento se refiere a métodos para fabricar materiales compuestos a base de plástico (que en lo que sigue de esta Memoria y en las reivindicaciones denominaremos simplemente como "composites") y a los productos así fabricados, en particular a procesos de moldeo de líquidos en los que se incluye el moldeo por transferencia de resina con ayuda de vacío (VaRTM) o infusión de resina.

Antecedentes del invento

Las industrias naval, automovilística, de camiones, de ferrocarriles, aerospacial, de defensa, de recreo, químicas, de infraestructuras, y otras, recurren a materiales de composite para sacar partido de sus propiedades únicas, especialmente la de ser inatacables por la corrosión o resistentes a la corrosión, y la de tener una alta relación de resistencia a peso. Los composites son también resistentes a la fatiga y al ataque químico. Ofrecen una alta resistencia y rigidez potencial en componentes ligeros. Sin embargo, es necesario desarrollar procesos de fabricación de composites que reduzcan espectacularmente sus costes, especialmente en grandes estructuras, conservando al mismo tiempo su alta resistencia y rigidez.

Los materiales de fibras impregnadas de resina ("prepregs") se sitúan generalmente sobre un mandril de conformación ("asentado") a mano o a máquina usando cinta, mechas de fibra, o tela. También se han fabricado composites usando arrollamientos de filamentos. Se requiere efectuar un desenmarañamiento entre capas en un estratificado para eliminar el aire antes de que los asentados sean embolsados en vacío (es decir, encerrados en una atmósfera inerte bajo vacío para retirar los volátiles emitidos desprendidos durante el curado de la resina) y consolidados en autoclaves o en prensas para conseguir componentes de alto volumen de fibra. Los materiales prepregs son típicamente caros, especialmente aquellos en los que se usa fibra de carbono de alto módulo. Los materiales prepregs en crudo tienen una limitada vida en almacén, debido a que la resina reacciona a regímenes lentos ("avance") a la temperatura ambiente. El avance de la resina afecta perjudicialmente a las propiedades del composite resultante. El trabajo con prepregs da también frecuentemente por resultado un considerable desperdicio de material.

Las autoclaves y las prensas usadas para consolidación son artículos que requieren una alta inversión de capital, que aumenta todavía más el coste final del composite fabricado. El procesado ha de ser centralizado y efectuado por lotes donde esté instalada la autoclave o la prensa. La carga y la descarga del autoclave (una estufa de alta temperatura, a presión) se convierten usualmente en los pasos que limitan el ritmo de producción. La localización de la autoclave impone dónde deberán fabricarse los composites, lo que va en perjuicio de la flexibilidad del proceso. Son precisas una fuerza laboral y unas instalaciones dedicadas, centradas en torno a la autoclave.

Como se ha mencionado, los prepregs tienen una limitada vida en almacén. En algunas fórmulas, se lleva la resina sobre la fibra como una laca o barniz que contiene los reactivos monómeros que producirán el polímero deseado en el composite (es decir, prepregs del tipo PMR). En otras fórmulas, la resina es un polímero de peso molecular relativamente bajo, que se entrecruza durante el curado para formar el polímero deseado. La resina se conserva y se usa en su estado de incompleta, de modo que permanece líquida, y puede ser impregnada sobre la fibra o la tela. La reacción de los reactivos monómeros o el entrecruzamiento del polímero (es decir, su avance) antes del ciclo de curado previsto repercute perjudicialmente en la calidad del composite.

Las técnicas de moldeo de líquidos, tales como la de moldeo por transferencia, infusión de película de resina, moldeo por transferencia de resina, y moldeo por inyección por reacción estructural (SRIM), requieren típicamente costosas matrices de metal emparejadas y prensas o autoclaves de alto tonelaje. Las piezas producidas por estos procesos tienen en general limitaciones en cuanto a su tamaño y a su configuración geométrica. Las resinas usuales para moldeo de líquidos no proporcionan las propiedades necesarias para muchas aplicaciones para los composites.

Por el procesado de asentado en húmedo en molde abierto se pueden fabricar composites grandes usando un proceso de moldeo de líquidos con mínima inversión de capital, utillaje de un solo tamaño, y frecuentemente se pueden usar materiales de más bajo coste que el de los prepregs. Sin embargo, la calidad y la uniformidad del producto varían considerablemente, y los mejores composites son todavía de calidad relativamente baja. El proceso tiende también a ser hostil, y supone peligro para los trabajadores, debido a su riesgo de exposición a los disolventes y a las resi-
nas.

La solicitud de patente europea 0348831-A2 proporciona un proceso para fabricar piezas relativamente delgadas y grandes de material sintético. Se dispone una armadura entre una primera y una segunda láminas delgadas, y se unen las láminas delgadas por los bordes de las mismas. Se usa el vacío para sujetar la primera lámina delgada y para producir canales en la misma, y a continuación se introduce el material sintético en la armadura.

En la patente de EE.UU. Nº 5.129.813 se proporciona una bolsa de vacío que se produce a partir de una película u hoja. En la película u hoja se imprime un patrón tridimensional que define una pluralidad de canales interconectados. Las deformaciones permiten evacuar la atmósfera de dentro de la bolsa de vacío con más rapidez y de un modo más completo.

En la patente de EE.UU. Nº 5.427.725 se proporciona un proceso para fabricar un composite madre (de aglomerante). Se refuerza un sustrato con un producto para comunicar pegajosidad que comprende una resina, para formar una preforma conformable. El primer paso va seguido de la adición de una resina aglomerante y el curado simultáneo del producto para comunicar pegajosidad y de la resina aglomerante, para formar un composite.

Nuestro proceso de infusión en vacío en doble bolsa (DBVI) resuelve una serie de problemas que han planteado las técnicas de moldeo de líquidos en una sola bolsa, no en autoclave, anteriormente desarrolladas, tales como los procesos descritos en las patentes de EE.UU. Nº 4.902.215 (de Seemann) y Nº 4.942.013 (de Palmer). En la técnica de una sola bolsa, de Seemann, se inducen un flujo y una presión preferenciales en los medios de flujo por encima de la preforma de fibra. La fuerza de accionamiento es una diferencia de presión o una presión estática creada principalmente por disminución de la presión dentro de la bolsa usando una bomba de vacío. La presión atmosférica en la alimentación de resina empuja a la resina al interior de la bolsa a través de un tubo de entrada. La resina que entra en la bolsa encuentra a los medios de flujo usados para canalizar la resina a la preforma de fibra que está por debajo. La resina fluye lateralmente a través de los medios de flujo, sobre la preforma, y, a continuación, hacia abajo al interior de la preforma. La preforma tiene la más baja permeabilidad al flujo (es decir, la más alta resistencia al flujo de
resina).

Una vez que los medios líquidos (es decir, la "resina") son hechos pasar (es decir, fluyen) por dentro de la preforma, hemos observado que la única bolsa tiende a relajarse por detrás del frente de la onda (es decir, de la parte más delantera de la resina que se está moviendo por dentro de la preforma dentro de la bolsa). Cuando el medio de flujo está lleno o parcialmente lleno de resina, creemos que la bolsa se va relajando lentamente y se mueve separándose del medio de flujo, presumiblemente debido a que el camino de mínima resistencia para el flujo se convierte en un camino sobre el medio de flujo entre el medio de flujo y la bolsa que está por encima. El relajamiento aumenta el volumen encerrado alrededor de la preforma, el cual se llena de resina. Cuanto más lejos se esté del borde de ataque del frente de la onda, tanto más tiende a relajarse la bolsa. Hemos observado que el composite en las áreas en donde se haya relajado la bolsa puede tener un más bajo volumen de fibra, un deficiente control del volumen de fibra, y unas propiedades mecánicas más bajas que las deseadas, debido a que un exceso de resina ha rellenado el volumen agrandado. El relajamiento de la bolsa puede producir un cambio en el grosor previsto del composite, de modo que en áreas localizadas en donde se haya producido el relajamiento el composite es mayor grosor que el que se había previsto.

En el análisis que sigue compararemos los procesos de Seemann y de Palmer con nuestro proceso de doble bolsa preferido del presente invento.

Nuestro proceso de infusión en vacío de doble bolsa preferido resuelve los problemas de Seemann (de una sola bolsa) por cuanto las bolsas de vacío interior y exterior controlan independientemente la alimentación de resina. La doble bolsa proporciona un efecto de "horma". Las secciones de sangrado y de respiradero están completamente aisladas. Con esta solución, la bolsa jamás puede relajarse por detrás del frente de la onda y los composites resultantes tienen más altos volúmenes de fibra, como media, (con un control más preciso) y tienen un grosor uniforme, con preformas de groso constante. Nuestro proceso elimina los defectos de relajamiento de la bolsa que hemos observado en el proceso de Seemann.

Durante la relajación, observamos que la resina forma charcos dentro de la bolsa. Haciendo presión sobre el charco, percibimos un área blanda, esponjosa, suelta, diferente al tacto que se aprecia donde no se produce relajación. La bolsa se estira, y el volumen bajo la bolsa aumenta. En circunstancias de relajación, hemos observado que poniendo a presión la alimentación de resina por encima de la presión atmosférica aumenta la relajación, de modo que aparece el fenómeno como ligado a la diferencia de presión y a la fuerza de accionamiento para el flujo de resina, como era de esperar. Añadiendo una segunda bolsa de vacío (separada de la primera bolsa por un respiradero) se hace que resulte más difícil que la "doble bolsa" se relaje. Por lo tanto, podemos usar una más alta diferencia de presión para mover la resina que la que podría ser empleada con una sola bolsa. La "doble bolsa" se convierte en un medio para reducir el flujo sobre los medios de flujo llenos, debido a que la bolsa de vacío es efectivamente más gruesa. La "doble bolsa" proporciona además una mayor integridad del vacío, debido a que proporciona una segunda bolsa, repetida, para contrarrestar cualesquiera fugas que puedan producirse en la primera bolsa.

Según el proceso de la firma Boeing denominado "Controlled Atmosphere Pressure Resin Infusion" (CAPRI) ("Infusión de Resina a Presión en Atmósfera Controlada"), de Jack Woods y otros, se controla la diferencia de presión reduciendo para ello la presión por debajo de la atmosférica en el depósito de alimentación de resina. En el proceso CAPRI, una bomba de vacío evacua el volumen bajo la bolsa de vacío mientras que, simultáneamente, reduce la presión sobre la resina de alimentación. La presión en la bolsa de vacío podría ser de 508 mm de HG por debajo de la presión atmosférica, y de 127 mm de Hg en el vaso de alimentación para una diferencia de presión para impulsar la infusión de resina, de 381 mm de Hg (aproximadamente, 0,5 atm).

Por el proceso de Palmer se trataba de aislar las secciones de sangrado y de respiradero, poniendo para ello una película impermeable entre el medio de flujo y el respiradero, dentro de la única bolsa. Desafortunadamente, esta técnica no permitió un completo aislamiento. Una vez que el medio líquido llegó al final del vacío del conjunto, el medio de flujo y el respiradero estaban conectados. Como resultado, la resina empezaba a humedecer al respiradero y a fluir de vuelta hacia la fuente de resina sobre la membrana, debido a que ese camino tenía una más alta permeabilidad que la del flujo hacia abajo a través de la preforma.

Nuestro proceso preferido de "doble bolsa" permite aumentar el tanto por ciento o fracción en volumen del composite, de un 5 a un 10% más que lo que se había podido conseguir con las tecnologías de una sola bolsa de Seemann y de Palmer. El aumento del volumen de fibra es crítico para conseguir un composite de grado aeroespacial que tenga propiedades que lo hagan competitivo con las tecnologías de prepreg en bolsa de vacío/autoclave usuales, corrientemente empleadas en la industria aeroespacial. Los composites aeroespaciales tienen "resistencias específicas" superiores, que se consiguen optimizando (haciendo tan alta como sea posible) la fracción de volumen de fibra. Por nuestro proceso se consigue el volumen de fibra fijado como objetivo, dentro de una estrecha tolerancia de volúmenes de fibra aceptables, regulando para ello el vacío de las bolsas interior y exterior durante la infusión. Usando estrategias de infusión térmica de "final de ajedrez", nuestro proceso mejora la preforma, acoplando la aspiración adicional de fluido, el desenmarañamiento por vacío térmico, y el control del balance de masas en tiempo real. Por nuestro proceso se obtiene un vacío de una integridad extremadamente alta.

En cualquier proceso de impregnación en vacío, la integridad del vacío es esencial para la producción de composites de alta calidad de un modo regular. Las fugas por los sellados de las bolsas, por las lumbreras para resina, o por las lumbreras para el vacío, permitirán que entre aire en la bolsa. El aire hace que las preformas se hinchen y se reduzca la fracción de volumen de fibra por aumento del espaciamiento entre fibras. Los composites hechos con bolsas que tengan fugas adolecerán, típicamente, de uno o más de los siguientes problemas: alto contenido de espacios vacíos, porosidad superficial, bajos volúmenes de fibra, o un excesivo grosor. Con frecuencia se hace preciso tener que desechar las piezas; no pueden ser reparadas.

Para el procesado de bolsas de vacío, un lado de la estructura está utillado y el otro está definido, al menos en parte, por los materiales de bolsa usados sobre el asentado. La aspereza del lado de la bolsa y las marcas dejadas es un problema corriente en el procesado de prepregs y en los procesos de moldeo de líquidos en bolsa. Frecuentemente se usan hormas e intensificadores en el lado de la bolsa del estratificado, para mejorar el acabado de la superficie. Estas mejoras de la superficie, sin embargo, no son particularmente efectivas en el proceso de Palmer ni en el de Seemann, debido a los medios de flujo usados. El medio de flujo para tricotado de nudos gruesos y los materiales con grabado de la bolsa descritos en el proceso de Seemann dan por resultado marcas por el lado de la bolsa en las piezas, incluso en presencia de un separador para desprender las capas (o deshacer pliegues). Las marcas se producen debido a la alta presión localizada en los nudos del tricotado o en el grabado de la bolsa con una relativamente baja presión en las áreas circundantes. La desigual distribución de la presión produce una superficie del lado de la bolsa relativamente "grumosa". El volumen de fibra y el contenido de fibra varían.

En el proceso de Palmer se hace uso de telas de sangrado de vidrio para que formen parte de su paquete de medio de flujo. Las capas de tela de vidrio seco tienden a abultarse, a pandear y a puentear bajo vacío, originando importantes problemas de producción de marcas, incluso sobre configuraciones de pieza geométricas sencillas, por no mencionar las complicaciones que surgen en los conjuntos más complicados.

Usados en el proceso de Seemann para conseguir un rápido flujo lateral, el medio de flujo grueso y las marcas dejadas por el grabado de la bolsa crean volúmenes relativamente grandes, que finalmente se llenarán de resina de desecho. En el proceso de Palmer, el medio de flujo, los paquetes de vidrio grueso, y también los "pañales" de sangrado de vidrio, desperdician resina. Por el proceso de Palmer se pierde también resina cuando ésta fluye más allá del final de la infusión y moja el respiradero, como hemos visto. Nosotros hemos procurado reducir al mínimo el desperdicio de resina.

En nuestro proceso preferido, se reducen las pérdidas de resina en el medio de flujo debido a su bajo perfil y relativamente pequeño volumen abierto. Nuestro proceso permite también la simple recuperación y reciclado de la resina purgada, sin riesgo de relajamiento de la bolsa ni necesidad de un purgado continuo de la resina con resina nueva para producir por infusión preformas difíciles. Por nuestro proceso preferido se conserva la resina y se reduce el coste apreciablemente cuando se trabaja con sistema de resina caros, como es corriente en las aplicaciones aeroespaciales.

Ni Seemann ni Palmer han descrito como producir conjuntos complicados, tales como revestimientos perfilados con refuerzos de hoja, en donde los requisitos de conducciones internas son complicados. Cada refuerzo requiere una línea de vacío activa unida a la parte superior del refuerzo para aspirar la resina al interior del refuerzo. Cuando se trate de un gran número de refuerzos, aumenta rápidamente la complicación que entrañan las conducciones internas. Cada conexión requiere costuras sin fisuras con la bolsa, para conservar la integridad del vacío. En nuestro proceso, algunos refuerzos pueden ser obtenidos de un modo efectivo por infusión, sin usar líneas de vacío activas. Las infusiones inclinadas, en las que la resina es introducida por el punto más bajo y se tira hacia arriba de la preforma hasta el punto más alto, pueden mojar efectivamente a los refuerzos que discurran en la dirección del flujo, y en algunos casos en otras direcciones, como se ha demostrado en los paneles de emparedado("sandwich") TyCORE^{TM}.

Por nuestro proceso se pueden también instalar cámaras de vacío pasivas (PVC) dentro de la bolsa interior. Por encima de los refuerzos o de otras áreas en donde se desee el flujo, se colocan tubos perforados, tubos cortados en espiral, resortes u otros recipientes abiertos (E, Fig. 8 ó 9). La resina o el líquido se mete dentro de esas cámaras hasta llenarlas. Las PVCs proporcionan también una cierta capacidad de purga para eliminar el aire de las preformas.

Por "mojar" entendemos la infusión de la cantidad deseada de resina dentro de la preforma para conseguir el volumen de fibra deseado en el composite.

Por los procesos de Seemann y de Palmer se pueden producir piezas de una longitud casi ilimitada, pero que están limitadas en lo que se refiere a la anchura de la pieza. Por el proceso de Seemann se pueden producir, en general, envueltas anchas simples, debido a que en el procedimiento de Seemann se hace uso de un medio de flujo que tiene una alta permeabilidad y grabados en la bolsa. El proceso de palmer es algo más limitado, debido a que está basado en un método de alimentación por el borde, y se hace uso de medio de flujo de más baja permeabilidad. Para una cierta anchura, sin embargo, tanto por el proceso de Seemann como por el de Palmer se requieren líneas de alimentación adicionales para reducir la resistencia de la resina y la caída de presión en el sistema, especialmente cuando el flujo en un revestimiento está interrumpido por refuerzos. Los refuerzos crean puntos de estrangulación en los que la resina fluye transversalmente o en ángulo en relación con la dirección del refuerzo. Debido a las limitaciones del utillaje, a los requisitos de control dimensional y a las discontinuidades de la forma, se ha de poner cuidado en situar los materiales del medio de flujo en los lugares de refuerzo apropiadamente.

Para construir componentes por infusión se dispone de una diversidad de preformas secas. Tanto por el proceso de Seemann como por el de Palmer se usan preformas secas. Las opciones incluyen tejidos normales, materiales tricotados por urdimbre, trenzados en 3D, materiales tejidos en telar en 3D, preformas cosidas, preformas enclavadas en Z, esteras de cordón continuo, y preformas de fibra cortada. Muchos materiales de preforma seca son frágiles, fáciles de distorsionar, de resultar dañados o raídos por las simples operaciones acostumbradas para la fabricación. La eliminación limpia de pliegues, la adaptación a la medida de las pieza y las formas limpias son difíciles de conseguir en las piezas acabadas complicadas, hechas a partir de preformas secas. Las preformas secas tienden también a tener un volumen excesivo para el asentado de formas complejas, en las que el volumen debe ser reducido al mínimo para eliminar las arrugas y los problemas de formación de bolsas. Para agravar el problema, las capas de los materiales secos no pueden ser desenmarañadas y consolidadas de un modo efectivo, debido a su deficiente adherencia a otras capas secas o a otros materiales. La fabricación de las preformas aisladamente, fuera de la línea, es ineficaz. Estas características hacen que el uso de las preformas sea difícil, cuando no imposible, en muchas aplicaciones complejas. Por lo tanto, las tecnologías de los productos para comunicar pegajosidad o de los aglomerantes para tratar preformas secas con resina se convierten necesariamente en elementos clave en casi todos los sistemas de tecnología de moldeo de líquidos. El aglomerante no debe limitar el flujo de resina ni la consolidación de la preforma, debe ser compatible con la resina para la infusión, y no debe producir pérdida de resistencia. El proceso de aplicar aglomerante o producto para comunicar pegajosidad produce una preforma similar a las usadas en el moldeo por transferencia de resina usual.

En nuestro proceso preferido, también hemos desarrollado un proceso único de impregnación por rociado para aplicar el aglomerante o el producto para comunicar pegajosidad a la preforma de fibra seca, para obtener una alta pegajosidad con un bajo contenido de aglomerante. El contenido de aglomerante deseado varía desde aproximadamente el 1 al 10% en peso, pero típicamente está comprendido entre aproximadamente el 3 y el 7% en peso. El tanto por ciento en peso deseado depende del peso y del grosor de la preforma y del grado natural o inherente de pegajosidad del aglomerante.

La adición de disolvente a las resinas para moldeo de líquidos viscosas semisólidas, útiles como aglomerante, produce soluciones de aglomerante adecuadas para el rociado. Los disolventes deberán tener pegajosidad a la temperatura ambiente y ser compatibles con la resina para infusión seleccionada. Para resinas para infusión de éster de cianato. usamos típicamente la resina de éster de cianato semisólida M-20 de la firma CIBA, que es extremadamente pegajosa a la temperatura ambiente. Se pueden usar algunas resinas semisólidas que no tengan pegajosidad a la temperatura ambiente si las mismas desarrollan pegajosidad al ser calentadas, por ejemplo, la resina de bismaleimida 5250-4-RTM. Las soluciones requieren a veces catalizadores para la activación de la resina. Para formulaciones para rociado más latentes, se pueden eliminar o reducir los catalizadores de la mezcla para permitir operaciones de desenmarañamiento en vacío a más alta temperatura sin que se avance perjudicialmente el grado de curado del aglomerante. Se pueden aumentar los contenidos de aglomerante en los bordes de las capas para conseguir una mayor integridad dimensional y un menor grado de raído de los bordes. También podría incorporar el aglomerante termoplásticos o agentes para endurecimiento del caucho, para una mejor tolerancia de daños y mayor supervivencia balística.

Las fórmulas preferidas de aglomerante tienen típicamente contenidos sólidos de resina altos o muy altos, del 80% en peso o más. El disolvente o soporte puede ser MEK, MiBK, otro disolvente orgánico capaz de disolver la resina semisólida, o bien, posiblemente, agua. La volatilidad del disolvente puede ser alterada y usada para controlar o para ajustar la pegajosidad y para cambiar el tiempo de secado y la temperatura de curado o el perfil del ciclo de curado. Se usan conjuntamente altos contenidos de sólidos, altas viscosidades del rociado, y parámetros de rociado de película en seco, para formar pequeños puntos de resina distribuidos uniformemente que quedan depositados sobre la superficie expuesta de la preforma. Los parámetros de rociado preferidos reducen al mínimo las emisiones de disolvente, aumentan el rendimiento de la transferencia, permiten la automatización, y mantienen la máxima pegajosidad de la preforma con la mínima cantidad de resina depositada y de pérdida de permeabilidad de la preforma.

Con estas preformas recubiertas de aglomerante (es decir, a las que se ha comunicado pegajosidad), hemos demostrado la capacidad de producir estructuras complejas, tales como las de refuerzos de hojas que se cortan, refuerzos de uniones Pi (\Pi), y revestimientos perfilados complejos con refuerzos de hojas curvados. La tecnología de los aglomerantes hace posible el moldeo neto de ciertas características tales como las de los refuerzos de hojas. El desenmarañamiento en bolsa de vacío a la temperatura ambiente puede producir preformas suaves, flexibles, dotadas de pegajosidad. El desenmarañamiento en vacío calentando puede producir preformas semirrígidas adecuadas para recortes de precisión con estrechas tolerancias.

En los procesos de Seemann y de Palmer, la resina debe ser gelificada inmediatamente después de la infusión de la pieza. Si se deja que el vacío se haga activo sobre la pieza, se tira de la resina desde la fuente, a través de la preforma, durante la gelificación. El suministro de resina debe permanecer conectado para evitar que la pieza quede desprovista de resina. Para la mayor parte de las resinas, la gelificación se inicia térmicamente. Calentando la pieza para gelificar la resina en la preforma se calienta también a la masa de resina, lo cual puede conducir a una condición exotérmica peligrosa, incluido el desprendimiento de un humo tóxico.

Si se cierran las líneas de vacío y de alimentación para la masa de resina antes de calentar la preforma, las fugas podrían hacer que se sangrase aire al respiradero. Este sangrado produce frecuentemente piezas defectuosas, con un alto contenido de espacios vacíos. La pieza puede hincharse, para crear componentes de bajo volumen de fibra o, lo que es más típico, unos que tengan espacios vacíos o porosidad. El proceso de palmer exige una gelificación casi instantánea, pero una gelificación excesivamente rápida produce frecuentemente matrices de resina frágiles. Muchas resinas corrientes, tales como las epoxis de curado a baja temperatura para aplicaciones a alta temperatura, no pueden ser gelificadas rápidamente.

Sumario del invento

El presente invento es un proceso y un sistema para moldeo de líquidos para producir estructuras de composite de calidad a bajo coste, de acuerdo con la reivindicación 1, y una composite obtenida por tal proceso. Queda comprendido dentro de las categorías de moldeo por transferencia de resina (RTM), y en particular en la del RTM ayudado por vacío (VaRTM). El sencillo utillaje, los mínimos requisitos de capital, la capacidad de procesado por lotes, el alto rendimiento, y la capacidad para moldear formas complejas hacen que el proceso sea atractivo. Para la fabricación de estructuras aeroespaciales, promete ser un proceso económico, especialmente adecuado para grandes estructuras, incluidos los cajones de ala y similares. El presente invento se acopla perfectamente con otras tecnologías de capacitación, tales como las de cosido, las de refuerzo en la dirección Z (enclavado en Z), curado por haz de electrones, tejido en telar de 3-D, y curado a baja temperatura. No requiere autoclave, ni utillaje adaptado, ni grandes prensas.

La alta integridad del vacío que se obtiene con un sistema de doble bolsa de nuestro diseño favorece la obtención de composites de alta calidad, de un modo regular, con bajo contenido de espacios vacíos, mínima porosidad de la superficie, excelente control del grosor, y fracciones de alto volumen de fibra. La doble bolsa mejora la rigidez del material para embolsar, para evitar la relajación por detrás del frente de onda, permitiendo con ello la infusión de composites exentos de espacios vacíos que tienen los altos volúmenes de fibra deseados para aplicaciones aerospaciales. El control de la relajación significa, efectivamente, que podemos usar una más alta diferencia de presión (DP) como la fuerza de impulsión para la transferencia de resina. Podemos infundir más rápidamente, o podemos usar resinas más viscosas, debido a la mayor fuerza de impulsión. Deseamos fracciones de volumen de fibra superior al 50%.

El control del frente de onda de la resina produce infusiones limpias sin porosidad superficial, ni espacios vacíos, ni puntos secos, ni zonas ricas en resina. En el procedimiento de Seemann se usa un medio de flujo basto, grueso, para dirigir la resina a la preforma que está por debajo y a los grabados de la bolsa. Los medios y los grabados crean un espacio de alta permeabilidad, para una rápida migración lateral de la resina en la bolsa. La velocidad de la infusión puede conducir, sin embargo, a defectos de aire aprisionado o de porosidad superficial, o a espacios vacíos, al percolar la resina a través del grosor de la preforma. El flujo lateral puede exceder de la humectación hacia abajo de la preforma, aprisionando aire en bolsas. El aire aprisionado por detrás del frente de onda resulta difícil de eliminar de la pieza obtenida por infusión. El burbujeo que produce el aire al escapar hace que sea difícil establecer un punto final para la infusión.

La clave para obtener infusiones satisfactorias no está en la velocidad con la que se infunde la preforma, sino más bien en la calidad de la infusión. Manteniendo un frente de onda controlado con un medio de flujo de más baja permeabilidad sobre la preforma, se obtienen infusiones más limpias. El medio de flujo que preferimos usar deberá permitir que la resina fluya lateralmente con la suficiente lentitud como para que la resina pueda caer uniformemente a través de la preforma, para mojar y llenar por completo la preforma con un perfil de flujo de forma de cuña. En un frente de flujo controlado, el frente de resina en el lado de la bolsa de la preforma es de solamente de 5 a 8 cm por delante del frente de resina en el lado del útil de la preforma, suponiendo que el medio de flujo está situado solamente en el lado de la bolsa de la preforma, y que la infusión incluye flujo lateral a través del medio, seguido de flujo hacia abajo para llenar la preforma. Preferimos controlar la permeabilidad relativa del medio de flujo que controlar la de la preforma, para conseguir esa infusión ordenada, aunque relativamente lenta.

Nuestro único medio de flujo impregnado de TEFLON, de tejido en telar abierto (Taconic 7195) controla el frente del flujo, debido a que es delgado, tiene una moderada permeabilidad, y sus fibras de trama forman "presas" para el flujo. Además de controlar el flujo de resina, el medio actúa para resolver una serie de otros asuntos. Este medio puede soportar la exposición a temperaturas de hasta 315ºC, y es químicamente inerte. Está libre de contaminación y tiene excelentes propiedades de desprendimiento. Es fácilmente obtenible, tiene un relativamente bajo potencial de defectos producidos por objetos extraños, y reduce al mínimo el volumen de la bolsa, debido a que es de bajo perfil. Reduce o elimina las marcas en el lado de la bolsa del estratificado, debido a su naturaleza rígida, pero adaptable.

Una opción para conseguir un mejor control del flujo consiste en usar materiales para embolsar de alto alargamiento (de más del 500%) y de módulo relativamente bajo, tales como las películas de formación de bolsas de poliéster "STRETCHCLON 700" y de nilón "STRETCHLON 800". Los materiales para la formación de bolsas de alto alargamiento hacen que sea más fácil embolsar preformas simples y complejas con relativamente pocas arrugas en la bolsa. Las áreas de la preforma bajo arrugas en la bolsa tienden a tener una permeabilidad relativamente alta y pueden dar por resultado una indeseable canalización de la resina a lo largo de esas arrugas de la bolsa. Por lo tanto, la reducción al mínimo de las arrugas de la bolsa con materiales para la formación de bolsas de alto alargamiento mejora el control del frente del flujo.

En otra opción, se hace uso de sellos de látex alrededor de la periferia de la pieza. Sin sellado del borde ni sellos de borde sólidos, frecuentemente se produce canalización en los bordes de la preforma, debido a la alta permeabilidad que existe en los espacios de separación que se encuentran típicamente entre la preforma, la bolsa y el sello sólido. Usando bolsas de alto alargamiento y sellos de látex, junto con o sin ciclos de vacío térmico, se puede conseguir una buena obturación entre el borde de la preforma, la bolsa y los sellos. El látex se mueve viscoelásticamente para llenar todos los espacios de separación que de lo contrario existirían en el borde irregular de una preforma seca o aglutinada (es decir, una preforma que tuviese las firmas recubiertas de, o que contuviesen a, aglomerante o producto para comunicar pegajosidad). Se ha comprobado que los sellos de látex son particularmente útiles cuando se trata de preformas gruesas, en las que se producen grandes discontinuidades de la bolsa en el borde de la pieza. El puenteo de la bolsa en esas posiciones permite una excesiva canalización. Los sellos de látex, sin embargo, actúan para sellar el borde de un modo efectivo, facilitar la transición de la bolsa, y reducir los efectos del estrechamiento del borde en la preforma, debido a los esfuerzos en la bolsa.

Una técnica para la producción de vacío por los dos extremos contrarresta satisfactoriamente la canalización que pudiera producirse por cualesquiera razones. Si la resina se canaliza a lo largo de un borde de la pieza, el problema potencialmente "fatal" puede ser corregido simplemente fijando el tubo de vacío en el lado de la canalización y continuando la infusión por vacío por la línea de vacío opuesta, de un modo activo.

Otro método comprobado para contrarrestar la canalización consiste en infundir preformas con una orientación inclinada, siendo alimentada la resina a la más baja elevación y moviéndola hacia arriba a través de la preforma con vacío a través de lumbreras situadas a la más alta elevación. Por este método, la gravedad ayuda a mantener un nivel constante de fluido en la preforma y ofrece resistencia al flujo de resina, al menos parcialmente. Algunas preformas, tales como las preformas de tricotado por urdimbre multiaxial con fibras unidireccionales en mazos, pueden tener variaciones de la permeabilidad que se produzcan naturalmente, que pueden dar lugar a un más deficiente control del flujo que en las preformas en las que se usen materiales más consistentes, tales como tela de satén de 5 y 8 lizos.

Un ciclo de vacío térmico usado con anterioridad a la infusión hace también mínima la canalización. Aquí, la preforma experimenta la reducción de la voluminosidad (es decir, que es comprimida al mismo tiempo que se elimina el aire de entre las capas) hasta un grosor comprendido dentro de aproximadamente un 10% más que su grosor final. Análogamente, el módulo de la bolsa disminuye a elevada temperatura, en que se alarga más fácilmente, Al alargarse la bolsa, ajusta cada vez mejor al material de la preforma que está por debajo, eliminando todos los puentes de la bolsa, excepto los más graves. En los casos de grave puenteo de la bolsa, como por ejemplo en las discontinuidades alrededor de los elementos de utillaje para los refuerzos por el lado de la bolsa, usamos sellos de látex, ya sea entre las bolsas interior y exterior, o ya sea directamente dentro de la bolsa interior, en la discontinuidad, para contribuir a puentear el espacio de separación. Eliminando el puenteo de la bolsa se evita la canalización y las áreas ricas en resina que se desarrollarían en los lugares puenteados.

Podemos reducir o eliminar esencialmente las marcas dejadas por la bolsa con el uso de materiales de fibra de vidrio impregnada con TEFLON, tejidos en telar apretadamente, semiacartonados, tales como el Taconic 7195 o el CHEMGLAS 1589, como una capa y medio de flujo separados. El bajo perfil reduce al mínimo la voluminosidad y permite un mejor perfilado en relación con las diversas capas de materiales de tela de vidrio. La construcción uniforme de tejido en telar apretado de nuestro medio de flujo, da por resultado una aplicación más uniforme de la presión a través de la preforma, con relación a los materiales tricotados con nudos o a los materiales con grabado de la bolsa. El bajo perfil y la uniformidad del tejido en telar de nuestro medio de flujo hace también posible usar hormas o intensificadores de un modo efectivo, por encima del medio de flujo, para mejorar la suavidad de la superficie de la pieza. La naturaleza semiacartonada del medio de flujo actúa en el sentido de atenuar la transferencia de arrugas de la bolsa y en el respiradero a la pieza obtenida por infusión, incluso en ausencia de intensificadores de la presión o de placas de horma. Cuando se usa nuestro medio de flujo conjuntamente con ciclos térmicos de vacío, bolsas de alto alargamiento, y sellos de látex en torno a las discontinuidades mayores, se eliminan sustancialmente las marcas dejadas, incluso sobre piezas complejas. Las marcas que se dejen pueden originar un debilitamiento local del composite originado por la concentración de esfuerzos.

En nuestro proceso, un respiradero "Airweave M-10" entre nuestras bolsas interior y exterior tiene tendencia a puentear sobre las discontinuidades de la pieza y a plegarse en áreas con exceso de voluminosidad. Para conseguir un ajuste óptimo entre la pieza y la preforma, se colocan el respiradero y la bolsa exterior sobre la bolsa interior con vacío, para asentar el respiradero temporalmente. Se retiran la bolsa exterior y el respiradero. Usualmente, se corta entonces el respiradero y se cose en sisa para permitir un perfecto ajuste. El respiradero, los materiales elastómeros que forman la bolsa exterior, y la red de respiradero pueden usualmente volver a ser empleados.

Por lo tanto, las realizaciones preferidas de nuestro proceso permiten obtener composites de bajo contenido de espacios vacíos, mínima porosidad de la superficie, excelente control del grosor, y alto volumen de fibra. El proceso preferido proporciona un vacío de alta integridad, y elimina la canalización de la resina y el deficiente control del frente de onda. Reduce grandemente las marcas en el lado de la bolsa. Reduce la complejidad de las canalizaciones y mejora la fabricación de composites anchas. Finalmente, nuestro proceso preferido reduce el desperdicio de resina.

Breve descripción de los dibujos

En la Figura 1 se han representado las características preferidas de nuestro sistema de infusión con vacío de doble bolsa, con las bolsas parcialmente recortadas.

La Figura 2 es típicamente una vista en corte transversal de nuestro sistema de infusión con vacío, de doble bolsa, dado en general a lo largo de la línea A-A de la Figura 1.

La Figura 3 es una vista en perspectiva isométrica de un carenado de tubo conformado preferido.

En la Figura 4 se ilustrado un sistema para convertir una línea de vacío en una línea de alimentación, sin introducir aire en la infusión.

La Figura 5 representa un sistema de rociado por robot para aplicar un aglomerante o un producto para comunicar pegajosidad a una preforma.

La Figura 6 es una vista en perspectiva isométrica de una mordaza preferida para sujetar los tubos de vacío para asegurar la integridad del vacío.

En la Figura 7 se han representado las conducciones típicas usadas para la infusión de un panel reforzado con una viga en I.

La Figura 8 es una vista en corte transversal, esquemática, del embolsado para la infusión de un panel reforzado con una viga en I como el representado en la Figura 7.

En la Figura 9 se han ilustrado las conducciones típicas para la infusión de una preforma de hojas que se cortan entre sí.

La Figura 10 es una vista en corte transversal, esquemática, del embolsado, similar al de la Figura 8, para la infusión de la preforma de hojas que se cortan entre sí.

La Figura 11 es una vista en corte transversal, esquemática, del embolsado para un panel de emparedado ("Sandwich") reforzado con una viga de celosía.

Descripción detallada

Por nuestro proceso y con nuestro sistema de moldeo de líquidos se producen estructuras de composite de excelente calidad a bajo coste. El sencillo utillaje, los mínimos requisitos de inversión de capital, la capacidad de procesado por lotes, los altos rendimientos, la capacidad para moldear piezas complejas, y otras características del procesado, hacen que el mismo sea un método extremadamente económico para la fabricación de composite. Además, lo accesible del proceso hace que el mismo pueda acoplarse perfectamente con otras tecnologías avanzadas para el composite, tales como las de cosido, enclavado en Z, curado con haz de electrones, tejidos en telar en 3-D, y curado a baja temperatura. El proceso preferido es especialmente adecuado para fabricar grandes estructuras. Tales estructuras tienen de 14 a 19 m^{2} de área, o más, tales como un cajón de ala, una carrocería de autobús, o un casco de un barco. El proceso es también particularmente adecuado para fabricar grandes estructuras que tengan conjuntos reforzados muy complejos (corrientes en la industria aerospacial para hacer máxima la relación de resistencia a peso), y otros productos únicos que son difíciles, cuando no imposibles, de fabricar usando las tecnologías conocidas de procesado de composite.

Por el proceso preferido del presente invento se persigue:

1.

Reducir significativamente los gastos de fabricación de composite usando para ello material primas de más bajo coste, permitiendo la integración de las piezas, reduciendo los requisitos de inversión de capital, disminuyendo el coste del utillaje, y acelerando el tiempo del ciclo;

2.

Reducir la exposición de los trabajadores a materiales peligrosos;

3.

Mantener los altos volúmenes de fibra necesarios para los composites aerospaciales y conseguir la calidad asociada con las actuales técnicas de procesado de prepregs;

4.

Hacer posible el desarrollo de estructuras de composite avanzadas, únicas, que no se podían conseguir anteriormente; y

5.

Ser de fácil instalación en prácticamente cualquier lugar que se desee, con una mínima inversión.

En las Figuras 1 y 2 se ha ilustrado una realización de nuestro proceso de infusión en vacío de doble bolsa. En las Figuras 3 a 6 se han representado conceptos avanzados de procesado. Un proceso de doble bolsa mejora la integridad del vacío (deseable para infusiones de piezas grandes) y reduce el movimiento del material para embolsar hacia fuera de la preforma, por detrás del frente de onda (es decir, la "relajación"), como el que se produce a veces con una sola bolsa. Los pasos básicos del procesado son:

1.

Selección y Preparación de los Útiles

2.

Fabricación de la Preforma

3.

Embolsado y Conducciones

4.

Desecado en Vacío (Opcional)

5.

Infusión de la Preforma

6.

Curado de la Resina

7.

Desmoldeo

8.

Post-curado (Opcional)

9.

Recortado e Inspección

Analizaremos por separado cada uno de estos pasos, con alguna profundidad.

Selección y preparación de los útiles

Los metales, los composites, el grafito monolítico, el yeso revestido de plástico, la madera, la espuma, los elastómeros, el cartón para modelar, el vidrio, u otros materiales para el utillaje, pueden proporcionar la necesaria integridad del vacío. Los útiles que ocasionen fugas son inaceptables, debido a que entrará el aire en la preforma y en la resina durante el paso de la infusión. Las piezas resultantes tendrán porosidad o espacios vacíos. Los materiales que sean susceptibles de fugas deben ser adecuadamente sellados con anterioridad a su uso. Los útiles son típicamente de un solo tamaño, pero se pueden también usar útiles emparejados. Las piezas pueden ser utilladas para la línea de molde interior o para la línea de molde exterior, en útiles macho o hembra. Preferimos los moldes hembra utillados para la línea de molde exterior, para obtener un mejor acabado superficial. Los moldes de ese tipo permiten procesos de curado simultáneo, para incluir en la estructura elementos de refuerzo internos, tales como larguerillos, mamparos, largueros, y otras características, con unos mínimos requisitos de utillaje. El utillaje para la línea de molde exterior de este tipo permite también moldear componentes de marcos para puertas de acceso en los revestimientos, en los lugares deseados.

Los detalles del utillaje para incorporar características internas en la piezas moldeada se consiguen típicamente usando bloques de aluminio o de otros materiales adecuados que empareden a los elementos de refuerzo deseados para la preforma. Estos detalles de utillaje permiten incluso, convenientemente, la consolidación el recortado limpio de algunas de esas características de la preforma, antes de instalar las características en el molde. El poder consolidar estos elementos de refuerzo con anticipación, facilita el asentado de la preforma, reduce el tiempo total del ciclo, y permite realizar características de precisión sin riesgo de daños para el revestimiento que está por debajo.

Por nuestro proceso pueden moldearse mandriles de sombrero de elastómero partidos, usados para producir hojas perfiladas. Los mandriles de sombrero planos son colados o cortados con chorro de agua de una plancha de caucho. Puesto que las mitades del mandril están hechas de material elastómero, las secciones planas pueden ser forzadas para que sigan contornos con torsión. Con las secciones del mandril de sombrero emparedando al material de preforma, se puede forzar el conjunto para que siga el contorno del revestimiento, de modo que se eliminen los espacios de separación. Con esta técnica se resuelven eficazmente algunos problemas de montaje o de unión que pueden plantearse con utillaje de metal, mecanizado con precisión, más rígido.

Aunque son al menos cuatro veces más caras que un utillaje de aluminio similar, las placas del proyecto de virio PYREX y las barras de utillaje permiten la observación visual directa del frente del flujo de resina a medida que va siendo infundida la preforma. El borde de ataque de un frente de onda de resina tiene una sección transversal en cuña de poco ángulo a través del grosor de la preforma. El proceso de infusión pasa por un proceso de llenado y drenaje cíclico si no se regula el caudal en los tubos de vacío a un caudal bajo, antes del cierre final del tubo. El utillaje de vidrio es valioso para estudiar el proceso de infusión y aprender a controlarlo, debido a que el utillaje permite la inspección visual a lo largo del proceso. El utillaje de vidrio, sin embargo, es probablemente poco práctico para muchos procesos de producción.

Cuando se efectúan curados simultáneos complejos, el utillaje interno para los elementos de refuerzo debe ser situado con precisión en el molde, debido a los requisitos de interfaz típicos en las uniones de elementos físicos. Se pueden usar varias técnicas para situar con precisión el utillaje, incluyendo topes de útiles desmontables, pasadores en regiones de desechos, o localizaciones de pernos, guías de alineación, o imanes de tierras raras de alta potencia para mantener el utillaje en posición. Los curados simultáneos complejos pueden ser efectuados con excelente control dimensional de las diversas características de las piezas.

Cuando se prepara un útil para asentar y embolsar una pieza, aplicamos FREKOTE 700 NC u otro agente de desprendimiento adecuado, para asegurar que la parte moldeada no se quede pegada al molde. Situamos los sellos de las bolsas interior y exterior, los cuales deben estar limpios, libres de acumulaciones de residuos de series anteriores, y, lo que es más importante, protegidos contra su contaminación por el agente de desprendimiento. Para proteger las localizaciones de los sellos de bolsa de las bolsas interior y exterior en el útil, contra la contaminación por el agente de desprendimiento, aplicamos cinta sensible a la presión de 2,5 cm de anchura sobre el útil, en los lugares en que estén los sellos, como una máscara protectora, antes de aplicar el recubrimiento con agente de desprendimiento. Una vez desprendido el útil de la base, se retira la cinta sensible a la presión para dejar al descubierto los lugares para los sellos, libres de contaminante. Después de varios usos podría necesitarse disolvente de limpieza y/o un pulimentador ligeramente abrasivo para las superficies del útil.

Sobre útiles de composite de alto brillo, preferimos raspar ligeramente el útil en los lugares de los sellos para conseguir una mejor adherencia del sellante. También podemos usar técnicas de enmascaramiento inverso, si se desea, para raspar el útil solamente en los lugares de los sellos de la bolsa.

Para reducir al mínimo los dibujos en torbellino en el recubrimiento de agente de desprendimiento y la posible transferencia del agente de desprendimiento desde el útil a la parte moldeada, el agente de desprendimiento deberá ser aplicado frotando a mano hasta que se haya vaporizado todo el disolvente. El frotamiento evita el efecto de "derramamiento de café", por el que las partículas de agente de desprendimiento se agregan en los bordes de las trazas que deja el disolvente al vaporizarse.

Fabricación de la preforma Material de la preforma

Nuestro proceso puede ser usado con esencialmente todos los materiales de preforma, incluidos el cuarzo, carbono a base de PAN, carbono con base de brea, vidrio, carburo de silicio, boro, fibras orgánicas, metálicas, de cerámica, y otras. Las esteras arremolinadas, las fibras cortadas orientadas, las telas cortadas, los tricotados por urdimbre unidireccionales, los tejidos en telar bidireccionales tradicionales, las telas triaxiales, los tricotados por urdimbre multiaxiales, los trenzados en 2D y en 3D, el material tejido en telar 3D, los arrollamientos de filamentos secos o aglutinados (es decir, dotados de pegajosidad), los isorreticulados situados en estopa, híbridos, los refuerzos cosidos, y los refuerzos enclavados en Z, son exactamente algunas de las posibilidades para la preforma. También pueden producirse estructuras de emparedado con espuma, espuma cosida, en panal de abeja embebido, en panal de abeja sellado con película de adhesivo, y núcleos de espuma sintáctica. También cabe la posibilidad de infundir estructuras con piezas de inserción metálicas convenientemente tratadas, para producir estratificados híbridos, tales como los materiales de Ti/Gr de la firma Boeing. Se pueden intercalar láminas delgadas de titanio, atacadas químicamente, perforadas o no perforadas, con preformas de composite para producir localizaciones de alto soporte de carga donde de no hacerse así podrían fallar los composites. Los composites de alta resistencia a los esfuerzos, tales como los mamparos de los helicópteros o las alas de los misiles de despliegue pirotécnico, son ejemplos en los que podría usarse ventajosamente el intercalado de titanio, local o aislado.

También podemos integrar en la estructura materiales especializados, tales como recubrimientos rociados por arco, materiales de erosión por lluvia, planos rectificados conductores, tricotados conductores, tarjetas resistivas, aplicados, microchips, MEMS, cerámicas, antenas, sensores, o películas.

La necesidad de aglomerantes o productos para comunicar pegajosidad

La manipulación, el corte, la conformación y la consolidación de preformas de fibra seca en estructuras de precisión puede ser difícil. El grado de dificultad que se encuentre depende del material de preforma de partida, del proceso de asentamiento, y de las formas que hayan de ser producidas. Algunos materiales de preforma estables (tales como los tejidos en telar 3D, las preformas cosidas, los tricotados por urdimbre multiaxiales, las telas con mucho apresto, y los tejidos en telar delgados apretados), pueden ser usados en estructuras simples sin aglomerantes ni productos para comunicar pegajosidad. Otras preformas (tales como los tejidos en telar 5HS, los tejidos en telar 8HS, los tejidos en telar lisos abiertos, los tricotados unidireccionales, y las esteras de fibras cortadas orientadas) se estabilizan usualmente con aglomerantes y productos para comunicar pegajosidad para eliminar la pérdida de fibra, para permitir un corte en máquinas NC (de Control Numérico) automatizadas, para crear líneas de recorte vivo en asentamientos a la medida, y para evitar una excesiva distorsión del material por la manipulación normal.

La técnica para asentar desempeña también un papel en la determinación de la necesidad de productos para comunicar pegajosidad. Los cilindros de arrollamiento de filamentos y/o los vasos de presión con fibras secas darán por resultado preformas estables que podrían ser obtenidas satisfactoriamente por infusión. Los tubos trenzados y otras formas tendrían preformas estables en muchos casos sin aglomerantes. Los isorreticulados colocados arrollados o en fibras serían también probablemente preformas secas estables. El asentado a mano de la preforma requiere, en general, material aglomerado, como ocurre con el arrollamiento o trenzado complejo de cuerpos cerrados no circulares.

Casi todos los materiales de preforma pueden ser usados sin aglomerantes para producir simples paneles planos o envueltas ligeramente perfiladas, sin dimensionado de capas a la medida. Para la construcción de formas complejas, tales como radomos, conos de cola, envueltas reforzadas integralmente, estructuras profundas, componentes reforzados multidireccionalmente, o estructuras producidas muy a la medida, se requieren productos para comunicar pegajosidad para adherencia del material al utillaje, una consolidación o reducción de la voluminosidad mejoradas, un recorte mejorado, y un mejor control dimensional.

Nuevos materiales y procesos para aglomeración por rociado

Nuestros materiales aglomerantes y procesos preferidos han sido desarrollados a partir de trabajos anteriores para producir prepregs de nuestra especialidad usando un "Proceso de Impregnación por Rociado". Para añadir aglomerante a la tela, se enrolla el material fibroso sobre mesas con un forro de polietileno realzado por debajo, para evitar la contaminación. La tela se alinea en general de modo que las fibras de la urdimbre y de la trama sean rectas y ortogonales entre sí. Se rocía luego la solución de aglomerante sobre la cara expuesta de la tela, aunque se puede rociar por ambas caras si se desea. El rociado puede aplicarse desde una pistola manual o desde una pistola montada en un robot para efectuar un depósito con mayor precisión. Los parámetros del rociado se sintonizan de modo que se depositen sobre la superficie de la preforma cordones de resina finos, uniformemente dispersos, al tiempo que se trata de reducir al mínimo la entrada por efecto de mecha de la resina al interior de la preforma. Al tener cordones de resina sobre la superficie de la tela, en vez de una distribución uniforme de la resina en la preforma, se hace máxima la adherencia entre capas y útiles, al tiempo que se reducen al mínimo las pérdidas en cuanto a permeabilidad de la preforma, el tiempo para efectuar el depósito, y el contenido de aglomerante.

Nuestra solución de aglomerante preferida es típicamente la de un polímero semisólido disuelto, que sea compatible con la resina que haya de ser infundida a continuación dentro de la preforma. Estos semisólidos tienen típicamente viscosidades a la temperatura ambiente comprendidas entre 250.000 y 1.000.000 centipoise. El material semisólido deberá tener alta pegajosidad a la temperatura ambiente, o bien deberá ser capaz de desarrollar pegajosidad cuando se caliente suavemente. Además, el semisólido deberá licuarse sin un curado adicional significativo cuando se caliente durante un procedimiento de desecado en vacío. La licuefacción del aglomerante aplicado con el calor permite que el aglomerante penetre por efecto de mecha en la preforma cuando la pegajosidad no sea ya importante para conseguir una colocación en posición apropiada. La acción de penetración por efecto de mecha del aglomerante en la preforma mientras está bajo la presión de la bolsa permite una consolidación adicional del asentamiento. Si la resina no avanza apreciablemente en su grado de curado durante el procedimiento de desecado en vacío con calor, o bien durante posibles operaciones de infusión a elevada temperatura, puede ser capaz de ligarse químicamente con, o ser disuelta en, la resina de la infusión. Los sistemas de aglomerante que avancen significativamente (es decir, que ya sea curen parcialmente o ya sea que empiecen a entrecruzarse) con anterioridad a la infusión, solamente pueden formar ligaduras mecánicas relativamente débiles con la resina de la infusión. Se ha puesto de manifiesto que los aglomerantes de un alto grado de curado rebajan algunas propiedades del composite en hasta un 10%.

Nosotros preferimos la resina 5250-4-RTM BMI (bismaleimida) de la firma Cytec Fiberite, como aglomerante para infusiones de la 5250-4-RTM BMI. Tales infusiones, sin embargo, requieren altas temperaturas, que aumentan su dificultad. Nosotros preferimos la resina semisólida éster de cianato (CE) M-20, de la firma CIBA, como aglomerante para infusiones con materiales de éster de cianato tales como los EX-1545, EX-1545-1, y EX-1510, de la firma Bryte Technologies. Para infusiones con resinas con base de epoxi de baja viscosidad, preferimos aglomerantes semisólidos con base de epoxi, tales como los PR 500, 3501-6, 3502, 977-3 y FM 300.

Una formulación catalizada típica de la solución de aglomerante de éster de cianato M-20 incluye:

M-20 semisólido	78,597% en peso
Acetonato de Acetil Cobalto (CoAcAc)	0,086% en peso
Dinonil Fenol	1,572% en peso
MEK (Metil Etil Cetona)	19,745% en peso

Para obtener la solución de aglomerante M-20, se mezclan el CoAcAc, el dinonil fenol, y una pequeña cantidad de MEK, durante varias horas, con un agitador magnético, en un recipiente sellado. El largo tiempo para el mezclado se requiere para disolver el CoAcAc en la solución. Esta sal órgano-metálica tiene regímenes de solubilidad relativamente bajos, y requiere una significativa cantidad de tiempo para disolverse. Después se calienta la resina semisólida M-20 en una estufa de convección a una temperatura comprendida entre 49 y 66ºC. A estas temperaturas, en la condición de no catalizada, la M-20 se hace lo suficientemente fluida como para ser dispensada fácilmente desde su recipiente sin esencialmente avance alguno de la resina en cuanto a su grado de curado. Una vez dispensada la resina, se añade entonces la totalidad del disolvente MEK a la resina M-20. La resina se disuelve en el MEK utilizando para ello un crisol para mezcla neumático sellado que impide la vaporización súbita del disolvente. Una vez se haya disuelto uniformemente la M-20 se añade a la mezcla de base la solución catalítica de CoAcAc, dinonil fenol, y MEK. Luego se mezcla la solución en el mismo recipiente sellado durante varias horas, para mezclar y disolver aún más el catalizador al tiempo que se evita la vaporización súbita del disolvente. La solución resultante es de color verde oscuro y tiene una vida en almacén de al menos un mes, si se almacena sellada, a la temperatura ambiente, sin exposición a la humedad. Si falla la dispensación con calor de la M-20 desde su recipiente puede producirse como resultado la cristalización de la solución de aglomerante. La cristalización se detecta fácilmente observando que la solución se pone de un color de guisante, verde claro.

Técnicamente aparece como viable una solución de aglomerante M-20 simplificada y posiblemente mejorada. El éster de cianato M-20 no catalizado puede ser curado térmicamente a temperaturas superiores a 120ºC. Puesto que las resinas para infusión de éster de cianato curan típicamente a una temperatura de 175ºC, y frecuentemente se requieren temperaturas posteriores al curado más altas, podría esperarse el curado de la M-20 en ausencia de cualquier catalizador. El catalizador usado para las resinas para infusión de éster de cianato puede también catalizar, probablemente, a la resina aglomerante M-20, dado que la química que interviene es similar, y la relación de la resina de la infusión a la resina de aglomerante es relativamente alta. La catálisis por la resina para la infusión de la resina aglomerante parece probable, dado que las resinas para infusión pueden disolver las pequeñas islas de resina M-20 y tiene lugar un mezclado estático significativo al percolar la resina para infusión a través de la preforma. La combinación de curado térmico de la M-20 y la catálisis por la resina para la infusión del aglomerante sugiere que las soluciones de aglomerante pueden formularse sin la adición de los catalizadores dinonil fenol y el CoAcAc.

Eliminando estos componentes de la solución de aglomerante, se obtienen varios beneficios en potencia. La solución de aglomerante puede hacerse significativamente en menos tiempo (tal vez en una décima parte del tiempo) que se necesita actualmente para producir la versión catalizada. Es probable que la solución resultante tenga una vida en condiciones de envasada mucho más larga, quizás de hasta 6 meses. Las preformas aglomeradas deberán tener tiempos de trabajo más largos a la temperatura ambiente, en relación con la versión catalizada, y vidas en almacén más largas. El material más latente deberá también tender a avanzar menos que la versión catalizada al ser sometido a ciclos de reducción de la voluminosidad térmicos, o a procesos de desecado en vacío térmicos. El grado reducido del curado significa que el aglomerante puede mezclarse más fácilmente con la resina para la infusión. El bajo grado de curado de los aglomerantes jamás deberá bloquear la preforma en una condición de deficientemente consolidada, lo que impediría que se consiguiesen altos volúmenes de fibra durante el proceso DBVI.

Una formulación típica para la solución de aglomerante 5250-4-RTM BMI es:

Resina 5250-4-RTM BMI	80% en peso
MEK (Metil Etil Cetona)	20% en peso

Para formular esta solución de aglomerante, se calienta la resina 5250-4-RTM BMI y se dispensa típicamente desde una lata de 19 litros, usando un dispensador de masa fundida caliente Graco. Se calienta la resina a una temperatura comprendida entre aproximadamente 110ºC y 132ºC antes de dispensarla. A esas temperaturas, la BMI avanzará lentamente a lo largo de un período de tiempo de aproximadamente 3 horas. Puesto que se puede completar la operación de dispensación en menos de 15 minutos, el avance de la resina que se produce es insignificante. El avance es también insignificante durante el ciclo de desecado en vacío térmico. Una vez que haya sido dispensada la resina dentro de un crisol de mezcla por vacío y que se haya enfriado ligeramente, se añade disolvente MEK a la resina. La resina se disuelve en el soporte disolvente usando un agitador accionado neumáticamente en un recipiente sellado. Se usa la agitación neumática para evitar condiciones potencialmente explosivas que podrían producirse con mezcladoras eléctricas. Una vez que se haya disuelto la resina, la solución de aglomerante BMI está lista para ser usada.

Otra forma de abordar la obtención de soluciones de aglomerante 5250-4-RTM BMI consiste en dispensar resina en una lata de 4,2 litros, o equivalente, usando la técnica de dispensación de masa fundida caliente. Después se enfría la resina hasta la temperatura ambiente para resolidificación. Se añaden después a la lata bolas de cerámica o de acero inoxidable. Se sella la lata y se coloca en un molino que haga rodar las bolas o en un agitador de pintura durante un breve período de tiempo. Los impactos de las bolas hacen que la resina semisólida frágil se pulverice en forma de un polvo fino con un factor de voluminosidad mucho más alto. La resina molida puede ser mantenida sellada y congelada en la lata hasta que se necesite para obtener la solución de aglomerante, o bien puede ser usada inmediatamente. El aumento del área superficial de la resina permite que el disolvente MEK disuelva a la resina aglomerante más rápidamente de lo que es posible con un simple mezclado neumático de unas grandes secciones de resina en masa, solidificada, con disolvente. Una vez añadido el disolvente, se requiere poco mezclado adicional. La solución puede ser filtrada a través de filtros desechables para separar las bolas utilizadas para la molienda y cualesquiera otros objetos extraños.

Aunque las formulaciones que se han dado especifican el uso de MEK para disolver la resina, se pueden usar otros disolventes o diluyentes tales como la acetona, la N-metil-pirrolidona (NMP), la metil isobutil cetona (MiBK), el agua, diluyentes reactivos y otros. Se pueden hacer cambios de diluyente para modificar las características del rociado y aumentar la pegajosidad a la temperatura ambiente de las resinas aglomerantes semisólidas de baja pegajosidad rociadas. Se puede conseguir la retención de disolvente en el aglomerante rociado mediante el uso de disolventes de más baja volatilidad (es decir, de disolventes de más baja presión de vapor a la temperatura ambiente) o de disolventes que tengan una más alta afinidad para con el material de resina dado. El disolvente retenido en el aglomerante aplicado plastifica la resina y aumenta típicamente las características de pegajosidad a la temperatura ambiente de las resinas de baja pegajosidad. El disolvente contenido en los materiales de preforma aglomerados puede ser subsiguientemente retirado, antes de la infusión de la resina, durante los procedimientos de desecado en vacío con calor.

El contenido de polímero semisólido en las soluciones de aglomerante estará típicamente comprendido en la región del 70 - 90% en peso, y será generalmente del 80% en peso. Las viscosidades del rociado varían entre 100 y 500 centipoise. Las soluciones de aglomerante son considerablemente más espesas que muchos materiales de rociado. Las más altas viscosidades y el alto contenido de sólidos actúan en el sentido de hacer máximos los rendimientos de la transferencia, conseguir la dispersión de las gotitas en vez de una fina neblina, reducir al mínimo las emisiones de disolvente, e impedir que la resina migre y moje la tela. Mientras las soluciones efectúan el recorrido desde la pistola hasta la superficie de la preforma, el disolvente (el plastificante) se vaporiza súbitamente y la resina que queda se hace más viscosa, dado que tiene menos plastificante. Las gruesas gotitas no pueden penetrar por efecto de mecha apreciablemente en la tela cuando hacen contacto con ella. Los rendimientos de la transferencia son del orden del 50-60% en los procesos de rociado sin aire, ayudados con aire, típicos. Estos rendimientos pueden ser aumentados potencialmente hasta más del 90% con el uso de tecnologías de rociado electrostático de líquido.

El contenido de aglomerante en la tela varía típicamente entre el 1 y el 10% en peso, aunque es más típico que varíe entre el 3 y el 7% en peso. Las telas de peso más ligero, tales como la 5HS, necesitan en general contenidos más altos de aglomerante que para las preformas más gruesas, tales como las tricotadas por urdimbre multiaxiales, debido a que la pegajosidad está más relacionada con el área superficial que con el volumen o el peso de la preforma. Las preformas con un contenido de aglomerante superior al 15% en peso pueden resultar mojadas y crear problemas de permeabilidad durante la infusión de la resina.

Los materiales para la preforma se aglomeran típicamente en hojas. Una vez que la mayor parte del disolvente se haya vaporizado después de ser aplicado, se coloca entonces película de polietileno realzada sobre la preforma aglomerada. Las hojas de polietileno pueden cortarse manualmente con plantillas o con cuchillas controladas numéricamente automatizadas sobre grandes lechos de vacío, para producir las capas requeridas. El material aglomerado puede ser arrollado manualmente en tubos de cartón de gran diámetro, sellado con bolsas Mil-B-131, y metido en un congelador mantenido a una temperatura de aproximadamente -18ºC. Antes de retirar el material aglomerado de las bolsas congeladoras Mil-B-131 para su uso, se debe calentar el material hasta las condiciones ambiente, para evitar que el agua se condense sobre la preforma aglomerada.

Para economizar aglomerante, se pueden aglomerar, si se desea, capas individuales de material en vez de hojas de preforma. A veces se puede obtener mejor un ajuste preciso para las capas en los moldes para asentar usando tela seca, sin aglomerante. El aglomerante puede ser aplicado después moldeando para ayudar a la adherencia al molde o a las capas que estén por debajo. El uso de tela seca es de particular utilidad cuando no hayan sido desarrollados patrones planos y se requiera un montaje a base de ensayos y corrección de errores con estrechas tolerancias.

Los materiales aglomerantes y los procesos fueron desarrollados principalmente para aplicación de rociado fuera de la línea, sobre el material de preforma. No obstante, los materiales aglomerantes y el proceso de aplicación de rociado pueden usarse durante el asentado de la preforma. Si se necesita pegajosidad adicional en un área dada, el aglomerante que se necesite puede ser aplicado localmente. El asiento de primeras capas de preforma sobre utillaje perfilado, los empalmes de capas con uniones a tope, los sensores embebidos, y la sujeción en posición de detalles de refuerzo, son ejemplos en los que es útil en los que es útil la aplicación de aglomerante en el molde en la línea. En las estructuras trenzadas o arrolladas en seco, podría comunicarse pegajosidad a la preforma periódicamente sobre los mandriles, a medida que se fuese acumulando el material fibroso. Haciéndolo así se eliminaría la necesidad de aplicar aglomerante a material de estopa continua individual, y permitiría que el material de estopa fuese usado sin almacenamiento en congelador, sin limitaciones de vida en almacén, y sin que se formasen depósitos de goma en el equipo de entrega. Las roturas de la estopa en los carretes de impregnación de estopa pueden ser corrientes cuando haya una excesiva pegajosidad entre las envolturas sobre el carrete. También podría esperarse un cierto número de roturas, en menor cantidad, con estopa aglomerada sobre carretes. Por consiguiente, aplicando aglomerantes a material de estopa sobre el mandril en vez de a la estopa empaquetada en el carrete, se pueden evitar roturas de fibras, a la vez que se proporciona estabilidad a la preforma. Los espacios de separación vacíos de estopa que se producen con impregnaciones de estopa pueden ser eliminados cuando las preformas trenzadas o arrolladas en seco o aglomeradas son infundidas usando el proceso del presente invento. También se evitan las dificultades que lleva asociadas el arrollamiento en húmedo y el trenzado en húmedo.

Para rociado con robot del aglomerante sobre la preforma (Figura 5), se carga la solución de aglomerante en un crisol a presión 501 con un forro de polietileno desechable. Se instala la tapa 502 y se fija a presión. Se conecta una tubería flexible de entrega de fluido 503 al tubo de captación 504 dentro del crisol a presión. Se inyecta a través de la línea 505 nitrógeno, o aire seco, a una presión regulada, para poner a presión el crisol y obligar a la resina a entrar en el tubo de captación y en la línea. El crisol a presión tiene válvulas de alivio de la presión para evitar sobrepresiones y para sangrar la presión del crisol para quitar o añadir resina. Próximo a la pistola 506 se instala un regulador para controlar la presión del fluido que esté siendo entregado. Mediante el control de la presión del fluido en la pistola se controla el caudal volumétrico a través de la boquilla de rociado de la pistola. La instalación del regulador próximo a la pistola elimina cualquier influencia de caída de presión debida a la longitud de la tubería flexible, al diámetro de la tubería flexible, o a la altura del brazo del robot. Para controlar los caudales se necesita controlar también la boquilla. Ligeras variaciones en la fabricación del orificio de la boquilla pueden dar por resultado diferentes caudales de líquido. Las boquillas de un tipo dado son examinadas y clasificadas por su uniformidad, y se usan exclusivamente para rociar la resina empleada como producto para comunicar pegajosidad. El control de la boquilla y la regulación de la presión del fluido en la pistola se combinan para obtener caudales volumétricos regulares y repetibles a través de la boquilla. También se regula y se controla la presión de pulverización con la ayuda de aire a través de la línea 507, para obtener una dispersión regular del rociado desde la boquilla.

El robot 508 lleva la pistola y está programado para recorrer a través de la preforma con una separación constante de la preforma 509 y con una velocidad controlada. El rociado desde la boquilla tiene típicamente un patrón en abanico plano. La mayor parte del material rociado se deposita en el centro del ventilador, disminuyendo gradualmente las cantidades que se entregan hacia los bordes del abanico. Para compensar esa distribución no uniforme del abanico de rociado, se programa el robot para que solape en pasadas adyacentes, para hacer uniforme la distribución. La graduación típica del paso es de ¼ de la anchura del ventilador.

El acoplamiento de todos los controles juntos da por resultado un depósito regular y uniforme de aglomerante sobre la preforma. Las pruebas de control de calidad se efectúan al principio del proceso para asegurar que el aglomerante es entregado como se desea. Variables de ruido pueden influir en los contenidos de aglomerante que se obtengan. Para compensar los ruidos, se puede ajustar la velocidad del robot. El robot puede producir hojas de preformas aglomeradas de hasta 1,5 metros de anchura y de 6 metros de longitud, usando una cabina de rociado, un alcance del brazo del robot, y un movimiento transversal del robot, apropiados.

Se pueden aglomerar económicamente grandes volúmenes de materiales de preforma en anchos grandes, enrollados o en carretes. Con un sistema en el que se disponga de rodillos de alimentación y de rodillos de toma, de una zona de rociado, y de una zona de vaporización súbita del disolvente se pueden producir, con buen rendimiento, materiales aglomerados a bajo coste, con forros con respaldo de poli o de papel, o posiblemente sin forros.

Para estructuras de composite curadas simultáneamente, es necesario aumentar los valores de la resistencia a la tracción y a la cizalladura entre los elementos de refuerzo y el revestimiento que esté debajo. Con altas resistencias, no se requieren usualmente elementos de sujeción de malla de alambre. Eliminando la instalación de elementos de sujeción se obtienen como resultado significativas reducciones del coste. La colocación de adhesivos de alta resistencia al despegue entre el revestimiento y los elementos de refuerzo hace máximos los valores de la resistencia de la unión del revestimiento con el refuerzo. No obstante, se pueden desarrollar probablemente resinas aglomerantes de alta resistencia al despegue para aplicación localizada en esas zonas críticas. Los aglomerantes emularían el efecto de la película adhesiva, pero proporcionan la necesaria permeabilidad para el flujo de la infusión de resina.

Según la mayoría de las tecnologías de uso de aglomerante, se emplean actualmente resinas en polvo que carecen de pegajosidad a la temperatura ambiente. Aunque se hacen pegajosas cuando se calientan, las vidas en el crisol de estos aglomerantes son generalmente cortas a elevadas temperaturas de la infusión. Los aglomerantes pueden avanzar tanto en su curado que no puedan ser ligados químicamente con, o disolverse en, la resina de la infusión, de modo que el mecanismo de ligadura primario tiende a ser mecánico en vez de químico. Los aglomerantes en polvo no tienden de por sí a una distribución uniforme sobre la preforma. La adherencia del polvo a la preforma puede ser relativamente débil, dando por resultado pérdidas de material y residuos de polvos de materias extrañas en el área del asentado. Además, es difícil controlar la cantidad de polvo que se deposita. El depósito electrostático de polvo aplica un exceso de polvo que debe ser sacudido de la preforma antes del su uso. Los depósitos de polvo tienden hacia un nivel de contenido de aglomerante natural que es difícil de alterar para llevarlo a niveles más deseados. En muchos casos, las características de bajo flujo de estos sistemas en polvo pueden impedir la consolidación requerida para conseguir contenidos de fibra de "grado aerospacial". Su baja pegajosidad a la temperatura ambiente, su baja adherencia a la preforma, su potencial de FOD (residuos de materias extrañas), su deficiente ligadura química, su inadecuado control del contenido de aglomerante, su difícil automatización, sus restricciones de consolidación de la preforma, y otras condiciones, hacen que los aglomerantes en polvo sean de uso mucho menos deseable. Nosotros preferimos soluciones de aglomerante y técnicas de rociado de aglomerante líquido.

Montaje y construcción de la preforma

En el proceso de asentado a mano, una preforma acabada consiste típicamente en múltiples capas de materiales fibrosos cortadas, apiladas con las orientaciones deseadas, y sometidas a una operación para reducir su voluminosidad. Se pueden fabricar subconjuntos de preforma fuera de la línea para su posterior instalación en la preforma final. Las preformas pueden montarse con materiales de fibra seca, o con materiales aglomerados para mejor integridad y consolidación. Las preformas acabadas pueden hacerse de materiales de fibra seca, materiales de fibra aglomerada, o bien de una combinación de material seco y material aglomerado, dependiendo de los requisitos que se impongan a las piezas. Las preformas pueden también incorporar gran diversidad de otros materiales, incluidas espumas, "panal de abeja", prepregs, adhesivos en película, metales, cerámicas, sensores, y otros materiales especiales.

Hablando en términos generales, se ha de poner más cuidado cuando se manejen preformas secas o aglomeradas, en relación con los materiales de prepregs tradicionales. Por otra parte, las preformas secas aglomeradas requieren típicamente menos pasos, para reducir la voluminosidad en vacío. que las prepregs. Para configuraciones geométricas sencillas, toda la pila de capas de material de preforma alzadas puede ser sometida a reducción de su voluminosidad en vacío, de una vez, a la temperatura ambiente. A medida que vaya aumentando la complejidad, el perfilado, las características y el grado de determinación a la medida del grosor de las piezas, se requieren pasos adicionales para la reducción de la voluminosidad en vacío durante el alzado de las preformas.

En los materiales aglomerados se efectúa la reducción de su voluminosidad en vacío, a la temperatura ambiente, para producir preformas con aglomerante blandas. Típicamente, las preformas con aglomerante blandas deben permanecer en el útil de conformación para que conserven la forma, pero a veces pueden ser recortadas con precisión para operaciones de moldeo netas. Las "preformas con aglomerante blandas" consolidadas tienden a experimentar una cierta recuperación elástica y tienden a expandir su grosor ligeramente cuando se retiran de una bolsa de vacío. La cantidad de "recuperación elástica" después de la consolidación depende de la pegajosidad del aglomerante, del contenido de aglomerante, y de otros factores.

Los materiales aglomerados pueden ser también sometidos a reducción de su voluminosidad en vacío a altas temperaturas para producir "preformas semirrígidas". La rigidez generada durante el proceso de reducción de la voluminosidad con calor da por resultado el avance del grado de curado del aglomerante y/o la eliminación de disolvente. Al tener más rigidez y más estabilidad, estas preformas semirrígidas permiten un recortado de precisión simplificado. Se pueden retirar detalles del utillaje de soporte si se manejan cuidadosamente. Se necesitan menos útiles para reducir la voluminosidad para producir preformas semirrígidas dimensionalmente estables que puedan ser almacenadas temporalmente. Las preformas semirrígidas permanecen permeables y se puede infundir en ellas resina de un modo efectivo.

La preforma alzada final deberá ser sometida a reducción de su voluminosidad, en la mayoría de casos, antes de las operaciones de embolsado y conducción requeridas para la infusión de resina. Esta reducción final de la voluminosidad de la preforma permite que las capas se aplanen y crezcan en su plano sin interferencia con los sellos de los bordes, y proporciona un mejor punto de partida para el asentado de los componentes de la bolsa interior.

Embolsado y conducciones

Nuestro proceso preferido de "doble bolsa" da por resultado una superior integridad del vacío. El sello de la bolsa interior queda cubierto por la bolsa exterior. La bolsa interior no puede despegarse del sello de la bolsa interior tan fácilmente, debido a que queda bloqueado en su posición por la bolsa exterior. Además, la bolsa interior está completamente aislada y encerrada para protegerla contra daños. Si se desarrolla una pequeña fuga en la bolsa interior, el sistema continuará actuando, dado que el vacío que hay dentro de la bolsa exterior impedirá que entre aire en la bolsa interior.

Para conseguir una todavía mayor integridad del vacío, ambos sellos, el de la bolsa interior y el de la bolsa exterior, están en general encintados, sujetos con cintas sensibles a la presión, para evitar que se desprendan de la bolsa. Se usa a veces el proceso de desecado en vacío con calor para curar parcialmente los sellos de látex fuera de la línea con anterioridad a la infusión del líquido. El precurado endurece el sello. Si se detecta una fuga antes de proceder a la infusión, la misma puede ser fácilmente reparada sin que resulte afectada la pieza. Se puede producir un fallo de un sello inesperadamente durante el calentamiento inicial cuando se reblandezca el látex por el calor y antes de que haya transcurrido el tiempo suficiente para que cure significativamente. Usando un proceso de desecado en vacío con calor antes de infundir la resina, los sellos de látex pegajosos son probados y ligados por curado a las bolsas, de modo que no es probable que se produzca fallo del sello durante la infusión del líquido. El curado de los sellos de elastómero hace también que éstos sean menos susceptibles de ser atacados por la resina y de la posible contaminación de la resina y de la preforma. Además de mejorar la integridad del sello, el proceso de desecado en vacío con calor sirve para eliminar cualesquiera volátiles que haya en la preforma, asienta las bolsas, y mejora la consolidación con anterioridad al paso de infusión.

Unas conducciones simplificadas para suministrar la resina y el vacío reducen las fugas de vacío. Un enfoque preferible para establecer las conducciones consiste en entregar la resina y el vacío a la pieza por tubos que pasen a través de los sellos de látex de la bolsa. Con una entrega por un tubo a través del sello, no se requieren racores especiales ni perforaciones de los útiles que pudieran limitar el uso del útil para otras aplicaciones. Se pueden usar diversidad de tubos. Los tubos, sin embargo, deben ser químicamente inertes, capaces de soportar el procesado térmico, no aplastarse por la acción del vacío, y proporcionar un sellado efectivo con el sellante de látex al que atraviesen. Los tubos deberán ser además lo suficientemente flexibles como para poder ser fijados externamente, repetidamente, sin agrietarse. Deberán tener una memoria repetible suficiente para recuperar una posición abierta después de haber sido retiradas las mordazas externas, de modo que no se requieran válvulas en la línea ni racores adicionales. Los tubos deberán ser claros (ópticamente transparentes), o al menos traslúcidos para que permitan la observación directa del flujo de resina. Los tubos de polietileno, de polipropileno, de nilón y de TEFLON cumplen la mayor parte de los requisitos, pero hemos comprobado que los tubos de TEFLON son los óptimos para la manipulación de resinas a más alta temperatura, que curen a 177ºC ó a mayor temperatura. Los tubos de TEFLON incluyen los tipos de fluoropolímeros ETCFE, PTFE, FEP y PREFORMAA. En nuestro proceso mejorado, un ataque químico económico de los tubos de TEFLON hace máxima la adherencia de los sellos de látex a los tubos. También aplanamos elípticamente los tubos en los lugares de los sellos, usando un proceso térmico de elevada temperatura y un útil de fijación con mordaza calibrada para reducir al mínimo las posibles fugas que resulten como consecuencia de que las presiones en la línea del tubo corten a través de los blandos sellos de látex.

Los esfuerzos externos ejercidos sobre la resina y sobre los dispositivos para conducción del vacío pueden también originar fugas. Esos esfuerzos pueden ser introducidos durante las operaciones de manipulación, de fijación con mordazas, o de paso por válvulas. Por nuestro proceso preferido se hace uso de dispositivos para alivio de las deformaciones aplicados a los tubos por donde salen éstos del sello de la bolsa exterior, para proteger las interfaces críticas de sello con tubo contra esfuerzos excesivos. Ni siquiera una descuidada manipulación de los tubos degradará la integridad del sello.

Algunos líquidos (es decir, resinas) infundidos en las preformas, son lo suficientemente reactivos como para atacar agresivamente a la bolsa interior cuando entran en contacto directo con los materiales de embolsar. Para evitar tal ataque y la consiguiente pérdida de vacío, ponemos una película de barrera inerte, tal como la FEP A4000 o la WL5200 (de la firma Airtech International) entre el medio de flujo u la bolsa interior. La contención de la resina en la preforma mediante sellos de látex simplifica también el asentado de la película de barrera e impide el ataque a la bolsa interior por el perímetro de la bolsa interior, por donde no está protegida con la película de barrera.

La alta integridad del vacío que se puede conseguir con nuestro proceso ayuda a que se obtengan regularmente composites de bajo contenido de espacios vacíos, mínima porosidad superficial, excelente control del grosor, y alto volumen de fibra.

Para hacer un simple panel plano, la preforma de la bolsa de vacío en la que se ha reducido la voluminosidad se embolsa y se dota de conducciones óptimamente como se ha ilustrado en las Figuras 1 y 2. Se aplica sellante de bolsa 2 y 3 para las bolsas interior y exterior sobre el útil 1 en las áreas enmascaradas con respecto al agentes de desprendimiento para separar idealmente las bolsas a aproximadamente 7,62 cm. Análogamente, las separaciones del sello de la bolsa interior y la pared del contención del borde o preforma deberá ser también de aproximadamente 7,62 cm. Esta separación protege a la bolsa interior 62 (Figura 2) contra posible ataque a la bolsa con sistemas de resina químicamente agresiva cuando se usen conjuntamente con un forro 61 de película de barrera inerte. Hay disponibles en el comercio muchas opciones de sellante de bolsa de látex, tales como el Scheene Morehead 5127. El respaldo de papel sobre la parte superior del sellante se deja en posición como una protección contra la contaminación, hasta que se instalen las bolsas o los tubos. Se ha de poner cuidado al instalar el sellante para evitar que quede aprisionado aire entre el sellante y el útil. El sellante se enrolla con el papel de respaldo superior en posición, para mejorar el asiento del sello, al tiempo que se evita la contaminación del sello. Los sellantes deben ser usados dentro de la vida en almacén que tengan asignada, y han de ser mantenidos protegidos contra la humedad o la exposición al disolvente con anterioridad a su uso. Los sellantes viejos pueden tener una pegajosidad insuficiente y pueden formar espuma durante el curado de la pieza, debido a la humedad o a los disolventes que hayan absorbido. Ambos fenómenos reducen la integridad crítica del sello requerida.

Sobre la preforma en la cual se ha reducido la voluminosidad se tiende un material 59 de capa para despegue porosa, finamente tejida en telar. El material de capa para despegue puede ser poliéster, nilón, vidrio recubierto de un agentes de desprendimiento adecuado, tal como el FREKOTE, o bien la fibra de vidrio impregnada con TEFLON. Típicamente, se usa la fibra de vidrio impregnada con TEFLOS, tal como la CHR3, debido a sus superiores características de desprendimiento y a un fino acabado de su superficie. Los materiales de capa para despegue tienen en general menos de 127 \mum de grueso y, más típicamente, tienen de 50 a 76 \mum. La capa para despegue se termina en general aproximadamente a 6,35 mm de los dos lados de la preforma que discurren paralelos a la dirección del flujo, aunque son posibles otras distancias de separación. La capa para despegue en los extremos de suministro de resina y de toma de vacío pueden estar enrasados con los extremos de la preforma, o bien pueden extenderse ligeramente más allá del extremo, en cuyo caso son recogidos por encima o por debajo de los resortes arrollados en espiral 5 y 6 (Figura 1).

Después se tiende el medio de flujo 60 sobre la capa para despegue 59 (Figura 2). El medio de flujo debe ser de un material de bajo perfil que tenga una alta permeabilidad uniforme con relación a la preforma, tal como de fibra de vidrio tejida en telar abierta, material de malla de tamiz, mallas de tamiz metálicas tejidas en telar, esteras de fibra de vidrio cortada. El medio deberá tener caída para perfilar, tener potencial de contaminación para con la resina de la infusión, proporcionar una adecuada rigidez para evitar que la bolsa deje marcas en la pieza, y superar el ciclo de curado requerido. Los materiales de fibra de vidrio de tejido en telar abierto, impregnada con TEFLON, tal como el Taconics 7195 ó el CHEMGLAS 1589 de la firma Chemfab, se comportan particularmente bien como materiales de medio de flujo. Los materiales de fibra de vidrio impregnada con TEFLON tienen aproximadamente 500 \mum de grueso, tienen una estructura de tejido en telar uniforme, son químicamente inertes, y son resistentes a temperaturas de hasta 315ºC. Su naturaleza algo acartonada (rígida) permite perfilar y doblar, pero sirve también para evitar que la bolsa deje marcas. Su permeabilidad ayuda a controlar el frente de onda de la resina de la infusión, e impide la formación de espacios vacíos aprisionados durante la infusión, pero puede crear problemas para infusiones con resinas que sean de muy altas viscosidades o de tiempos de trabajo limitados, antes de espesarse. Para aumentar la permeabilidad del medio, sin dejar de conservar las características de alimentación uniforme y de reducción de las marcas dejadas, se pueden poner sobre la fibra de vidrio impregnada con TEFLON materiales de más alta permeabilidad. Una opción es la de usar Taconics 8308, más grueso, o simplemente más Taconics 7195 sobre el Taconics 7195, para crear una combinación de medio de flujo más permeable que acelerará espectacularmente los regímenes de infusión y permitirá el procesado de sistemas de resina más viscosos.

El medio de flujo se coloca típicamente, directamente sobre la capa para despegue y se recoge en los extremos bajo los resortes arrollados en espiral 5 y 6. Al recogerlo, se permite un buen acoplamiento de la alimentación de resina desde el resorte al medio de flujo, y también se permite que el resorte sea fácilmente retirado de la pieza después del curado, sin originar separación de capas en los bordes. El medio de flujo puede terminarse sobre la preforma antes del resorte de toma de vacío para enderezar el frente de onda y para corregir las pequeñas canalizaciones de la resina. La velocidad del frente de onda de la resina se reduce cuando éste encuentra a la caída para medio de flujo, debido a la más alta resistencia. Esta reducción de la velocidad en las áreas canalizadas permite que las partes que se retrasen del frente de onda todavía en el medio de flujo alcancen a emparejarse en las zonas canalizadas, de modo que el frente de onda proceda uniformemente a través del medio de flujo y se aproxime al resorte arrollado en espiral al mismo tiempo.

Los resortes de acero arrollados en espiral (901 y 902, Figura 9), usados para alimentación a y toma de los extremos de la preforma, se sitúan típicamente sobre los bordes largos de la preforma para reducir al mínimo la longitud del flujo de resina a través de la preforma. Los resortes se colocan usualmente inmediatamente adyacentes al borde de la preforma, pero pueden colocarse también encima de la preforma en los extremos, si se quieren prever para la parte final más recortes de desechos. Los resortes tienen sustancialmente la misma longitud que la del borde de la preforma. Puesto que a veces se usan lubricantes para ayudar a arrollar los resortes y evitar la corrosión, éstos deben ser limpiados con disolvente, como el MEK, en un tanque de enjuagar., desengrasados con vapor, o bien limpiados con un producto alcalino, para evitar posible contaminación. Los resortes pueden ser recocidos, o bien hacerlos de metales blandos, tales como de aluminio o de cobre.

Puesto que la toma de resina no deberá exceder del suministro de resina, se usan típicamente resortes más grandes, arrollados de un modo más suelto en el extremo de alimentación de la preforma que en el extremo de vacío. Algunas especificaciones de resortes típicas para los extremos de alimentación y de vacío de la preforma son:

Alimentación

9,5 de diámetro exterior, de Alambre de Acero para Resortes de 0,8 mm de Diámetro, 4 Espiras/cm, Tratado por Calor

Vacío

6,4 mm de diámetro exterior, de Alambre de Acero para Resortes de 0,8 mm de Diámetro, 6 Espiras/cm, Tratado por Calor

Se ha comprobado que los resortes de acero soportan los requisitos de temperatura de curado y no se aplastan bajo la presión de la bolsa de vacío. La configuración en espiral de los dispositivos de entrega y de toma de resina producen un borde de la preforma suavemente perfilado. En vez de los resortes se puede usar tubo perforado, tubo cortado en espiral, cintas metálicas arrolladas en espiral, o pequeñas cadenas. Debido a posibles reacciones desbordadas con resina termoendurecedora catalizada en masa, los diámetros admisibles de los resortes pueden ser limitados de modo que no sean superiores a aproximadamente 13 mm de diámetro exterior.

Después de que hayan sido instalados los resortes de alimentación y de toma de vacío, se sella preferiblemente la preforma 51 (Figura 2) a lo largo del borde con un sellante de látex 52. El látex deberá ser deformable bajo la presión de la bolsa, pero tener todavía relativamente poca fluencia para evitar una migración apreciable al interior de la preforma y a los resortes. El sellante típicamente usado es el AirDam 1B, de la firma Airtech International. Este sellante tiene 9,5 mm de ancho y aproximadamente 4,8 mm de grosor. Para la reducción del flujo se incorpora en el sellante fibra de vidrio molida fina. En algunos casos, usamos el sellante de más alta fluencia AirDam I. La cinta de sellante se apila en capas en tiras largas que tienen aproximadamente el grosor de la preforma. Un excesivo grosor del sellante puede hacer que la bolsa interior puentee a la preforma alrededor de su periferia. Un grosor insuficiente del sellante puede, en casos extremos, originar adelgazamiento de los bordes en la preforma consecuencia de esfuerzos localizados en la bolsa.

Una vez apilado en tiras con el grosor o altura correctos, se envuelven los dos lados y la parte superior del sellante en una película de agentes de desprendimiento, ligera y extensible, tal como de A4000 ó de Wrighton 5200. El fondo expuesto permite que el sellante asiente y selle contra el útil 50 (Figura 2). Con solamente tres lados del sellante con la película de agentes de desprendimiento, el mismo tiene capacidad para expandirse hacia fuera para formar un sellado hermético con los lados irregulares de la preforma. El íntimo contacto del sello cubierto con la película de agentes de desprendimiento con los lados de la preforma impide la canalización de la resina durante la infusión. La película de agentes de desprendimiento limita un excesivo flujo de sellante, impide la contaminación de la resina de la infusión y de la preforma con sellante, y protege la interfaz de útil con sellante de borde contra posible ataque por la
resina.

En torno a la periferia de la preforma, se tiende apretadamente una tira continua de sellante cubierto por una película de agentes de desprendimiento, para contener el fluido de la infusión hasta que haya solidificado durante el curado. Es esencial contener la resina para evitar sangrado de la resina y pérdida de la presión hidrostática sobre la pieza, especialmente durante el tiempo entre que se fijan y se cortan los tubos de vacío y de suministro y se gelifica o solidifica la resina finalmente.

A veces la bolsa interior 62 del forro 61 de película de barrera ajusta en torno al conjunto de preforma para evitar la canalización u proporciona la necesaria contención del fluido sin los sellos de borde. Nosotros preferimos usar sellos de borde de látex, en particular para preformas gruesas que tengan grandes discontinuidades de la bolsa en los bordes, cuando la viscosidad de la resina infundida cae significativamente durante el curado, o bien para contener el fluido en infusiones inclinadas o verticales.

Según nuestro proceso, se usan carenas de tubos conformados (CTFs) elásticas, de sección transversal constante, con preformas hechas rígidas anchas o grandes. El bajo perfil de las CTFs adelgazadas hace mínimos los problemas de embolsado y las potenciales marcas dejadas, especialmente cuando se colocan sobre un medio de flujo semiacartonado. Las CTFs pueden ser moldeadas, coladas en plancha, y cortadas con chorro de agua, para crear los deseados biseles, o bien pueden ser extruidas con su forma en simples moldes o troqueles. Puesto que estas CTFs están hechas de materiales elásticos, se pueden fabricar CTFs planas, para fines generales, que se adapten a la mayor parte de superficies de revestimiento perfiladas. En la Figura 3 se ha representado una CTF típica preferida.

Para aumentar las CTFs en la producción de conjuntos anchos, a medida que va avanzando la infusión, convertimos las líneas de vacío en líneas de alimentación, sin introducir aire en la bolsa y sin dejar marcas. Se puede usar un tubo de vacío montado sobre un refuerzo, para infundir ese refuerzo, y convertirlo después en una línea de alimentación para la siguiente sección o bahía de infusión (Figura 4).Para esta conversión entre alimentación y vacío se hace uso de un racor en T o en Y. Una rama de la conexión en T se conecta a un suministro de resina, pero puede ser fijada con mordaza o cerrada con una válvula, mientras que la otra rama se deja abierta y conectada al depósito de desconexión de vacío. Una vez que la resina empiece a llenar la línea de vacío y deje libre el racor en T sin burbujas, se cierra el tubo que sale de la bolsa y se abre la rama que va al suministro de resina. El tubo de suministro se llena de resina y purga el aire de todos los tubos. Una vez llenos los tubos, se cierra la línea de vacío que va al depósito de desconexión, y se abre el tubo que sale de la bolsa, permitiendo que un nuevo suministro de resina alimente a la preforma.

Se cortan los tubos 8 a las longitudes requeridas para conectar los resortes de alimentación y de toma de vacío a la fuente 14 de recipiente de resina y al depósito de desconexión de vacío 9 (Figura 1), respectivamente. Se pueden usar tubos de TEFLON hechos de FEP, ETCFE, PTFE o PREFORMAA para resinas que curen a temperaturas comprendidas entre 120ºC y 315ºC. Hay disponibles tubos de más bajo coste para exposiciones a más bajas temperaturas.

Se sumerge un extremo de cada tubo 8 en un producto de ataque químico (tal como el Tetraetch de la firma Gore Industries) para desprender el flúor del TEFLON para crear una superficie químicamente activa que se adhiera agresivamente al sellante. Después de la inmersión en el producto de ataque químico, se enjuagan los tubos con agua y se secan. Los tubos atacados químicamente permanecen químicamente activos durante largos períodos de tiempo, y pueden ser almacenados indefinidamente si se guardan secos en bolsas selladas, apartados de la exposición a la luz ultravioleta. Los diámetros interior y exterior de los tubos para las líneas tanto de alimentación como de vacío son típicamente de 6,4 mm y de 9,5 mm, respectivamente, pero son posibles otras combinaciones de diámetros. Los tubos de alimentación de diámetros interiores más pequeños pueden limitar la alimentación de resina a la preforma. Los tubos de diámetros interiores mayores son más caros, y pueden dar por resultado condiciones exotérmicas incontroladas, debido a una excesiva masa de resina. Se puede reducir el grosor de la pared de los tubos, pero ello va en perjuicio de la memoria de los tubos para las válvulas externas. Los tubos de paredes delgadas se aplastan a elevadas
temperaturas.

Una vez que los tubos hayan sido atacados químicamente, se determinan las distancias desde el extremo de los resortes a las posiciones de sellante de bolsa. Se aplanan los tubos elípticamente en bandas de 2,5 ó de 5 cm de anchura, donde éstos tengan interfaz con el sellante. El aplanamiento de los tubos en esas áreas aumenta el área de soporte del sellante y se traduce en una menor acción de corte a través del sellante cuando se embolsa la preforma y se reblandece el sellante. A través del proceso se produce calentamiento durante el secado en vacío, las infusiones y el curado. Los tubos son calentados a una temperatura de aproximadamente 315ºC, o más alta, con una pistola térmica normal, y luego se comprimen en un tornillo de mordaza. El tornillo de mordaza tiene un tope establecido para un grosor deseado, para impedir el aplastamiento del tubo y para aplanar los tubos repetidamente al mismo grosor. Los tubos pueden ser enfriados rápidamente en agua después del aplanamiento y se cados o enfriados al aire a la temperatura ambiente.

Los extremos atacados químicamente de los tubos son preferiblemente unidos a los resortes 5 y 6 con vueltas de cinta adhesiva sensible a la presión, tal como de FLASHBREAKER, KAPTON, u otra cinta resistente a las altas temperaturas. En el extremo de vacío se inserta cada resorte en una corta distancia dentro de los tubos con los que se une, a los que se han dado los diámetros de coincidencia. Los extremos cortados del resorte de alimentación son doblados hacia el centro del resorte para evitar la posible perforación de la bolsa. Cuando se montan los tubos y los resortes, se desgarra el papel de respaldo sobre los sellos de la bolsa en las posiciones de los tubos y se desprende el respaldo para exponer el sellante. Los tubos y los resortes son asentados directamente sobre el sellante de la bolsa.

Se instalan dispositivos 25 de alivio de las deformaciones de los tubos. Estos canales 25 de forma de U (Figura 6) tienen una profundidad de canal menor que el diámetro exterior del tubo asociado, para crear un ajuste de ligero apriete. La fricción del tubo y las grandes secciones transversales de los tubos fuera de los canales, impiden el movimiento en las posiciones críticas de los sellos de bolsa.

Usualmente situamos sobre el conjunto una película 64 exterior extensible, ligera, químicamente resistente, tal como la A4000 de la firma Airtech International o la 5200 FEP TEFLON de la firma Wrighton, para proporcionar protección adicional para la bolsa interior 62 contra el ataque de la resina, perforaciones de la bolsa, o fugas de resina más allá del sello del borde, para infusiones que tengan lugar a temperaturas inferiores a aproximadamente 175ºC. Tal película cubre el asentado entero de la preforma y el sello de borde, y discurre próxima al sello de la bolsa interior. Para curados a temperaturas más bajas, se pueden usar películas de polietileno o de polipropileno.

Si la resina es muy agresiva, puede moverse hasta más allá del borde de la película protectora y atacar a la bolsa, a menos que se instalen tiras adicionales o marcos de película en el borde interior del sello 56 de la bolsa interior. Estas tiras de película solapan típicamente a la película de barrera inerte de base 61 en una distancia de 25 - 76 mm, para limitar y estrechar el camino por el que fluye la resina para llegar a la bolsa interior 62.

La bolsa interior 62 es en general una película desechable o consumible de elastómero. Para largas series de producción, sin embargo, especialmente de estructuras complejas, pueden preferirse bolsas de elastómero adaptables, premoldeadas, reutilizables, hechas de siliconas, fluorosiliconas, Fluorel, caucho de nitrilo, u otros materiales elastómeros. La bolsa 62 deberá ser flexible y tener una gran capacidad de alargamiento con relativamente bajo módulo, para simplificar el embolsado de piezas complejas que puedan ser formadas con vacío alrededor de la preforma, incluso donde formen puente. El puenteo de la bolsa se puede producir sobre la preforma en las discontinuidades. Un bajo módulo reduce los esfuerzos localizados de la bolsa en la preforma, que de lo contrario pueden originar adelgazamiento, distorsión, o daños en la preforma. Configurando la bolsa para que se adapte al contorno de la preforma se reducen al mínimo las zonas ricas en resina en las piezas acabadas, la canalización de la resina, y el estrechamiento de los bordes a causa de los esfuerzos inducidos en la bolsa. Aunque la película sea rígida a la temperatura ambiente, puede hacerse lo suficientemente flexible cuando se caliente para secado por vacío, infusión o curado. Las bolsas de nilón normales para el procesado de material prepreg a 175ºC valen, pero no son las óptimas debido a su relativamente bajo alargamiento final (200 - 300%) y alta rigidez. Las películas para embolsar de poliéster STRETCHLON 700 y de nilón STRETCHLON 800 de la firma Airtech International son superiores, debido a que pueden estirarse hasta más del 500% y son más flexibles que las películas de nilón normales. Una película de poliuretano VACPAC de la firma Richmond Products es eficaz para núcleos a baja temperatura, inferior a 38ºC, debido a que tiene un módulo extremadamente bajo a la temperatura ambiente y un alargamiento final que se aproxima al 1000%. Para curados de hasta 315ºC se pueden usar en cambio películas de embolsar a base de FEP especiales, tales como la VB3 de la firma Chemfab, en vez de las películas con base de poliimida, tales como las de KAPTON o de THERMALIMIDE. Este material para embolsar FEP, al ser atacado químicamente por una cara, tiene un alargamiento de más del 500%.

Para embolsar formas complejas, estiramos películas desechables sobre útiles maestros a elevadas temperaturas. Estas bolsas estiradas son de fácil uso y superiores a las bolsas de caucho moldeadas reutilizables para producir equipos físicos complejos.

Las bolsas de caucho moldeadas reutilizables se producen en general a partir de hojas de látex que son empalmadas, cosidas juntas sobre un útil maestro, y calentadas para que curen. El útil maestro puede tener patrones embebidos o empotrados en el mismo para crear canales o características de flujo directamente en la bolsa, de la misma manera que lo ha sugerido Seemann. Típicamente, estas bolsas de caucho son tratadas para permitir que la resina se desprenda después de curar, para reducir el ataque a la bolsa y para mejorar la adherencia del sellante en áreas seleccionadas, especialmente alrededor del borde. Se pueden incorporar en las bolsas materiales de composite en un intento de controlar su contracción después del curado.

Las bolsas moldeadas de caucho son significativamente más varas que las películas de embolsar desechables, pero las bolsas tienden a degradarse más rápidamente de lo que sería de esperar. Frecuentemente, se unen forros de desprendimiento al caucho moldeado, pero éstos pueden despegarse y crear arrugas en "tela de araña" en la superficie de moldeo de la bolsa. Pueden producirse fallos de las costuras o desgarramiento de la bolsa.

La fabricación del molde maestro puede resultar difícil. Debe ser dimensionado para acomodar la alta contracción de la bolsa que se producirá después del curado. No obstante, las bolsas siguen contrayéndose a lo largo de los repetidos ciclos de curado, lo que dará por resultado acoplamientos cada vez más deficientes con la preforma. El problema del montaje se complica, debido a que las bolsas de caucho tienen una rigidez, y aplican una carga, mucho más alta sobre la preforma relativamente inestable, que las bolsas de película desechables. El acoplamiento forzado de las bolsas puede realmente dar por resultado movimientos o daños de la preforma. Para prestarles los cuidados adecuados, las bolsas solamente pueden soportar aproximadamente 100 ciclos de curado a una temperatura de 175ºC, pero frecuentemente fallan con menos de 10 ciclos.

La bolsa interior 62 se corta a sobremedida con relación al área contenida dentro del sello 56 de la bolsa interior. Se retira el papel protector de la parte superior del sellante de la bolsa interior. Se asienta la bolsa interior sobre el sellante. Se recorta el exceso de material por fuera de la periferia del sello y se usa luego una cinta sensible a la presión 58 (Figura 2), tal como la FLASHBREAKER I de la firma Airtech International para encintar la película de bolsa al útil 50, para aumentar la integridad del vacío y para reducir al mínimo el despegue de la bolsa.

Después de instalada la bolsa interior 62, se fija externamente el tubo de alimentación con alicates. Se cierra también temporalmente el extremo del tubo de alimentación con sellante de látex, tal como el usado para los sellos 55 y 56 de la bolsa. Se deslizan sobre los tubos de vacío 8 tapas y casquillos. Se deslizan los extremos de los tubos de vacío dentro de los racores 16 instalados en el depósito 9 de desconexión de vacío. Se sitúan los extremos de los tubos a una profundidad suficiente para que la resina caiga dentro del bote de acero desechable 10. Con los tubos de vacío a la profundidad apropiada, se enroscan las tapas sobre los racores para recalcar los casquillos sobre los tubos, creando un sello para el depósito 9 de desconexión de vacío. Se envuelve sellante de látex alrededor de los racores y de las tapas, para proporcionar integridad extra de los sellos en las uniones de tubo con bote de desconexión.

Se conecta una fuente de vacío 11 al depósito de desconexión 9 para toma de vacío en la bolsa interior instalada 62. La línea de vacío tiene típicamente racores de conexión rápida en ambos extremos, que permiten que la misma sea fácilmente unida al depósito de desconexión y a la fuente de vacío. Una vez que se ha tirado de la bolsa tensándola con vacío, se verifica el nivel de vacío con un manómetro de prueba de vacío de precisión o con un transductor de vacío 12. Si la pieza tiene un nivel de vacío evidentemente bajo, como viene indicado por el manómetro o por las señales procedentes de la bomba de vacío, se verifican la bolsa y las conexiones con un detector de fugas, hasta que se encuentre la fuga y se repare. Con una bomba de vacío de alto rendimiento, el nivel de vacío deberá exceder de 95 kPa. Se prefiere un vacío superior a 98 kPa, debido a que el mismo proporciona una compactación adicional de la preforma.

Se coloca el respiradero 63 AIRWEAVE N-10 o SUPERWEAVE UHT 800 (Figura 2) sobre la bolsa exterior y extendiéndose próximo a, pero sin hacer contacto con, el sellante 55 de la bolsa exterior. El respiradero puede ser de tela de fibra de vidrio, de estera de fibra de vidrio, de medio de flujo. o de lana de acero (para la detección del frente del flujo por infrarrojos).

Se instala la bolsa exterior 64 sobre el respiradero 63 de una manera similar a como se hizo con la bolsa interior 62. Se sella la bolsa exterior al útil 50 con el sellante 55 y la cinta 57 sensible a la presión. Para aplicar vacío a la cavidad entre las bolsas interior y exterior, se usa típicamente un racor 20 que pasa a través de la bolsa, aunque también se podrían usar tubos que pasen a través del útil o que pasen a través del sello. Se conecta el racor a una tubería flexible de vacío 13 que esté también equipada con racores de conexión rápida en ambos extremos. Se verifica la integridad del vacío de la bolsa exterior de la misma manera que se hizo para la bolsa interior.

El nivel de vacío de la bolsa interior deberá ser igual o superior al nivel de vacío entre las bolsas interior y exterior, de modo que se ejerza una presión sobre la bolsa interior desde la cámara definida por las bolsas interior y exterior. Esta situación se produce de un modo natural cuando ambas bolsas, la interior y la exterior, están conectadas a la misma fuente de vacío. Si el nivel de vacío de la bolsa exterior excede del nivel de vacío de la bolsa interior, se puede desplazar ligeramente la bolsa interior con una menor compactación efectiva de la preforma.

Secado en vacío

Una vez que la preforma haya sido embolsada y dotada de conducciones, preferimos generalmente calentar la preforma bajo vacío para secarla. Podemos completar el paso de secado en una estufa de convección, sobre placas calientes, o bien en mesas para reducción de la voluminosidad en vacío calentadas, tales como las producidas por la firma Brisk Heat. Con la reducción de la voluminosidad se hace compacta la preforma. se expulsan los volátiles que puedan haber quedado aprisionados en la preforma o en los materiales de embolsar, y se dispersan uniformemente los aglomerantes fusibles dentro de la preforma, por acción capilar. Los sellos interior y exterior son hechos avanzar a través de su etapa más blanda, crítica, en la que es lo más probable que se desarrollen fugas. La ligadura del sellante con las bolsas mejora a través del proceso de curado del caucho, proporcionando una mayor integridad del vacío. Si se desarrollase una fuga durante la fase blanda crítica en el sellante de látex, la misma no tendría consecuencias, dado que no está presente la resina de la infusión. Las fugas descubiertas a elevada temperatura pueden ser fácilmente reparadas, y se aumenta la confianza en la integridad de la bolsa. El secado ayuda a asentar los sellantes de borde y el vacío conforma los materiales de embolsar adaptándolos a los materiales de la preforma, creando un acoplamiento superior. Esta mejora del acoplamiento ayuda a eliminar posibles canalizaciones y puenteo de la resina, que permitirían la formación en el composite de áreas ricas en resina.

El ciclo de temperatura preferido para el secado en vacío depende de los materiales de la preforma en el sistema de embolsar. En una infusión típica, el útil, la preforma, y los materiales de embolsar se calientan rápidamente a 120ºC, se mantienen a esa temperatura durante 1 hora, y se enfrían hasta la temperatura de infusión. Para preformas cosidas y preformas tejidas en telar 3-D, el ciclo es normalmente de 2 horas a 175ºC, debido a la naturaleza higroscópica de las fibras que se cosen orgánicas y a los lubricantes de agua usados en el proceso de tejido en telar 3-D con fibras de carbono. En algunos casos, tal como el de las preformas que contienen núcleos de espuma sintáctica, no se pe el calentamiento debido a que el mismo fundiría y destruiría la espuma. Los aglomerantes desempeñan también un papel significativo en la determinación del procedimiento de secado apropiado. Para preformas aglomeradas de éster de cianato "blandas", en las que el aglomerante es más soluble en la resina de la infusión, el ciclo puede ser de 1 hora a 71ºC, o bien de ½ hora a 93ºC. Este ciclo tiene una temperatura lo suficientemente alta como para fundir el material aglomerante, para expulsar los disolventes de soporte residuales, y para hacer que penetre por efecto de mecha el aglomerante en la preforma. Esta temperatura es lo suficientemente baja como para evitar un avance significativo en el grado de curado. Para preformas "semirrígidas" aglomeradas con éster de cianato M-20 catalizado, el ciclo puede ser de 1 hora a 120ºC. Los ciclos de secado en vacío con calor, variarán pero, en general tienen efectos muy positivos sobre el proceso de infusión en conjunto.

Infusión de la preforma

La resina seleccionada impondrá una serie de los parámetros de procesado seleccionados para el proceso de infusión, incluyendo las técnicas de mezclado y de dispensación, la temperatura de la infusión, las longitudes del flujo, los tiempos de trabajo, el control del grado de temperatura, y la selección del medio de flujo.

Las resinas preferidas, desde el punto de vista del procesado, tienen algunas o todas de las siguientes características:

a.

Larga vida en crisol a la temperatura de infusión (de varias horas o más) para permitir infusiones complejas y para suavizar las limitaciones de temporización;

b.

Son resinas de 1 ó 2 partes, para simplicidad de la mezcla;

c.

Pueden ser mezcladas e infundidas a la temperatura ambiente para operar fuera de la estufa, para comodidad del operario, para un mejor control del proceso, para un más rápido procesado con equipo más sencillo y en menor cantidad, para permitir balances de masas en tiempo real, y se adaptan más fácilmente para técnicas de recirculación;

d.

Tienen una viscosidad comprendida en el margen de 100 - 350 centipoise, para permitir una rápida infusión, sin canalización, y con menos requisaos de las conducciones, para la fabricación de piezas grandes;

e.

Pueden mezclarse en grandes lotes sin posibilidad de condiciones exotérmicas peligrosas;

f.

No son tóxicas ni carcinógenas;

g.

Pueden ser almacenadas a la temperatura ambiente en el estado sin mezclar, para eliminar la necesidad de descongelación y de congeladores.

h.

Son de curado rápido, para un reducido tiempo del ciclo y mayor producción de la estufa;

i.

Tienen una baja tensión superficial, para que mojen mejor;

j.

No desprenden volátiles ni otros gases bajo alto vacío;

k

Tienen un bajo calor de reacción, para permitir la fabricación de piezas gruesas;

l.

Curan a baja temperatura, para permitir fabricar útiles maestros para producción a más bajo coste;

m.

Son compatibles con los materiales para embolsar, para reducir al mínimo el riesgo de fallo por vacío que surge como consecuencia del ataque por la resina a las bolsas;

n.

Son reciclables, para reducir los desperdicios;

o.

Son de bajo coste con buenas actuaciones a alta temperatura, para aplicaciones exigentes;

p.

Permiten la infusión con una mínima viscosidad en un escenario de "final de ajedrez", para aumentar el volumen de fibra y reducir la probabilidad de pérdida de presión hidrostática durante el curado;

q.

Son amorfas (no cristalizan) durante el almacenamiento;

r.

No forman gel con anterioridad a ser calentadas a una temperatura de curado máxima, para eliminar los esfuerzos en el útil en componentes complejos recién gelificados;

s.

Tienen tiempos de gelificación regulares y repetibles de lote a lote.

Como resinas preferidas se incluyen los ésteres de cianato EX-1510 y EX-1545 de la firma Bryte Technologies, la epoxi con base de anhidrido SI-ZG 5A de la firma ATARD Laboratories, y la epoxi 823 de la firma Cytec-Fiberite. Las resinas preferidas son líquidas y de baja viscosidad a la temperatura ambiente, y por consiguiente no requieren calen-
tamiento para su infusión. Algunas resinas, tales como la 8611 de la firma Ciba Geigy, son líquidos espesos a la temperatura ambiente (entre, por ejemplo, 1.000-10.000 centipoise) y deben ser calentadas a temperaturas relativamente bajas (comprendidas típicamente entre 38–71ºC) para que alcancen una viscosidad aceptable, de menos de 400 centipoise (0,4 Pa.s^{-1}). Otras resinas, tales como la PR 500 de la firma 3M, y la 5250-4-RTM de la firma Cytec Fiberite, son semisólidas a la temperatura ambiente y deben ser fundidas a temperaturas relativamente altas para infundir en un margen de viscosidades aceptable. Nosotros nos mantenemos apartados de las resinas que tienen corta vida en crisol, con ángulos de curva excesivamente larga. También evitamos usar las resinas que adolecen de microagrietamiento cuando curan.

La preparación de resina por lotes para los materiales líquidos de baja viscosidad es relativamente fácil y simple. Los componentes se dispensan con precisión juntos en una balanza de precisión, se mezclan durante varios minutos con un agitador de accionamiento neumático al aire libre, y luego se les extrae el aire en una campana de vacío, o equivalente, durante 5 a 10 minutos. Si hay disponible una mezcladora en vacío, se puede mezclar la resina y eliminarse el aire simultáneamente. Se pueden efectuar verificaciones de la viscosidad con un viscosímetro del tipo Brookefield.

Para líquidos viscosos, la mezcla debe ser efectuada sobre una placa caliente, con la subsiguiente eliminación del aire en una estufa de vacío para evitar el enfriamiento. Las operaciones de mezcla, calentamiento y eliminación del aire podrían ser también efectuadas en una mezcladora de vacío encamisada, equipada con posibilidades de calentamiento. Es usualmente necesaria una cuidadosa vigilancia de la temperatura para establecer una temperatura uniforme deseada en la mezcla, y evitar posibles condiciones exotérmicas peligrosas.

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El modo más eficaz de calentar y dispensar materiales semisólidos consiste en usar un dispensador de masa fundida caliente Graco. El aire de estas resinas se elimina normalmente en estufas de vacío para hacer mínimo el enfriamien-
to.

Una vez que la resina haya sido mezclada, calentada (si se requiere), y se haya eliminado el aire de ella, se puede determinar la masa de resina a ser cargada en el sistema. La cantidad de resina requerida para una infusión es típicamente la suma de la resina requerida para llenar los tubos, la preforma, el medio de flujo, más una cantidad en exceso para trabajo, comprendida entre 400 y 1.000 gramos. La cantidad de exceso requerida depende de la configuración de la pieza, del número de recipientes de suministro, y de si se emplean técnicas de recirculación.

Debido a que el proceso de infusión en vacío en doble bolsa tiene un sistema de bucle cerrado para la resina, se pueden efectuar balances de masas para estimar el contenido de resina o el volumen de fibra de una pieza dada, antes de curar.

Se puede medir el peso de la preforma directamente, o bien estimarlo a partir de áreas de capas de preforma conocidas y pesos nominales de las áreas. Con los pesos y densidades (es decir, la gravedad específica) de la resina y de la preforma, se pueden determinar fácilmente el contenido de resina y el volumen de fibra.

Usando balanzas de precisión en el recipiente de alimentación 14 y en el bote de toma 10, se pueden determinar caudales másicos, velocidades del fluido, tanto por ciento de llenado de la preforma, y volúmenes de fibra, en cada etapa de la infusión. Para que la balanza de toma trabaje adecuadamente y tenga una sensibilidad suficiente, debe situarse dentro del depósito de toma de vacío, con sellos de vacío para canalizar el suministro de energía y la realimentación al equipo de adquisición de datos.

Cuando se haya de infundir la resina a elevada temperatura sobre un útil caliente, se debe efectuar la operación en una estufa, o bien se han de calentar el útil y/o la resina. Para el procesado a la temperatura ambiente, se puede efectuar la infusión en prácticamente cualquier lugar conveniente, o bien directamente en la estufa. Si se efectúa la infusión fuera de la estufa, se hace máxima la capacidad de procesado. Cuando se efectúen las infusiones fuera de la estufa, es importante que el nivel de vacío en la bolsa exterior no disminuya durante la transferencia desde el lugar de la infusión a la estufa para el curado.

Para iniciar la infusión, se corta el extremo de la línea de alimentación 8 con un cortador de tubos, para retirar la parte del tubo que tiene el tapón de sellante. Se instala un dispositivo de estrangulación externo en el tubo de alimentación, para reducir el caudal de resina en la fase inicial de la infusión. Con esta estrangulación de la infusión, la resina tiende a entrar disparada en la pieza demasiado rápidamente, y puede dejar aprisionados espacios vacíos por detrás del frente de onda, que son difíciles de eliminar. Se coloca el final del tubo de alimentación en el recipiente de alimentación 14 próximo a la base, y se asegura. El bote de alimentación puede ser inclinado de modo que forme un ángulo con el tubo de alimentación situado en el lugar más bajo, para hacer mínima la cantidad de resina requerida, para evitar que entre el aire en el tubo y en la preforma embolsada. Para iniciar el flujo, se retira la chapa metálica o la mordaza de soldar. Después de transcurridos unos minutos, se retira normalmente el dispositivo de estrangulación del tubo de alimentación para acelerar el régimen de la infusión.

La alimentación puede estar situada por debajo de la parte más baja de la preforma. Una alimentación con presión positiva a la preforma, hace que la bolsa interior se abulte cerca del resorte de alimentación. Los tubos de vacío, por otra parte, deberán elevarse por encima de la preforma para ayudar a mantener la presión hidrostática en el fluido y para reducir al mínimo el drenaje de resina desde la preforma al bote de toma. Aunque las preformas pueden ser infundidas satisfactoriamente con una orientación horizontal, es frecuentemente preferible infundirlas con una orientación inclinada o vertical, con la alimentación en el extremo más bajo, y habiéndose hecho el vacío en el extremo más alto. Las orientaciones inclinadas o verticales tienden a reducir los efectos de canalización en los sistemas de resina de baja viscosidad y en las preformas con altas variaciones en su permeabilidad. Estas orientaciones pueden ser también usadas para eliminar conducciones que, por lo demás, no sean necesarias.

A medida que vaya avanzando la infusión, se hace más lento gradualmente el régimen de infusión. El régimen de infusión cae debido al aumento de la resistencia y de la caída de presión al mojar el fluido a la preforma. Con una sola capa de medio de flujo, una sola línea de alimentación o un resorte infunden de un modo eficaz de 0,9 a 1,2 metros lineales de preforma en aproximadamente 1 hora. La longitud del flujo puede ser de hasta 1,5 - 1,8 metros, antes de que se requiera una línea de alimentación adicional.

Cuando la resina llegue al extremo de vacío de la preforma, la resina llenará los tubos de vacío y caerá entonces en cascada en el bote de toma 10. Puesto que los tubos de vacío tienen una muy alta permeabilidad con relación a la preforma, la preforma totalmente mojada puede ser drenada localmente por el extremo de vacío, lo que da por resultado una pérdida de presión hidrostática de la resina en la preforma. Al drenar la preforma, disminuye el flujo de resina a los tubos de vacío. En un cierto punto, la alimentación de resina a la preforma excede del drenaje, y la preforma empezará a llenarse de nuevo. El proceso de llenado y drenaje de la preforma localmente por el extremo de vacío de la preforma, efectuará ciclos repetidamente, a menos que se tomen medidas activas. Este fenómeno lleva frecuentemente asociado un burbujeo en el tubo de vacío. El régimen del burbujeo va aumentando a medida que la preforma drena, y disminuye al llenarse la preforma.

Si se sujetan con mordazas las líneas de tubos de alimentación y de vacío y se cortan cuando la preforma tenga una baja presión hidrostática de la resina o esté parcialmente llena de resina, la pieza resultante tendrá porosidad superficial y, en los casos más graves, porosidad interna. Estos defectos estarán situados típicamente en el extremo de vacío de la preforma. Por consiguiente, es esencial cortar, fijar con mordaza y sellar las líneas cuando la preforma esté llena.

Las líneas de vacío deberán ser estranguladas o estrechadas, a una posición de casi cerradas, hasta que el caudal másico de resina a través de la preforma sea igual al caudal másico en el tubo de vacío. En la condición de estranguladas, la alimentación de resina a la preforma y a los tubos excede de la capacidad de toma aguas abajo del punto de estrangulación. Por consiguiente, se llenará por completo la preforma. Al llenarse la preforma, los caudales másicos en la preforma disminuirán eventualmente para adaptarse al caudal másico más allá del punto de estrangulación. Una vez alcanzado ese estado de cuasi-uniformidad, en el que los caudales de alimentación y de toma son iguales y la preforma está llena, cesa la acción de burbujeo asociada con los fenómenos de llenado y de drenaje. El tubo de vacío entre la preforma y el punto de estrangulación del tubo se llenará finalmente de resina libre de burbujas. El sistema alcanza normalmente un estado de cuasi-uniformidad después de transcurridos aproximadamente 15 minutos de procesado del flujo con estrangulación.

Típicamente, se usan mordazas externas para estrangular el flujo, pero también podrían usarse tapones internos, boquillas, metales/cerámicas sinterizadas, filtros, válvulas de bola de dos posiciones, o válvulas de dosificación de precisión. En el caso de una válvula de bolsa de dos posiciones, la posición abierta permitiría un flujo no estrangulado completo. En la posición cerrada, la válvula de bola tiene un pequeño orificio que permite un flujo limitado. Por supuesto, son posibles variantes de estos conceptos para conseguir los mismos resultados. Los tapones, boquillas, filtros y materiales sinterizados pueden ser situados en el tubo entre las áreas de huellas de sellos comprimidas, como un método para sujetar los dispositivos.

Otra forma de abordar la cuestión de evitar el drenaje de la preforma consiste en regular el vacío en la bolsa interior. Reduciendo el nivel de vacío se reducen los caudales en los tubos. La preforma tiene una menor tendencia a drenar, especialmente para resinas más viscosas que tengan cuerpo suficiente para moverse a través de una preforma como un charco continuo. La resina tiene también una escasa tendencia a separarse en cuerpos de fluido individualizados. Usando este enfoque, el nivel de vacío de la bolsa interior cae típicamente de 98 kPa a 75 - 91 kPa. Poco después de que caiga el nivel de vacío, cesará el burbujeo, como con los dispositivos de estrangulación. Un problema que plantea este enfoque es el de que la bolsa interior se mueve hacia la bolsa exterior, debido al vacío reducido. El movimiento disminuye la compactación de la preforma, y produce finalmente composites de más bajo volumen de
fibra.

Después de que la preforma esté llena de resina por completo, y de que sea constante el caudal de resina, se fijan con mordaza los tubos de alimentación y de vacío, cerrándolos simultáneamente con chapa metálica o con alicates de soldar. Se desconecta la fuente de vacío del depósito de toma. Tanto los tubos de vacío como el tubo de alimentación se cortan cerca de los alicates de soldar. La resina contenida en los tubos de vacío es aspirada al depósito de toma, y la resina que haya en el tubo de alimentación drena al recipiente de alimentación. El proceso da por resultado una completa recuperación de la resina, y permite efectuar balances de masas en tiempo próximo. Los extremos de los tubos de vacío y del tubo de alimentación cortados son sellados con cinta adhesiva sensible a la presión, y son luego envueltos con cinta sellante de bolsa de vacío. Los sellos de los tubos son simplemente una medida redundante para evitar que entre aire en la bolsa interior en caso de que los alicates de soldar fallen en cuanto a aislar la bolsa interior de la película atmosférica. Antes de iniciar le curado, se retira la resina en masa que haya en el bote de alimentación y se saca el bote de toma de la estufa, para evitar una reacción exotérmica peligrosa, no deseada. Igualmente, antes de cerrar la estufa para el curado se sacan todos los demás materiales de útiles y consumibles.

Nuestro proceso preferido permite el reciclado o recirculación de la resina. En algunas infusiones complejas en las que, por ejemplo, frentes de onda separados converjan juntos, puede haber necesidad de que sea purgada resina extra de la preforma para eliminar el aire aprisionado o los espacios vacíos. La recirculación de la resina, en vez de un purgado continuo, reduce al mínimo los desechos de resina y los gastos. Con la recirculación, se carga típicamente resina en exceso al sistema, para que tenga un volumen para trabajo razonable. Se permite que la resina se acumule en el bote de toma. Una vez que empiece a bajar la resina en el bote de suministro, se cierran con mordazas los tubos de alimentación y de vacío. Se desconecta la fuente de vacío al depósito de toma y se libera el vacío usando los racores de conexión rápida. Una vez liberado el vacío, se puede quitar la tapa del depósito de toma y drenar la resina desde los tubos al interior del bote. La resina que haya en el bote de toma es transferida al recipiente fuente. Se deja tiempo suficiente, usualmente unos 5 minutos, para que el aire arrastrado percole fuera de la resina, antes de que se vuelva a iniciar el flujo. Se vuelve a montar el depósito de toma y se evacua con una bomba de vacío aislada, separada, para evitar cualquier posible disminución del vacío en la bolsa exterior. Una vez que el depósito esté al nivel de vacío original, se sueltan simultáneamente todas las mordazas de los tubos, estableciéndose de nuevo el flujo. Se puede repetir el proceso hasta que se hayan eliminado todos los espacios vacíos y las burbujas de la preforma. En este punto, se puede terminar la infusión.

Es posible el procesado de infusión por lotes y curado. La única limitación potencial está en el número de piezas infundidas que pueden ser cargadas en la estufa. Si se infunden las piezas en serie, se puede usar un exceso de resina para trabajo procedente de cualquier infusión anterior completada, tal como esté o bien mezclada con resina virgen, para infusiones subsiguientes.

Como se ha descrito anteriormente, se puede usar un tubo de vacío montado sobre un refuerzo, por ejemplo, para infundir en ese refuerzo, y después ser convertido en una línea de alimentación para la siguiente sección o bahía de infusión (Figura 4). Para esta conversión entre alimentación y vacío se hace uso de un racor en T o en Y. Una rama de la conexión en T se conecta a un suministro de resina, pero puede ser fijada con mordaza o cerrada con una válvula, mientras que la otra rama se deja abierta y conectada al depósito de toma de vacío. Una vez que la resina empiece a llenar la línea de vacío y deje libre el racor en T, sin burbujas, se cierra el tubo que sale de la bolsa y se abre la rama que va al suministro de resina. El tubo de suministro se llena de resina y se purga el aire de todos los tubos. Una vez llenos los tubos, se cierra la línea de vacío que va al depósito de toma, y se abre el tubo que sale de la bolsa, permitiendo que alimente a la preforma un nuevo suministro de resina.

Nuestro proceso podría ser utilizable para producir composites de matriz de carbono/carbono y cerámica, a través de múltiples infusiones, curados y densificación de los mismos materiales de la preforma.

Curado de la Resina

Una vez completada la infusión, se puede mantener un alto vacío en la bolsa exterior de la preforma infundida, a través del ciclo de curado, en especial inmediatamente antes de, y durante, la gelificación de la resina. La pérdida de vacío durante esta etapa crítica hará que la bolsa interior se relaje, con lo que aumentará el volumen de la bolsa interior. La preforma infundida se hinchará, debido a que no se puede añadir resina en el sistema cerrado, y al hincharse se reduce la presión hidrostática, lo cual produce porosidad superficial y espacios vacíos, se reduce la compactación de la preforma, y se rebajan los volúmenes de fibra.

Debido a la naturaleza crítica del nivel de vacío en la bolsa exterior, usamos transductores de vacío, equipo de adquisición de datos y software "Labview" para vigilar continuamente la presión durante todo el curado. También las temperaturas de la estufa y del útil son registradas y presentadas continuamente en tiempo real. Debido al riesgo para la integridad del vacío, no se introducen en la bolsa termopares de vigilancia. Son deseables ventanas de observación en la estufa para observar cómo progresa el curado.

Nuestro proceso ha sido desarrollado principalmente para el curado térmico por calentamiento de las resinas. Se pueden usar métodos de curado alternativos, tales como los de curado por haz de electrones, curado por UV, y curado por microondas, con calor o independientemente, o bien en combinación con resinas y materiales de embolsar apropiados.

Las resinas de curado a baja temperatura tienen la ventaja de que pueden ser curadas con útiles de bajo coste, con mejor control dimensional, y en particular en conjuntos complejos curados simultáneamente. Algunas resinas de curado a la temperatura ambiente en cantidades masivas tienen peligrosas reacciones exotérmicas. Para resolver este problema, es necesario mezclar con un dosificador especial, con equipo para la eliminación del aire en vacío, para dispensar la resina al bote de suministro según demanda.

Post-curado

Los requisitos para el post-curado dependen de la resina de infusión y de la temperatura de funcionamiento deseada de la estructura. El post-curado puede efectuarse en el utillaje del conformador para pegar, en simples aparatos de soporte, o bien en puestos libres con o sin cubiertas de tela de vidrio para protección contra la oxidación o la contaminación por agentes extraños. Si se desea post-curado, en éste se somete en general al composite a un ciclo de temperatura durante un dilatado período de tiempo.

Recortado e inspección

Típicamente, los composites, incluidos los fabricados usando nuestro proceso, deben ser recortados alrededor de la periferia a las dimensiones finales deseadas de la pieza. El recortado puede hacerse con una contorneadora con copiador, con una cortadora por chorro de agua, por corte basto y rectificación a una línea de recorte, o por cualquier otro método apropiado.

Ciertas características, tales como las de los refuerzos en hoja y las uniones de tipo pi, o de horquilla, pueden moldearse netas usando preformas aglomeradas "blandas" o "duras", o bien preformas fibrosas sin aglomerantes, tales como telas tricotadas por urdimbre multiaxiales que son de por sí estables. El desrebabado del exceso de resina es la única operación que se requiere. Las características moldeadas netas pueden ser tendidas con la configuración neta, o bien con sobremedida como una preforma. Para preformas de sobremedida, el tendido puede ser recortado antes de la infusión, usando el utillaje para el tendido como una guía para el recortado. Las preformas aglomeradas blandas pueden cortarse enrasadas con los bloques de los útiles después de una reducción de la voluminosidad de la bolsa de vacío a la temperatura ambiente o a una temperatura elevada baja, para proporcionar definición y consolidación. Las preformas aglomeradas "duras" semirrígidas tienden a tener una mejor definición de los bordes cuando se recortan. Estas preformas semirrígidas se fabrican típicamente usando una reducción de la voluminosidad de la bolsa de vacío a temperatura elevada.

Los composites pueden ser después inspeccionados usando cualquiera de entre muchas técnicas de inspección no destructiva (NDI), del género de las usadas típicamente para inspeccionar composites curadas en autoclave, incluyendo las técnicas ultrasónicas y radiográficas. Se puede evitar la inspección si se aplican ciertos controles de proceso durante todo el proceso de fabricación. La observación visual del flujo a través de ventanas en el material del respiradero, el uso de útiles ópticamente transparentes hechos, por ejemplo, de PYREX o de LEXAN, y de tubos ópticamente transparentes o traslúcidos, proporciona indicaciones de la calidad durante la infusión. Análogamente, los balances de masa, la detección del frente de flujo por infrarrojos, los sensores embebidos, o los sensores de montura en útil enrasada, pueden proporcionar indicaciones de la calidad durante el proceso. La inspección visual de los estratificados después del procesado es en general un buen indicador de su calidad. Si los estratificados no tienen porosidad superficial (en particular por la cara del útil), si el grosor está dentro de los límites nominales, y si el composite resuena cuando se golpea ligeramente con una moneda (véase, por ejemplo, la solicitud de Patente de EE.UU. Nº 08/944.885), los estratificados pasarán probablemente la inspección ultrasónica. Si aparecen cualesquiera espacios vacíos en la superficie de las piezas, ello es motivo para efectuar la inspección ultrasónica. Puesto que hemos determinado que hay una marcada correlación entre la existencia de espacios vacíos en las superficies y la calidad del composite en su conjunto, la simple inspección para comprobar si hay espacios vacíos en la superficie puede reducir significativamente, o incluso eliminar, inspecciones más elaboradas, por procesos caros ultrasónicos, por láser o radiográficos.

Técnicas avanzadas de procesado

Por nuestro proceso se pueden fabricar conjuntos estructurales complejos, tales como el revestimiento reforzado con viga en I representado en las Figuras 7 y 8. Para entregar la resina en zonas de bahía difíciles de alcanzar se usan carenas de tubos conformadas situadas entre las vigas en I. Los tubos de alimentación de borde suministran resina a los bordes del revestimiento. Los tubos de vacío situados en las partes superiores de las vigas en I se usan para aspirar la resina a través del revestimiento y hacia arriba, a través de las vigas en I. Para infundir este conjunto, se abren todas las líneas de alimentación 8a al mismo tiempo. Los frentes de onda generados desde las tres fuentes de alimentación convergen alrededor de la base de las vigas en I y son aspirados hacia arriba dentro de la viga en I, hacia los tubos de vacío. Cuando la resina llega a la parte superior de alma de la viga en I, el flujo se divide para mojar a cada ala en la tapa. La resina envuelve eventualmente en torno a la placa de horma, y se abre paso hasta el tubo de vacío 8b. Se completa la infusión y se cura el composite de la manera normal. Esta técnica puede ampliarse para producir conjuntos con gran número de bahías, como los que pueden encontrarse en las alas de las aeronaves.

Otro ejemplo de la capacidad para producir estructuras complejas por nuestro proceso preferido se ha representado en las Figuras 9 y 10. En el panel reforzado con hojas que se cortan se hace uso de material aglomerado para formar las hojas que se cortan sobre simples útiles de bloques de aluminio. Si se desea se puede usar material aglomerado, pero no es necesario para el revestimiento 905. Para infundir la preforma, solamente se requieren una línea de alimentación y una líneas de vacío, con tal de que la preforma sea infundida verticalmente y se usen nuevas cámaras de vacío pasivas (PVCs). La pieza se embolsa en la posición horizontal. Una vez embolsada, se puede voltear la placa de base a la posición vertical, sin movimiento alguno del útil por la cara de la bolsa. Al ser infundida la preforma, la resina llena la hoja vertical, sin que para ello se requieran conducciones. Se usan cámaras de vacío pasivas para meter resina en las hojas horizontales y proporcionar una cierta capacidad limitada de purga. En los extremos de las hojas se usa sellante de látex Air Dam I, conjuntamente con el medio de flujo, para eliminar las marcas que puedan haber quedado en las terminaciones de las hojas. Las hojas que se cortan son moldeadas netas, requiriéndose tan solo una mínima retirada de rebabas.

En la Figura 11 se ha representado el embolsado para un panel reforzado en J, múltiple. De nuevo, la preforma se embolsa horizontalmente y se voltea a posición vertical para la infusión. Se usa una línea de alimentación en la parte inferior del revestimiento y una línea de vacío en la parte superior del revestimiento. Los dos refuerzos en J exteriores usan cámaras de vacío pasivas para meter resina en los refuerzos, y para proporcionar una cierta capacidad limitada de purga. El refuerzo en J central tiene un resorte o un tubo de vacío activo. Una vez metida la resina en el refuerzo en J, y purgada, se convierte la línea de vacío en una línea de alimentación usando las técnicas anteriormente descritas. Este método de conversión permite la fabricación de conjuntos muy anchos sin que queden marcas producidas por los dispositivos de conducción.

Creemos que los siguientes conceptos del presente invento que hemos descrito son nuevas técnicas en el moldeo de líquidos del presente invento, solas o en combinación:

1.

Infusión en Doble Bolsa

2.

Tecnología de Aglomerantes

3.

Películas de Embolsar de Alto Alargamiento

4.

Medio de Flujo Impregnado con TEFLON

5.

Tubos de TEFLON en Procesados de Infusión

6.

Proceso de Ataque Químico de Tubo de TEFLON

7.

Grandes Huellas de Tubos en Posiciones de Sellos

8.

Formación de Tubo de TEFLON para Codos de Esfuerzo Cero

9.

Dispositivos de Alivio de Deformaciones en Tubos

10.

Películas de Barrera Inerte para Protección de Bolsas

11.

Sellante de Borde de Látex de Baja Fluencia

12.

Cámaras de Vacío Pasivas (PVCs)

13.

Carenas de tubos Conformadas (CTFs)

14.

Utillaje Flexible para Refuerzos de Hojas Perfiladas

15.

Característica de Fijación con Mordaza Externa de Tubo

16.

Depósito y Bote de Toma para Fácil Limpieza y Recirculación

17.

Posiciones del Bote de Alimentación y de los Botes de Toma

18.

Técnicas de Recirculación para Infusiones Difíciles

19.

Sello Colado Integralmente en Tapas de Depósitos de Toma

20.

Balance de Masas en Tiempo Real (o en Tiempo Pseudo Real) para Control de Volúmenes de Fibra

21.

Detección del Frente de Flujo por Infrarrojos

22.

Etiquetas Embebidas de Identificación por Radiofrecuencia

23.

Utillaje Óptico de PYREX

24.

Respiradero Óptico de Medio de Flujo Basto

25.

Útil de Recalcar Partido

26.

Sellante de Látex en Discontinuidades para Reducción de Marcas Dejadas y de Puenteo

27.

Estructuras Esqueléticas de Receptáculos

28.

Procedimientos de Secado en Vacío con Calor

29.

Orientaciones Inclinada o Vertical para la Infusión

30.

Aglomeración en Molde

31.

Diseño con Mayor Capacidad de Alimentación que Capacidad de Toma

32.

Estrangulación del Tubo de Vacío por el Extremo de la Infusión

33.

Limitación de la Resina por el Tubo de Alimentación al Principio de la Infusión

34.

Técnicas para Infundir Paneles Sandwich Reforzados con Vigas de Celosía

35.

Técnicas para Infundir Estructuras de Hojas que se Cortan, de Sombreros, de Pi, de J, de I y de C

36.

Técnicas para Fabricar Características de Marcos de Puertas

37.

Estructuras de Sandwich de Borde de Ataque

38.

Capacidad de Procesado por lotes

39.

Soluciones de Aglomerante de éster de Cianato M-20 Catalizadas o No Catalizadas

40.

Solución de Aglomerante 5250-4-RTM

41.

Aplicación de Rociado con Robot de Aglomerantes para Entrega de Precisión

42.

Aplicación de Rociado Electrostático de Aglomerantes para Rendimientos Mejorados de la Transferencia

43.

Materiales de Estopa Aglomerada TOWTAC

44.

Concepto de Producción y Envasado Automatizados de Grandes Cantidades de materiales Aglomerados

45.

Técnicas para Producir Preformas Blandas y Semirrígidas

46.

Producción de Útiles a Partir de Útiles Maestros Resistentes a las Bajas Temperaturas

47.

Deposición en la Superficie de Aglomerante sobre Materiales de Preforma

48.

Aglomerantes con Bajo Grado de Curado para Masa Fundida en, y Ligadura Química con, Resina para Infusión

49.

Técnicas de Infusión Múltiple, Especialmente para Producir Composites de Matriz Densificadas de Carbono/Carbono y Cerámica

50.

Integración de Materiales Especiales tales como Planos Rectificados, Tarjetas-R, etc.

51.

Preparación de Útiles y Colocaciones de Sellantes en Bolsas Interior y Exterior

52.

Características de Sellos de Alta Integridad

53.

Películas para Embolsado Conformado de Formación de Vacío

54.

Recuperación y Mezcla de Resinas

55.

Control de Vacío y Mantenimiento con Anterioridad a la Gelificación

56.

Uso de Transductores de Vacío de Precisión para la Detección Temprana de Fugas

57.

Uso de Utillaje Lavado para Crear Revestimientos Reforzados

58.

Entrega de Fluido a Través de los Sellos de Bolsas

La bolsa exterior, en el sistema de doble bolsa, reduce la oxidación térmica de la bolsa interior. Esto se traduce en una bolsa más resistente, que es menos susceptible de tener fugas durante el curado a altas temperaturas. La bolsa exterior y el respiradero protegen a la bolsa interior contra daños por manipulación, que pueden producirse de muchos modos. La bolsa exterior aplica presión a los sellos de la bolsa interior y mejora la eficacia del sellado de esos sellos. La presión sobre los sellos de la bolsa interior contrarresta los esfuerzos para despegue de la bolsa, que pueden abrir fugas, en particular en lugares de sellos plegados. Puesto que la bolsa exterior encapsula a la bolsa interior, no se pueden llegar a soltar los sellos en el ambiente de convección que se encuentra típicamente en las estufas. Si se produjese una fuga en la bolsa interior, el resultado no habría de ser necesariamente catastrófico, ya que es en general para infusiones de una sola bolsa. Una fuga en la bolsa interior hará que fluya resina adentro la bolsa exterior. Son posibles acciones correctoras con curados acelerados y técnicas de control del sangrado. Una bolsa rota en un ambiente de una sola bolsa permite que entre aire en la bolsa. La bolsa puede hincharse, y se puede introducir continuamente porosidad en el estratificado, lo que representa un fallo catastrófico. Las diferencias de integridad de la bolsa entre las técnicas de infusión de una sola bolsa y las técnicas de doble bolsa pueden no ser significativas cuando se produzcan composites pequeños, simples, de poco valor. Cuando se trate de producir conjuntos de composite grandes y/o complejos, tales como alas de composite, el significado de las diferencias de integridad se amplía espectacularmente. Es sabio y prudente usar la técnica de doble bolsa, mejor que la de bolsa única, cuando se hayan de producir estos tipos de estructuras. La adaptabilidad, la integridad y la robustez del proceso se convierten en factores mucho más importantes para reducir el coste total que la eliminación del coste asociado a una segunda bolsa.

Claims (11)

1. Un proceso de moldeo por transferencia de resina ayudada por vacío para fabricar un estratificado, que comprende los pasos de:

(a) montar una preforma (51) de refuerzo adecuado en un molde;

(b) comunicar pegajosidad a la preforma con un producto para comunicar pegajosidad que contenga agente de endurecimiento para mejorar la tolerancia a daños en el molde para producir una preforma dotada de pegajosidad;

(c) reducir la voluminosidad por vacío en la preforma dotada de pegajosidad;

(d) efectuar el doble embolsado de la preforma de la que se ha reducido la voluminosidad con una bolsa interior (62) y una bolsa exterior (64) usando películas de embolsar de nilón de bajo módulo, de alto alargamiento, para controlar la relajación de la bolsa y para mejorar la integridad del vacío, al tiempo que se reducen al mínimo las arrugas de la bolsa;

(e) encerrar un medio de control de flujo de tejido en telar abierto entre la bolsa interior (62) y la preforma (8) de la que se ha reducido su voluminosidad, para controlar el frente de flujo durante la infusión de la resina, en que el medio de flujo:

i)

tiene una moderada permeabilidad en relación con la preforma,

ii)

incluye fibras de trama que actúan como "presas" para la resina que se infunde,

iii)

es capaz de soportar la exposición a temperaturas de hasta aproximadamente 315ºC,

iv)

es químicamente inerte, y

v)

es rígido pero adaptable para eliminar el marcado sobre la cara de la bolsa del estratificado; y

f) infundir resina en la preforma (51) de la que se ha reducido su voluminosidad, a través del medio de flujo, usando un proceso de moldeo por transferencia de resina ayudada por vacío.

2. La mejora según la reivindicación 1, que comprende además el paso de infundir la resina en la preforma (51) inclinada formando un ángulo con la horizontal.

3. El proceso según la reivindicación 1 ó 2, en el que la infusión tiene lugar con la preforma inclinada formando un ángulo con la horizontal, de modo que la gravedad se opone al flujo de la resina a la preforma.

4. El proceso según cualquiera de las reivindicaciones 1-3, en el que la reducción de la voluminosidad con vacío se produce a una elevada temperatura para aglomerar junta la preforma dotada de pegajosidad.

5. El proceso según cualquiera de las reivindicaciones 1-4, en el que el refuerzo es de fibra de carbono, el producto para comunicar pegajosidad es una epoxi plastificada, y la resina es epoxi.

6. El proceso de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-5, para controlar la relajación de la bolsa por detrás del frente de onda en un proceso de moldeo por transferencia de resina ayudada por vacío, en el que la resina se infunde desde una fuente a la presión atmosférica en dicha preforma en un ambiente bajo dicha bolsa interior a una presión controlada inferior a la presión atmosférica, que comprende el paso adicional de:

aplicar un respiradero (63) y dicha bolsa de vacío exterior (64) sobre la bolsa de vacío interior.

7. El proceso de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-6, para infundir resina en una preforma (51), que comprende además:

introducir resina en un medio de flujo por el punto más bajo en el conjunto de preforma embolsada, de modo que la resina de la infusión fluya contra la acción de la gravedad a través del medio de flujo y de la preforma, proporcionándose con ello un mejor control del frente de onda mediante una más alta resistencia al flujo que con la infusión horizontal.

8. El proceso según cualquiera de las reivindicaciones 1-7, que comprende además el paso de estrangular las líneas de vacío conectadas en comunicación de fluido con el doble embolsado, de modo que el caudal másico de resina a través de la preforma (51) de la que se ha reducido su voluminosidad, sea sustancialmente igual al caudal másico de resina en las líneas de vacío.

9. El proceso según cualquiera de las reivindicaciones 1-8, que comprende además:

estrangular las líneas de vacío conectadas en comunicación de fluido con el doble embolsado que rodea a una preforma de la que se ha reducido su voluminosidad, de modo que el caudal másico de la resina a través de la preforma de la que se ha reducido su voluminosidad sea sustancialmente igual al caudal másico de resina en las líneas de vacío.

10. El proceso de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-9, que comprende usar una doble bolsa de vacío para mejorar la integridad del vacío.

11. Un composite fabricado por un proceso según cualquiera de las reivindicaciones 1-10.