ES2247124T3 - Cuerpo hueco de material compuesto y procedimiento para su fabricacion. - Google Patents

Abstract

Cuerpo hueco de material compuesto que comprende una capa interna (11) de material termoplástico que constituye el forro del citado cuerpo, una capa intermedia de material compuesto (12) termoplástico en la cual están alojadas fibras de refuerzo, y una capa externa (13) de material termoplástico, caracterizado porque la capa externa (13) está formada por el material termoplástico que constituye la capa intermedia (12) y, eventualmente, la capa interna (11), material que ha migrado más allá de la capa intermedia durante la fabricación del cuerpo hueco.

Description

Cuerpo hueco de material compuesto y procedimiento para su fabricación.

La invención se refiere a un cuerpo hueco de material compuesto y a su procedimiento de fabricación, estando constituido el cuerpo hueco por una capa interna de material termoplástico, una capa intermedia de material compuesto termoplástico en la cual están alojadas fibras de refuerzo, y una capa externa de material termoplástico.

Por la solicitud de patente WO 00/24566 se conocen cuerpos huecos de este tipo destinados a contener, por ejemplo, fluidos a presión. Estos cuerpos huecos son de forma cilíndrica. La fusión de la capa interna con la capa intermedia se obtiene por el procedimiento de fabricación, que consiste, después del enrollamiento alrededor de una estructura primaria o "forro" - término que se empleará en lo que sigue de la traducción - de material termoplástico, de una cinta de material termoplástico en la cual están alojados hilos de vidrio continuos, en calentar a una temperatura superior a la temperatura de fusión del material termoplástico, la superficie de forro recubierta por la cinta en una zona situada inmediatamente después de la zona de contacto entre la cinta y el forro, y en aplicar después una presión local sobre la superficie del forro recubierta por la cinta en una zona situada inmediatamente después de la zona de calentamiento. Este procedimiento permite fusionar perfectamente el material termoplástico del forro con el de la cinta de material compuesto y evacuar el aire entre las capas de la cinta que recubre el forro. Finalmente, para revestir con una capa externa de acabado y de protección de material termoplástico el cuerpo cilíndrico así obtenido, se procede por coextrusión.

Este procedimiento se considera particularmente ventajoso para los cuerpos huecos alargados de forma cilíndrica, pero, es mucho más delicado de poner en práctica, incluso a veces imposible, en formas más complejas, especialmente, tratándose de la coextrusión de la capa externa de material termoplástico.

La solicitud de patente WO 00/15415 propone para la fabricación de un depósito a presión de material compuesto de forma no cilíndrica, recubrir un forro de material termoplástico con una capa de material compuesto a base de fibras de vidrio por enrollamiento de hilos, colocar dentro de un molde este producto semiacabado o preformado (término que se empleará en lo sucesivo) habiendo introducido en él previamente una bolsa inflable, y poner a temperatura el conjunto aplicando al mismo tiempo una presión en el interior del forro por el inflado de la bolsa, lo que permite realizar una consolidación de la capa de material compuesto con el forro.

Para un depósito de este tipo de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 1, que necesita, además, un revestimiento funcional externo alrededor de la capa de material compuesto, siendo este revestimiento de material termoplástico, la preforma compuesta por el forro y la capa de material compuesto es rodeada de una película termoplástica antes de su instalación dentro del molde. La consolidación de los tres constituyentes, que son, el forro, la capa de material compuesto y la película, se hace, igualmente, por calentamiento del molde e inflado de la bolsa, de acuerdo con el preámbulo de la reivindica-
ción 7.

La solución adoptada por este documento para elaborar la capa externa de una forma compleja, necesita, por tanto, un revestimiento de una película termoplástica. Ahora bien, esta operación puede considerarse delicada y larga de poner en práctica cuando la estructura compleja presenta contornos con formas variables, debiendo vigilar el operador revestir convenientemente los detalles de estos contornos. El coste de una solución de este tipo es, igualmente, digno de consideración, porque la utilización de dicha película termoplástica y el tiempo empleado en aplicarla aumentan de manera consiguiente el precio de coste del producto.

La invención tiene, por tanto, por objeto fabricar de manera más simple y económica un cuerpo hueco de material compuesto que comprende una capa externa de revestimiento de material termoplástico.

El cuerpo hueco de acuerdo con la invención está caracterizado porque la capa externa está formada por el material termoplástico de la capa intermedia y, eventualmente, de la capa interna, material que ha migrado más allá de la capa intermedia durante la fabricación del cuerpo hueco. Este cuerpo hueco constituye, así, un producto homogéneo, porque la continuidad del material termoplástico del forro hasta la capa externa, asegura una consolidación perfecta de los componentes, lo que no está forzosamente garantizado cuando las capas constituyentes son añadidas, como en el estado de la técnica, de modo sucesivo una a otra, y después consolidadas.

Además, esta solución se considera más rápida de poner en práctica que la técnica anterior, por la ganancia de una etapa en el procedimiento, puesto que no se necesita la aplicación de una película de material termoplástico.

De acuerdo con una característica, el cuerpo hueco está constituido, antes de la migración, por el forro y la capa intermedia de material compuesto que reviste el citado forro, teniendo lugar la migración del material termoplástico después de una puesta a presión de la pared interna del forro y del calentamiento del forro recubierto por la capa intermedia.

De manera sorprendente, los inventores han puesto, así, en evidencia que el material de la capa intermedia migraba más allá de la citada capa intermedia durante su consolidación con el forro, y que los medios puestos en práctica para la consolidación podían ser adaptados para hacer migrar, igualmente, el material termoplástico del forro de modo que aumente el espesor de la capa externa deseada.

Ventajosamente, el material termoplástico de la capa intermedia de material compuesto es idéntico al de la capa interna. Preferentemente, el material termoplástico es una poliolefina, por ejemplo, el propileno o el polietileno, o bien un poliéster termoplástico, como el tereftalato de polietileno (PET) o el tereftalato de polibutileno (PBT), y las fibras de refuerzo son de vidrio.

El procedimiento de fabricación de este cuerpo hueco de material compuesto comprende las etapas siguientes:

-

preparación de un material compuesto, constituido de material termoplástico mezclado con fibras de refuerzo de la superficie externa del forro de manera que se obtenga una preforma;

-

introducción en un molde de la preforma en cuyo interior se ha insertado un globo de goma inflable;

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calentamiento de la preforma e inflado del interior del globo de goma para aplicar una presión contra la pared interna de la preforma,

caracterizado porque, entre la pared externa de la preforma y la pared interna del molde, está previsto un espacio adaptado al espesor de la capa externa del cuerpo hueco que hay que obtener, de manera que, durante la etapa de calentamiento y de aplicación de presión, permite la migración del material termoplástico de la capa intermedia y, eventualmente, del forro, más allá de la citada capa intermedia.

De acuerdo con una característica, el depósito de material compuesto se realiza por el enrollamiento de una cinta facilitada por un órgano aplicador y obtenida de una multiplicidad de bobinas de hilo de material compuesto, constituido, ventajosamente, por filamentos de vidrio y de material termoplástico comezclados.

De acuerdo con otra característica, la presión aplicada al interior del globo de goma está comprendida entre 1 y 10 bares, mientras que la temperatura de calentamiento de la preforma es, al menos, igual a la temperatura de fusión más elevada de los materiales termoplásticos presentes en la preforma.

Otras características y ventajas de la invención se pondrán de manifiesto con la lectura de la descripción que va a seguir, en relación con los dibujos anejos, en los cuales:

- la figura 1 es una vista en perspectiva de un cuerpo hueco de acuerdo con la invención;

- la figura 2 es una vista en perspectiva esquemática del dispositivo de puesta en práctica de la cinta de material compuesto por enrollamiento de filamentos alrededor del forro que constituye la capa interna del cuerpo hueco;

- la figura 3 es una vista en corte de un molde antes de la obtención del cuerpo hueco final, molde dentro del cual se coloca la preforma constituida por el forro revestido con material compuesto.

La figura 1 es una vista en perspectiva de un cuerpo hueco de material compuesto 1 de forma compleja que comprende, al menos, una abertura 10. La forma se dice compleja en el sentido de que su superficie puede presentar partes cóncavas y/o convexas. El cuerpo hueco aquí ilustrado es un codo, que, por ejemplo, puede empalmar dos tuberías destinadas a transportar fluidos a presión.

Son visibles en corte las tres capas constituyentes del cuerpo hueco 1: la capa interna 11, la capa intermedia 12 de material compuesto y la capa externa 13.

La capa interna 11 constituye el "forro" del cuerpo hueco, ésta es de material termoplástico y se obtiene por cualquier procedimiento conocido de tipo extrusión, inyección o moldeo.

Esta capa interna está revestida por enrollamiento de filamentos de la capa intermedia 12 que es a base de material termoplástico y de fibras de refuerzo tales como fibras de vidrio. El material compuesto de la capa intermedia 12 se presenta en el momento de su depósito sobre el forro en forma de una cinta que se enrolla alrededor del citado forro como se explicará más adelante en la descripción, no siendo el material termoplástico de la capa intermedia forzosamente idéntico al del forro, pero compatible con éste para establecer su consolidación en la etapa posterior de consolidación.

Finalmente, la capa externa 13, que constituye un revestimiento de protección de la capa intermedia 12, es de material termoplástico idéntico al de la capa intermedia 12 y, eventualmente, de la capa interna 11. Se trata, no de un añadido de material alrededor de la capa intermedia, sino del material de la capa intermedia y, eventualmente, de la capa interna, que ha migrado más allá de la capa intermedia en el momento de la etapa de consolidación del forro y de los enrollamientos de la cinta.

Se va a describir ahora el procedimiento de fabricación del cuerpo hueco en relación con las figuras 2 y 3, que ilustran los dispositivos de puesta en práctica. Éste comprende dos etapas, la primera realiza una preforma, que es el forro revestido por la capa intermedia 12 no consolidada, y la segunda permite obtener el producto acabado provisto de la capa externa 13 consolidada.

La primera etapa consiste en la aplicación del material compuesto sobre la superficie externa total 11a del forro 11. Con este objeto, el dispositivo de puesta en práctica de la figura 2 comprende un sistema de soporte 20 del forro y un conjunto 30 de distribución del material compuesto que hay que depositar sobre el forro.

El sistema de soporte 20 comprende un bastidor 21 en el cual está montado un árbol 22 giratorio alrededor de un eje X y destinado a arrastrar en rotación el forro 11. El extremo libre 23 del árbol es apto para recibir, por encajamiento, atornillamiento o cualquier otro medio equivalente, ya sea un mandril, no representado aquí, alrededor del cual es ensartado el forro cuando éste presenta una simetría de revolución, o bien directamente la abertura 10 del forro adaptada para cooperar, tal como está ilustrado en la figura 2.

El conjunto de distribución 30 consiste en un órgano aplicador 31 y en diversos elementos explicados en lo que sigue de la descripción, que están fijados, ventajosamente, a un banco común 32.

El órgano aplicador 31 está situado en el extremo de un mecanismo de soporte 33, éste puede estar animado con respecto a la superficie del forro 11 de movimientos de traslación según una dirección paralela y dos direcciones perpendiculares al eje de rotación X, así como pivotamientos alrededor de ejes perpendiculares al eje X.

El órgano aplicador 31 proporciona material compuesto en estado calentado en forma de una cinta R que es depositada sobre la superficie externa 11a del forro, siendo mantenido el órgano constantemente lo más próximo posible a esta superficie y describiendo ésta a lo largo de una trayectoria definida por la combinación de los movimientos de rotación del forro alrededor del eje X y de traslación y/o pivotamiento del órgano aplicador 31. Los movimientos de rotación, de traslación y de pivotamiento son controlados por medios de mando numérico 4 gestionados, por ejemplo, por un ordenador que puede estar equipado con un software adaptado para el enrollamiento de los filamentos y que utiliza las trayectorias geodésicas del forro modelizadas matemáticamente. Los medios de mando 4 controlan, igualmente, la rotación del árbol 22 que lleva el forro.

La cinta de material compuesto R proporcionada por el órgano 31 se obtiene por un procedimiento puesto en práctica con la ayuda de un dispositivo de fabricación, ambos descritos en la solicitud de patente francesa FR 99/13067.

La cinta, de anchura, por ejemplo, igual a 15 mm, se obtiene, ventajosamente, en línea, es decir, directamente a partir de bobinas 34 de hilo de material compuesto que son desbobinadas de modo concomitante, de manera independiente una de otra. Cada hilo está constituido, preferentemente, por filamentos comezclados de vidrio y de material termoplástico. Este tipo de hilo es vendido por la sociedad VETROTEX con el nombre comercial Twintex®.

Un desbobinado separado por bobina permite una movilidad relativa de los filamentos, y permite los diferenciales de velocidad de desbobinado entre las bobinas necesarios para compensar las variaciones de distancia entre cada una de las trayectorias de los filamentos desde las bobinas hasta la aplicación de la cinta. Así, un cambio de orientación de la cinta con respecto a la dirección de desbobinado de los filamentos no provoca ninguna puesta en tensión de los filamentos más alejados del centro del radio de curvatura de la trayectoria de la cinta.

Esta configuración garantiza la obtención de una cinta sin variación de anchura y perfectamente plana, evitando cualquier solapamiento de los filamentos o torsión de la cinta.

En el banco 22 están montados los diversos elementos que permiten la fabricación de la cinta, excepto las bobinas 34. La tensión impuesta a la cinta en el momento de su aplicación sobre el forro está asegurada por el paso de los filamentos a través de los elementos de fabricación.

Con la ayuda de un peine 35 se reúnen de manera paralela los hilos en forma de una tela N que penetra en una zona 36 en la que ésta se calienta a una temperatura que llega, al menos, a la de fusión del material termoplástico, pero sin llegar a la temperatura de reblandecimiento de las fibras de refuerzo. Se hace encaminar después la tela N hacia un dispositivo giratorio de impregnación 37, manteniendo al mismo tiempo el material termoplástico caliente y maleable para repartirlo de manera homogénea y garantizar la total impregnación de las fibras de refuerzo por éste. Después, la tela N pasa a un dispositivo de conformación y de centrado 38, permaneciendo al mismo tiempo su temperatura a un nivel suficiente para mantener en estado maleable el material termoplástico, de manera que se obtiene una cinta R constituida por la aproximación de los hilos, formando, así, una continuidad transversal. Finalmente, se encamina la cinta hasta el órgano aplicador 31 que comprende medios internos de calentamiento para conservar la maleabilidad del material termoplástico de la cinta.

El mecanismo de soporte 33 del órgano aplicador 31 está dispuesto en el banco común 32 que es móvil y mandado por los medios 4. Los movimientos de traslación del órgano aplicador 31 son, así, generados por el desplazamiento del banco, que, debido a esto, imprime un movimiento idéntico al conjunto de los elementos de fabricación de la cinta. El camino recorrido por la cinta desde el dispositivo de conformación 38 hasta el órgano aplicador 31 puede, así, optimizarse para mantener la cinta a la temperatura adecuada.

La puesta en marcha del enrollamiento de la cinta R alrededor del forro 11 empieza cuando la cinta que pasa a través de sus elementos de fabricación ha alcanzado la temperatura adecuada para su depósito, pudiendo efectuarse el inicio del enrollamiento fuera del forro por cualquier medio apropiado y accesible por el experto en la técnica. Es posible, por ejemplo, utilizar el árbol giratorio 22 fijando a éste por medios adhesivos el extremo de la cinta, el enrollamiento comienza alrededor del árbol 22 y continúa sobre el forro en el momento deseado.

El órgano aplicador 31 se gobierna de modo que la cinta se adapte perfectamente a los contornos de la superficie externa del forro. El ángulo de enrollamiento dado por la orientación del órgano aplicador 31 con respecto a la superficie del forro y el número de capas depositadas se establecen en función de las características mecánicas deseadas del producto final y, por consiguiente, de las tensiones axiales o radiales a las que estará sometido el cuerpo hueco.

Al final del enrollamiento de la cinta alrededor del forro, se corta la cinta manualmente o por medios automatizados, y se libera la preforma de material compuesto de las partes de la cinta que han servido para el inicio del enrollamiento.

La preforma de material compuesto que está constituida por el forro 11 rodeado por la cinta de material compuesto se desmonta después del árbol giratorio. Se introduce en esta preforma un globo de goma inflable 50 cuyo centrado se obtendrá automáticamente en el momento de la puesta a presión del globo de goma.

La preforma se coloca dentro de un molde 51 de material conductor térmico, tal como el aluminio. El molde se mecaniza de tal modo que los contornos de su pared interna reproduzcan la forma externa del producto final deseado. Las dimensiones interiores del molde se calculan para dejar subsistir un espacio 52 entre el forro recubierto por el material compuesto y la pared interna del molde. Después del cierre del molde, se inyecta aire en el globo de goma 50 a través de su válvula de inflado 53 a una presión comprendida entre 1 y 10 bares hasta que el globo de goma ocupe el volumen interior total de la preforma.

El molde 51 se coloca, entonces, dentro de una estufa 54 cuya temperatura alcance, al menos, la temperatura de fusión más elevada de los materiales termoplásticos presentes en la preforma. La duración de la estancia dentro de la estufa es función de varios parámetros, que son, especialmente, el tipo de material termoplástico de las capas 11 y 12, el espesor deseado de la capa externa 13 que hay que obtener por la migración del material termoplástico de la capa 12 y, eventualmente, de la capa 11, y el tipo de material elegido para el molde.

Es evidente que el calentamiento de la preforma puede concebirse de otro modo, pudiendo ser el molde calefactor, o bien pudiendo incorporarse una resistencia al interior del globo de goma. Además, el calentamiento puede ser simultáneo o previo a la puesta a presión del globo de goma.

El calor aplicado al molde se transmite a la capa de material compuesto 12 y a la matriz 11, éste reblandece y hace fluido el material termoplástico del material compuesto y, eventualmente, del forro. Bajo el efecto de la presión aplicada por el globo de goma, el material termoplástico migra hacia la pared del molde más allá de la capa de material compuesto expulsando y reemplazando el aire subsistente entre los enrollamientos de la cinta para ocupar el conjunto del espacio 52, siendo detenida la migración por la pared interna del molde. Naturalmente, el molde no es totalmente estanco, de manera que permite el escape del aire expulsado de la preforma. La anchura del espacio 52 se estudia en función del espesor deseado de la capa externa 13.

Se deja enfriar el molde. Después de la consolidación de la estructura, se evacua el aire del globo de goma, se abre el molde y se retira del molde el producto consolidado.

Claims (11)

1. Cuerpo hueco de material compuesto que comprende una capa interna (11) de material termoplástico que constituye el forro del citado cuerpo, una capa intermedia de material compuesto (12) termoplástico en la cual están alojadas fibras de refuerzo, y una capa externa (13) de material termoplástico, caracterizado porque la capa externa (13) está formada por el material termoplástico que constituye la capa intermedia (12) y, eventualmente, la capa interna (11), material que ha migrado más allá de la capa intermedia durante la fabricación del cuerpo hueco.

2. Cuerpo hueco de material compuesto de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el cuerpo hueco está constituido, antes de la migración, por el forro (11) y la capa intermedia de material compuesto (12) que reviste el citado forro, teniendo lugar la migración del material termoplástico después de una puesta a presión de la pared interna del forro (11) y del calentamiento del forro recubierto por la capa intermedia (12).

3. Cuerpo hueco de material compuesto de acuerdo con la reivindicación 1 o la reivindicación 2, caracterizado porque el material termoplástico de la capa de material compuesto (12) es idéntico al de la capa interna (11).

4. Cuerpo hueco de material compuesto de acuerdo con la reivindicación 3, caracterizado porque el material termoplástico es una poliolefina.

5. Cuerpo hueco de material compuesto de acuerdo con la reivindicación 3, caracterizado porque el material termoplástico es un poliéster.

6. Cuerpo hueco de material compuesto de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque las fibras de refuerzo son de vidrio.

7. Procedimiento de fabricación de un cuerpo hueco de material compuesto constituido por una capa interna de material termoplástico que forma el forro (11) del cuerpo, una capa intermedia de material compuesto (12) termoplástico en el cual están alojadas fibras de refuerzo y una capa externa (13) de material termoplástico, procedimiento que comprende las etapas siguientes:

- preparación de un material compuesto constituido de material termoplástico mezclado con fibras de refuerzo de la superficie externa (11a) del forro (11) de manera que se obtiene una preforma;

- introducción en un molde (51) de la preforma en cuyo interior se ha insertado un globo de goma inflable (50);

- calentamiento de la preforma e inflado del interior del globo de goma para aplicar una presión contra la pared interna de la preforma,

caracterizado porque, entre la pared externa de la preforma y la pared interna del molde, está previsto un espacio (52) adaptado al espesor de la capa externa (13) del cuerpo hueco que hay que obtener, de manera que, durante la etapa de calentamiento y de aplicación de presión, permite la migración del material termoplástico de la capa intermedia (12) y, eventualmente, del forro (11), más allá de la citada capa intermedia.

8. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 7, caracterizado porque el depósito del material compuesto se realiza por el enrollamiento de una cinta (R) facilitada por un órgano aplicador (31) y obtenida de una multiplicidad de bobinas (34) de material compuesto.

9. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 8, caracterizado porque el hilo de material compuesto está constituido por filamentos de vidrio y de material termoplástico comezclados.

10. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 7, caracterizado porque la presión aplicada al interior del globo de goma (50) está comprendida entre 1 y 10 bares.

11. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 7, caracterizado porque la temperatura de calentamiento de la preforma es, al menos, igual a la temperatura de fusión más elevada de los materiales termoplásticos presentes en la preforma.