ES2271566T3 - Procedimiento para fabricar un articulo tridimensional que tiene una estructura de intercalado. - Google Patents

Abstract

Método para producir un artículo tridimensional que tiene una estructu- ra de intercalado, que comprende un paso de deformación de un montaje princi- palmente plano de una espuma termoplástica y al menos una capa de cubierta de un material sintético termoplástico reforzado hasta un artículo tridimensional, ca- racterizado porque la espuma de la capa de núcleo es anisotrópica y porque los materiales de partida están seleccionados de una manera tal que la temperatura de transisión vítrea del material de partida de la capa de núcleo es más alta que la temperatura de transición vítrea del material sintético de la capa de cubierta.

Description

Procedimiento para fabricar un artículo tridimensional que tiene una estructura de intercalado.

La invención se refiere a un método para producir un artículo tridimensional que tiene una estructura de intercalado, que comprende un paso de deformación de un montaje principalmente plano de una capa de núcleo de una espuma termoplástica y al menos una capa de cubierta de un material sintético termoplástico reforzado hasta un artículo tridimensional.

Tal método es conocido en la técnica, por ejemplo a partir del documento EP 0264495. Este método conocido comprende estratificar al menos una capa de cubierta de un material sintético reforzado de fibras, por ejemplo una tela de fibras de aramida, que está impregnado de polieterimida, a un núcleo acabado de espuma como polimetacrilimida. En un método preferido, se usa una combinación de materiales de partida, de los cuales la espuma sintética tiene la menor temperatura de transición vítrea. Con el fin de mejorar la unión entre una capa de cubierta y el núcleo de espuma, la cara de la espuma que se ha de estratificar está provista de hendiduras superficiales, a las que se aplica una capa de unión del mismo material sintético, que sirve como matriz sintética para la capa de cubierta reforzada de fibras. Tras ello, el montaje se somete a un paso de deformación, por ejemplo por medio de calentamiento directo o indirecto en un molde adecuado.

En particular, este método se puede usar para la producción de artículos tridimensionales para la aplicación en el campo aéreo y espacial, debido a la provechosa combinación de propiedades de resistencia y peso relativamente bajo.

Sin embargo, una desventaja de este método conocido es la necesidad de temperaturas relativamente altas para el paso de verdadera deformación, por ejemplo en caso de una capa de cubierta de polieterimida reforzada de fibras, una temperatura de precalentamiento superior a 290ºC y temperaturas de molde de más de 130ºC a aproximadamente 180ºC como resultado de los materiales de partida seleccionados. A esas temperaturas tan altas, existe una verdadera posibilidad de que la espuma se colapse, debido a la Tg más baja de la espuma, posibilidad que se aumenta por la presión requerida de deformación. La relación entre presión, tiempo y temperatura durante el paso de deformación es de esta manera muy crítica, especialmente para artículos con un grosor inferior a 10 mm. Esto es incluso más importante cuando la temperatura de transición vítrea de la espuma es más baja. Por otro lado, para algunas posibles aplicaciones, la rigidez de pandeo del panel de intercalado, y por lo tanto del producto final, es insuficiente. Con el fin de aumentar la rigidez de pandeo, el grosor de la espuma se podría ampliar y/o se podrían aplicar una o más capas adicionales de cubierta. Tales soluciones siempre dan como resultado un aumento del peso, que a menudo se considera una desventaja.

La finalidad de la presente invención es eliminar al menos parcialmente las desventajas mencionadas anteriormente.

En particular, el objetivo de la presente invención es proporcionar un método para producir un artículo conformado tridimensionalmente que tiene una estructura de intercalado, que comprende un paso de deformación tridimensionalmente a temperatura
relativamente baja.

Todavía un objetivo adicional de la invención es proporcionar tal método en el que las propiedades de resistencia del artículo tridimensional obtenido se mejoran, en particular la resistencia a la flexión y la rigidez de pandeo, en comparación con los artículos que son producidos de acuerdo con métodos conocidos del estado de la técnica.

Todavía otro objetivo de la invención es proporcionar tal método en el que la coherencia entre la presión aplicada, el tiempo y la temperatura durante el paso de deformación es menos crítica para el producto final.

El método del tipo anteriormente mencionado está caracterizado, de acuerdo con la invención, por una espuma termoplástica anisotrópica en el núcleo y porque los materiales de partida se seleccionan de una manera tal que la temperatura de transición vítrea del material de partida de la capa de núcleo es más alta que la temperatura de transición vítrea del material sintético de la capa de cubierta.

En el método de acuerdo con la invención, se usa una espuma anisotrópica, en otras palabras, una espuma de celda cerrada con celdas de forma oblonga, cuya longitud es al menos algunas veces la anchura máxima de la celda. Tal espuma anisotrópica tiene una resistencia y un módulo de compresión altos en una dirección perpendicular a la superficie del montaje principalmente plano, en otras palabras, en la dirección de la anchura e igualmente del producto final conformado tridimensionalmente. Además de la alta resistencia en compresión (módulo), tal espuma anisotrópica tiene una alta rigidez en flexión, una resistencia mejorada al impacto y una capacidad de formación tridimensional a temperatura ambiente. Se hace observar aquí que, en el método de estratificado para producir un panel de intercalado mencionado en la discusión de la técnica anterior, la espuma acabada aplicada es isotrópica con celdas casi con forma de bombilla. Tal espuma isotrópica no es deformable tridimensionalmente a temperatura ambiente.

De acuerdo con el método de la invención, los materiales de partida se seleccionan con relación a las temperaturas de transición vítrea, para asegurar que la capa de cubierta empieza a fluir mientras que la espuma no se está colapsando. La posibilidad de colapso de la espuma en el método que se describe en el documento EP-A-0264495 es casi segura, debido a la elección preferida de material y las temperaturas de deformación relacionadas. Como la temperatura de transición vítrea de la espuma se alcanza ya mucho antes de que el material sintético de matriz de las capas de cubierta reforzadas de fibras empiecen a ablandarse. Ventajosamente, el punto de fusión del material sintético de la capa de cubierta reforzada de fibras está cerca (\pm25ºC) de la temperatura de transición vítrea del material de partida de la capa de núcleo de espuma, preferiblemente el punto de fusión es algo inferior a la temperatura de transición vítrea en lugar de ser algo superior.

El montaje de una capa de núcleo de espuma y al menos una capa de cubierta, preferiblemente dos capas de cubierta, a ambos lados de la capa de núcleo, se puede hacer de una espuma anisotrópica, sobre la cual se colocan libremente la capa o capas de cubierta. Con el fin de obtener una unión mutua, se requieren temperaturas relativamente altas de precalentamiento (antes del paso de verdadera deformación). Ventajosamente, este método se usa para capas de espuma relativamnte gruesas, es decir, con un grosor de 12 mm o más, como 25 mm.

Ventajosamente, el método comprende un paso de producción de intercalado formando in situ un panel de intercalado, panel que es sometido al paso de deformación como montaje principalmente plano. De acuerdo con esta realización preferida, el panel de intercalado, que se produce como producto intermedio para la fabricación del artículo tridimensional, se forma de una vez in situ. En otras palabras, la formación de espuma y la unión de una o más capas de cubierta a la espuma formada se hace todo en un paso. La formación in situ de un panel que tiene una estructura de intercalado es conocida como tal, por ejemplo a partir del documento EP 0636463 del solicitante. En general, tal método consiste en el paso de colocar una película de material termoplástico, tal como polieterimida que contiene una cantidad de un agente de soplado, entre dos capas de un material sintético termoplástico reforzado de fibras, tal como polieterimida reforzada de fibras de vidrio. Tras ello, este montaje se coloca entre dos placas de prensa opcionalmente calentadas, después de lo cual la película se deja espumar, aplicando calor y presión a las placas de prensa, en general de acuerdo con una curva fija de espumación, hasta un grosor predeterminado de espuma. Cuando se ha alcanzado este grosor de espuma, el panel obtenido de intercalado se enfría de una manera controlada, en general de acuerdo con una cierta curva de enfriamiento. De esta manera, se forma la espuma y tiene lugar simultáneamente una unión entre la espuma formada y las capas de cubierta del material sintético reforzado de fibras, dando como resultado una unión muy fuerte de la espuma a las capas de cubierta. La estructura de la espuma del panel de intercalado que se produce in situ es anisotrópica, consistiendo generalmente en celdas cerradas oblongas, cuya longitud es varias veces la sección transversal más ancha, por ejemplo 5 veces.

En particular, este método de espumación in situ se adecua para producir paneles delgados de intercalado que tienen una combinación óptima de capacidad deformación tridimensional a baja temperatura, incluso a temperatura ambiente, alta rigidez de pandeo, poco peso y pequeño grosor, por ejemplo inferior a 12 mm. Además, las condiciones de deformación lo que significa el perfil de presión, el período de tiempo y la temperatura, son menos críticas para la calidad del producto final.

El material de partida para la capa de núcleo de espuma puede ser cualquier material sintético termoplástico o mezcla de materiales, que se pueden espumar usando un agente apropiado de soplado. Los ejemplos incluyen, entre otros, polieterimida (PEI), polietersulfona (PES) y polisulfona. En particular, se prefieren la polietersulfona y especialmente la polieterimida, debido a ventajas mencionadas anteriormente y también debido a las excelentes propiedades de resistencia al fuego, que son favorables para aplicaciones en la industria área y espacial y también en otros sectores del transporte. Ejemplos de agentes apropiados de soplado para la polieterimida son la acetona y el cloruro de metileno. En la técnica se conocen otros agentes de soplado bien como disolvente o como agente de hinchamiento, o como agente de soplado físico y/o químico o una combinación de ellos. Mayoritariamente, el material de partida para la capa de núcleo de espuma es una película que está impregnada con la cantidad apropiada de agente de soplado. Si se desea, se pueden añadir aditivos, como nanopartículas, fibras y agentes piroretardantes. El grosor de la película no está limitado y varía, por ejemplo, de 75 a 400 \mum o más. También se pueden aplicar varias películas apiladas.

Ejemplos del material sintético de matriz para la capa de cubierta incluyen policarbonato (PC), poli(metacrilato de metilo) (PMMA) y mezclas de polímeros, también por ejemplo poli(tereftalato de etileno) con poli(tereftalato de butileno) (PET/PBT), como Valox (General Electric Company), y una mezcla de PC con PEI. También son aplicables otros polímeros resistentes al fuego. Si se desea se pueden añadir aditivos como agentes piroretardantes. Preferiblemente se aplica policarbonato (PC) como matriz sintética para las capas de cubierta, en particular en combinación con una espuma de PEI. El policarbonato (PC) tiene una temperatura de transición vítrea de aproximadamente 150ºC y una temperatura de fusión de 220ºC, mientras que la polieterimida (PEI) tiene una temperatura de transición vítrea de 220ºC. Esta es una combinación preferida de materiales debido a las excelentes propiedades de resistencia, las propiedades piroretardantes, la capacidad de deformación a temperaturas bajas y la relativamente baja densidad del panel de intercalado obtenido a partir de ellas, y por lo tanto del artículo conformado. Se hace observar que una temperatura de deformación más baja da como resultado un beneficio en peso, lo que es especialmente importante en la industria área y especial. Ejemplos de artículos, fabricados de acuerdo con el método de esta invención, comprenden paneles de cubierta, especialmente paneles de techo y/o de pared lateral, en particular para las paredes interiores de naves espaciales, aviones y vehículos de transporte tales como trenes, tranvías y autobuses, tubos completos para asientos, brazos y/o respaldos de asientos y asientos para mobiliario para sentarse para medios de transporte. También se pueden producir construcciones de soporte de carga de acuerdo con el método de esta invención. Otros productos finales típicos que se pueden producir de acuerdo con la invención incluyen cascos, bañeras, mobiliario y ciertas partes de coche.

La selección de fibras para el material sintético reforzado de fibras no está limitada de ninguna manera. Se pueden aplicar fibras inorgánicas, tales como vidrio, metálicas y fibras de carbono, y fibras orgánicas, incluyendo fibras de aramida y fibras naturales, si son resistentes a las condiciones que predominan durante la realización del método. Las fibras pueden estar orientadas o no. El tricotado, la tela, el paño y fibras unidireccionales son diferentes formas de apariencia de las mismas. De antemano la estructura de fibra se impregna con un material sintético en un llamado prepreg, y ventajosamente esto se consolida en una capa de cubierta, que se usa como material de partida para el método de acuerdo con la invención. Otras tecnologías son métodos de estratificado y de apilamiento de películas.

Preferiblemente, el grosor del panel de intercalado formado in situ es inferior a 12 mm, o más preferiblemente inferior a 8 mm, debido a la favorable relación entre rigidez de pandeo y peso. Cuando el grosor es superior, el beneficio relativo en rigidez de pandeo y otras propiedades es inferior.

Con el fin de mejorar las propiedades de resistencia, en la espuma pueden estar presente unas o más capas intermedias de un material sintético termoplástico reforzado de fibras. En otras palabras, el producto final obtenido tiene una configuración de intercalado, comprendiendo capas alternantes de espuma y de material termoplástico reforzado de fibras respectivamente.

Debido a la elección del material para la capa de cubierta, el paso de deformación se realiza ventajosamente a una temperatura de molde por debajo de 150ºC, dependiendo de la selección de materiales para el molde. Por otro lado, una ventaja clara con respecto a los costes operativos del método de producir, como ya se argumentó anteriormente, un paso de deformación a temperaturas inferiores ofrece la oportunidad de obtener un producto final que tiene un peso inferior.

En este contexto, se hace observar que el paso de deformación comprende el labrado de la superficie del panel de intercalado, durante el cual al menos una parte de esta superficie se le da una forma diferente.

En lo sucesivo la invención se ilustrará adicionalmente por medio de los siguientes ejemplos.

Ejemplo 1

Un panel de intercalado, que consiste en capas de cubierta de policarbonato reforzado de fibras de vidrio consolidado y una espuma espumada in situ de polieterimida, se fabrica de acuerdo con el método descrito posteriormente.

Una película de polieterimida que tiene un grosor de 250 \mum, teniendo tal película un grosor de 125 \mum, películas que son conocidas como Ultem 1000 de grado stándar de General Electric Company, impregnada con acetona, se coloca entre dos capas de cubierta con un grosor de \pm0,25 mm. Tal capa de cubierta es una lámina consolidada de tela de vidrio (Interglass Style 91135), impregnada con 32\pm1% de policarbonato, fabricado mediante el método de apilado de película conocido como tal.

Este montaje de películas y capas de cubierta se coloca entre dos placas calentadas de prensa, a las que se aplica una presión de aproximadamente 25-50 kg/cm^{2}. Después de que el montaje ha alcanzado una temperatura uniforme, la prensa se abre de acuerdo con una curva de espumación relacionada con el tipo seleccionado de película, hasta que el grosor de espuma, producido a partir de la película, tiene un valor de 5,2 mm. Después de un enfriamiento controlado, el panel de intercalado se seca con el fin de retirar acetona lo más posible.

El panel de intercalado in situ obtenido de esta manera tiene una estructura de espuma anisotrópica, que tiene celdas principalmente oblongas con la dimensión más grande en la dirección de la anchura del panel. Con una densidad de espuma de 90 kg/m^{3}, la resistencia en compresión es de 2,3 MPa. Con fines comparativos: la espuma isotrópica de PEI que tiene una densidad de 90 kg/m^{3} tiene una resistencia en compresión de 1,3 MPa.

El panel de intercalado de 220x220 mm fabricado como se mencionó anteriormente se coloca entre dos placas calentadas de prensa, mantenidas a T=210-240ºC, y calentadas durante 10-20 segundos. Para impedir que el policarbonato blando se pegue a las placas de prensa, se usa una manta de 0,5 mm de grosor de caucho de silicio.

El montaje total se coloca sobre un molde calentado de madera (T=50-70ºC) con un agujero circular hueco, después de lo cual se coloca un molde superior plano de madera (T=50-70ºC) con un agujero sobre el montaje. Con una estampa sintética convexa (T=50-70ºC) provista de un mango, el panel de intercalado se presiona sobre el molde hueco, mediante lo cual el molde superior funciona como una especie de dispositivo de enclavamiento. Después de aproximadamente 10 segundos la estampa se retira y el artículo conformado se puede sacar del molde. El rebaje en el panel de intercalado formado de esta manera tiene un diámetro de 125 mm y una altura de 25 mm. El grosor a lo largo de la sección del rebaje es en todos los sitios casi el mismo, y casi igual al grosor de partida del panel de intercalado espumado seco.

Ejemplo 2

Un panel de intercalado, que consiste en capas de cubierta de policarbonato reforzado de fibras de vidrio consolidadas, y una espuma formada in situ de polieterimida se produce de acuerdo con el siguiente método.

Dos películas de polieterimida, que tienen cada una un grosor de 250 \mum, conocidas como Ultem 1000 de grado estándar de General Electric Company, impregnadas con acetona, se colocan entre dos capas de cubierta que tiene un grosor \pm0,50 mm. La capa de cubierta es una lámina consolidada de tela de vidrio de dos capas (US Style 7781), impregnada con 32\pm1% de policarbonato, fabricada mediante el método conocido de apilamiento de películas.

Este montaje de películas de núcleo y capas de cubierta se coloca entre dos placas calentadas de prensa, a las que se aplica una presión de aproximadamente 25-50 Kg/cm^{2}. Después de que el montaje ha alcanzado la temperatura de espumación, la prensa se abre de acuerdo con una curva de espumación relacionada con el tipo seleccionado de película, hasta que se obtiene el grosor requerido de espuma de 7,2 mm. Después de un enfriamiento controlado, el panel de intercalado se seca con el fin de retirar acetona lo más posible.

El panel de intercalado in situ fabricado de esta manera tiene una estructura anisotrópica de espuma que tiene una resistencia en compresión de 2,1 MPa con una densidad de 90 kg/m^{3}.

De la misma manera que se mencionó en el ejemplo 1, el panel de intercalado fabricado mencionado anteriormente de 220x220 mm se calienta y después se conforma.

El rebaje con forma de casquete formado de esta forma en el panel de intercalado tiene un diámetro de 135 mm y una altura de 30 mm. El grosor a lo largo de la sección del rebaje es en todos los sitios casi igual al grosor de partida del panel de intercalado espumado seco.

Claims (8)

1. Método para producir un artículo tridimensional que tiene una estructura de intercalado, que comprende un paso de deformación de un montaje principalmente plano de una espuma termoplástica y al menos una capa de cubierta de un material sintético termoplástico reforzado hasta un artículo tridimensional, caracterizado porque la espuma de la capa de núcleo es anisotrópica y porque los materiales de partida están seleccionados de una manera tal que la temperatura de transisión vítrea del material de partida de la capa de núcleo es más alta que la temperatura de transición vítrea del material sintético de la capa de cubierta.

2. Método de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el método comprende un paso de formación de intercalado para formar in situ un panel de intercalado, panel que es sometido al paso de deformación como panel principalmente plano.

3. Método de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque el material de partida de la capa de núcleo se selecciona del grupo que comprende polieterimida (PEI), polietersulfona (PES),
polisulfona o una mezcla de ellos.

4. Método de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el material de partida de la capa de cubierta se selecciona del grupo que comprende policarbonato (PC), poli(metacrilato de metilo) (PMMA) o una mezcla que contiene tal compuesto.

5. Método de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el grosor del panel de intercalado formado in situ es inferior a 12 mm.

6. Método de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el grosor del panel de intercalado espumado in situ es inferior a 8 mm.

7. Método de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el paso de deformación se realiza a una temperatura de molde por debajo de 150ºC.

8. Método de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la espuma del montaje principalmente plano comprende al menos una capa intermedia de material sintético termoplástico reforzado de fibras.