ES2277996T3 - Proceso de moldeado de una pieza de material composito y dispositivo que permite la implementacion de dicho proceso. - Google Patents

Abstract

Proceso de moldeado de una pieza de material composito de tipo que consiste en poner en un molde (1) un apilado (2) de capas (20) tomadas en una banda continua de fibras aglomeradas en una matriz termoendurecible o termoplástica, y dispuestas según direcciones preferidas de dichas fibras, y en someter dicho molde a condiciones particulares de presión y de temperatura, y se caracteriza por que consiste en realizar operaciones sucesivas de : - puesta en forma de dicho apilado (2) de capas (20) en el molde (1), a baja presión realizada gradualmente a velocidad lenta, - eliminación del excedente de material (21) que sobresale del borde del molde (1), - realización de la estanquidad del molde desde el exterior, - incremento de la presión hasta una alta presión, - elevación en temperatura del molde (1), - enfriamiento rápido del molde (1).

Description

Proceso de moldeado de una pieza de material composito y dispositivo que permite la implementación de dicho proceso.

La presente invención tiene por objeto un proceso de moldeado de una pieza de material composito y el dispositivo que permite la implementación de dicho proceso.

Ya se conocen distintos procesos de moldeado de piezas de material composito, que permiten la puesta en forma de dicho material que consiste en fibras aglomeradas en una matriz termoendurecible o termoplástica mediante un molde y en asociación con condiciones particulares de presión y de temperatura.

Las fibras consisten generalmente de vidrio, carbono o aramida, mientras que la matriz es de tipo epóxido, fenólico o similar.

Los procesos conocidos difieren también según el modo de implementación del material composito en el molde. La mayoría de estos procesos utilizan una estera que se presenta en forma de banda continua no tejida de fibras que se extienden en paralelo, y de la cual son tomados o bien capas destinadas a ser sobrepuestas, eventualmente variando la orientación de las fibras, con el fin de aumentar la resistencia del conjunto, o bien trozos más o menos largos y/o anchos que se disponen en el molde, siendo dichos trozos de banda continua preimpregnada dispuestos a granel, de modo aleatorio, o según una disposición tridimensional particular ligada al uso de la pieza a realizar.

Se notará que los trozos de banda continua preimpregnada pueden ser conformados en una estructura realizada fuera del molde, lo que permite disponer las fibras según una orientación preferida, y obtener así una mayor resistencia a un esfuerzo conocido, sin embargo, este modo de actuar es costoso en tiempo.

El documento EP 0.025.689 describe un complejo realizado mediante tal proceso, y que consiste en una hoja realizada del ensamblado de dos hojas constituidas, a su vez, del ensamblado de trozos recortados de una banda continua de fibras preimpregnadas.

Se conoce también del documento FR 2.740.149 un proceso de moldeado a partir de una hoja constituida de un ensamblado de trozos de una banda continua de fibras preimpregnadas. Los trozos de banda continua vienen sobrepuestas horizontalmente y de modo arbitrario, para formar una estructura que es, a continuación, sometida a una presión de 10 a 80 kg/cm^{3} y a una temperatura de 210 a 350ºC.

Por otro lado, el documento EP 0.916.477 describe un proceso de moldeado de una pieza de material composito a partir de una estructura composita constituida del ensamblado de trozos de una banda continua de fibras preimpregnadas, donde dichos trozos son dispuestos de modo que se obtenga una disposición tridimensional de las fibras, siendo dicha estructura a continuación sometida a una temperatura de 150°C y a una presión de 10 a 100 bares.

Se notará que se ha constatado, en el momento de la puesta bajo fuerte presión, una fluencia de la matriz termoendurecible o termoplástica, que puede ser asimilada a un centrifugado de las fibras, de modo que la pieza obtenida es poco resistente.

Los arriba mencionados procesos son destinados a la fabricación de objetos particulares, así el proceso del documento FR 2.740.149 es destinado a la fabricación de puntas reforzadas de zapato, mientras que el proceso del documento EP 0.916.477 es destinado principalmente a la fabricación de objetos de tipo manivelas de bloque de pedales de bicicleta. Aunque estos objetos sean de una gran resistencia, esta última es sin embargo limitada, lo que no permite la fabricación de algunas piezas que presentan una determinada complejidad de forma.

Por ejemplo, en el caso de piezas huecas que presentan elementos de ejes distintos que se unen, conviene utilizar un núcleo alrededor de cada una de las partes del cual son dispuestos cojines de capas, luego poner el conjunto en un molde a presión. Sin embargo, se puede constatar una muy mala conexión entre ellos de los distintos elementos, dado que esta última resulta sólo de la fluencia de la matriz termoendurecible o termoplástica.

Por otro lado, en el caso particular de un objeto que presenta uno o varios agujeros pasantes, es posible proceder de distintos modos.

Se puede realizar una perforación después del moldeado, con el inconveniente, además de la dificultad de realización a causa de la dureza del material, del seccionamiento de las fibras, lo que crea una debilidad relativa en los alrededores del agujero.

Se puede también, tal y como se recomienda en el documento EP 0.916.477, utilizar un inserto o núcleo dispuesto en el molde, y, eventualmente, enrollar trozos de banda continua de fibras preimregnadas alrededor de este inserto o núcleo, lo que presenta riesgos de discontinuidad de la red de fibras en el conjunto del objeto realizado.

Por otro lado, los procesos actualmente conocidos requieren, después del desmoldeamiento, trabajos de modelado y de desbarbado costosos en mano de obra, y que pueden ser perjudiciales para la resistencia del objeto realizado.

Se conoce también, del documento EP 0 355 641 que describe el preámbulo de las reivindicaciones 1 y 4, JP 02 131929 y EP 0 755 772, procesos de fabricación de objetos de material composito por moldeado en los cuales es previsto realizar etapas de puesta en forma, de eliminación excedente de material, de presión y de calentamiento, luego de enfriamiento. Se ha podido constatar que los objetos obtenidos con los procesos descritos en estos documentos no presentan ninguna resistencia homogénea, debido en particular a dichos procesos y dispositivos que permiten su implementación.

La presente invención tiene por objeto el de paliar estos distintos inconvenientes, proponiendo un proceso de moldeado de una pieza de material composito que permite en particular realizar piezas de una resistencia superior a aquella de las piezas obtenidas con los procesos de moldeado actualmente conocidos, independientemente de la complejidad de esta
pieza.

El proceso de moldeado de una pieza de material composito según la invención es de tipo que consiste en poner en un molde un apilado de capas tomadas de una banda continua de fibras aglomeradas en una matriz termoendurecible o termoplástica, y dispuestas según direcciones preferidas de dichas fibras, y en someter dicho molde a condiciones particulares de presión y de temperatura, y se caracteriza porque consiste en realizar operaciones sucesivas de:

- puesta en forma de dicho apilado de capas en el molde, a baja presión realizada gradualmente a velocidad lenta,

- eliminación del excedente de material que sobresale del borde del molde,

- realización de la estanquidad del molde desde el exterior,

- incremento de la presión hasta una alta presión,

- elevación en temperatura del molde,

- enfriamiento rápido del molde.

El proceso según la invención permite realizar un verdadero forjado del material composito, que confiere a la pieza obtenida una resistencia muy grande, lo que permite prever la fabricación de piezas realizadas hasta ahora de metal, por ejemplo aluminio.

Los procesos existentes, en particular aquellos descritos en los documentos EP 0 355 641, JP 02 131929 y EP 0 755 772, no permiten obtener este resultado, en efecto, la eliminación del excedente de material se realiza antes de la puesta en forma y antes de la puesta bajo presión, de modo que la cantidad de material utilizada no es óptima, y el corte durante la presión genera generalmente una fluencia de la matriz termoendurecible, con el resultado de una disminución de la resistencia de la pieza obtenida por moldeado.

Además, en los procesos de los arriba mencionados documentos, no viene previsto realizar la estanquidad del molde, de modo que se observa la fluencia de la matriz termoendurecible o termoplástica.

Según una característica adicional del proceso según la invención, la fuerte presión es comprendida entre 50 y 200 bares, mientras que la temperatura de calentamiento del molde es comprendida entre 125 y 135°C.

Se notará que el uso de una presión hasta 200 bares es posible sólo a causa de la realización de la estanquidad del molde desde el exterior, en el caso contrario, se observa un centrifugado de las fibras.

Según otra característica adicional del proceso según la invención, la operación de eliminación del excedente de material es asociada, si la pieza a realizar debe comportar uno o varios agujeros pasantes, con una operación de perforación a través del molde.

Al mismo tiempo que la eliminación del material excedente, se realiza un punzonado a través del molde, y el o los punzones o troqueles son mantenidos en posición durante la operaciones de presión y de calentamiento.

Al inicio de la perforación, las fibras no son inmediatamente cortadas, de modo que, después del corte, los extremos de las mismas son orientadas según un eje otro que su eje principal, lo que confiere al borde del agujero una resistencia particular, lo que no permite obtener, por ejemplo, una operación de perforación y desmoldeado.

Se notará que una reorientación de los extremos de las fibras es también obtenida en la circunferencia de las piezas durante el corte del excedente de material.

Se notará que el punzonado es realizado después de la puesta en forma en el molde a baja presión, lo que es muy importe. En efecto, en el documento EP 0 355 641, por ejemplo, se realiza un punzonado en el molde antes de la puesta en forma y antes de la puesta bajo presión, o de modo simultáneo y no sucesivo, lo que tiene por consecuencia un riesgo de fluencia de la matriz termoendurecible y también de supresión de algunas fibras y, por lo tanto, la no obtención de un forjado.

Para la realización de piezas complejas tales como aquellas evocadas más arriba, es decir, por ejemplo, huecas y que comprenden muchos elementos de distintos ejes que se unen, la puesta bajo presión con estanquidad del molde permite, ya que no existe ningún centrifugado, desplazar las fibras de modo que se obtenga un entrelazado de las fibras de un cojín destinado a la realización de uno de dichos elementos con las fibras de uno o varios otros cojines, para llegar a una pieza de gran resistencia.

El dispositivo que permite la implementación del proceso de moldeado según la invención es de tipo que comporta un medio de presión de un molde constituido de al menos dos partes entre las cuales es dispuesto el apilado de capas, y se caracteriza principalmente porque comporta:

- un medio de corte móvil respecto a dicho molde, y capaz, bajo la acción de un medio de accionamiento, de cortar el excedente de material que sale de dichas partes después del prensado de las mismas y de adaptarse a la forma exterior de dichas partes al nivel de su línea de unión para constituir una junta estanca,

- así como medios capaces de calentar y enfriar rápidamente dichas partes.

Los dispositivos existentes son previstos capaces de implementar los procesos existentes, pues, comportan generalmente dos partes entre las cuales es dispuesto el apilado de capas, presentando dichas partes la forma a realizar, y comprendiendo al menos una de dichas partes una hoja de corte o similar que permite eliminar el excedente de material antes o al mismo tiempo que la puesta en forma, con los arriba mencionados inconvenientes que eso
genera.

Según una característica adicional del dispositivo según la invención, los medios de presión y de accionamiento consisten en gatos alineados y que actúan en sentidos opuestos.

Según otra característica adicional del dispositivo según la invención, los medios capaces de calentar y enfriar rápidamente las partes del molde consisten en medios que permiten hacer circular en las mismas un líquido termoconductor presurizado, asociados con medios que permiten calentar o enfriar dicho liquido termoconductor.

Se notará que la operación de calentamiento puede también ser realizada eléctricamente o por inducción, siguiendo siendo el enfriamiento mediante un fluido termoconductor.

Según otra característica adicional del dispositivo según la invención, comporta al menos un punzón capaz de traversar las partes del molde que presentan a tal fin agujeros situados uno frente a otro.

Según otra característica adicional del dispositivo según la invención, el o los punzones son solidarios de los medios de corte y animados por el mismo medio de accionamiento.

Las ventajas y características del dispositivo según la invención se desprenderán más claramente de la descripción que sigue y que se refiere al dibujo adjunto, el cual representa un modo de realización no limitativo.

En el diseño adjunto :

- Las figuras 1a, 1b, 1c e 1d representan vistas esquemáticas que ilustran distintas etapas del proceso de moldeado según la invención.

- La figura 2 representa una vista en perspectiva de una pieza realizada según el proceso según la invención.

- La figura 3 representa una vista esquemática en plano de una parte del dispositivo que permite la fabricación de la misma pieza.

- La figura 4 representa una vista esquemática en perspectiva de un objeto susceptible de ser realizado según el proceso según la invención.

Con referencia a la figura 1a, se puede ver una primera etapa del proceso de moldeado según la invención, mediante un dispositivo que comprende en particular un molde 1 realizado en dos partes, una parte macho 10 y una parte hembra 11.

La primera etapa consiste en disponer entre las dos partes 10 y 11 del molde 1, un apilado 2 de capas 20 cortadas en una banda continua de fibras aglomeradas en una matriz termoendurecible o termoplástica. Las fibras consisten de vidrio, carbono o aramida, mientras que la matriz es del tipo epóxido, fenólico o similar. Las capas 20 no son apiladas de forma arbitraria, sino son preferiblemente dispuestas de modo que de una capa 20 a otra las fibras se extiendan en distintas direcciones, de modo que venga realizado un predeterminado entrelazado.

Se notará que el apilado 2 puede ser o bien dispuesto entre las partes 10 y 11 del molde 1, o bien aplicado en una u otra de las partes 10 y 11, con el fin de evitar, en el caso de una forma particularmente compleja de la impronta, una fluencia de la matriz termoendurecible o termoplástica y, por lo tanto, la creación de una o varias zonas desprovistas de fibras de refuerzo.

La siguiente etapa consiste en acercar las partes 10 y 11 y apretar el apilado 2 bajo una ligera fuerza, realizándose el acercamiento de las partes 10 y 11 gradualmente, a una velocidad de 3 milímetros por segundo, de modo que el apilado adopte la forma de la impronta, tal y como viene representado en la figura 1b.

La velocidad de acercamiento de las dos partes 10 y 11 puede variar en función de la complejidad de la pieza a realizar. Además, esta velocidad puede variar en función de la temperatura de la herramienta. Una velocidad lenta asociada con una determinada temperatura permitirá más o menos, según el tipo de pieza, un deslizamiento entre cada capa.

Las dimensiones de las capas 20 son calculadas de modo que, después de la puesta en forma, éstas salgan en toda la circunferencia del molde 1, para evitar la formación de faltas de material. Por lo tanto, es necesario proceder a la eliminación del excedente 21, lo que se realiza mediante un cuchillo 3, móvil en traslación vertical, y capaz de adaptarse estrechamente a la forma exterior del molde 1.

Se notará que el cuchillo 3 debe ser de diseño robusto y que, por otro lado, su filo debe, preferiblemente, no ser contenido en un plano, con el fin de evitar, si el borde periférico de la pieza a moldear es en mayor parte plana, atacar el material paralelamente a este último. Así, el filo 30 del cuchillo 3 describe una línea interrumpida o una curva, de modo que no sea nunca paralelo al material a cortar.

Con referencia a la figura 1c, se puede ver que el cuchillo 3 ha eliminado el excedente de material 21 y que permanece en posición en la circunferencia del molde 1, lo que permite cerrar este último de modo stanco.

En el ejemplo representado, la pieza 4 a realizar debe comportar un agujero pasante 40 dispuesto centralmente, por lo tanto, las partes 10 y 11 del molde 1 comportan, cada una, un orificio, respectivamente 12 y 13, mientras que un troquel 5, móvil en traslación vertical, es capaz de ser insertado en el orificio 12, luego en el orificio 13, de modo que venga realizada la perforación del apilado 2.

Con referencia ahora a la figura 1d, se puede ver que, después de la realización de la perforación del apilado 2, el troquel 5 es mantenido en posición, de modo stanco, y las partes 10 y 11 son empujadas en dirección una de otra, lo que se realiza a una presión de 50 a 200 bares, mientras que al mismo tiempo son calentadas a una temperatura de 125 a 135°C, preferiblemente 132°C, siendo la presión y la temperatura mantenidas durante un período de 15 a 20 minutos.

Se notará que, preferiblemente, no se prevén topes de fin de carrera en las partes 10 y 11, el cierre de las mismas se realiza directamente en las capas 20, lo que permite alcanzar altas presiones y requiere, por lo tanto, que la estanquidad sea perfecta para evitar un centrifugado de las fibras.

La puesta a temperatura del molde 1 se realiza mediante un fluido termoconductor, tal como agua, que circula baja presión en canalizaciones, no representadas, que cada una de las partes 10 y 11 comporta, o eléctricamente o por inducción.

El molde 1 es a continuación enfriado mediante un fluido termoconductor, luego se quitan el cuchillo 3 y el troquel 5, y se separan las partes 10 y 11 del molde 1, para liberar la pieza moldeada 4.

En cuanto a la implementación, un gato permite apretar las partes 10 y 11 del molde 1 una contra otra, mientras que un segundo gato, que actúa en el sentido opuesto al primero, empuja el cuchillo 3 y un tercero gato de acción idéntica al segundo empuja el troquel 5.

Se notará que según una variante, el cuchillo 3 y el troquel 5 pueden ser solidarios, de modo que sean accionados por el mismo gato, realizándose así el corte y el punzonado simultáneamente.

La pieza 4 así realizada es de una resistencia muy grande, la cual no es reducida por la presencia del agujero 40, ya que, en efecto, la realización de este último no altera la continuidad de la red de fibras al nivel del conjunto de la pieza.

Por otro lado, dado que la realización del agujero 40 puede ser asimilada a un forjado alrededor del troquel 5, eso confiere a la pared que lo delimita una resistencia inigualable con los procesos conocidos y que consisten o bien en perforar tras el desmoldeamiento, o bien en poner en el molde un inserto revestido antes del moldeado.

El proceso de moldeado según la invención puede presentar algunas variantes, así se pueden utilizar uno o varios insertos destinados a colocarse en el apilado 2, siendo este o estos insertos por supuesto capaces de ser fijados en el molde 1.

Con referencia ahora a la figura 2, se puede ver una pieza realizada según el proceso según la invención. Se trata de una media caja 6 de un cubo de hélices de un avión ultraligero (ULM), sabiendo que dos medias cajas idénticas permiten realizar un cubo.

Tal y como se puede ver, esta media caja 6 presenta en su región mediana una parte hueca 60 en la cual emergen dos partes 61 de forma semitubular destinadas, cada una, al paso del extremo de una pala, mientras que la circunferencia 62 es en mayor parte plana.

Se puede constatar que la media caja 6 comporta numerosos orificios, 63, 64 y 65 respectivamente, de centrado de la hélice, de fijación del plato y de bloqueo de las palas, todos realizados según el proceso según la invención, mediante un mandril que comporta sendos troqueles.

Con referencia ahora a la figura 3, se puede ver la parte 7, macho o hembra, de un molde que permite fabricar una media caja 6. Se puede constatar que esta parte 7 comporta agujeros 70 destinados al paso del troquel, así como un canal interno periférico 71 que presenta una entrada 72 y una salida 73, y destinado a la circulación de un fluido termoconductor, tal como agua, que permite realizar la subida en temperatura del molde, y en particular el enfriamiento rápido de este último.

Con referencia ahora a la figura 4, se puede ver una pieza 8 susceptible de ser realizada según en proceso según la invención. Esta pieza 8 resulta del ensamblado radial en un casquillo 80 de dos casquillos 81 y 82, por su filo, respectivamente 83 y 84.

En la práctica, se utiliza un núcleo sobre el cual se disponen apilados de capas para la realización de un manguito para cada uno de los casquillos 80, 81 y 82, en asociación con capas de conexión que recubren estos manguitos. Con los procesos existentes, la solidarización de los casquillos 80, 81 y 82 es debido sólo a las capas de conexión, y a la fluencia de la matriz termoendurecible, de modo que se obtenga una parte de baja resistencia.

Con el proceso según la invención, se observa, debido en particular a la asociación estanquidad - fuerte presión, una fluencia de las fibras, lo que aumenta considerablemente la conexión de los casquillos.

El proceso según la invención permite así realizar a escala industrial partes complejas.

Claims (9)

1. Proceso de moldeado de una pieza de material composito de tipo que consiste en poner en un molde (1) un apilado (2) de capas (20) tomadas en una banda continua de fibras aglomeradas en una matriz termoendurecible o termoplástica, y dispuestas según direcciones preferidas de dichas fibras, y en someter dicho molde a condiciones particulares de presión y de temperatura, y se caracteriza porque consiste en realizar operaciones sucesivas de:

- puesta en forma de dicho apilado (2) de capas (20) en el molde (1), a baja presión realizada gradualmente a velocidad lenta,

- eliminación del excedente de material (21) que sobresale del borde del molde (1),

- realización de la estanquidad del molde desde el exterior,

- incremento de la presión hasta una alta presión,

- elevación en temperatura del molde (1),

- enfriamiento rápido del molde (1).

2. Proceso según la reivindicación 1, caracterizado porque la fuerte presión es comprendida entre 50 y 200 bares, mientras que la temperatura de calentamiento del molde es comprendida entre 125 y 135°C.

3. Proceso según la reivindicación 2 o la reivindicación 3, caracterizado porque la operación de eliminación del excedente de material (21) es asociada con una operación de perforación a través del molde (1).

4. Dispositivo que permite la implementación del proceso de moldeado según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, de tipo que comporta un medio de presión de un molde (1) constituido de al menos dos partes (10, 11) entre las cuales es dispuesto el apilado (2) de capas (20), caracterizado porque comporta:

- un medio de corte (3) capaz, bajo la acción de un medio de accionamiento, de cortar el excedente (21) de material que sale de dichas partes (10, 11) después del prensado de las mismas y de adaptarse a la forma exterior de dichas partes (10, 11) al nivel de su línea de unión para constituir una junta estanca,

- así como medios (71) capaces de calentar y enfriar rápidamente dichas partes (10, 11).

5. Dispositivo según la reivindicación 4, caracterizado porque los medios de presión y de accionamiento consisten en gatos alineados y que actúan en sentidos opuestos.

6. Dispositivo según la reivindicación 4 o la reivindicación 5, caracterizado porque los medios capaces de calentar las partes (10, 11) consisten en medios eléctricos o por inducción, mientras que los medios capaces de enfriar consisten en medios que permiten hacer circular un líquido termoconduc-
tor.

7. Dispositivo según la reivindicación 4 o la reivindicación 5, caracterizado porque los medios capaces de calentar y enfriar rápidamente las partes (10, 11) del molde (1) consisten en medios (71) que permiten hacer circular en estas últimas un líquido termoconductor presurizado, asociados con medios que permiten calentar o enfriar dicho líquido termoconductor.

8. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 4 a 7, caracterizado porque comporta al menos un punzón (5) capaz de pasar a través de las partes (10, 11) del molde (1) que presentan a tal fin agujeros (12, 13, 70) dispuestos frente uno a otro.

9. Dispositivo según la reivindicación 8, caracterizado porque el o los punzones (5) son solidarios de los medios de corte (3) y animados por el mismo medio de accionamiento.