ES2288415A1 - Procedimiento para la obtencion de moldes de base cementicea aplicables a la fabricacion de piezas de materiales compuestos. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento para la obtención de moldes de base cementícea aplicables a la fabricación de piezas de materiales compuestos, a partir de un material de baja densidad, moldeable o mecanizable mediante por ejemplo fresado, obtenido como producto final del fraguado de cementos en base a aluminato de calcio, de cementos con un alto contenido en óxido de aluminio, agua y aditivos, apto para soportar temperaturas de curado superiores a 250ºC, que se obtiene mediante el tratamiento térmico del molde original a temperaturas suficientes como para que posteriores tratamientos no afecten a su estructura ni se produzcan cambios dimensionales; fabricado adicionando los productos sólidos contenidos en un recipiente a los productos líquidos contenidos en otro, agitando entre 1 y 30 minutos, pasando por un tamiz, depositando la mezcla en un recipiente hermético entre 1 y 5 días, secado a 50º y tratado térmicamente a la temperatura adecuada para consolidación final.
Description
Procedimiento para la obtención de moldes de
base cementícea aplicables a la fabricación de piezas de materiales
compuestos.
La invención se refiere, tal como expresa el
enunciado de la presente memoria descriptiva, a un procedimiento
para la obtención de un moldes de base cementícea aplicables a la
fabricación de piezas de materiales compuestos, cuyo objeto es
conseguir una alta resistencia térmica de los mismos para ser
capaces de soportar las altas temperaturas de curado que precisan
ciertas resinas, presentando además características innovadoras y
ventajosas de baja densidad, facilidad de fabricación, de moldeado
y de reparación.
El campo de aplicación de la presente patente
de invención es principalmente el sector aeronáutico, aeroespacial
y de la automoción, donde se requieren materiales con alta
resistencia térmica y baja densidad para el curado de las resinas
de última generación, resinas que curan por encima de los
250ºC.
Como es sabido, los moldes tienen que ser
fabricados con la máxima precisión. Además es preciso que
proporcionen una alta fiabilidad así como permitir posteriores
reutilizaciones a pesar de trabajar en condiciones severas como por
ejemplo cargas severas durante el proceso de moldeo.
Además el diseño inicial o mantenimiento, la
fiabilidad y tiempo de servicio de los moldes están principalmente
determinados por el material base utilizado, el tratamiento térmico
y las operaciones de mecanizado durante su fabricación.
Los moldes utilizados en la elaboración de
piezas de materiales compuestos se pueden fabricar de cualquier
material.
Para las partes que curan a temperatura ambiente
o baja temperatura donde no se requiere un gran control
dimensional, los materiales utilizados suelen ser fibra de vidrio,
espumas de alta densidad, tableros de resinas epoxy mecanizables o
incluso madera o yeso.
Cuando se precisan altas velocidades de
producción, los moldes se fabrican con metales de alta resistencia
mecánica, que pueden soportar muchos ciclos y mantienen un buen
acabado y estabilidad dimensional, siendo dichos moldes construidos
principalmente en acero.
Los moldes para materiales compuestos de altas
prestaciones se pueden fabricar de fibra de carbono/epoxy, grafito
monolítico, cerámicas o metales, pudiendo decirse que cada material
ofrece ventajas e inconvenientes.
Los denominados moldes "duros" como los
moldes metálicos y cerámicos son muy pesados pero pueden soportar
miles de ciclos de producción.
Los moldes "blandos", por otra parte, como
son los composites de fibra de vidrio, son más vulnerables al
desgaste y se utilizan para pequeños volúmenes de producción.
Por otra parte, hay que tener en cuenta el tipo
de producto que se va a utilizar en dichos moldes ya sean resina,
termoplásticos, etc.
Así, la temperatura del molde y el calor
intercambiado en el molde está determinado por el material
plástico y la técnica de moldeo respectiva.
El efecto térmico de la temperatura del molde
durante el procesado de la mayoría de los termoplásticos
(normalmente por debajo de los 120ºC) es insignificante, sin
embargo, el número de termoplásticos o resinas con temperaturas de
fusión o curado de hasta 400ºC está aumentando día a día, además
requieren una temperatura de molde superior a los 200ºC.
En este punto, las propiedades mecánicas del
material del que está hecho el molde se afectan severamente
produciéndose una mayor tendencia a la deformación o al desgaste,
decreciendo la resistencia a la fatiga y la fluencia, lo cual debe
ser tenido muy en cuenta en la selección del material.
Los principales materiales utilizados en la
fabricación de moldes se dividen en metálicos y no metálicos,
estando entre los primeros el acero, el cobre y aleaciones de
cobre, aleaciones de cobre y berilio, zinc y aleaciones de zinc,
aluminio y aleaciones de aluminio y aleaciones de
estaño-bismuto; y entre los segundos, o materiales
no metálicos, laminados de plástico reforzados con matrices
poliméricas, y elastómeros.
El objeto de la presente invención, es conseguir
un molde de base cementícea aplicable a la fabricación de piezas
de materiales compuestos que pueda soportar las altas temperaturas
de curado de algunas resinas como por ejemplo las resinas
denominadas bismaleimidas, presentando buenas propiedades mecánicas
y facilidad de mecanizado mediante por ejemplo fresado, siendo el
material obtenido como producto final del fraguado de cementos en
base a aluminato de calcio.
El proceso de fraguado consiste en la adición
de agua al cemento, en este caso con un alto contenido en óxido de
aluminio, produciéndose las correspondientes reacciones de
hidratación y de endurecimiento.
La hidratación del cemento es un proceso en el
cual el agua de amasado se combina con las sustancias anhidras,
disolviéndolas y formando nuevos compuestos, acompañados de
absorción de agua y liberación de calor de hidratación.
Durante este proceso, la pasta va perdiendo
plasticidad y adquiriendo rigidez, hasta que al final la pasta
queda totalmente consolidada y endurecida.
Aunque los moldes cementíceos son el producto
final del proceso de fraguado del cemento con alto contenido en
óxido de aluminio, sus propiedades tanto estructurales como
físico-químicas finales están estrechamente
relacionadas con dicho proceso de fraguado, siendo posible diseñar
estas propiedades variando las materias primas, utilizando aditivos
y las condiciones de preparación del material.
El proceso de fraguado permite la estructuración
de estos materiales dependiendo de las condiciones de la
reacción.
Las reacciones que tienen lugar en el proceso
se realizan en estado semilíquido (mezcla de cemento, agua y
aditivos) permitiendo un conformado del material final.
Los moldes cementíceos susceptibles de ser
moldeados se obtienen a partir de la mezcla de agua y cemento con
un alto contenido de óxido de aluminio de cualquier composición y
aditivos tanto sólidos como líquidos que proporcionen nuevas
propiedades o mejora de las mismas, siendo posible la utilización
de reductores de agua para disminuir el contenido de la misma
aumentando las propiedades mecánicas del producto final o la
utilización de fibra de carbono para aumentar la conductividad
térmica u otros aditivos que proporcionen características
especiales como eliminación o aumento de la porosidad, aumento de
la velocidad de fraguado, etc.
Las materias primas utilizadas son: cemento con
alto contenido de óxido de aluminio, agua y aditivos.
El método seguido es el siguiente: Se preparan
dos recipientes.
En uno se coloca el cemento y todos los aditivos
sólidos que se quieran adicionar (fibra de carbono, sílice
pulverulenta, reductores de agua de amasado, etc.) y en el otro
agua y todos los aditivos líquidos a utilizar como por ejemplo
reductores de agua, aceleradores del fraguado, etc.
A continuación se adiciona el segundo recipiente
(mezcla líquida) sobre el primero, agitando vigorosamente mediante
agitadores mecánicos durante cinco minutos para eliminar las
posibles conglomeraciones o grumos.
De todas formas, la mezcla resultante se pasa
por un tamiz de 1 mm de paso de luz para evitar la presencia de
grumos.
Esto es debido a que si dichos grumos están
presentes en el proceso de fraguado es posible que en el material
consolidado aparezcan tensiones que lo rompan, por tanto, es
imprescindible que la mezcla a fraguar esté totalmente libre de
grumos.
El proceso de fraguado se sigue mediante
diferentes técnicas como por ejemplo medida de al temperatura a
través de un termopar o mediante calorimetría diferencial de
barrido.
El tiempo de agitación varía dependiendo de las
materias primas utilizadas.
Así, si se utilizan aditivos como la fibra de
carbono, hay que agitar durante aproximadamente 10 minutos para
conseguir una buena homogeneización, sin embargo, si ningún aditivo
es utilizado, basta con un minuto de agitación vigorosa para
obtener una buena mezcla libre de grumos.
Una vez terminado el tiempo de agitación, la
mezcla resultante se pasa por un tamiz, tal como se ha mencionado,
y se deposita sobre un molde adecuado (recipiente de plástico,
vidrio, etc.) el cual se sella herméticamente para evitar la
evaporación del agua. Comienza entonces el proceso de reacción en
el que la mezcla pasa del estado líquido al sólido, cuya duración
estará relacionada con los aditivos utilizados.
Este proceso de reacción es conocido como
hidratación del cemento siendo éste un proceso exotérmico liberando
una gran cantidad de calor.
El recipiente se mantiene cerrado el tiempo
necesario para la consolidación del producto resultante.
Posteriormente se abre el recipiente para
proceder a la eliminación de los líquidos mediante evaporación.
Finalmente, si se desea, se introduce en una
estufa a una temperatura de 50ºC para su completo secado.
De esta forma se obtienen productos monolíticos
con la forma del soporte o recipiente.
Una vez consolidad el material cementíceo, éste
se trata a diferentes temperaturas, velocidades de calentamiento y
tiempos para su consolidación final.
Cabe señalar que las propiedades finales se ven
enormemente afectadas si estas variables no son ajustadas
perfectamente, ya que una mala elección de la velocidad de
calentamiento conlleva la rotura del producto.
En este sentido, si se observaran los espectros
infrarrojos de dos muestras de cementos, con distinta proporción de
contenido mínimo de óxido de aluminio, de por ejemplo el 45 y el
40% respectivamente, después del fraguado y tras un tratamiento
térmico a 300ºC durante 24 horas, se aprecia que las bandas son
muy parecidas en el primer caso manteniéndose en su posición
original pero existiendo una disminución en su intensidad, y con
una gran diferencia en el segundo relacionada con el agua que
todavía permanece en la estructura del material cementíceo final y
que se pierde con el tratamiento térmico.
Por otra parte, se producen cambios
dimensionales en longitud y anchura en las muestras cuando se
tratan térmicamente, de manera que el primer tratamiento térmico
produce una contracción en la probeta tanto en longitud como en
anchura de aproximadamente un 0,7%, sin embargo, cuando se realiza
el segundo tratamiento térmico a 300ºC durante otras 24 horas no se
produce ningún cambio dimensional.
Esto implica que una vez tratado térmicamente,
el molde consolidado no vuelve a presentar cambios
dimensionales.
Así mismo, en el Módulo de Rotura determinado
mediante flexión a 3 puntos para la muestra original y la tratada
térmicamente, en este caso a 200ºC durante 24 horas, este permanece
prácticamente constante, lo que implica que la muestra tiene unas
excelentes propiedades ya que no disminuyen con el tratamiento
térmico.
Finalmente, en cuanto a la resistencia a la
compresión, de la muestra con un contenido mínimo de óxido de
aluminio del 45% fraguado y después de tratamiento térmico a 200ºC
durante 24 horas, esta resistencia aumenta enormemente,
prácticamente tres veces, lo que indica que el tratamiento térmico
además de la pérdida de agua que queda ocluida durante el fraguado
favorece las reacciones de endurecimiento del mismo.
Esto es de gran importancia puesto que cierto
tipo de materiales compuestos se obtiene mediante compresión de
forma que los estos moldes cementíceos poseerán unas mejores
propiedades una vez tratados térmicamente que en su forma
original.
Se preparan dos materiales cementíceos
distintos, cuya diferencia es la relación en la utilización de
reductor de agua de amasado para aumentar las propiedades mecánicas
del producto final y la obtención de un molde con forma de
tubo.
Para preparar el molde cementíceo sin aditivos,
se mezclan los dos recipientes (uno con 400 g. de cemento y el otro
con 128 g. de agua y 8 g. de aditivo líquido) durante 5 minutos a
temperatura ambiente y agitación mecánica vigorosa para eliminar en
lo posible la presencia de grumos, pasándose posteriormente por
una malla de un milímetro de luz.
Posteriormente esta mezcla se deja en un
recipiente cerrado durante un día para que se produzcan las
reacciones de hidratación y endurecimiento.
A continuación se abre y se retiran los líquidos
presentes en la superficie del material consolidado, el cual
presenta unas dimensiones aproximadas de 300 x 100 x 10 mm y se
seca a 50ºC.
Una vez completamente seco se trata térmicamente
en un horno mufla a 300ºC en atmósfera de aire a una velocidad de
calentamiento de 5ºC por minuto y diferentes tiempos entre 24 y 96
horas.
El primer tratamiento térmico se realiza para
consolidación final, mientras los siguientes se realizan para poder
determinar si existe degradación del material después de diversos
tratamientos.
La pieza está lista para ser moldeada por
ejemplo mediante fresado.
Se procede del mismo modo para el material con
forma de cilindro, siendo en este caso el contenido del primer
recipiente de 4000 g. de cemento y de 1600 g. de agua el del
segundo.
Debido a la utilización de una mayor cantidad
de cemento y agua, el tiempo de agitación mecánica es de diez
minutos.
Al igual que en el ejemplo anterior, una vez
transcurrido este tiempo la mezcla resultante se pasa a través de
una malla de paso de luz de 1 milímetro y se introduce en el molde
adecuado, en este caso dos cilindros concéntricos a los cuales se
les ha depositado previamente en su superficie un desmoldeante.
La mezcla se cierra herméticamente durante 2
días hasta completo fraguado y endurecimiento.
Posteriormente, el producto final se extrae
cuidadosamente obteniéndose el molde tubular.
Descrita suficientemente la naturaleza de la
presente invención, así como la manera de ponerla en práctica, se
hace constar que, dentro de su esencialidad, podrá ser llevada a la
práctica en otras formas de realización que difieran en detalle de
la indicada a título de ejemplo, y a las cuales alcanzará
igualmente la protección que se recaba siempre que no se altere,
cambie o modifique su principio fundamental.
Claims (3)
1. Procedimiento para la obtención de moldes de
base cementícea aplicables a la fabricación de piezas de materiales
compuestos, caracterizado por el hecho de estar constituido
a partir de un material de baja densidad, moldeable o mecanizable
mediante por ejemplo fresado, obtenido como producto final del
fraguado de cementos en base a aluminato de calcio, de cementos
con un alto contenido en óxido de aluminio, agua y aditivos, apto
para soportar temperaturas de curado superiores a 250ºC.
2. Procedimiento para la obtención de moldes de
base cementícea aplicables a la fabricación de piezas de materiales
compuestos, según la reivindicación 1, caracterizado por el
hecho de que el material con que se constituye se obtiene mediante
el tratamiento térmico del molde original a temperaturas
suficientes como para que posteriores tratamientos no afecten a su
estructura ni se produzcan cambios dimensionales.
3. Procedimiento para la obtención de moldes de
base cementícea aplicables a la fabricación de piezas de materiales
compuestos, según las reivindicaciones 1 y 2, caracterizado
por el hecho de que se procede a la fabricación del material según
los siguientes pasos:
- Se preparan dos recipientes, en que uno
contiene todos los productos sólidos (cemento, reductores, fibra de
carbono, etc.) y el otro los productos líquidos (agua, reductores,
etc.).
- El contenido del primer recipiente se adiciona
al segundo y se procede a la agitación mecánica vigorosa.
- Transcurridos entre 1 y 30 minutos, en función
de los aditivos utilizados, la mezcla resultante se pasa a través
de un tamiz de paso de luz de 1 mm para eliminar posibles grumos y
conglomerados.
- Esta mezcla se deposita en un molde o
recipiente adecuado y se cierra herméticamente entre 1 y 5 días,
en función de los aditivos utilizados, para fraguado y
endurecimiento.
- Una vez transcurridos dichos días la pieza se
extrae y se seca a 50ºC.
- Finalmente, una vez secada, la pieza se trata
térmicamente a la temperatura adecuada para consolidación final del
material.
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|---|---|---|---|
| ES200601630A ES2288415B1 (es) | 2006-06-16 | 2006-06-16 | Procedimiento para la obtencion de moldes de base cementicea aplicables a la fabricacion de piezas de materiales compuestos. |
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| ES200601630A ES2288415B1 (es) | 2006-06-16 | 2006-06-16 | Procedimiento para la obtencion de moldes de base cementicea aplicables a la fabricacion de piezas de materiales compuestos. |
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|---|---|
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| ES2288415B1 ES2288415B1 (es) | 2008-12-16 |
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|---|---|
| ES (1) | ES2288415B1 (es) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4348236A (en) * | 1980-09-09 | 1982-09-07 | Aluminum Company Of America | Composition for castable refractory block |
| JPH02136202A (ja) * | 1988-11-16 | 1990-05-24 | Denki Kagaku Kogyo Kk | 高強度セメント製高温成形型及びその製造方法 |
| JPH03279248A (ja) * | 1990-03-28 | 1991-12-10 | Toubu Kagaku Kk | 型材及び型取り方法 |
| US20040083926A1 (en) * | 2001-04-04 | 2004-05-06 | Darina Mitkova | Dry mixture of embedding material or moulding material for metal casting, embedded or moulding material produced therefrom and the use of the same |
-
2006
- 2006-06-16 ES ES200601630A patent/ES2288415B1/es not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
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