ES2288415A1 - Procedimiento para la obtencion de moldes de base cementicea aplicables a la fabricacion de piezas de materiales compuestos. - Google Patents

Procedimiento para la obtencion de moldes de base cementicea aplicables a la fabricacion de piezas de materiales compuestos. Download PDF

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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.
Objeto de la invención
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.
Sector de la técnica
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.
Antecedentes de la invención
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.
Explicación de la invención
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.
Realización preferente de la invención
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.
Ejemplo 1
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.
Ejemplo 2
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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