ES2288865T3

ES2288865T3 - Procedimiento para fabricar componentes termoestables reforzados con fibras.

Info

Publication number: ES2288865T3
Application number: ES00954667T
Authority: ES
Inventors: Gerd Ehnert; Klaus Bieniek; Karl-Heinz Dipl.-Ing. Ilzhoefer; Jurgen Stieg
Original assignee: Menzolit Fibron GmbH
Current assignee: Menzolit Fibron GmbH
Priority date: 1999-09-11
Filing date: 2000-08-30
Publication date: 2008-02-01
Anticipated expiration: 2020-08-30
Also published as: EP1242231A1; CA2383550A1; US6838148B1; EP1242231B1; NO323131B1; DE50014392D1; MXPA02002506A; BR0013861A; AU6703900A; ATE363982T1; NO20021068L; NO20021068D0; WO2001019599A1

Abstract

Procedimiento para fabricar componentes termoestables reforzados con fibras a partir de esteras de SMC (compuesto de moldeo laminado) reforzadas con fibras, que están compuestas de una matriz de resina (2) con un refuerzo de fibras mediante fibras unidireccionales (fibras UD) (7), que están dispuestas en una única orientación axial, y de manera ventajosa adicionalmente con fibras cortadas (fibras irregulares) (4), que están dispuestas de manera no alineada en la matriz de resina (2), y las esteras de SMC se fabrican con una única orientación axial de las fibras UD (7), en el que - varias de estas esteras de SMC se disponen, antes del tratamiento final para dar el componente (16), mediante estructuración en capas para dar una pila (19) con orientación multiaxial de las fibras UD (7), - esta pila (19) se deposita en la herramienta (prensa) (18) para fabricar el componente (16) o bien se moldea previamente mediante prensado previo para la fijación, - las esteras de SMC se cortan en bandas (12)y se bobinan en bobinas o rodillos (8), - las bandas (12) se cortan a largo fijo y se desplazan en capas de recorte (11) rectangulares y - las capas de recorte (11) individuales se apilan sobre un disco giratorio (14) para dar una pila (19).

Description

Procedimiento para fabricar componentes termoestables reforzados con fibras.

La invención se refiere a un procedimiento para fabricar componentes termoestables reforzados con fibras.

SMC representa compuesto de moldeo laminado ("Sheet Moulding Compund") y es la denominación inglesa para una estera de resina según DIN 16913. Con SMC se designa en general una estera de resina poco viscosa basada en resina de poliéster o resina de éster vinílico insaturada y distribución de fibras irregulares en el plano de la estera. Como fibras de refuerzo se usan normalmente fibras de vidrio. Una formulación de SMC típica está compuesta de aproximadamente el 30% de polímero, aproximadamente el 30% de cargas y aproximadamente el 30% de fibras de vidrio, el resto se compone de materiales de relleno, como por ejemplo pigmentos colorantes, agentes de curado, coadyuvantes de dispersión, cargas y sustancias similares. El SMC se fabrica generalmente de la siguiente manera: la matriz de resina se aplica sobre dos láminas de soporte. Estas láminas de soporte se mueven por una máquina de SMC y así transportan la matriz de resina, sobre la que se gotean o depositan las fibras de refuerzo. Después de aplicarse las fibras de refuerzo, ambas láminas se comprimen, de manera que se forma una especie de sándwich. Este sándwich se transporta por un trayecto de impregnación, que mediante movimientos de compresión y abatanado proporciona que las fibras se humedezcan homogéneamente con la matriz de resina. Al final de la máquina se bobina en rodillos. Es de crucial importancia un proceso de maduración que pueda llevarse a cabo de manera química y/o física. Después de este proceso de maduración puede tratarse posteriormente el SMC. Después de retirarse las láminas de soporte, el SMC se procesa o prensa normalmente en herramientas de acero calentadas para dar componentes moldeados.

La ventaja de SMC es la alta fluidez que provoca que el molde de compresión sólo deba cubrir del 30 al 50%. La resistencia y flexibilidad puede variarse en un amplio espectro dependiendo de la proporción de fibras de refuerzo.

Como alternativa se conoce intercalar en la matriz de resina un tejido para reforzar. Desventajoso de esto es que aunque la resistencia es esencialmente alta, sin embargo apenas hay fluidez. El molde de compresión debe cubrirse completamente, lo que requiere un recorte exacto, por lo que se producen muchos materiales de desecho.

Además, se conoce el SMC con un refuerzo de fibras de vidrio tanto de fibras cortadas (fibras irregulares) como de fibras unidireccionales (fibras UD). Las fibras UD confieren propiedades de altas resistencia y flexibilidad en una dirección axial y las fibras irregulares determinan la resistencia transversal. Este SMC sólo se utiliza preferiblemente para componentes de tipo soporte, como por ejemplo soportes de parachoques. Los componentes de forma plana no pueden fabricarse debido a la fuerte tendencia al estirado de los componentes.

Un procedimiento de este tipo se conoce del documento US3.138.142.

La invención se basa el objetivo de perfeccionar un SMC para fabricar componentes termoestables reforzados con fibras de tal manera que las bandas para la fabricación de los componentes se cortan con un largo fijo y se desplazan en cualquier capa y las capas de recorte individualmente se apilan juntas sobre un disco giratorio en cualquier posición angular para dar una pila. Esto tiene la ventaja de que en el caso de formas de recorte geométricamente difíciles no se producen materiales de desecho.

En el componente están dispuestas varias capas SMC con fibras UD con distinta orientación axial entre sí. Como las fibras UD son decisivas para las propiedades de resistencia y flexibilidad, estas propiedades no sólo se dan en una dirección axial, sino en distintas direcciones. Debido a la alta resistencia y flexibilidad pueden fabricarse componentes ligeros o con estructura de pared más fina.

Para poder fabricar un sistema de SMC de varias capas con espesores de pared de los componentes pretendidos de aproximadamente 1,2 mm y grandes dimensiones de recorte de SMC, el gramaje de SMC debe ser inferior a
1000 gr/m^{2}.

Tales gramajes bajos de SMC no podían fabricarse hasta la fecha a escala industrial y tampoco eran útiles desde puntos de vista de la resistencia y la flexibilidad. El desarrollo de un SMC tal no se volvió interesante hasta un refuerzo de fibras de carbono UD y las propiedades de resistencia y flexibilidad resultantes de éste para un refuerzo multiaxial en el componente.

En comparación con las técnicas de proceso habituales para la fabricación de componentes de materiales compuestos de fibras con fibras de carbono (moldeo por transferencia de resina, procesamiento de productos previamente impregnados en el procedimiento de prensado o en autoclave), para el SMC en el que se basa la invención resultan las siguientes ventajas:

- Sencillas geometrías de recorte, ya que el SMC es fluido a pesar del refuerzo de fibras UD

- Ningún desperdicio de SMC que deba desecharse o reciclarse

- Ningún corte de los componentes moldeados, por tanto ningún material de desecho

- Tiempos de ciclo cortos de la fabricación de los componentes, por eso es adecuado para la fabricación en serie a gran escala

Para el SMC asimétricamente reforzado desarrollado se prefiere una combinación de fibras irregulares de fibras de vidrio o de carbono con fibras de carbono UD.

El SMC en el que se basa la invención cubre el 60-95% del molde de prensado. Para generar la fluidez de las fibras de carbono UD en la dirección UD, las fibras UD continuas se cortan con una longitud finita. Las longitudes de las fibras UD finitas pueden estar entre 25 mm y 650 mm. Los extremos de las fibras UD finitas están alternados entre sí para evitar puntos débiles en el SMC.

En la forma de realización preferida, las capas de fibras UD son cable de fibra de carbono, por ejemplo, según el procedimiento de estopas pesadas ("heavy tow"). Ventajosamente para esto se usan fibras de carbono de "estopas pesadas" superiores a 49 K. Alternativamente también pueden usarse cables de banda ancha de fibra de carbono según el procedimiento de "estopas pesadas" en los anchos de 10 mm a 500 mm.

Para controlar mediante examen radiológico las direcciones de la fibra UD en el componente moldeado acabado, en la matriz se incorporan preferiblemente como fibras de contraste hilos de fibra de vidrio individuales en la dirección de las fibras UD.

Para mejorar la humectación de las fibras, la fluidez y para compensar las contracciones se usa de manera ventajosa una matriz de resina diferente para las fibras irregulares y las fibras UD.

Es ventajoso incorporar a la matriz de resina aditivos conductores para mejorar la conductividad eléctrica hasta tal punto que sea posible un lacado electrostático (ESTA) sin una pintura de imprimación conductora adicional sobre el componente.

La resistencia superficial debería estar entre 10 y 10^{6} \Omega a 5 V y la resistencia de paso inferior a 10^{5} \Omega/cm.

Un procedimiento según la invención para fabricar un SMC reforzado con fibras con las propiedades anteriormente mencionadas destaca porque las esteras de SMC se fabrican con fibras irregulares y una única capa de fibras UD y porque varias esteras de SMC de este tipo se disponen, antes del tratamiento final para dar el componente moldeado, mediante estructuración en capas para dar una pila con orientación multiaxial de las fibras UD. Esto tiene la gran ventaja de que no debe modificarse un equipo existente para fabricar un SMC compuesto por fibras irregulares y fibras UD. La orientación multiaxial se realiza mediante la estructuración en capas de esteras de SMC individuales para dar una pila, en la que las esteras de SMC se apilan torcidas las unas con las otras.

En la forma de realización preferida, todas las capas de fibras UD usadas están dispuestas en la dirección 0º y se usa un número cualquiera de capas de fibras.

En la forma de realización preferida alternativa se disponen al menos cuatro capas de fibras UD en la siguiente orientación:

0º, 90º, 90º, 0º \hskip0,5cm ó \hskip0,5cm 0º, 90º, 0º, 90º.

Los datos de ángulos significan que la siguiente capa de fibras UD que se encuentra debajo está dispuesta torcida a este ángulo respecto a la primera capa.

Esto significa que la primera capa está orientada a 0º y la segunda capa a 90º respecto a la primera capa.

En la forma de realización preferida alternativa están dispuestas al menos seis capas de fibras UD. En este sentido, las capas de fibras UD tienen de manera apropiada la siguiente orientación:

0º, 90º, +45º, -45º, 90º, 0º.

En la forma de realización alternativa están dispuestas ocho capas de fibras UD con la siguiente orientación:

0º, 90º, +45º, -45º, +45º, -45º, 90º, 0º.

Para mayores espesores de pared, la estructura del material de 4 ó 6 u 8 capas puede superponerse varias veces en el orden indicado.

Como último paso la pila se coloca o en la herramienta (prensa) para fabricar el componente y el componente se prensa o bien se moldea previamente mediante prensado previo como etapa intermedia para la fijación, siendo la prensa para el moldeo previo un molde negativo de la herramienta para fabricar el componente.

Las bandas se bobinan preferiblemente en bobinas con un diámetro del núcleo mayor igual a 200 mm y un diámetro externo mayor igual a 500 mm.

El SMC según la invención y la tecnología procesamiento según la invención es de múltiples usos. Sirve preferiblemente para fabricar componentes reforzados con fibras, especialmente para la industria automovilística.

En función de la matriz de resina pueden fabricarse componentes para las más diversas aplicaciones. Los componentes internos y externos unidos entre sí dan altas resistencias y flexibilidades en, por ejemplo, elementos de carrocería.

Con el uso de una matriz de resina sin contracciones pueden fabricarse componentes externos para automóviles con una superficie de "clase A" que pueden lacarse electrostáticamente debido a su conductividad eléctrica como piezas de chapistería.

Otras características de la invención resultan de las figuras que se describen a continuación.

Muestran:

Fig. 1 esquemáticamente un equipo para fabricar SMC con una capa de fibras UD,

Fig. 2 esquemáticamente un dispositivo para fabricar las capas de recorte y el SMC multiaxial,

Fig. 3 esquemáticamente la fabricación de las capas de recorte y el apilamiento para dar una pila sobre un disco giratorio,

Fig. 4 la compresión para dar un componente moldeado,

Fig. 5 a modo de ejemplo una pila apilada de capas de fibras UD individuales,

Fig. 6 un componente moldeado acabado con disposición esquemática de las capas de fibras UD originales y

Fig. 7 la orientación multiaxial de las capas de fibras UD.

La Fig. 1 muestra una máquina o equipo para fabricar SMC con una única capa de fibras UD. Sobre una lámina 1 se aplica una pasta de resina o matriz 2 de resina mediante una rasqueta 3. A continuación se esparcen fibras 4 irregulares. Estas fibras 4 irregulares son fibras de vidrio o fibras de carbono que se introducen como fibras 5 continuas a un dispositivo 6 de corte y éste las corta en pequeños trocitos de aproximadamente 6-50 mm de longitud. A continuación se depositan fibras 7 UD unidireccionales en el sentido de marcha de la cinta. Estas fibras 7 UD son preferiblemente fibras de carbono. Para terminar, una segunda lámina 1 se recubre de nuevo con una matriz 2 de resina mediante una rasqueta 3 y se coloca sobre la primera lámina, de manera que resulta un tipo de sándwich. No se muestra la impregnación posterior en una cámara entre panales o panales y aglutinantes, que pueden estar dispuestos en una cámara térmica. Este SMC así fabricado se corta según la invención en línea o fuera de línea en bandas de aproximadamente 4-20 cm de ancho y se bobina en rodillos.

La Fig. 2 muestra esquemáticamente la otra forma de proceder. Los rodillos 8 ya mencionados se disponen alternos en serie. A modo de ejemplo, en este documento sólo se dibujan dos rodillos 8. Al lado de los rodillos 8 está dispuesta respectivamente una salida 9 de láminas. Para fabricar el SMC multiaxial, el SMC se corta a largo fijo con una herramienta 10 de corte y se desplaza de manera que resulta una capa 11 de recorte casi aleatoriamente moldeada sin desperdicios. Con los números de referencia 12 se denominan las bandas individuales después de cortar y antes del desplazamiento. El desplazamiento se realiza sobre un dispositivo 13 de transporte. A continuación se apilan las capas 11 de recorte individuales o sobre un disco 14 giratorio para dar una pila con diferente orientación axial de las fibras UD o bien se fijan directamente mediante prensado previo. La prensa 15 para el moldeo previo es ventajosamente un molde negativo de la herramienta para fabricar el componente moldeado.

La Fig. 3 muestra esquemáticamente la fabricación de las capas 11 de recorte y el apilamiento para dar una pila sobre un disco 14 giratorio. Los rodillos 8 individuales se cortan, dependiendo de los requisitos, y se desplazan a una capa 11 de recorte y a continuación se apilan sobre un disco 14 giratorio. En este caso no se produce ningún material de desecho o desperdicio.

La Fig. 4 muestra el prensado para dar un componente 16 moldeado. En una prensa 17 de moldeo previo se moldeó previamente una pila de capas de recorte apiladas. A continuación, esta prensa 17 de moldeo previo, junto con el componente previamente moldeado, deposita al revés el componente moldeado en la prensa 18 y se prensa el componente 16 moldeado.

La Fig. 5 muestra a modo de ejemplo una pila 19 apilada de capas 11 de recorte individuales. La pila 19 está compuesta en este ejemplo de seis capas con una orientación de las capas de fibras UD de 0º, 90º, + 45º, - 45º, 90º, 0º.

La Fig. 6 muestra un componente 16 acabado (componente moldeado) con disposición esquemática de las capas de fibras UD individuales. Puede reconocerse bien la estructuración en capas de las capas 11 de recorte individuales. La Fig. 7 muestra la orientación multiaxial de las capas de fibras UD en 0º, 90º, + 45º, - 45º, 90º, 0º.

Claims

1. Procedimiento para fabricar componentes termoestables reforzados con fibras a partir de esteras de SMC (compuesto de moldeo laminado) reforzadas con fibras, que están compuestas de una matriz de resina (2) con un refuerzo de fibras mediante fibras unidireccionales (fibras UD) (7), que están dispuestas en una única orientación axial, y de manera ventajosa adicionalmente con fibras cortadas (fibras irregulares) (4), que están dispuestas de manera no alineada en la matriz de resina (2), y las esteras de SMC se fabrican con una única orientación axial de las fibras UD (7), en el que

-: varias de estas esteras de SMC se disponen, antes del tratamiento final para dar el componente (16), mediante estructuración en capas para dar una pila (19) con orientación multiaxial de las fibras UD (7),

-: esta pila (19) se deposita en la herramienta (prensa) (18) para fabricar el componente (16) o bien se moldea previamente mediante prensado previo para la fijación,

-: las esteras de SMC se cortan en bandas (12) y se bobinan en bobinas o rodillos (8),

-: las bandas (12) se cortan a largo fijo y se desplazan en capas de recorte (11) rectangulares y

-: las capas de recorte (11) individuales se apilan sobre un disco giratorio (14) para dar una pila (19).

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque al menos están dispuestas cuatro capas de fibras UD (7).

3. Procedimiento según la reivindicación 2, caracterizado porque las cuatro capas de fibras UD (7) tienen la siguiente orientación

0º, 90º, 90º,0º \hskip0,5cm ó \hskip0,5cm 0º, 90º, 0º, 90º.

4. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque al menos están dispuesta seis capas de fibras UD (7).

5. Procedimiento según la reivindicación 4, caracterizado porque las seis capas de fibras UD (7) tienen la siguiente orientación

0º, 90º, +45º, -45º, 90º, 0º.

6. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque están dispuestas ocho capas de fibras UD (7).

7. Procedimiento según la reivindicación 6, caracterizado porque las ocho capas de fibras UD (7) tienen la siguiente orientación

0º, 90º, +45º, -45º, +45º, -45º, 90º, 0º.

8. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque la prensa para el moldeo previo es un molde negativo de la herramienta para fabricar el componente (16).

9. Procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque las bandas (12) se bobinan en bobinas con un diámetro del núcleo mayor de 200 mm y un diámetro externo mayor de 500 mm.

10. Procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el SMC es fluido y el tamaño del recorte siempre es inferior a la superficie del componente bobinado.