ES2295288T3 - Preformas tejidas en ed con distorsion minima. - Google Patents

Abstract

Una tela (10) tejida de dos dimensiones para constituir una estructura de preforma que tiene una forma en tres dimensiones, comprendiendo dicha tela: una primera porción de preforma (34; 56) de la tela (10) para constituir una primera parte de la estructura de preforma: una segunda porción de preforma (36, 38; 52, 54) de la tela (10) plegable con respecto a la primera porción de preforma (34; 56) para constituir una segunda parte de la estructura de preforma; una pluralidad de fibras (12B''; 40, 42, 44; 58, 60) que interconectan las primera y segunda porciones de preforma; caracterizada porque dicha tela comprende una trayectoria de fibra definida por una fibra (12B''; 40, 42, 44; 58, 60) que pasa desde dicha primera porción de preforma (34; 56) hasta dicha segunda porción de preforma (36, 38; 52, 54), teniendo dicha fibra una primera porción de trayectoria (30) en la cual dicha fibra es tejida más corta que la trayectoria de la segunda porción de trayectoria (32) en la cual dicha fibra es tejida más larga que la trayectoria, de forma que tras el plegado de la segunda porción de preforma (36, 38; 53, 54) con respecto a la primera porción de preforma (34; 56) la parte (30) de la fibra que es tejida más corta es forzada a ser traccionada en esa parte (32) de la fibra tejida más larga a lo largo de la trayectoria de la fibra para compensar el plegado.

Description

Preformas tejidas en 3D con distorsión mínima.

Campo de la invención

La presente invención se refiere al campo de las preformas tejidas para un material compuesto reforzado que puede ser tejido extendido o plegado hasta adoptar su forma final sin producir una distorsión indeseable de las fibras.

Antecedentes de la invención

En la actualidad se ha extendido el uso de materiales compuestos reforzados para producir componentes estructurales, especialmente en aplicaciones en las que se buscan sus características deseables en cuanto a peso, fuerza, dureza, resistencia térmica, autoestabilidad y adaptabilidad para ser constituidos y conformados. Dichos componentes se utilizan, por ejemplo, en aplicaciones aeronáuticas, aeroespaciales, de satélites, en baterías, recreativas (como por ejemplo en embarcaciones y automóviles de carreras) y otras.

Típicamente dichos componentes consisten en unos materiales de refuerzo insertos en unos materiales de matriz. El componente de refuerzo puede estar hecho con materiales tales como vidrio, carbono, cerámica, aramida (por ejemplo "KEVLAR"), polietileno, y/u otros materiales que muestren las propiedades físicas, térmicas, químicas y/u otras deseadas, entre las cuales la más importante es una gran resistencia contra la ruptura provocada por los esfuerzos. Mediante el uso de otros materiales de refuerzo, los cuales en último término se convierten en un elemento constitutivo del componente completado, las características deseadas de los materiales de refuerzo, como por ejemplo una resistencia muy elevada, son transmitidas al componente compuesto completado. Los materiales de refuerzo constitutivos típicamente, pueden ser tejidos, tricotados o de cualquier otra forma orientados hasta adoptar las configuraciones y formas deseadas de preformas de refuerzo. Generalmente se presta una particular atención a la hora de asegurar la utilización óptima de las propiedades para las cuales han sido seleccionados los materiales de refuerzo constitutivos. Generalmente dichas preformas de refuerzo son combinadas con material de matriz para formar los componentes acabados deseados o para producir el material semielaborado de trabajo para la obtención final de los componentes acabados.

Después de que se ha elaborado la preforma de refuerzo deseada, el material de matriz puede ser introducido en la preforma, de manera que típicamente la preforma de refuerzo quede encajada en el material de matriz y el material de matriz llena las áreas intersticiales existentes entre los elementos constitutivos en forma de refuerzo. El material de matriz puede consistir en cualquier amplia variedad de materiales, como por ejemplo epoxi, poliéster, éster de vinilo, cerámica, carbono y/u otros materiales que muestren las deseadas propiedades físicas, térmicas, químicas y/u otras. Los materiales escogidos para su uso como matriz pueden o pueden no ser los mismos que los de la preforma de refuerzo y pueden o no tener propiedades comparables físicas, químicas, térmicas, u otras. Típicamente, sin embargo, no serán los mismos materiales o tendrán propiedades comparables físicas, químicas o térmicas, u otras, dado que un objetivo general perseguido al utilizar compuestos, en primer lugar, es conseguir una combinación de características del producto acabado que no pueda obtenerse mediante el empleo de un material constitutivo único. Combinada de esta forma, la preforma de refuerzo y el material de matriz puede entonces ser vulcanizados y estabilizados en la misma operación mediante termofijado u otros procedimientos conocidos, y a continuación ser sometidos a otras operaciones con el fin de producir el componente deseado. Es importante destacar en este punto que después de ser vulcanizados de la forma indicada, las masas entonces solidificadas de material de matriz normalmente están muy fuertemente adheridas al material de refuerzo (por ejemplo la preforma de refuerzo). Como resultado de ello, la tensión sobre el componente acabado, particularmente por medio de su material de matriz que actúa como adhesivo entre las fibras, puede ser efectivamente transferido a y sostenido por el material constitutivo de la preforma de refuerzo reforzante.

Frecuentemente, se desea fabricar componentes con composiciones que sean distintas de dichas formas geométricas simples, (en sí mismas consideradas) placas, láminas, sólidos rectangulares o cuadrados, etc. Una forma de hacer esto es combinar dichas figuras geométricas básicas adaptándolas a las formas más complejas deseadas. Una combinación típica de esta especie se efectúa uniendo las preformas de refuerzo fabricadas de acuerdo con lo anteriormente descrito formando ángulo (típicamente ángulo recto) unas con respecto de otras. Las finalidades habituales para formar dichas disposiciones angulares de preformas de refuerzo unidas son crear una forma deseada para constituir una preforma de refuerzo que incluya una o más paredes terminales o intersecciones en "T", por ejemplo, o para reforzar la combinación resultante de preformas de refuerzo y de la estructura compuesta que produce frente a la deflexión o la ruptura cuando es expuesta a las fuerzas exteriores, como por ejemplo presión o tensión. En cualquier caso, una consideración relacionada es conseguir que cada unión entre componentes constitutivos se la más fuerte posible. Dada la muy alta resistencia deseada de los elementos constitutivos de la preforma de refuerzo, en sí mismos considerados, la debilidad de la unión se convierte efectivamente, en un enlace débil dentro de la "cadena" estructural.

Un ejemplo de la configuración de intersección se expone en la Patente estadounidense No. 6,103,337, cuya divulgación se incorpora en la presente memoria por referencia. Esta referencia expone un medio eficaz de unir entre sí dos placas de refuerzo en forma de T.

En el pasado se han desarrollado otras propuestas distintas para elaborar estas uniones. Se ha propuesto constituir y curar un elemento de panel y un elemento de rigidización en ángulo separados entre sí, teniendo este último una superficie de contacto de un único panel o estando bifurcado en un extremo para constituir dos superficies de contacto de panel coplanares divergentes. Los dos componentes son a continuación unidos mediante su unión por adhesivo a la(s) superficie(s) de contacto del panel del elemento rigidizante a una superficie de contacto del otro componente utilizando un material adherente de termofijación u otro material adhesivo. Sin embargo, cuando se aplica la tensión al panel curado o a la piel de la estructura compuesta, las cargas con unos valores inaceptables bajos dieron como resultado unas fuerzas "de despegue" que separan el elemento de rigidización respecto del panel en su punto de conexión, dado que la resistencia efectiva de la unión es la del material de matriz y no la del adhesivo.

El uso de tornillos o remaches metálicos en la zona de conexión de dichos componentes es inaceptable porque dichas adiciones al menos parcialmente destruyen y debilitan la integridad de las estructuras compuestas mismas, añaden peso, e introducen diferencias en el coeficiente de expansión térmica entre dichos elementos y el material circundante.

Otras propuestas para resolver este problema se han basado en la idea de introducir unas fibras de elevada resistencia a través del área de unión mediante el empleo de procedimientos tales como el cosido de uno de los componentes al otro y basándose en que el hilo de cosido para introducir dichas fibras de refuerzo dentro y a través de las fibras de cosido. Una propuesta del tipo indicado se muestra en la Patente estadounidense No. 4,331,495 y su contraparte divisionaria de procedimiento, Patente estadounidense 4,256,790. Estas patentes divulgan uniones elaboradas entre un primero y un segundo paneles compuestos a partir de pliegues de fibras unidos por adhesivo. El primer panel se bifurca en un extremo para constituir dos superficies de contacto de panel coplanares divergentes a la manera de la técnica anterior, que han sido unidos al segundo panel mediante puntadas de hilo compuesto flexible no curado a través de ambos paneles. Los paneles y el hilo han sido a continuación "cocu-rados": esto es, curados simultáneamente.

Otro procedimiento para mejorar la resistencia de la unión se expone en la Patente estadounidense No. 5,429,853.

Aunque la técnica anterior ha buscado mejorar la integridad estructural del compuesto reforzado y ha obtenido éxito, particularmente en el caso de la Patente estadounidense No. 6,103,337, existe el deseo de mejorar estas prestaciones o de dar respuesta al problema mediante una visión diferente del empleo del acoplamiento por adhesivos o mecánico. En este sentido, una propuesta podría ser la creación de una estructura de tres dimensiones ("3D") mediante máquinas especializadas, sin embargo, el gasto implicado es considerable y raramente es deseable contar con una máquina de tejedura dirigida a crear una estructura simple.

Otra propuesta desarrollada en la Patente estadounidense No. 4,922,968 sería tejer una estructura de dos dimensiones ("2D") y plegarla para darle forma. Sin embargo, esto típicamente produce la distorsión parcial cuando la preforma es plegada. La distorsión tiene lugar porque las longitudes de la fibra acabada de tejer son diferentes de las que deben tener cuando la preforma es plegada. Esto provoca hoyuelos y ondulaciones en áreas en las que las longitudes de las fibras acabadas de tejer son demasiado cortas, y pandeos en las áreas en las que longitudes de las fibras son demasiado largas. Estas distorsiones pueden provocar anomalías superficiales indeseables y reducir la resistencia y rigidez del componente. Aunque esto puede mitigarse cortando y sisando, dicho procedimiento es indeseable, dado que supone un esfuerzo intenso o en cualquier caso puede comprometer la integridad de la preforma.

De acuerdo con lo expuesto, las preformas de 3D que pueden ser procesadas para convertirlas en componentes reforzados con fibra, son deseables porque proporcionan una resistencia incrementada con respecto a los compuestos laminados de 2D. Estas preformas son particularmente útiles en aplicaciones que requieren que el compuesto sostenga cargas fuera del plano.

De acuerdo con ello, se necesita una preforma de 3D que proporcione una propuesta alternativa y/o un procedimiento mejorado de creación de preformas de 3D y/o de estructuras compuestas reforzadas.

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Sumario de la invención

Por consiguiente, constituye un objeto principal de la invención proporcionar una preforma en 3D que tenga un diseño que sea una alternativa a y/o una mejora sobre las preformas existentes y/o sobre las estructuras compuestas reforzadas hasta ahora disponibles.

Constituye un objeto adicional de la invención proporcionar dicha preforma en 3D que pueda ser plegada hasta darle forma sin distorsión de las fibras que constituyen la preforma.

Un objeto adicional más de la invención es proporcionar una preforma en 3D que sea particularmente útil en la conformación de compuestos de refuerzo en forma de T.

Estos y otros objetos y ventajas se consiguen proporcionando una preforma tejida en 3D que puede ser tejida desplegada y a continuación plegada para darle la forma final antes de la impregnación de resina sin producir una distorsión indeseable de las fibras. Esto se lleva a cabo ajustando la longitud de las fibras durante la tejedura de forma que algunas son demasiado cortas en algunas áreas y demasiado largas en otras. Las fibras son a continuación igualadas cuando la preforma es plegada para darle la forma proporcionando una suave transición en el plegado. Esta técnica, aunque particularmente apropiada para la conformación de preformas tejidas en forma de T, puede ser utilizada con formas diversas. Así mismo, aunque se hace referencia preformas tejidas, su aplicabilidad a preformas no tejidas, como por ejemplo trenzadas o unidas por cosido, por ejemplo, debe resultar evidente para los expertos en la materia.

Breve descripción de los dibujos

Por tanto, mediante la presente invención pueden llevarse a cabo sus objetos y ventajas, cuya descripción debe tomarse en combinación con los dibujos en los cuales:

Las Figuras 1A y 1B son vistas en sección lateral respectivas de una tela tejida acabada de tejer y acabada de plegar para su uso en una preforma de un compuesto reforzado.

Las Figuras 2A y 2B son vistas en sección lateral respectivas de una tela tejida acabada de tejer y acabada de plegar para su uso como preforma de un compuesto reforzado, que incorpora las enseñanzas de la presente invención.

Las Figuras 3A y 3B son vistas en sección lateral respectivas de una tela tejida acabada de plegar que ilustra una pluralidad de fibras de trama de longitudes variables, que incorpora las enseñanzas de la presente invención.

Las Figuras 4A y 4B son vistas en sección lateral respectivas de una tela tejida y acabada de plegar que tiene una configuración diferente, que incorpora las enseñanzas de la presente invención.

Descripción detallada de la forma de realización preferente

Volviendo ahora a los dibujos, con mayor detalle, en los que las mismas partes son numeradas de la misma forma, en la Figura 1A se muestra una tela tejida 10 que comprende unas fibras de carga o de trama 12A, B y C (con fines ilustrativos) y unas fibras de urdimbre 14. De acuerdo con lo expuesto, las telas pueden fabricarse con una diversidad de materiales con, sin embargo, fibra de carbono o a base de carbono típicamente utilizada en aplicaciones aeronáuticas.

Lo que se muestra en las Figuras 1A y 1B podría considerarse una propuesta convencional para crear una preforma tejida que puede ser plegada hasta darle la forma. A este respecto, un espacio 16 se dispone en la tela tejida en el punto en el que las cuatro filas inferiores de fibras de urdimbre 14 están ausentes de la tejedura. La finalidad de ello es posibilitar que las porciones adyacentes o ramales 18 y 20 de la tela 10 sean plegadas perpendiculares a la tela 10 como se muestra en la Figura 1B.

El problema que se produce, sin embargo, es que, debido a que las longitudes de las fibras de trama 12A, B y C son las mismas cuando están extendidas tejidas y cuando están plegadas, tras el plegado, esto provoca hoyuelos y ondulaciones en las áreas 22 y 24 en las que las fibras 12B son demasiado cortas y pandeos en las áreas 26 y 28 en las que las fibras de trama 12C son demasiado largas. Los hoyuelos y ondulaciones en las áreas 22 y 24 se producen porque las fibras de trama 12B, las cuales son demasiado cortas tras el plegado, provocan que las fibras de urdimbre sean traccionadas hacia abajo. En las áreas 26 y 28, dado que las fibras de trama 12C son demasiado largas tras el plegado, se pandean hacia fuera. Lo expuesto da como resultado unas anomalías indeseables de la superficie y reducen la resistencia y rigidez del componente.

Volviendo ahora a las Figuras 2A y 2B, las mismas partes son numeradas de la misma forma. Como puede apreciarse en la Figura 2A, la fibra de trama 12B' se muestra únicamente con fines ilustrativos. Debido a las diferencias de longitud de la fibra en la forma acabada de tejer (mostrada en la Figura 2A) con respecto a la acabada de plegar (mostrada en la Figura 2B), las longitudes de las fibras están tejidas demasiado cortas en el área 30 y demasiado largas en el área 32. Estas diferencias de longitud se igualan cuando la preforma es plegada para obtener la forma fina y obtener las longitudes deseadas. La Figura 2B muestra el trayectoria típico de las fibras de una preforma la cual, una vez plegada, tiene una sección transversal "pi". La fibra 12B' está tejida de modo intencionado en un trayectoria que la convierte en demasiado corta en el área 30 y demasiado larga en el área 32. Esto provoca una tensión en la porción corta la cual, cuando es plegada para adoptar la forma de "pi", provoca una tracción de la porción larga, de forma que la longitud de la fibra 12B' a ambos lados es igual y correcta en la porción plegada e impide las distorsiones y pandeos hasta ahora expuestos.

Por supuesto, las Figuras 2A y 2B ilustran solo el concepto básico que muestra el empleo de una fibra única 12B'. Habría normalmente muchas fibras a lo largo de la extensión de la preforma que tendrían la misma trayectoria de fibra. Así mismo, habría normalmente fibras de trama adicionales tejidas de manera similar para proporcionar las longitudes diferentes necesarias dependiendo de su posición dentro de la tejedura, como se expondrá más adelante.

Volviendo ahora a las Figuras 3A y 3B, en ellas se muestra, respectivamente, una tela 10 acabada de tejer y acabada de plegar para obtener una preforma configurada como pi. La configuración de la preforma se incorpora únicamente con fines ilustrativos, dado que la presente invención puede ejecutarse con relación a muchas configuraciones como apreciarán sin duda los expertos en la materia.

Como se muestra en la porción superior 34 de la tela 10 de la preforma pi comprende unas capas de fibras de urdimbre 14 y fibras de trama o carga genéricamente designada con la referencia 12'. Las porciones 36 y 38 de las los ramales de la preforma pi comprenden de modo similar capas de fibra de urdimbre 14 y de fibras de trama 12. La tela 10, como sería en los ejemplos anteriores, está tejida en un patrón de tejedura deseado, como por ejemplo satén, apropiado para el efecto. Así mismo, como en el ejemplo inmediato anterior, la invención está dirigida a la eliminación de las distorsiones y de los pandeos que normalmente se producirían al pasar de un tejido extendido hasta una situación plegada.

Como puede apreciarse en la Figura 3A dependiendo de su posición en la tejedura, ella determinará la trayectoria de las fibras. Por ejemplo las fibras de trama 40 tienen igual longitud a ambos lados del espacio 16, las Fibras 42 son demasiado largas sobre el lado a mano izquierda de la Figura 3A y demasiado cortas en el lado a mano derecha. De modo similar, las fibras 44 son demasiado cortas en el lado a mano izquierda y demasiado largas en el lado a mano derecha. Debido a ello, cuando las porciones 36 y 38 de las patas están plegadas hacia abajo como se muestra en la Figura 3B, las longitudes de las fibras se igualan de la misma forma expuesta con respecto a las Figuras 2A y 2B. Nótese que, el espacio existente entre las porciones 36 y 38 de los ramales y la porción superior 34 está exagerada con fines ilustrativos.

Volviendo ahora a las Figuras 4A y 4B, en ellas se muestra un trazado para fabricar una preforma 50 configurada en T. La Figura 4A es la tela acabada de tejer siendo la Figura 4B la tela acabada de plegar.

La porción superior de la T está compuesta por dos porciones 52 y 54 de los ramales. El fondo de la T comprende una porción 56. Como en los ejemplos anteriores, la preforma es tejida en un patrón deseado apropiado a la finalidad con, sin embargo, la modificación de las fibras de trama 58 para desarrollar las ventajas de la presente invención. A este respecto, la fibra 58 es demasiado larga sobre la parte superior y demasiado corta sobre el fondo. La fibra 60 es demasiado corta sobre la parte superior y demasiado larga sobre el fondo. Las fibras 62 tienen igual longitud tanto en la parte inferior como en la superior.

Como se muestra en la Figura 4B las figuras 58 y 60 actúan de acuerdo con lo anteriormente descrito, debido a las trayectorias de las fibras demasiado largas y demasiado cortas. Sirven para interconectar las porciones 52 y 54. Las fibras 62 sirven para interconectar las porciones 52 y 54 con las porciones 56.

Como en el caso de todas las preformas de la presente invención, una vez plegada para darle la forma, pueden ser impregnadas o revestidas con una resina para crear la estructura compuesta conformada deseada.

Así, mediante la presente invención, se llevan a cabo sus objetos y ventajas y, aunque han sido divulgadas y descritas con detalle en la presente memoria formas de realización preferentes, su alcance no debe quedar limitado por aquellas realizaciones, sino que por el contrario, su alcance debe quedar determinado por las reivindicaciones adjuntas.

Claims (6)

1. Una tela (10) tejida de dos dimensiones para constituir una estructura de preforma que tiene una forma en tres dimensiones, comprendiendo dicha tela:

una primera porción de preforma (34; 56) de la tela (10) para constituir una primera parte de la estructura de preforma:

una segunda porción de preforma (36, 38; 52, 54) de la tela (10) plegable con respecto a la primera porción de preforma (34; 56) para constituir una segunda parte de la estructura de preforma;

una pluralidad de fibras (12B'; 40, 42, 44; 58, 60) que interconectan las primera y segunda porciones de preforma;

caracterizada porque dicha tela comprende una trayectoria de fibra definida por una fibra (12B'; 40, 42, 44; 58, 60) que pasa desde dicha primera porción de preforma (34; 56) hasta dicha segunda porción de preforma (36, 38; 52, 54), teniendo dicha fibra una primera porción de trayectoria (30) en la cual dicha fibra es tejida más corta que la trayectoria de la segunda porción de trayectoria (32) en la cual dicha fibra es tejida más larga que la trayectoria, de forma que tras el plegado de la segunda porción de preforma (36, 38; 53, 54) con respecto a la primera porción de preforma (34; 56) la parte (30) de la fibra que es tejida más corta es forzada a ser traccionada en esa parte (32) de la fibra tejida más larga a lo largo de la trayectoria de la fibra para compensar el plegado.

2. Una tela (10) de acuerdo con la reivindicación 1, en la que la tela (10) incluye unas fibras de urdimbre (14) y de trama (12B'; 40, 42, 44; 58, 60) y las fibras de interconexión son fibras de trama (12B'; 40, 42, 44; 58, 60).

3. Una tela (10) de acuerdo con las reivindicaciones 1 o 2, en la que la tela (10) es tejida extendida y dichas primera (34; 56) y segunda (36, 38; 52, 54) porciones de preforma son amovibles una con respecto a otra para crear una forma en tres dimensiones.

4. Una tela (10) de acuerdo con la reivindicación 3, en la que dichas primera (34; 56) y segunda (36, 38; 52, 54) porciones de preforma son amovibles para crear una forma en tres dimensiones que tiene forma de pi o forma de T.

5. Una tela (10) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en la que la tela (10) tiene la forma de una preforma para reforzar un material compuesto.

6. Una tela (10) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que dicha tela (10) tiene una pluralidad de capas tejidas en las primera (34; 56) y segunda (36, 38; 52, 54) porciones de preforma y una pluralidad de trayectorias de fibras discurren entre capas diferentes de las capas tejidas de las primera (34; 56) y segunda (36, 38; 52, 54) porciones de preforma.