ES2320944A1 - Pieza composite reforzada por una parte de fibra realizable mediante diversos procesos de bobinado o aplicacion directa de filamentos unidireccionales de fibra, y sus metodos de fabricacion. - Google Patents
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Abstract
Pieza composite reforzada por una parte de fibra realizable mediante diversos procesos de bobinado o aplicación directa de filamentos unidireccionales de fibra, y sus métodos de fabricación. Pieza composite reforzada (1) que comprende una parte principal (2) y al menos un refuerzo en forma de una parte de fibra (4) fabricable mediante diversos procesos de bobinado o aplicación de filamentos unidireccionales de fibra (5). La parte de fibra (4) puede ser bobinada por separado y posteriormente recibir la parte principal (2) por sobremoldeo, o montarse sobre una parte principal (2) previamente fabricada. La parte de fibra (4) también puede ser fabricada por aplicación directa del filamento de fibra (5) sobre un molde (21) o sobre la propia parte principal(2). Los métodos de fabricación permiten obtener partes de fibra (4) tridimensionales y con formas complejas.
Description
Pieza composite reforzada por una parte de fibra
realizable mediante diversos procesos de bobinado o aplicación
directa de filamentos unidireccionales de fibra, y sus métodos de
fabricación.
La invención se refiere al refuerzo de piezas de
plástico que son fabricadas en procesos de inyección o compresión
de termoplásticos o termoestables.
Algunos tipos de piezas de plástico, por las
particulares funciones que han de realizar o por otras causas, han
de ser reforzadas para conseguir dotar a la pieza de ciertas
propiedades que el plástico por sí solo no puede otorgar. Un
ejemplo de estas piezas es una pieza estructural de vehículo, la
cual ha de cumplir ciertos requisitos como son presentar una
elevada resistencia al impacto y al mismo tiempo no presentar un
peso excesivo. Estos requisitos conllevan que una pieza estructural
de un vehículo se refuercen con materiales o piezas adicionales
distribuidas de una manera determinada, que proporcionen un
refuerzo óptimo sin aumentar excesivamente el peso final de la pieza
estructural reforzada.
En el estado de la técnica se conocen diversas
soluciones para el refuerzo de una pieza de plástico, pudiéndose
agrupar dichas soluciones en dos grandes conceptos. El primero de
ellos se basa en que la pieza de plástico se refuerza durante su
propia conformación, mediante el añadido de algún material o de
alguna pieza ya conformada al proceso de inyección de la pieza de
plástico. Un ejemplo de este primer concepto consiste básicamente en
utilizar como refuerzo una chapa de acero, y transformar la pieza
de plástico reforzada mediante un proceso de sobremoldeo de
plástico aplicado sobre dicha chapa de acero. En este proceso, la
conexión física entre el plástico y el acero se consigue normalmente
dotando a la chapa de acero de una serie de perforaciones que son
penetradas por el plástico durante la sobremoldeo.
El segundo concepto se basa en que la pieza de
plástico se refuerza una vez conformada y mediante su ensamblaje a
otra pieza reforzadora, a su vez ya conformada y generalmente
metálica. El ensamblaje de la pieza de plástico a la pieza
reforzadora suele realizarse por atornillado, remachado, formación
de puntos de unión por ultrasonidos del plástico, u otros medios de
ensamblaje adecuados.
Todas las soluciones para reforzar una pieza de
plástico pretenden mejorar la relativamente baja resistencia del
plástico al impacto, la relativamente baja rigidez del plástico, y
la escasa capacidad que presenta el plástico de alargarse sin
romperse. El refuerzo utilizado es generalmente metálico, ya que el
metal proporciona cualidades complementarias a las del plástico.
Sin embargo, el uso de metal presenta ciertos inconvenientes, como
son un aumento de peso excesivo de la pieza final, una dificultad
para el reciclado de la pieza final (al exigir dicho reciclado la
separación de plástico y metal), y un aumento del coste final de la
pieza.
Es un objeto de la invención definir una pieza
composite reforzada mediante un esqueleto de fibra preferentemente
unidireccional y continua. Según la invención, la pieza reforzada
comprende una parte principal, generalmente realizada en un
material termoplástico o termoestable y que puede encontrarse o no
reforzada por otros medios (siendo dichos medios en todo caso
irrelevantes para la presente invención), y por al menos una parte
de fibra. La parte de fibra está realizada mediante la disposición
de al menos un cordón o filamento basado en fibra sobre la parte
principal, estando dicho cordón dispuesto de manera preferentemente
unidireccional y continua a lo largo de un recorrido o contorno de
refuerzo específico en la parte principal, y estando dispuesto en
dicho contorno en una o más vueltas, definiendo una especie de
bobinado o madeja.
Opcionalmente, el bobinado para constituir un
refuerzo podrá presentar ciertas interrupciones o no ser
unidireccional, aunque se espera que el modo de realización con un
mejor comportamiento mecánico sea aquel en el que el filamento
basado en fibra se dispone como un cordón continuo y siembre
orientado en la misma dirección a lo largo del citado recorrido en
la pieza principal. Tanto es así que la forma de esqueleto
unidireccional del refuerzo de fibra consigue que dicho refuerzo
presente un comportamiento equiparable al de los refuerzos
metálicos conocidos en el estado de la técnica, sin repercutir
negativamente en el peso final de la pieza reforzada.
La parte de fibra según la invención puede ser
bidimensional o tridimensional, donde por bidimensional se entiende
que los vértices, puntos de inflexión u otros puntos
característicos que puedan existir en la parte bobinada se
encuentren sustancialmente en un mismo plano, mientras que por
tridimensional se entiende que no todos dichos puntos
característicos se encuentran sustancialmente en el mismo plano.
Los modos de realización tridimensionales de la parte de fibra son
interesantes por ejemplo para conseguir que la parte de fibra pueda
adaptarse a la forma de la parte principal, la cual por lo general
no es plana sino que suele presentar geometrías complejas
tridimensionales como consecuencia de las variadas funciones que
debe integrar la pieza reforzada estructural final. Además, dada la
escasez de espacio en el vehículo, la parte de fibra que refuerza
la parte principal debe ceñirse normalmente a los espacios libres
que quedan en la parte principal (espacios no utilizados por otros
componentes que se conectan a la parte principal), lo cual aumenta
la complejidad de la forma tridimensional de la parte de fibra.
Adicionalmente, el hecho de que la parte de fibra presente una
geometría tridimensional permite que dicha parte de fibra presente
una mayor rigidez a la flexión y a la torsión en diversos ejes,
mejorando su comportamiento reforzador frente a modos de
realización bidimensional.
Otro aspecto de la presente invención es la
definición de una serie de métodos de fabricación de la parte de
fibra y la pieza reforzada, especialmente ventajosos para la
fabricación de partes de fibra tridimensionales.
Según la invención, la parte de fibra bobinada
podrá fabricarse mediante el bobinado del filamento basado en fibra
sobre un soporte o bien obtenerse aplicando dicho filamento basado
en fibra directa y continuamente sobre un molde o sobre la propia
parte principal. La aplicación directa del filamento basado en
fibra sobre un molde o parte principal puede dar lugar directamente
a partes de fibra tridimensionales (en función de la geometría del
molde o de la parte principal). En cambio, en el caso de fabricarse
sobre un soporte y para la fabricación de una parte de fibra
tridimensional, o bien dicho soporte puede presentar elementos
móviles capacitados para convertir la parte de fibra inicialmente
bidimensional en tridimensional, o bien la parte de fibra
bidimensional se traslada a un molde donde se aplica un conformado
tridimensional (presión, sobremoldeo, etc.) que transforma la parte
de fibra bidimensional en tridimensional.
En cuanto a la conexión entre la parte de fibra
y la parte principal, la invención prevé tres modos de realización
preferentes. El primero de ellos es inherente al caso de la
aplicación directa del filamento de fibra sobre la parte principal,
ya que tras dicha aplicación directa la parte de fibra y la parte
principal quedan unidas por soldadura. El segundo modo de
realización es la conexión la parte de fibra a la parte principal
mediante medios mecánicos, adhesivado, u otro, y es aplicable a los
casos en los que la parte de fibra se fabrica bien sobre un soporte
o bien sobre un molde. El tercer modo de realización de la conexión
entre parte de fibra y parte principal se basa en sobremoldear la
parte principal sobre una parte de fibra previamente fabricada, y
nuevamente es aplicable a los casos en los que la parte de fibra se
fabrica bien sobre un soporte o bien sobre un molde.
Los detalles de la invención se aprecian en las
figuras que se acompañan, no pretendiendo éstas ser limitativas del
alcance de la invención:
- La Figura 1 muestra una vista parcial ampliada
de una pieza reforzada según la invención.
- La Figura 2 muestra una pieza reforzada
completa según la invención.
- La Figura 3 muestra una vista parcial ampliada
de la pieza reforzada de la Figura 2.
- Las Figuras 4 a 19 muestran vistas parciales
de diferentes modos de realización de la pieza reforzada según la
invención.
- La Figura 20 muestra un primer método de
fabricación de la parte de fibra que constituye sustancialmente el
refuerzo de la pieza reforzada según la invención.
- La Figura 21 muestra un paso adicional que
puede incluirse en el método de la Figura 20, para la conformación
de partes cóncavas en la parte de fibra.
- La Figura 22 muestra un paso adicional que
puede incluirse en el método de la Figura 20, para la conformación
de una parte de fibra tridimensional.
- La Figura 23 muestra un segundo método de
fabricación de la parte de fibra.
- La Figura 24 muestra un tercer método de
fabricación de la parte de fibra.
- La Figura 25 muestra un cuarto método de
fabricación de la parte de fibra y la pieza reforzada.
- La Figura 26 muestra un quinto método de
fabricación de la parte de fibra.
La Figura 1 muestra una vista parcial ampliada
de una pieza reforzada (1) según la invención, que comprende una
parte principal (2) y una parte de fibra (4) realizada mediante la
disposición de uno o más filamentos basados en fibra (5) de una
forma sustancialmente unidireccional y continua. El propósito de la
presente figura es ilustrar el significado, a efectos de la
invención, de los conceptos unidireccional y continuo. Para ello,
supóngase que la parte principal (2) es una pieza realizada en un
material termoplástico o termoestable que desea reforzarse en una
determinada zona o recorrido que en la figura se ha representado
como una zona de longitud (l) y anchura (w, w') y altura (h, h')
variables. Pues bien, la solución propuesta por la invención es
proporcionar a dicha zona de una serie de filamentos basados en
fibra (5) dispuestos de forma sustancialmente unidireccional, es
decir, alineados principalmente (admitiéndose ligeras variaciones)
en la dirección (33) longitudinal del recorrido. Los filamentos
basados en fibra (5) están realizados, en el caso de la figura, en
forma de filamentos de fibra (31) dotados de un material matriz
(32) y se encuentran dispuestos a lo largo de la zona o recorrido
de una forma preferentemente continua, es decir, sin interrupción
del filamento basado en fibra (5) durante el conformado de la parte
de fibra (4), de forma que todos los filamentos basados en fibra
(5) son parte del mismo cordón. En el caso de la figura, puede
verse que la parte de fibra (4) se encuentra alojada entre dos
paredes (34) de la parte principal (2).
La Figura 2 muestra una vista completa de una
pieza reforzada (1) según la invención. La pieza reforzada (1)
comprende la citada parte principal (2), realizada en material
generalmente termoplástico, y un refuerzo (3). En el caso de la
figura, el refuerzo (3) está realizado mediante cuatro partes de
fibra (4a, 4b, 4c, 4d) en forma de un cordón o filamento basado en
fibra (5) dispuesto en un número de vueltas variable y de forma
continua a lo largo de respectivos recorridos en la parte principal
(2). Como se aprecia en la figura, cada parte de fibra (4a, 4b, 4c,
4d) presenta en este caso diferente disposición, forma y/o tamaño,
y puede comprender un número igual o diferente de vueltas del
filamento basado en fibra (5), estar realizada a partir de un tipo
de filamento basado en fibra (5) igual o diferente, etc.
La Figura 3 muestra una vista parcial ampliada
de la pieza reforzada (1) de la Figura 2, con el fin de representar
diferentes planos de sección que darán lugar a figuras
posteriores.
Las figuras 4 a 19 muestran diversos ejemplos de
detalles o elementos constructivos de la pieza reforzada (1) de las
figuras 2 y 3, para garantizar la unión entre las partes de fibra
(4a, 4b, 4c, 4d) y la parte principal (2), en función del método de
fabricación utilizado. Ha de tenerse en cuenta que la presente
invención propone diversos métodos de fabricación de la pieza
reforzada (1) provista de partes de fibra (4a, 4b, 4c, 4d) con
filamentos basados en fibra (5) dispuestos de forma unidireccional
y continua. En este sentido, la pieza reforzada (1) de las figuras
2 y 3 pretende ilustrar partes de fibra (4a, 4b, 4c, 4d) fabricadas
mediante diferentes procesos de fabricación. Así, la parte de fibra
(4a) ha sido transformada según un primer proceso de fabricación
según el cual un filamento basado en fibra (5) precalentado se ha
aplicado directamente sobre la parte principal (2) y posteriormente
se ha enfriado y quedado soldado a dicha parte principal (2). Las
partes de fibra (4b, 4c) se han conectado a la parte principal (2)
mediante un segundo método de fabricación en el cual toda o parte
de dicha parte principal (2) se ha sobremoldeado sobre dichas
partes de fibra (4b, 4c). La parte de fibra (4d) a su vez ha sido
transformadas según un tercer proceso de fabricación en el cual
dicha parte de fibra (4d) ha sido fabricada por separado y
posteriormente se ha conectado a la parte principal (2) mediante
medios de conexión mecánicos.
Las figuras 4 a 10 muestran diversos ejemplos de
elementos constructivos que aseguran la correcta soldadura de una
parte de fibra (4a) aplicada directamente sobre una parte principal
(2). En la Figura 4 se ha mostrado un caso más sencillo en el cual
la parte de fibra (4a) se ha aplicado directamente sobre una
superficie sustancialmente lisa de la parte principal (2), y ambas
partes (4a, 2) se han soldado correctamente entre sí gracias a la
compatibilidad química existente entre ambas. En la Figura 5
(sección I-I de la Figura 3) se muestra que la
pieza principal (2) comprende un nervio o pared (34) contra la cual
se aplica la parte de fibra (4a), de forma que se aumenta la
superficie de contacto entre partes (2, 4a) y se mejora la soldadura
entre ambas partes (2, 4a). Las figuras 6 y 7 (secciones
II-II y III-III de la Figura 3
respectivamente) muestran alternativas en las que la parte
principal (2) dispone de dos nervios o paredes (34) en cuyo interior
se van disponiendo los filamentos basados en fibra (5) que
conforman la parte de fibra (4a), aumentándose aún más la zona de
contacto entre partes (2, 4a). Las figuras 8 (sección
IV-IV de la Figura 2) y 9 (sección
V-V de la Figura 3) muestran dos alternativas en
los cuales se aprovechan las formas de la pieza principal (2),
concretamente un canalillo (35) y un ángulo (36) respectivamente,
para servir como zona de aplicación y recepción de la parte de
fibra (4a). La Figura 10 muestra distintas posibles versiones de la
sección VI-VI de la Figura 2, las cuales tienen en
común que la parte de fibra (4a) se conforma aprovechando orificios
(37) presentes en la parte principal (2). Dichas versiones
representadas en la Figura 10 se corresponderían por ejemplo con una
sección VII-VII longitudinal del tipo de la mostrada
en la Figura 11.
La Figura 12 muestra una vista parcial de la
Figura 2 según punto de vista VIII, en la cual puede observarse que
se ha sobremoldeado la parte principal (2) sobre una parte de fibra
(4b) fabricada mediante un proceso externo. Las figuras 13A y 13B
muestran dos secciones de la pieza reforzada de la Figura 12 según
planos de sección IX-IX y X-X
respectivamente, apreciándose cómo la parte principal (2) abraza en
diferentes zonas (39) a la parte de fibra (4b) como consecuencia
del sobremoldeo. En otras zonas (38) la parte de fibra (4b) queda
al descubierto como consecuencia de la presencia de elementos
posicionadores en el molde en el cual se ha llevado a cabo el
sobremoldeo. Dichos elementos posicionadores son introducidos por la
invención para evitar que la parte de fibra (4) se deforme debido a
la presión de sobremoldeo y sea empujada contra el molde impidiendo
el flujo de material y provocando tensiones en la pieza reforzada
(1). Obviamente, la forma, disposición y dimensiones tanto de la
parte de fibra (4) como de las zonas (38, 39) pueden variar
sustancialmente.
Las figuras 14 a 19 muestran secciones de los
diferentes puntos de anclaje (40) de la pieza reforzada (1) al
vehículo, en los cuales se concentran y transmiten las tensiones
entre la pieza reforzada (1) y el vehículo. En dichos puntos de
anclaje (40) se puede disponer opcionalmente un casquillo metálico
(41) para prevenir el problema de la fluencia o "cripping"
(relajación tensional bajo cargas mantenidas a lo largo del tiempo)
de los plásticos y materiales poliméricos en general. Las figuras
14 y 15 muestran dos modos de realización de la sección
XI-XI de la Figura 2 correspondiente al punto de
anclaje (40) que conecta el vehículo y la pieza reforzada (1),
concretamente en una zona de la pieza reforzada (1) en la cual se
localiza cierta parte de fibra (4c). Se ha representado en las
figuras el punto de anclaje (40) con y sin casquillo metálico (41)
respectivamente. Las figuras 16 y 17 muestran la sección
XII-XII de la Figura 3 correspondiente al punto de
anclaje (40) que conecta el vehículo y la pieza reforzada (1),
concretamente en una zona de la pieza reforzada (1) en la cual se
localiza la parte de fibra (4a). Se ha representado el punto de
anclaje (40) con y sin casquillo metálico (41) respectivamente. La
Figura 18 muestra la sección XIII-XIII de la Figura
2, en la cual se observa que el punto de anclaje (40) está realizado
mediante un casquillo metálico (41) provisto de remaches (42) y una
zona roscada (43). Análogamente, la Figura 19 muestra la sección
XIV-XIV de la Figura 2, en la cual se observa que
el punto de anclaje (40) está realizado mediante un casquillo
metálico (41) provisto de remaches (42) realizados tras el montaje.
En las figuras en las que se han representado modos de realización
con casquillo, puede verse cómo la parte de fibra (4a, 4c, 4d) se
dispone en la parte principal (2) aprovechando dicho casquillo (41)
y los posibles remaches (42) como elementos constructivos en los
que apoyarse con el fin de mejorar le conexión entre parte de fibra
(4) y parte principal (2).
La Figura 20 muestra un primer método de
fabricación (6) de una parte de fibra (4) según la invención,
destinada a servir posteriormente como refuerzo (3) de una pieza
reforzada (1). En dicho método de fabricación (6) un filamento
basado en fibra (5) es alimentado mediante un medio de aplicación
(26) a una mesa giratoria (8) provista de unos puntos de apoyo (11).
En el caso de la figura, la mesa giratoria (8) presenta un
movimiento giratorio (9) de forma que el filamento basado en fibra
(5) se va enrollando alrededor de los puntos de apoyo (11). Además,
la mesa giratoria (8) puede presentar un movimiento transversal
(10), con el fin de conseguir una parte de fibra (4) de altura
adecuada. Una vez conformada la parte de fibra (4) alrededor de los
puntos de apoyo (11) se realiza la extracción (12) de dicha parte de
fibra (4) de la mesa giratoria (8) manualmente o mediante una
máquina diseñada a tales efectos.
El método de fabricación (6) de la Figura 20
puede incluir además ciertas operaciones adicionales, representadas
en las Figuras 21 y 22. En el caso de la Figura 21, la operación
adicional consiste en que una vez que se ha terminado de bobinar el
filamento basado en fibra (5), aún caliente, alrededor de los
puntos de apoyo (11), y antes de proceder a la extracción de la
parte de fibra (4), algunos o todos los puntos de apoyo (11) se
desplazan desde su posición inicial (11a, 11b, 11c, 11d, 11e, 11f,
11g, 11h, 11i, 11j), alrededor de la cual se ha enrollado el
filamento basado en fibra (5), hasta una posición final (11a',
11b', 11c', 11d', 11e', 11f', 11g', 11h', 11i', 11j'). Dicha
posición final otorga a la parte de fibra (4) su forma final.
Mediante esta movilidad de los puntos de apoyo (11) se consigue el
poder dotar a la parte de fibra (4) no sólo de formas convexas
(13), factibles mediante el simple enrollado, sino de formas
cóncavas (14) y posteriores formas convexas (13) adicionales
resultantes de las nuevas formas cóncavas (14).
En el caso de la Figura 22, la operación
adicional representada permite que en el método de fabricación (6)
según la invención se pueda dar a la parte de fibra (4) una forma
tridimensional. Por tridimensional se entiende que la parte de
fibra (4) no presente una distribución sustancialmente dispuesta
sobre el plano imaginario (16) sobre el cual se localizan los
puntos de apoyo (11) en su posición inicial. Esto se consigue
dotando a la mesa giratoria (8) del citado movimiento transversal
(10) y/o dando a los puntos de apoyo (11) la capacidad de
trasladarse no sólo sobre el plano imaginario (16) sobre el cual se
localizan, sino también transversalmente, es decir, en cualquier
dirección que no se encuentre sobre el plano imaginario (16), sea o
no ortogonal a dicho plano imaginario (16). Esta capacidad de
movimiento transversal de los puntos de apoyo (11) se muestra en el
ejemplo de la figura, en la que puede verse cómo, una vez
conformada la parte de fibra (4) según se ha explicado en detalle en
la Figura 21, ciertos puntos de apoyo (11a, 11b, 11c, 11d, 11e,
11f) realizan un desplazamiento transversal (17) hasta una posición
final (11a', 11b', 11c', 11d', 11e', 11f'). Mediante dicho
desplazamiento, en el presente ejemplo se consigue que los extremos
(15a, 15b) de la parte de fibra (4) se desplacen desde una posición
inicial (15a, 15b) asociada con una parte de fibra (4)
bidimensional, hasta una posición final (15a', 15b') que otorga a la
parte de fibra (4) una forma tridimensional.
La Figura 23 muestra un segundo método de
fabricación (18) de una parte de fibra (4) tridimensional según la
invención, destinada a servir posteriormente como refuerzo de una
pieza reforzada (1). En dicho método de fabricación (18), un
filamento basado en fibra (5) es alimentado mediante un medio de
aplicación (26) a un soporte (19) provisto de unos puntos de apoyo
(20) para el apoyo del filamento basado en fibra (5), de forma que
dicho medio de aplicación (26) va realizando un bobinado del
filamento basado en fibra (5) sobre dicho soporte (19),
obteniéndose una primera parte de fibra (4). Los puntos de apoyo
(20), al igual que en el método de fabricación (6) de la Figura 20,
pueden presentar la capacidad de desplazarse no transversalmente
para dar a la parte de fibra (4) una determinada forma
bidimensional. Posteriormente, la parte de fibra (4) bidimensional
se coloca en una zona de recepción (25) debidamente realizada en un
utillaje o molde (21). Sobre la parte de fibra (4) se aplica un
conformado o procesado tridimensional (22) que modifica la forma
bidimensional de la parte de fibra (4) hasta darle a dicha parte de
fibra (4) una forma tridimensional acorde con dicha zona de
recepción (25). Tras una consolidación de la parte de fibra (4)
tridimensional en dicho molde (21), se procede a su extracción (12)
manualmente o mediante un robot.
La Figura 24 muestra un tercer método de
fabricación (24) de una parte de fibra (4) tridimensional según la
invención. Dicho método de fabricación (24) se basa en la
aplicación directa del filamento basado en fibra (5) sobre un
utillaje o molde (21). Es decir, en el presente método (24) no
existe un bobinado previo externo del filamento basado en fibra (5),
sino que el filamento basado en fibra (5) es aplicado directamente
sobre el molde (21) mediante un medio de aplicación (26) y va
adoptando la forma de la zona de recepción (25) del molde (21). De
este modo, mediante este método de fabricación (24) es posible
obtener directamente una parte de fibra (4) unidireccional,
continua y tridimensional. Por otra parte, es obvio señalar que el
presente método de fabricación (24) sirve igualmente para realizar
una parte de fibra (4) bidimensional, si para ello se conforma
adecuadamente la zona de recepción (25) del molde (21).
\newpage
Tanto el método de fabricación (18) de la Figura
23 como el método de fabricación (24) de la Figura 24 permiten la
realización de partes de fibra (4) de filamentos basados en fibra
(5) unidireccional con formas convexas (13) y formas cóncavas
(14).
La Figura 25 muestra un cuarto método de
fabricación (27) de una parte de fibra (4) tridimensional según la
invención basada en un filamento basado en fibra (5) dispuesto en
forma unidireccional y continua. Dicho método de fabricación (27)
es similar al método de fabricación (24) anterior en cuanto a que
un medio de aplicación (26) realiza una aplicación directa del
filamento basado en fibra (5) sobre una zona de recepción (25)
bidimensional o tridimensional, con la salvedad de que en el
presente método de fabricación (27) dicha zona de recepción (25) se
encuentra en la propia parte principal (2) o parte fundamental de
la pieza reforzada (1). Es decir, el cuarto método de fabricación
(27) consiste básicamente en aplicar y realizar la adhesión del
filamento basado en fibra (5) directamente sobre la pieza que va a
reforzar. El filamento basado en fibra (5) se encuentra previamente
precalentado y preferiblemente provisto de un recubrimiento
realizado en un material que es químicamente compatible con el
material del cual está fabricada la parte principal (2), de manera
que una vez aplicado el filamento basado en fibra (5) directamente
sobre la parte principal (2), al enfriarse la parte de fibra (4) se
produce la unión entre ambas (2, 4) por soldadura. Asimismo puede
ser necesaria la preparación previa de las superficies de la parte
principal (2) antes de aplicar el filamento basado en fibra (5) para
optimizar el proceso de soldadura, pudiendo consistir dicha
preparación en un flameado previo de la superficie de la parte
principal (2), un tratamiento químico, una aplicación de calor por
contacto, una convección de aire o gas, un chorro de aire o gas,
etc. Además, la invención contempla la refrigeración del filamento
basado en fibra (5) ya aplicado para acelerar su consolidación, por
ejemplo aplicando un chorro de aire o gas a la temperatura
adecuada.
La Figura 26 muestra un quinto método de
fabricación (28) de una parte de fibra (4) según la invención,
destinada a servir posteriormente como refuerzo de una pieza
reforzada (1). En dicho método de fabricación (28), un filamento
basado en fibra (5) es alimentado mediante un medio de aplicación
(26) a un soporte (29) o mandrino cuya sección transversal puede
presentar cualquier forma y coincide con la forma final que desea
darse a la parte de fibra (4). Dicho soporte (29) presenta un
movimiento giratorio (30) de forma que el filamento basado en fibra
(5) se va enrollando alrededor del soporte (29) y se va conformando
la parte de fibra (4). Una vez terminada, un robot adecuado (no
representado) lleva a cabo la extracción (12) de la parte de fibra
(4) del soporte (29). Este método de fabricación (28) permite
fabricar partes de fibra (4) bidimensionales y no provistas de
formas cóncavas. Además, es posible fabricar más de una parte de
fibra (4) sobre el mismo soporte (29). En este quinto método de
fabricación (28) se contempla la posibilidad, no representada, de
que la parte de fibra (4) terminada no se extraiga del soporte
(29), es decir, de que al menos parte de dicho soporte (29) forme
parte del refuerzo (3) de la pieza reforzada (1) como así lo hace la
parte de fibra (4).
En cualquiera de los métodos de fabricación (6,
18, 24, 27, 28) el bobinado del filamento basado en fibra (5) podrá
ser de cualquier clase, es decir, incluir o no un solapamiento o
entrecruzado de las distintas vueltas del filamento basado en fibra
(5), un número variable de vueltas de filamentos basados en fibra
(5), o en general cualquier variante que pueda otorgarse a un
bobinado.
Para aquellos métodos de fabricación (6, 18, 24,
28) en los que se realiza un bobinado de la parte de fibra (4) de
forma independiente o externa a la parte principal (2), la
invención contempla al menos dos mecanismos para conectar o unir la
parte de fibra (4) a dicha parte principal (2) y así formar la
pieza reforzada (1). Un primer mecanismo consiste en introducir la
parte de fibra (4) en un molde y sobremoldear con material
termoplástico o termoestable, de forma que la parte principal (2)
se conforma y consolida sobre la parte de fibra (4), conexión que
puede favorecerse eligiendo un material termoplástico o
termoestable que sea químicamente compatible con el recubrimiento
de resina del filamento basado en fibra (5) que forma la parte de
fibra (4), e incluso añadiendo medios de conexión mecánicos
posteriores para reforzar dicha conexión. Un segundo mecanismo
consiste en ensamblar, mediante medios de conexión adecuados, la
parte de fibra (4) a una parte principal (2) previamente
conformada.
En cuanto al primer mecanismo o mecanismo de
sobremoldeo, preferiblemente el molde en el cual se inserta la
parte de fibra (4) y en el que se sobremoldea la parte principal
(2) contará con unas zonas de recepción adecuadas para recibir la
parte de fibra (4). Dichas zonas de recepción podrán estar
realizadas en forma de paredes exteriores a la parte de fibra (4),
de forma que dicha parte de fibra (4) se coloque en el interior del
contorno delimitado por dichas paredes, en forma de paredes
interiores a la parte de fibra (4), de forma que la parte de fibra
(4) se coloque dejando las paredes en su interior, en forma de una
combinación de paredes interiores o exteriores, o en forma de una
acanaladura de forma parecida a la de la parte de fibra (4).
En todos los métodos de la presente invención se
utiliza un filamento que se denomina genéricamente "filamento
basado en fibra". Dicha denominación se utiliza a lo largo de
este documento con el fin de englobar los posibles tipos de
filamentos de fibra utilizados. Así, la invención contempla el uso
como "filamento basado en fibra" de un filamento de fibra bien
sin ningún tipo de recubrimiento o bien provisto de un
recubrimiento de resina. Por otra parte, se contempla como
"filamento basado en fibra" un filamento de fibra combinado o
no con filamentos o fibras de matriz polimérica. Tanto el
recubrimiento de resina como la matriz polimérica podrán estar
realizados con una resina termoestable o con una resina
termoplástica, y podrán aplicarse sobre un filamento de fibra a
través de un procedimiento de impregnación. En cualquiera de los
casos en los que el "filamento basado en fibra" lleve un
recubrimiento de resina o bien vaya acompañado de una matriz
polimérica (lo más habitual en el caso de utilizarse resinas
termoplásticas), podrá ser necesario someter a dicho filamento a un
proceso de precalentamiento y/o preenfriamiento para poder ser
manipulado correctamente. En cualquier caso, a los efectos de la
presente invención, se considera que estos procesos de
precalentamiento o preenfriamiento forman parte del proceso de
obtención del "filamento basado en fibra", el cual constituye
el elemento de partida de los procesos definidos por la invención,
por lo que se han englobado en las figuras en proceso inicial (7)
que pretende representar la preparación u obtención del filamento
basado en fibra, del tipo que sea, listo para ser bobinado o
aplicado. Por otra parte, el "filamento basado en fibra" puede
comprender varios filamentos de fibra, entrelazados o agrupados de
la forma que sea. La fibra utilizada para conformar los filamentos
basados en fibra podrá ser fibra de vidrio, fibra de carbono, fibra
de poliéster, fibra natural u otra fibra que se considere adecuada.
En este sentido, el filamento basado en fibra podrá o bien
comprender fibras de un único tipo (por ejemplo, únicamente fibras
de vidrio) o bien combinar fibras de distinto tipo.
En ciertos casos, especialmente en función del
tipo de filamento basado en fibra (5) utilizado, los procedimientos
anteriores pueden verse complementados con ciertas acciones que
permitan controlar la temperatura del filamento basado en fibra
(5).
Así, en el caso de utilizarse un filamento
basado en fibra (5) que comprende un recubrimiento o matriz (32)
termoplástica, las operaciones de bobinado sobre un soporte (8,
19), conformado tridimensional en un molde (21) y/o aplicación
directa sobre un molde (21) habrán de realizarse a una temperatura
controlada tal que se mantenga la flexibilidad de la parte de fibra
(4). Además, posteriormente la parte de fibra (4) final deberá
enfriarse antes de proceder a su extracción (12) para el montaje o
sobremoldeo de la parte principal (2). Para ello, la invención
preferentemente contempla:
- -
- que en el método de fabricación (6) de la Figura 20, la fase de bobinado sobre los puntos de apoyo (11) se efectúe dentro de un horno con la atmósfera a temperatura controlada, y que cuando la parte de fibra (4) esté conformada dicha temperatura descienda hasta por debajo del punto de fusión de dicha matriz (32) termoplástica, con objeto de que la parte de fibra (4) consolide y sea manipulable para la extracción (12);
- -
- que en el método de fabricación (18) de la Figura 23, las operaciones de bobinado bidimensional y conformado tridimensional se efectúen dentro de un horno con la atmósfera a temperatura controlada, y una vez conseguida la forma definitiva de la parte de fibra (4) se proceda a su consolidación por ejemplo atemperando el utillaje o molde (21) a una temperatura inferior lo suficientemente baja como para solidificar el termoplástico;
- -
- que en el método de fabricación (24) de la Figura 24, el molde (21) se encuentre a temperatura adecuada, y que la parte de fibra (4) permanezca en el molde (21) el tiempo necesario para que se consolide el termoplástico y sea posible su extracción (12).
En cambio, en el caso de utilizarse un filamento
basado en fibra (5) que comprende un recubrimiento o matriz (32)
termoestable será necesario un proceso de polimerización o de curado
para consolidar y endurecer el termoestable, por lo que antes de
proceder a su extracción (12) la parte de fibra (4) conformada
deberá someterse a una temperatura adecuada durante un tiempo
suficiente para que se produzca la reacción de polimerización.
En cuanto al modo de conseguir el movimiento
giratorio relativo entre el medio de aplicación (26) del filamento
basado en fibra (5) y el elemento (8, 19, 21, 2, 29) sobre el cual
dicho medio de aplicación (26) bobina o aplica el filamento basado
en fibra (5), la invención lógicamente contempla modos de
realización diferentes: que el bobinado del filamento basado en
fibra (5) se consiga mediante un medio de aplicación (26) móvil que
aplica dicho filamento basado en fibra (5) sobre un elemento fijo
(8, 19, 21, 2, 29), que se consiga mediante un medio de aplicación
(26) fijo que aplica el filamento basado en fibra (5) sobre
elementos (8, 19, 21, 2, 29) móviles, o que se consiga por
cualquier otro modo de realización que permita un bobinado o
aplicado continuo del filamento basado en fibra (5) para formar la
parte de fibra (4) según la invención.
Claims (25)
-
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1. Pieza reforzada (1), que comprende una parte principal (2) y al menos un refuerzo (3) destinado a mejorar las propiedades estructurales de la parte principal (2), que se caracteriza porque:- -
- el refuerzo (3) comprende al menos una parte de fibra (4) realizada a partir de la disposición de al menos un filamento basado en fibra (5) a lo largo de un recorrido (w, l, h) de la parte principal (2), donde el filamento basado en fibra (5) comprende al menos un filamento de fibra (31).
- 2. Pieza reforzada (1), según la reivindicación 1, que se caracteriza porque el filamento basado en fibra (5) se dispone de forma sustancialmente unidireccional en el recorrido (w, l, h).
- 3. Pieza reforzada (1), según la reivindicación 1, que se caracteriza porque el filamento basado en fibra (5) se dispone de forma sustancialmente continua en la parte de fibra (4).
- 4. Pieza reforzada (1), según la reivindicación 1, que se caracteriza porque la parte de fibra (4) es sustancialmente bidimensional.
- 5. Pieza reforzada (1), según la reivindicación 1, que se caracteriza porque la parte de fibra (4) es tridimensional.
- 6. Pieza reforzada (1), según la reivindicación 1, que se caracteriza porque el filamento basado en fibra (5) comprende además cierta cantidad de recubrimiento y/o material matriz (32) en la que se encuentran embebidos los filamentos de fibra (31).
- 7. Pieza reforzada (1), según la reivindicación 1, que se caracteriza porque el filamento de fibra (31) está realizado en al menos una fibra perteneciente al conjunto de fibras formado por la fibra de vidrio, la fibra de carbono, las fibras naturales y las fibras de poliéster.
- 8. Pieza reforzada (1), según la reivindicación 1, que se caracteriza porque la parte principal (2) comprende al menos un elemento constructivo (34, 35, 36, 37, 41, 42) para la recepción y disposición de la parte de fibra (4).
- 9. Método de fabricación (6, 18) de una pieza reforzada (1) provista de una parte principal (2) y al menos un refuerzo (3), donde dicho método de fabricación (6, 18) se caracteriza porque comprende:
- -
- el bobinado mediante un medio de aplicación (26) de al menos un filamento basado en fibra (5) alrededor de unos puntos de apoyo (11, 20) comprendidos en un soporte (8, 19), existiendo entre dicho medio de aplicación (26) y dicho soporte (8, 19) un movimiento giratorio relativo de forma que el filamento basado en fibra (5) va enrollándose alrededor de los puntos de apoyo (11, 20) obteniéndose una parte de fibra (4) de filamento basado en fibra (5) sustancialmente bidimensional,
- -
- la extracción (12) de la parte de fibra (4), donde la parte de fibra (4) extraída constituye al menos parte del citado refuerzo (3) de la pieza reforzada (1).
- 10. Método de fabricación (6, 18) de una pieza reforzada (1), según la reivindicación 9, que se caracteriza porque entre el medio de aplicación (26) y el soporte (8, 19) existe además un movimiento transversal (10) relativo.
- 11. Método de fabricación (6, 18) de una pieza reforzada (1), según la reivindicación 9, que se caracteriza porque los puntos de apoyo (11, 20) pueden desplazarse paralelos a un plano imaginario (16) sobre el cual se localizan sustancialmente dichos puntos de apoyo (11, 20) en su posición original, para la realización de formas cóncavas (14) en la parte de fibra (4).
- 12. Método de fabricación (6, 18) de una pieza reforzada (1), según la reivindicación 9, que se caracteriza porque los puntos de apoyo (11, 20) pueden presentar un desplazamiento transversal (17) con respecto a un plano imaginario (16) sobre el cual se localizan sustancialmente dichos puntos de apoyo (11, 20) en su posición original, para la realización de una parte de fibra (4) sustancialmente tridimensional.
- 13. Método de fabricación (18) de una pieza reforzada (1), según la reivindicación 9, que se caracteriza porque comprende además la colocación de parte de fibra (4) en un utillaje o molde (21), y la aplicación de un procesado tridimensional (22) sobre la parte de fibra (4) que modifica la forma bidimensional de la parte de fibra (4) hasta darle a dicha parte de fibra (4) una forma tridimensional.
- 14. Método de fabricación (24) de una pieza reforzada (1) provista de una parte principal (2) y al menos un refuerzo (3), donde dicho método de fabricación (24) se caracteriza porque comprende:
- -
- la aplicación directa mediante un medio de aplicación (26) de al menos un filamento basado en fibra (5) sobre el interior de un molde (21), existiendo entre dicho medio de aplicación (26) y dicho molde (21) un movimiento relativo de forma que el filamento basado en fibra (5) va disponiéndose en el molde (21), para la obtención de una parte de fibra (4) bidimensional o tridimensional de filamento basado en fibra (5),
\global\parskip1.000000\baselineskip
- -
- la extracción de la parte de fibra (4), donde la parte de fibra (4) extraída constituye al menos parte del citado refuerzo (3) de la pieza reforzada (1).
- 15. Método de fabricación (24) de una pieza reforzada (1), según la reivindicación 14, que se caracteriza porque el filamento basado en fibra (5) se dispone de forma sustancialmente unidireccional en la dirección de un recorrido en el molde (21).
- 16. Método de fabricación (24) de una pieza reforzada (1), según la reivindicación 14, que se caracteriza porque el filamento basado en fibra (5) se dispone de forma sustancialmente continua en el molde (21).
- 17. Método de fabricación (28) de una pieza reforzada (1) provista de una parte principal (2) y al menos un refuerzo (3), donde dicho método de fabricación (28) se caracteriza porque comprende:
- -
- el bobinado mediante un medio de aplicación (26) de al menos un filamento basado en fibra (5) alrededor de un soporte (29), existiendo entre dicho medio de aplicación (26) y dicho soporte (29) un movimiento relativo de forma que el filamento basado en fibra (5) va enrollándose alrededor de dicho soporte (29) obteniéndose al menos una parte de fibra (4) de filamento basado en fibra (5) sustancialmente bidimensional,
- -
- la extracción de la parte de fibra (4), donde la parte de fibra (4) constituye al menos parte del citado refuerzo (3) de la pieza reforzada (1).
- 18. Método de fabricación (28) de una pieza reforzada (1), según la reivindicación 17, que se caracteriza porque al extraer la parte de fibra (4), se extrae igualmente al menos parte del soporte (29), y dicha parte del soporte (29) constituye asimismo el refuerzo (3) de la pieza reforzada (1).
- 19. Método de fabricación (6, 18, 24, 28) de una pieza reforzada (1), según cualquiera de las reivindicaciones 9 a 18, que se caracteriza porque una vez obtenido el refuerzo (3), dicho método de fabricación (6, 18, 24, 28) comprende la inserción de dicho refuerzo (3) en un molde, y el sobremoldeo de material termoplástico o termoestable en dicho molde para la conformación de la parte principal (2) de la pieza reforzada (1) y el embebimiento total o parcial del refuerzo (3) en dicha parte principal (2), formando el refuerzo (3) una parte integrante de la pieza reforzada (1).
- 20. Método de fabricación (6, 18, 24, 28) de una pieza reforzada (1), según cualquiera de las reivindicaciones 9 a 18, que se caracteriza porque una vez obtenido el refuerzo (3), dicho método de fabricación (6, 18, 24, 28) comprende el montaje de dicho refuerzo (3) sobre la parte principal (2) ya conformada, realizándose dicho montaje mediante medios de conexión adecuados.
- 21. Método de fabricación (27) de una pieza reforzada (1) provista de una parte principal (2) y al menos un refuerzo (3), donde dicho método de fabricación (27) se caracteriza porque comprende:
- -
- la aplicación directa mediante un medio de aplicación (26) de al menos un filamento basado en fibra (5) sobre la parte principal (2), existiendo entre dicho medio de aplicación (26) y dicha parte principal (2) un movimiento relativo de forma que el filamento basado en fibra (5) va disponiéndose sobre dicha parte principal (2), para la obtención in-situ de una parte de fibra (4) de filamento basado en fibra (5),
- -
- el posterior soldado in-situ de la parte de fibra (4) y la parte principal (2) de forma que la parte de fibra (4) constituye al menos parte del refuerzo (3) de la pieza reforzada (1).
- 22. Método de fabricación (27) de una pieza reforzada (1), según la reivindicación 21, que se caracteriza porque el filamento basado en fibra (5) se dispone de forma sustancialmente unidireccional en la parte principal (2).
- 23. Método de fabricación (27) de una pieza reforzada (1), según la reivindicación 21, que se caracteriza porque el filamento basado en fibra (5) se dispone de forma sustancialmente continua en la parte principal (2).
- 24. Método de fabricación (27) de una pieza reforzada (1), según cualquiera la reivindicación 21, que se caracteriza porque la conexión por soldadura entre la parte de fibra (4) y la parte principal (2) se refuerza con medios de conexión apropiados.
- 25. Método de fabricación (27) de una pieza reforzada (1), según cualquiera la reivindicación 21, que se caracteriza porque la parte principal (2) se somete a una preparación previa, antes de la aplicación directa del filamento basado en fibra (5), para optimizar el proceso de soldadura in-situ de la parte de fibra (4) y la parte principal (2).
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