ES2528540B1

ES2528540B1 - Sistema y procedimiento de unión de elementos de fibra de carbono para componentes estructurales

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Publication number: ES2528540B1
Application number: ES201431447A
Authority: ES
Inventors: Miguel Ángel GONZÁLEZ LÓPEZ; Rafael WEYLER PÉREZ; Montserrat SÁNCHEZ ROMERO; Toni MARTÍ CELMA; Daniel ALCALÁ VERGARA; David Lázaro JIMÉNEZ HIGUERAS; Gemma SOLÉ VILATÓ; Eduard Joaquim REIG VIADER; Sergi GUSI GALVE; Marina TURRÁ PARÉS; Santiago APARICIO RAMOS
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-10-01
Filing date: 2014-10-01
Publication date: 2015-08-11
Anticipated expiration: 2034-10-01
Also published as: ES2528540A1

Abstract

Sistema y procedimiento de unión de elementos de fibra de carbono para componentes estructurales, que comprende un primer elemento (2) de fibra de carbono de un componente estructural (100); y un segundo elemento (3) de fibra de carbono de dicho componente estructural (100). Dicho sistema (1) comprende un conector (4) formado por hilos o tela de fibra de carbono unidireccionales (5), unido mediante adhesivo al primer elemento (2) y al segundo elemento (3) para permitir la unión de ambos elementos (2, 3) a través de un punto de unión (P).

Description

Campo de la invención La presente invención se refiere a un sistema de unión de elementos de fibra de carbono para componentes estructurales, en especial elementos formados por plásticos o polímeros reforzados con fibra de carbono (CFRPs), ya un procedimiento de unión de dichos elementos. La presente invención resulta de gran aplicación en el ámbito de la ingeniería en general, y en especial para la fabricación de componentes estructurales de elevada resistencia, rigidez y ligereza en los campos de la automoción, la aeronáutica y la construcción.

Antecedentes de la invención Los plásticos o polímeros reforzados con fibra de carbono, también conocidos por CFRPs según sus siglas en inglés, constituyen materiales compuestos formados por una matriz y un refuerzo. Generalmente la matriz consiste en una resina polimérica, por ejemplo resina epoxy, mientras que el refuerzo es de fibra de carbono. Esta configuración les confiere unas excelentes propiedades mecánicas que se caracterizan por una elevada resistencia y rigidez, además de poseer una baja densidad en comparación con otros materiales, como por ejemplo el acero, hecho que les proporciona una elevada ligereza. Entre las diversas aplicaciones en el ámbito de la ingeniería en general, se destaca su empleo en la fabricación de componentes estructurales en los campos de la automoción, la aeronáutica y la construcción.

En cuanto al campo de la automoción, los CFRPs se pueden encontrar en la fabricación de componentes estructurales (chasis, bastidores, cuadros, etc.) para coches, motocicletas y bicicletas. En este sentido, se destacan los componentes estructurales de tipo monocasco, fabricados mediante una sola pieza, ampliamente utilizados en el ámbito de las competiciones deportivas, especialmente en las carreras de coches. También se pueden encontrar componentes estructurales de tipo monocasco en el campo de la aeronáutica, como por ejemplo en el fuselaje de aviones. Con ellos se pretende alcanzar la máxima rigidez y resistencia con el menor peso posible. Sin embargo, a pesar de las prestaciones que ofrecen estos

componentes estructurales, su fabricación resulta altamente compleja, costosa y

especializada , requiriendo el empleo de moldes y utillajes específicos para dar forma a

cada uno de estos componentes de elevado diseño.

5: Otra forma habitual de fabricar componentes estructurales de fibra de carbono

consiste en unir mediante diversas técnicas los distintos elementos que conforman el

componente estructural. Ello da lugar a componentes estructurales de tipo

"multipieza", fabricados mediante una pluralidad de piezas, o en determinados casos a

los denominados "componentes multitubulares". Estos componentes estructurales

1O: poseen unas propiedades mecánicas bastante similares a las de los componentes

monocasco. Incluso con ciertas particularidades, pues aunque el grado de rigidez se

pueda ver ligeramente mermado por la presencia de uniones entre elementos, en

muchos casos éstas pueden favorecer la absorción de cargas o esfuerzos

perjudiciales. Si a esto se le añade que la fabricación de componentes "multipieza" y

15: posterior ensamblaje de los mismos resulta más simple y económica que la de los

componentes monocasco, resulta remarcable su especial interés en muchas

aplicaciones, como por ejemplo; en la fabricación de chasis o bastidores para

motocicletas de carreras, o en la fabricación de estructuras para la edificación, etc.

20: El principal problema de los componentes estructurales de tipo "multipieza" es

precisamente la forma mediante la que se realizan las uniones de los elementos de

fibra de carbono que conforman dicho componente. Las técnicas más habituales

consisten en realizar uniones mecánicas, químicas, o híbridas (combinaciones de las

anteriores).

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Las uniones mecánicas se basan en la unión de los elementos de fibra de carbono

mediante el empleo de bulones, tornillos, remaches, placas o casquillos, entre otros,

principalmente metálicos. El empleo de estos elementos afecta negativamente a las

propiedades mecánicas del componente estructural obtenido. En concreto, los

30: elementos metálicos, como por ejemplo el acero, el titanio, las aleaciones de aluminio

o de magnesio, etc. son más pesados que los plásticos o polímeros reforzados con

fibra de carbono (CFRPs). Así pues, los componentes estructurales obtenidos resultan

menos ligeros. Del mismo modo, los puntos de unión entre elementos de materiales

distintos, es decir con propiedades mecánicas y comportamientos distintos, siempre

35: suponen un riesgo de rotura en cualquier componente estructural. Por otro lado, el

trabajo necesario para realizar tales uniones puede resultar bastante laborioso en componentes estructurales de cierta complejidad, y además suele requerir de herramientas y de un importante número de piezas de conexión.

Las uniones químicas se basan en la unión de los elementos de fibra de carbono mediante el empleo de adhesivos. El empleo de estos elementos también afecta negativamente a las propiedades mecánicas del componente estructural obtenido, aunque de un modo distinto. En concreto, el empleo de adhesivos no suele afectar a la ligereza del componente estructural obtenido, pero sí supone una pérdida de rigidez y resistencia. Además, el trabajo necesario para realizar tales uniones requiere de un adecuado tratamiento de las superficies de unión de los elementos a unir, a fin de garantizar que el adhesivo actúe correctamente.

Finalmente, las uniones híbridas mejoran la resistencia y la rigidez que ofrecen las uniones mecánicas y químicas por separado, pero mantienen los problemas relacionados con la pérdida de ligereza del componente estructural resultante, y además, hacen aún más complejo el trabajo necesario para su obtención.

La presente ínvención resuelve los problemas anteriormente comentados sobre los componentes estructurales de tipo "multipieza" fabricados en fibra de carbono, mediante un sistema de unión que garantiza una unión pura entre elementos de fibra de carbono, en especial elementos formados por plásticos o polímeros reforzados con fibra de carbono (CFRPs). Los componentes estructurales resultantes presentan una excelente resistencia y rigidez, con la mayor ligereza posible. Asimismo, la presente invención resuelve también los problemas anteriormente comentados sobre los trabajos necesarios para realizar tales uniones, mediante un procedimiento de unión de elementos de fibra de carbono, en especial elementos formados por plásticos o polímeros reforzados con fibra de carbono (CFRPs), que se muestra altamente sencillo, rápido y eficaz.

Descripción de la invención De acuerdo a un primer objeto de protección, la presente invención se refiere a un sistema de unión de elementos de fibra de carbono para componentes estructurales, que comprende:

•: un primer elemento de fibra de carbono, o recubierto de fibra de carbono, de un

componente estructural; y

•: un segundo elemento de fibra de carbono de dicho componente estructural;

Dicho sistema caracterizado por que comprende:

• un conector formado por hilos o tela de fibra de carbono unidireccionales, o una combinación de ambos, unido mediante adhesivo al primer elemento y al segundo elemento para permitir la unión de ambos elementos a través de un punto de unión.

Preferentemente, el primer elemento y el segundo elemento son plásticos o polímeros reforzados con fibra de carbono (CFRPs) prefabricados, de cualquier geometría y dimensión. No obstante, el primer elemento puede ser en determinados casos un material metálico, cerámico, de madera, o de cualquier otro material, recubierto parcial

o totalmente de fibra de carbono. El sistema de unión de la presente invención resulta especialmente idóneo cuando se unen dos o más elementos hechos fundamentalmente de fibra de carbono (podrían contener otros materiales de refuerzo, aditivos, etc.), si bien en muchas aplicaciones es necesario unir elementos de fibra de carbono a elementos de otros materiales. En todo caso, el objeto de la presente invención es obtener una unión pura fibra de carbono -fibra de carbono. Así pues, como se explica más abajo, cuando intervienen elementos de otros materiales distintos a la fibra de carbono es preciso prepararlos para que queden parcial o totalmente recubiertos de fibra de carbono, posibilitando dicha unión pura.

El primer elemento y el segundo elemento pueden ser tubulares, macizos (por ejemplo perfiles de extrusión) de cualquier geometría (planos, cilíndricos, rectangulares, rectos, curvados, etc.) y dimensión. Como se ha dicho anteriormente el conector está formado por hilos o tela de fibra de carbono unidireccionales. Ello incluye también la posibilidad de utilizar tejidos en los que los hilos unidireccionales se encuentran superpuestos en direcciones aleatorias, por ejemplo tejidos tipo "MAr, para permitir adaptar cambios de espesor y/o geometría entre los elementos a unir.

Para mejorar el comportamiento del punto de unión ante esfuerzos de tensión plana pura, se puede reforzar la unión aplicando hilos de aramida unidireccionales, por ejemplo de la marca Kevlar®.

De acuerdo a un primer caso de realización preferido, el conector se encuentra configurado con sus hilos o tela de fibra de carbono unidireccionales formando un casquillo prefabricado, donde dicho casquillo comprende a su vez un primer extremo unido al primer elemento y un segundo extremo unido al segundo elemento. El casquillo puede ser recto o angulado para permitir la unión del primer elemento y del segundo elemento en direcciones iguales o distintas al eje longitudinal de los mismos, respectivamente.

De acuerdo a un segundo caso de realización preferido, el conector se encuentra configurado con sus hilos o tela de fibra de carbono unidireccionales formando una lámina que envuelve el punto de unión.

De acuerdo a un tercer caso de realización preferido, el conector se encuentra configurado con sus hilos o tela de fibra de carbono unidireccionales formando un empalme prefabricado, donde dicho empalme comprende al menos un primer extremo unido al primer elemento, un segundo extremo unido al segundo elemento y un tercer extremo unido a un tercer elemento. En componentes estructurales complejos, por ejemplo en estructuras de cubiertas o fachadas en la edificación, se pueden encontrar nudos de unión en los que intervengan más de tres elementos a la vez. El empalme de la presente invención se configura en estos casos con la forma adecuada y el número de extremos necesarios para unir todos los elementos que enlazan en el nudo.

El conector puede unir el primer elemento y el segundo elemento por el interior o por el exterior del punto de unión, o de forma combinada.

De acuerdo a un segundo objeto de protección, la presente invención se refiere a un procedimiento de unión de elementos de fibra de carbono para componentes estructurales, que comprende las siguientes etapas: a) seleccionar o preparar un primer elemento de fibra de carbono destinado a la

fabricación de un componente estructural, y adecuarlo a las dimensiones y

geometría requeridas por dicho componente; y b) seleccionar un segundo elemento de fibra de carbono destinado a la fabricación de

un componente estructural, y adecuarlo a las dimensiones y geometría requeridas

por dicho componente.

Dicho procedimiento caracterizado por que adicionalmente comprende la etapa de:

c) unir el primer elemento y el segundo elemento con un conector formado por hilos o tela de fibra de carbono unidireccionales mediante adhesivo, formando un punto de unión.

En vez de seleccionar el primer elemento de fibra de carbono es posible prepararlo a partir de un elemento que forme parte del componente estructural y que no sea de fibra de carbono, fabricado por ejemplo en aluminio, acero o titanio, entre otros materiales metálicos y no metálicos. Para el caso particular de los materiales metálicos, la etapa a) del procedimiento de la presente invención comprende las etapas de: a1.1 ) arenar la superficie de un material para conseguir una superficie porosa; a1.2) limpiar con un compuesto químico para eliminar la suciedad; a1.3) impregnar la superficie del material metálico con adhesivo; a1.4) cubrir la superficie impregnada con hilos o tela de fibra de carbono

unidireccionales para preparar el primer elemento; a 1.5) cubrir los hilos o tela de fibra de carbono unidireccionales con una capa o tela de drenaje configurada para drenar el adhesivo y dejar un acabado poroso;

a1 .6) recubrir el primer elemento con una manta puesta entre los hilos o lela de fibra de carbono unidireccionales y la capa o tela de drenaje, para que dicha capa o tela de drenaje no se agujeree;

a1.7) someter el primer elemento a un proceso de curado; y a1 .8) retirar la capa o tela de drenaje para obtener una capa porosa preparada para la unión del segundo elemento.

Opcionalmente, entre las etapas a1 .6) y a1 .7) se puede someter al vacío el primer elemento para eliminar el aire de los hilos o tela de fibra de carbono unidireccionales.

De acuerdo a un primer caso de realización preferido, la etapa c) comprende las etapas de: c1.1) disponer los hilos o tela de fibra de carbono unidireccionales en forma de

casquillo adaptando los mismos a las dimensiones interiores y a la geometría interior del primer elemento y del segundo elemento para obtener un casquillo prefabricado;

c1.2) impregnar el casquillo con adhesivo por su cara exterior o por su cara interior; c1.3) introducir el casquillo en el interior del primer elemento y del segundo elemento hasta quedar dispuesto por dentro del punto de unión entre ambos elementos,

o alojar el casquillo en el exterior del primer elemento y del segundo elemento hasta quedar dispuesto por fuera del punto de unión entre ambos elementos;

c1.4) realizar un proceso de curado del primer elemento y del segundo elemento una vez unidos mediante el casquillo.

En algunas realizaciones es posible que el casquillo se encuentre unido interiormente a un primer elemento y exteriormente a un segundo elemento, o viceversa. Esto puede ser especialmente útil cuando se unen dos elementos de distinta geometría o tamaño. Por ejemplo, un casquillo cuyo primer extremo se une interiormente a un primer elemento de sección cuadrada, y cuyo segundo extremo se une exteriormente a un segundo elemento de sección circular.

De acuerdo a un segundo caso de realización preferido, la etapa c) comprende las etapas de: c2.1) disponer los hilos o tela de fibra de carbono unidireccionales en forma de

casquillo adaptando los mismos a las dimensiones exteriores y a la geometría exterior del primer elemento y del segundo elemento para obtener un casquillo prefabricado;

c2.2) impregnar con adhesivo un primer extremo del casquillo por su cara exterior e impregnar con adhesivo un segundo extremo del casquillo por su cara interior,

o viceversa; c2.3) introducir el primer extremo en el interior del primer elemento y alojar el segundo extremo en el exterior del segundo elemento, o viceversa; y

c2.4) realizar un proceso de curado del primer elemento y del segundo elemento una vez unidos mediante el casquillo.

De acuerdo a un tercer caso de realización preferido, la etapa c) comprende las etapas de: c3.1) disponer los hilos o tela de fibra de carbono unidireccionales en forma de lámina,

previamente impregnados con adhesivo; c3.2) cubrir el punto de unión entre ambos elementos; y c3.3) realizar un proceso de curado del primer elemento y del segundo elemento una

vez unidos mediante la lámina.

De acuerdo a un cuarto caso de realización preferido, la etapa c) comprende las

etapas de:

c4.1) cortar el extremo del segundo elemento siguiendo la superficie del primer elemento; c4.2) encolar el extremo del segundo elemento sobre la superficie del primer elemento para formar el punto de unión; c4.3) recubrir el punto de unión aplicando una masilla hecha con adhesivo y polvo de micro-esferas de vidrio;

c4.4) dejar endurecer;

c4.5) laminar con hilos o tela de fibra de carbono unidireccional pre-impregnada, o aplicando el adhesivo al mismo tiempo, para configurar un conector en forma de lámina;

c4.6) someter el punto de unión laminado a un proceso de vacío; y

c4.7) realizar un proceso de curado.

De acuerdo a un quinto caso de realización preferido la etapa c) comprende las etapas

de:

c5.1) disponer los hilos o tela de fibra de carbono unidireccionales en forma de empalme adaptando los mismos a las dimensiones interiores o exteriores ya la geometría interior o exterior del primer elemento, del segundo elemento y de un tercer elemento para obtener un empalme prefabricado;

c5.2) impregnar el empalme con adhesivo por su cara exterior o por su cara interior;

c5.3) introducir el empalme en el interior del primer elemento, del segundo elemento y del tercer elemento hasta quedar dispuesto por dentro del punto de unión entre dichos elementos, o alojar el empalme en el exterior del primer elemento, del segundo elemento y del tercer elemento hasta quedar dispuesto por fuera del punto de unión entre dichos elementos; y

c5.4) realizar un proceso de curado del primer elemento, del segundo elemento y del tercer elemento una vez unidos mediante el empalme.

Breve descripción de los dibujos

A continuación se pasa a describir de manera muy breve una serie de dibujos que

ayudan a comprender mejor la invención y que se relacionan expresamente con varias

realizaciones preferentes de dicha invención que se presentan como ejemplos no

limitativos de la misma.

La figura 1 representa un despiece en perspectiva de un punto de unión de acuerdo a un primer ejemplo de realización de la presente invención, correspondiente a una unión interior mediante el empleo de un casquillo tubular de sección transversal circular.

La figura 2 representa una vista longitudinal seccionada de un punto de unión de acuerdo al primer ejemplo de realización de la presente invención, sin cambio de dirección entre los elementos a unir.

La figura 3 representa una vista longitudinal seccionada de un punto de unión de acuerdo a un segundo ejemplo de realización de la presente invención, con cambio de dirección entre los elementos a unir.

La figura 4 representa una vista longitudinal seccionada de un punto de unión de acuerdo a un tercer ejemplo de realización de la presente invención, correspondiente a una unión exterior mediante el empleo de un casquillo tubular de sección transversal circular.

La figura 5 representa un despiece en perspectiva de un punto de unión de acuerdo a un cuarto ejemplo de realización de la presente invención, correspondiente a una unión interior mediante el empleo de un casquillo tubular de sección transversal cuadrada.

La figura 6 representa un caso de aplicación de la presente invención en el campo de la automoción. La figura se corresponde con una vista en alzado de un componente estructural de tipo "multipieza" que forma el chasis de una motocicleta.

La figura 7 A representa una vista de perfil del chasis de la motocicleta de la figura 6, que incorpora un sistema de unión de acuerdo a un quinto ejemplo de realización de la presente invención, correspondiente a una unión exterior mediante el empleo de una lámina que envuelve el punto de unión.

La figura 7B representa una vista en planta del chasis de la motocicleta de la figura 7 A.

La figura 7e representa un detalle en perspectiva de la pipa de dirección mostrada en las figuras 7A y 7B.

La figura 8 representa un detalle en perspectiva de un sexto ejemplo de realización de la presente invención, correspondiente a una unión laminada para un bastidor de motocicleta.

La figura 8A muestra una gráfica con los resultados del ensayo A de rotura de la realización de la figura 8.

La figura 88 muestra una gráfica con los resultados del ensayo 8 de rotura de la realización de la figura 8.

La figura 9 representa un caso de aplicación de la presente invención en el campo de la construcción. La figura se corresponde con una vista en perspectiva de una parte de una estructura de superficie esférica destinada a formar la cúpula de un edificio.

La figura 10 representa una vista longitudinal seccionada de un punto de unión de acuerdo a un séptimo ejemplo de realización de la presente invención, correspondiente a una unión interior mediante el empleo de un empalme que permite la unión de tres elementos de fibra de carbono.

La figura 11 representa un punto de unión en perspectiva.

Descripción detallada de la invención Las figuras 1 y 2 muestran respectivamente un despiece en perspectiva y una vista longitudinal seccionada de un punto de unión (P) de acuerdo a un primer ejemplo de realización de la presente invención. Como se puede apreciar, el sistema de unión (1) de la presente invención comprende un primer elemento (2) de fibra de carbono destinado a formar parte de un componente estructural (100) "multitubular" , no ilustrado; y un segundo elemento (3) de fibra de carbono destinado a formar parte de dicho componente (100). El primer elemento (2) y el segundo elemento (3) son plásticos o polímeros reforzados con fibra de carbono (CFRPs) prefabricados, que presentan una forma cilíndrica tubular.

El sistema de unión (1) comprende un conector (4) formado por hilos, o tela, de fibra de carbono unidireccionales (5), unido mediante adhesivo al primer elemento (2) y al segundo elemento (3) para permitir la unión de ambos elementos (2, 3) en el punto de unión (P). El conector (4) se encuentra configurado con sus hilos o tela de fibra de carbono unidireccional (5) formando un casquillo (4A) prefabricado de forma cilíndrica tubular, donde dicho casquillo (4A) comprende a su vez un primer extremo (7) para la unión del primer elemento (2) y un segundo extremo (8) para la unión del segundo elemento (3). Los hilos, o tela, de fibra de carbono unidireccionales (5) se disponen teniendo en cuenta la dirección de los esfuerzos previstos durante el funcionamiento del componente estructural (100). En este caso, las fibras de carbono unidireccionales

(5) se han ido cruzando para formar ángulos entre sí a ±45°. Así pues, se produce una unión pura de fibra de carbono. Por otro lado, como se puede apreciar en el presente ejemplo, la unión entre el primer elemento (2) y el segundo elemento (3) no presenta ningún cambio de dirección.

El procedimiento de unión de acuerdo al primer ejemplo de realización comprende las siguientes etapas: a) seleccionar un primer elemento (2) de fibra de carbono destinado a la fabricación de

un componente estructural (100), y adecuarlo a las dimensiones y geometría requeridas por dicho componente (100); y

b) seleccionar un segundo elemento (3) de fibra de carbono destinado a la fabricación del componente estructural (100), y adecuarlo a las dimensiones y geometría requeridas por dicho componente (100).

Dicho procedimiento comprende adicionalmente la etapa de:

c) unir el primer elemento (2) y el segundo elemento (3) con un conector (4) formado por hilos o tela de fibra de carbono unidireccionales (5) mediante adhesivo, formando un punto de unión (P).

A su vez, la etapa c) comprende las etapas de:

c1.1) disponer los hilos o tela de fibra de carbono unidireccionales (5) en forma de casquillo (4A) adaptando los mismos a las dimensiones interiores y a la geometría interior del primer elemento (2) y del segundo elemento (3) para obtener un casquillo (4A) prefabricado, es decir, dimensionando el diámetro exterior (0E.4A) del casquillo (4A) para que encaje dentro del diámetro interior 0 ;_2 del primer elemento (2) y del diámetro interior (0;_3) del segundo elemento

(3), y establecer una longitud (L) de casquillo (4A) para que solape ambos

elementos (2, 3); c1 .2) impregnar el casquillo (4A) con adhesivo por su cara exterior, por ejemplo mediante resina epoxi;

c1.3) introducir el casquillo (4A) en el interior del primer elemento (2) y del segundo

elemento (3) hasta quedar dispuesto por dentro del punto de unión (P) entre

ambos elementos (2, 3); Y c1.4) realizar un proceso de curado del primer elemento (2) y del segundo elemento

(3) una vez unidos mediante el casquillo (4A), dicho proceso se puede llevar a cabo en un horno o en un autoclave.

Para la fabricación del casquillo (4A) se pueden usar, aunque no necesariamente, moldes o piezas de cualquier tipo de material (metálico, plástico, madera, etc. ), que una vez que posibilitan la formación del casquillo (4A) son extraídos o eliminados. No obstante, en algunos casos pueden mantenerse en el punto de unión (P) de forma permanente, pasando a formar parte del componente estructural, por ejemplo para ganar rigidez, a pesar de perder algo de ligereza. En todo caso, la unión entre los elementos (2, 3) Y el casquillo (4A) siempre es a través de fibra de carbono, ya sea porque los elementos y el conector están formados por fibra de carbono, o revestidos con ella en las zonas de unión.

La figura 3 muestra una vista longitudinal seccionada de un punto de unión (P) de acuerdo a un segundo ejemplo de realización de la presente invención. Como se puede apreciar, la unión entre el primer elemento (2) y el segundo elemento (3) presenta un cambio de dirección. El casquillo (4A) se encuentra angulado para permitir la unión del primer elemento (2) y del segundo elemento (3) según un ángulo de unión

(a) distinto de 180°.

La figura 4 muestra una vista longitudinal seccionada de un punto de unión (P) de acuerdo a un tercer ejemplo de realización de la presente invención. Como se puede apreciar, se corresponde con una unión exterior mediante el empleo de un casquillo (4A) prefabricado de forma cilíndrica tubular.

La figura 5 representa un despiece en perspectiva de un punto de unión de acuerdo a un cuarto ejemplo de realización de la presente invención. Como se puede apreciar, se corresponde con una unión interior mediante el empleo de un casquillo (4A) prefabricado tubular de sección transversal cuadrada. Para mejorar el comportamiento del punto de unión (P) ante esfuerzos de tensión plana pura, se puede reforzar la unión aplicando hilos de aramida unidireccionales (6), por ejemplo de la marca Kevlar®.

La figura 6 muestra un caso de aplicación de la presente invención en el campo de la automoción. La figura se corresponde con una vista en alzado de un componente estructural (100) de tipo "multipieza" que forma el chasis de una motocicleta. En ella se aprecian puntos de unión (P) realizados mediante el sistema de unión (1) de la presente invención.

Las figuras 7 A-7C muestran con mayor detalle el sistema de unión (1) de la figura 6. Como se puede apreciar, cada punto de unión (P) está formado por un primer elemento (2) que se corresponde con la pipa de dirección de la motocicleta, así como un segundo elemento (3) y un tercer elemento (10) que se corresponden con elementos estructurales del chasis o bastidor. Todos ellos son plásticos o polímeros reforzados con fibra de carbono (CFRPs) prefabricados, que presentan una forma cilíndrica tubular. A su vez, el conector (4) está formado por hilos o tela de fibra de carbono unidireccionales (5), unido mediante adhesivo al primer elemento (2), al segundo elemento (3) y al tercer elemento (10) para permitir la unión de dichos elementos (2, 3, 10) en el punto de unión (P).

De acuerdo al presente ejemplo de realización, el conector (4) se encuentra configurado con sus hilos o tela de fibra de carbono unidireccionales (5) formando una lámina (48) que envuelve el punto de unión (P). Se trata pues de una unión que consiste en laminar encima de los elementos (2, 3, 10) a unir, teniendo en cuenta la dirección de los esfuerzos para disponer dichos hilos o tela de fibra de carbono unidireccionales (5) de forma adecuada. Este tipo de unión presenta varias ventajas, por ejemplo: -Al utilizarse el mismo material se presentan comportamientos parecidos sin

necesidad de añadir peso extra. -Presenta un mejor aspecto estético.

-: No necesita maquinaria para mecanizar ni soldar, disminuyendo el número de pasos en su fabricación. -Permite corregir pequeñas desviaciones durante la fabricación , se aceptan tolerancias mayores y reduce su precio.

El procedimiento de unión de acuerdo al presente ejemplo de realización comprende las siguientes etapas: a) seleccionar un primer elemento (2) de fibra de carbono destinado a la fabricación de

un componente estructural (100), Y adecuarlo a las dimensiones y geometría requeridas por dicho componente (100);

b.1) seleccionar un segundo elemento (3) de fibra de carbono destinado a la fabricación del componente estructural (100), y adecuarlo a las dimensiones y geometría requeridas por dicho componente (100); y

b.2) seleccionar un tercer elemento (10) de fibra de carbono destinado a la fabricación del componente estructural (100), y adecuarlo a las dimensiones y geometría requeridas por dicho componente (100).

Dicho procedimiento comprende adicionalmente la etapa de:

c) unir el primer elemento (2), el segundo elemento (3) y el tercer elemento (10) con un conector (4) formado por hilos o tela de fibra de carbono unidireccionales (5) mediante adhesivo, formando un punto de unión (P).

A su vez, la etapa c) comprende las etapas de: c3.1) disponer los hilos o tela de fibra de carbono unidireccionales (5) en forma de

lámina (48), previamente impregnados por su cara interior; c3.2) cubrir el punto de unión (P) entre los elementos (2, 3, 10); Y c3.3) realizar un proceso de curado del primer elemento (2) y del segundo elemento

(3) una vez unidos mediante la lámina (48).

La figura 8 muestra un detalle en perspectiva de un sexto ejemplo de realización de la presente invención, correspondiente a una unión laminada para un bastidor de motocicleta. Como se puede apreciar, este ejemplo muestra un primer punto de unión (P1) Y un segundo punto de unión (P2). El primer punto de unión (P1 ) presenta una primera unión de un primer elemento (2), con un segundo elemento (3) y un tercer elemento (10). El segundo punto de unión (P2) presenta una segunda unión del primer

elemento (2), con cuarto elemento (11). Todos ellos presentan una forma cilíndrica tubular.

El primer elemento (2) presenta una longitud de 150 mm, un diámetro exterior de 70 mm y un grosor de pared de 2 mm. Asimismo, el segundo elemento (3), el tercer elemento (10) y el cuarto elemento (11 ) son plásticos o pOlímeros reforzados con fibra de carbono (CFRPs) prefabricados, que presentan cada uno de ellos un diámetro exterior de 28 mm y un espesor de 1 mm con las fibra situadas a 0-90° a partes iguales. El adhesivo utilizado en este caso particular es la resina epoxi Axson® Adekit® 135.

A continuación se describe el procedimiento de unión especifico para conformar el primer (P1) Y el segundo punto de unión (P2). En primer lugar se arena la superficie de la pipa de dirección, fabricada con un material metálico (por ejemplo aluminio), para conseguir una superticie porosa. Seguidamente se limpia con acetona para eliminar la suciedad. Después se cubre con una lámina de adhesivo, dos capas de fibra de carbono unidireccional que se cruzan a ±45° y una capa de upil_play". Esta última es una tela que permite el drenaje de la resina y deja un acabado poroso que mejora la superticie para tratar con adhesivos. De este modo se forma el primer elemento de fibra de carbono. El primer elemento (2) se somete al vacío para eliminar el aire de la fibra de carbono, recubriendo la totalidad de dicho elemento (2) con una manta que se pone entre la fibra y la tela de sangrado para que esta última no se agujeree, y se coloca en la bolsa de vacio donde se incorpora una toma para conectar la bomba de vacio. Se deja curar en el horno a 100°C durante 24h. Finalizado el proceso de curado, se retira la capa de upil_play" y se obtiene una capa porosa preparada para la unión de los elementos estructurales de fibra de carbono, correspondientes al segundo (3), tercer (10) Y cuarto elemento (11 ), mediante laminado. A continuación se cortan dichos elementos (3, 10, 11 ) a la sección necesaria. Para ello, se imprime a escala 1:1 el desarrollo de cada elemento (3, 10, 11 ), se cortan las siluetas y se rodean en los elementos requeridos. Con un rotulador se traza la silueta del desarrollo en los elementos (3, 10, 11), Y finalmente se corta por el trazado lo más exacto posible, posteriormente se lija la superficie del corte y se encola para fijar su posición definitiva. El desarrollo de los elementos (3, 10, 11 ) se puede realizar mediante láser, aunque no necesariamente, pues la unión mediante laminado permite que dicho desarrollo tenga tolerancias aceptables, evitando el incremento de coste que suele ocasionar el corte por láser.

Con el adhesivo y un polvo de micro-esferas de vidrio se realiza una masilia que recubre la unión entre la pipa de dirección (2) y los elementos estructurales (3, 10, 11) mediante un radio para homogeneizar la superficie. La masilla ofrece un poco de flexibilidad en los puntos de unión (P1 , P2), que se deja endurecer durante unas horas. Posteriormente se lija para minimizar la zona hasta conseguir el radio deseado.

A partir de este punto, las superficies de los puntos de unión (P1 , P2) Y de los elementos (2, 3, 10, 11) están preparadas para empezar el proceso de laminado. Se aplican 7 capas de tela de fibra de carbono unidireccional (5) pre-impregnada (tipo "pre-peg") de 200g y 0.2 mm de espesor, distribuidas de la siguiente manera: 4 capas a ±45° intercalando entre ellas 3 capas en la dirección de los esfuerzos. Para finalizar el laminado, se recubren algunas zonas con hilos de fibra de carbono unidireccionales

(5) para reforzar las capas anteriores. Se prepara el sistema de vacío de la misma manera que se ha explicado al principio del procedimiento, y se cura a 100°C durante 24h.

La unión resultante se somete a los siguientes dos ensayos.

Ensayo A: se coloca en posición vertical el primer elemento (2), sujeto por sus extremos con dos placas de acero. Se aplica una carga con un avance continuo de 0.5mm/minuto, paralela a la dirección longitudinal del primer elemento (2), sobre el cuarto elemento (11 ) para valorar el comportamiento del segundo punto unión (P2) cuando la fuerza es paralela a la pipa de dirección.

Los resultados de este ensayo se muestran en la gráfica de la figura BA. Como se puede apreciar, la unión del primer ensayo aguanta 20KN. Tras la carga aplicada se rompe la unión con la pipa de dirección, pero no el laminado (48).

Ensayo B: se apoya horizontalmente la sección cilíndrica del primer elemento (2) en una pieza de un diámetro similar, mientras que el segundo elemento (3) y el tercer elemento (10) reciben en el mismo plano de sus ejes longitudinales una pinza hecha a medida que rodea dichos elementos (3, 10) Y es la encargada de aplicar una fuerza perpendicular al eje longitudinal del primer elemento (2). En este ensayo se analiza el comportamiento de la unión de dos o más elementos (3, 10) en un mismo punto de unión, y se valora el comportamiento del primer punto de unión (P1) cuando la carga es perpendicular a la pipa de la dirección.

Los resultados de este ensayo se muestran en la gráfica de la figura 88. En este ensayo, la unión se mantuvo intacta puesto que antes se rompieron el segundo elemento (3) y el tercer elemento (10). Dichos elementos se rompieron a los 7KN, dejando la unión en perfecto estado. Esto significa que el primer punto de unión (P1) es capaz de soportar cargas mayores. Cabe destacar que la rotura fue lentamente, un aspecto positivo a tener en cuenta.

La figura 9 muestra un caso de aplicación de la presente invención en el campo de la construcción. La figura se corresponde con una vista en perspectiva de una parte de una estructura de superficie esférica destinada a formar la cúpula de un edificio.

La figura 10 muestra una vista longitudinal seccionada de un punto de unión de acuerdo a un séptimo ejemplo de realización de la presente invención. Como se puede apreciar, el conector (4) se encuentra configurado con sus hilos o tela de fibra de carbono unidireccionales (5) formando un empalme (4C) prefabricado, donde dicho empalme (4C) comprende a su vez un primer extremo (7) unido al primer elemento (2), un segundo extremo (8) unido al segundo elemento (3) y un tercer extremo (9) unido a un tercer elemento (10).

un componente estructural (100), Y adecuarlo a las dimensiones y geometría

requeridas por dicho componente (100); b.1) seleccionar un segundo elemento (3) de fibra de carbono destinado a la

fabricación del componente estructural (100), y adecuarlo a las dimensiones y

geometría requeridas por dicho componente (100); y b.2) seleccionar un tercer elemento (10) de fibra de carbono destinado a la fabricación

del componente estructural (100), y adecuarlo a las dimensiones y geometría

requeridas por dicho componente (100).

Dicho procedimiento comprende adicionalmente la etapa de:

d) unir el primer elemento (2), el segundo elemento (3) y el tercer elemento (10) con un conector (4) formado por hilos o tela de fibra de carbono unidireccionales (5) mediante adhesivo, formando un punto de unión (P).

A su vez, la etapa c) comprende las etapas de:

c5.1 ) disponer los hilos o tela de fibra de carbono unidireccionales (5) en forma de empalme (4C) adaptando los mismos a las dimensiones interiores y a la geometría interior del primer elemento (2), del segundo elemento (3) y de un

10 tercer elemento (10) para obtener un empalme (4C) prefabricado; c5.2) impregnar el empalme (4C) con adhesivo por su cara exterior; c5.3) introducir el empalme (4C) en el interior del primer elemento (2), del segundo

elemento (3) y del tercer elemento (10) hasta quedar dispuesto por dentro del punto de unión (P) entre dichos elementos (2, 3, 10); Y 15 c5.4) realizar un proceso de curado del primer elemento (2), del segundo elemento (3) y del tercer elemento (10) una vez unidos mediante el empalme (4C).

Este tipo de unión se puede llevar a cabo con los ejes longitudinales contenidos en un mismo plano, o en planos diferentes, tal y como sucede en el punto de unión (P) de la

20 figura 11.

Claims

REIVINDICACIONES

1.-Sistema de unión de elementos de fibra de carbono para componentes estructurales, que comprende:

•

un primer elemento (2) de fibra de carbono, o recubierto de fibra de carbono, de un componente estructural (100); y

•

un segundo elemento (3) de fibra de carbono de dicho componente estructural

(100);

dicho sistema (1) caracterizado por que comprende:

• un conector (4) formado por hilos o tela de fibra de carbono unidireccionales (5), unido mediante adhesivo al primer elemento (2) y al segundo elemento (3) para permitir la unión de ambos elementos (2, 3) a través de un punto de unión (P).
2.-Sistema de unión de elementos de fibra de carbono según la reivindicación 1 caracterizado por que el primer elemento (2) y el segundo elemento (3) son plásticos

o polímeros reforzados con fibra de carbono prefabricados.
3.-Sistema de unión de elementos de fibra de carbono según la reivindicación 1 caracterizado por que el primer elemento (2) es un material metálico, cerámico o de madera recubierto de fibra de carbono, y el segundo elemento (3) es un plástico o polímero reforzado con fibra de carbono prefabricado.
4 .-Sistema de unión de elementos de fibra de carbono según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3 caracterizado por que comprende hilos de aramida unidireccionales (6) de refuerzo.
5.-Sistema de unión de elementos de fibra de carbono según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4 caracterizado por que el conector (4) se encuentra configurado con sus hilos o tela de fibra de carbono unidireccionales (5) formando un casquillo (4A) prefabricado, donde dicho casquillo (4A) comprende a su vez un primer extremo (7) unido al primer elemento (2) y un segundo extremo (8) unido al segundo elemento (3).
6.-Sistema de unión de elementos de fibra de carbono según la reivindicación 5 caracterizado por que el casquillo (4A) se encuentra angulado para permitir la unión del primer elemento (2) y del segundo elemento (3) en direcciones distintas.
7.-Sistema de unión de elementos de fibra de carbono según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4 caracterizado por que el conector (4) se encuentra configurado con sus hilos o tela de fibra de carbono unidireccionales (5) formando una lámina (48) que envuelve el punto de unión (P).
8.-Sistema de unión de elementos de fibra de carbono cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7 caracterizado por que el conector (4) une el primer elemento

(2) y el segundo elemento (3) por el interior o por el exterior del punto de unión (P).
9.-Sistema de unión de elementos de fibra de carbono cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7 caracterizado por que el conector (4) se une interiormente al primer elemento (2) y exteriormente al segundo elemento (3), o viceversa.
10.-Sistema de unión de elementos de fibra de carbono según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9 caracterizado por que el conector (4) se encuentra configurado con sus hilos o tela de fibra de carbono unidireccionales (5) formando un empalme (4C) prefabricado, donde dicho empalme (4C) comprende a su vez un primer extremo

(7)

unido al primer elemento (2), un segundo extremo (8) unido al segundo elemento

(3)

Y un tercer extremo (9) unido a un tercer elemento (10).
11 .-Procedimiento de unión de elementos de fibra de carbono para componentes estructurales, que comprende las siguientes etapas: a) seleccionar o preparar un primer elemento (2) de fibra de carbono destinado a la

fabricación de un componente estructural (100), y adecuarlo a las dimensiones y geometría requeridas por dicho componente (100); y

b) seleccionar un segundo elemento (3) de fibra de carbono destinado a la fabricación del componente estructural (100), y adecuarlo a las dimensiones y geometría requeridas por dicho componente (100);

dicho procedimiento caracterizado por que adicionalmente comprende la etapa de:

c) unir el primer elemento (2) y el segundo elemento (3) con un conector (4) formado por hilos o tela de fibra de carbono unidireccionales (5) mediante adhesivo, formando un punto de unión (P).
12.-Procedimiento de unión de elementos de fibra de carbono para componentes estructurales según la reivindicación 11 caracterizado por que la etapa a) comprende

las etapas de:

a1.1) arenar la superficie de un material para conseguir una superficie porosa;

a1.2) limpiar con un compuesto quimico para eliminar la suciedad;

a1.3) impregnar la superficie del material metálico con adhesivo;

a1.4) cubrir la superficie impregnada con hilos o tela de fibra de carbono unidireccionales (5) para preparar el primer elemento (2);

a1.5) cubrir los hilos o tela de fibra de carbono unidireccionales (5) con una capa o tela de drenaje configurada para drenar el adhesivo y dejar un acabado poroso;

a1.6) recubrir el primer elemento (2) con una manta puesta entre los hilos o tela de fibra de carbono unidireccionales (5) y la capa o tela de drenaje, para que dicha capa o tela de drenaje no se agujeree;

a1.7) someter el primer elemento (2) a un proceso de curado; y

a1.8) retirar la capa o tela de drenaje para obtener una capa porosa preparada para la unión del segundo elemento (3).
13.-Procedimiento de unión de elementos de fibra de carbono para componentes

estructurales según cualquiera de las reivindicaciones 11 a 12 caracterizado por que

la etapa c) comprende las etapas de:

c1.1) disponer los hilos o tela de fibra de carbono unidireccionales (5) en forma de casquillo (4A) adaptando los mismos a las dimensiones interiores y a la geometría interior del primer elemento (2) y del segundo elemento (3) para obtener un casquillo (4A) prefabricado;

c1.2) impregnar el casquillo (4A) con adhesivo por su cara exterior o por su cara interior;

c1.3) introducir el casquillo (4A) en el interior del primer elemento (2) y del segundo elemento (3) hasta quedar dispuesto por dentro del punto de unión (P) entre ambos elementos (2, 3), o alojar el casquillo (4A) en el exterior del primer elemento (2) y del segundo elemento (3) hasta quedar dispuesto por fuera del punto de unión (P) entre ambos elementos (2, 3);

c1.4) realizar un proceso de curado del primer elemento (2) y del segundo elemento

(3) una vez unidos mediante el casquillo (4A).
14.-Procedimiento de unión de elementos de fibra de carbono para componentes estructurales cualquiera de las reivindicaciones 11 a 12 caracterizado por que la

etapa c) comprende las etapas de:

c2.1 ) disponer los hilos o tela de fibra de carbono unidireccionales (5) en forma de casquillo (4A) adaptando los mismos a las dimensiones exteriores y a la geometría exterior del primer elemento (2) y del segundo elemento (3) para obtener un casquillo (4A) prefabricado;

c2.2) impregnar con adhesivo un primer extremo (7) del casquillo (4A) por su cara exterior e impregnar con adhesivo un segundo extremo (8) del casquillo (4A) por su cara interior, o viceversa;

c2.3) introducir el primer extremo (7) en el interior del primer elemento (2) y alojar el segundo extremo (8) en el exterior del segundo elemento (3), o viceversa; y

c2.4) realizar un proceso de curado del primer elemento (2) y del segundo elemento

(3) una vez unidos mediante el casquillo (4A).
15.-Procedimiento de unión de elementos de fibra de carbono para componentes

estructurales cualquiera de las reivindicaciones 11 a 12 caracterizado por que la

etapa c) comprende las etapas de:

c3.1) disponer los hilos o tela de fibra de carbono unidireccionales (5) en forma de lámina (48), previamente impregnados con adhesivo;

c3.2) cubrir el punto de unión (P) entre ambos elementos (2, 3); Y

c3.3) realizar un proceso de curado del primer elemento (2) y del segundo elemento

(3) una vez unidos mediante la lámina (48).
16.-Procedimiento de unión de elementos de fibra de carbono para componentes

estructurales según cualquiera de las reivindicaciones 11 a 12 caracterizado por que

la etapa c) comprende las etapas de:

c4.1) cortar el extremo del segundo elemento (3) siguiendo la superficie del primer elemento (2);

c4.2) encolar el extremo del segundo elemento (4) sobre la superficie del primer elemento (2) para formar el punto de unión (P);

c4.3) recubrir el punto de unión (P) aplicando una masilla hecha con adhesivo y polvo de micro-esferas de vidrio;

c4.4) dejar endurecer;

c4.5) laminar con hilos o tela de fibra de carbono unidireccional (5) pre-impregnada, o aplicando el adhesivo al mismo tiempo, para configurar un conector (4) en forma de lámina (48);

c4.6) someter el punto de unión (P) laminado a un proceso de vacío ; y

c4.7) realizar un proceso de curado.
17.- Procedimiento de unión de elementos de fibra de carbono para componentes

5 estructurales cualquiera de las reivindicaciones 11 a 12 caracterizado por que la etapa c) comprende las etapas de: c5.1) disponer los hilos o tela de fibra de carbono unidireccionales (5) en forma de

empalme (4C) adaptando los mismos a las dimensiones interiores o exteriores y a la geometría interior o exterior del primer elemento (2), del segundo 10 elemento (3) y de un tercer elemento (10) para obtener un empalme (4C)

prefabricado; c5.2) impregnar el empalme (4C) con adhesivo por su cara exterior o por su cara interior; c5.3) introducír el empalme (4C) en el interior del primer elemento (2), del segundo

15 elemento (3) y del tercer elemento (10) hasta quedar dispuesto por dentro del punto de unión (P) entre dichos elementos (2, 3, 10), o alojar el empalme (4C) en el exterior del primer elemento (2), del segundo elemento (3) y del tercer elemento (10) hasta quedar dispuesto por fuera del punto de unión (P) entre dichos elementos (2, 3, 10); Y

20 c5.4) realizar un proceso de curado del primer elemento (2), del segundo elemento (3) y del tercer elemento (10) una vez unidos mediante el empalme (4C).