ES2549494T3 - Estructura tubular para soportar cargas mecánicas y método para fabricar una estructura tubular para soportar cargas mecánicas - Google Patents

Abstract

Una estructura compuesta tubular, incluyendo: a) una primera capa (1) y una segunda capa (2), b) una capa de refuerzo (3) de un material base celular en forma de hoja, a saber un material plástico en espuma, dispuesto entre las capas primera y segunda (1, 2), c) incluyendo la capa de refuerzo (3) pasos (6) que están distribuidos sobre el material base, d) y una junta (8) que conecta las capas de cobertura una a otra en una conexión de material o una conexión de fuerza, y permea la capa de refuerzo (3) en la región de los pasos (6), caracterizada porque e) los pasos (6) subdividen el material base en una pluralidad de celdas de material (4), estando delineadas las celdas de material (4) una de otra por los pasos (6) e interconectadas por puentes (5) que permanecen entre pasos adyacentes (6), f) y la junta (8) encierra al menos los lados de las celdas de material (4) de la capa de refuerzo (3).

Description

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intervalo está dotado de hojas de sierra.

Si el proceso de separación implica al menos uno de un proceso de perforación y un proceso de corte y luego al menos un proceso de aserrado, el material base es alimentado preferiblemente de forma automática a la herramienta de perforación o corte y luego a la herramienta de aserrado, en una operación discontinua, por ejemplo, por medio de una correa transportadora u otra forma de medio de transporte continuo, y en un proceso continuo como un producto de hoja que es transportado a través de intervalos de rodillo dispuestos secuencialmente en la dirección de transporte. La perforación antes del aserrado es una opción preferida. La perforación y el aserrado se pueden realizar con herramientas separadas, a saber una herramienta de perforación y una herramienta de aserrado, o por una herramienta de perforación y aserrado incluyendo una o más hojas de sierra con agujas de perforación que forman la punta de la hoja de sierra respectiva, sobresaliendo la aguja de perforación de la hoja de sierra.

La estructura compuesta en construcción emparedada también puede incluir al menos una capa de cobertura adicional y al menos una capa de refuerzo adicional, y se puede fabricar en concreto en una construcción emparedada múltiple. Un emparedado doble incluyendo tres capas de cobertura, a saber una capa de cobertura exterior, una media y otra exterior y dos capas de refuerzo dispuestas respectivamente entre las capas de cobertura exteriores y la capa de cobertura media, puede servir como un ejemplo. También es posible disponer una o varias capas de refuerzo, una encima de la otra, entre capas de cobertura, donde la capa de refuerzo inferior o más baja está adyacente a una capa de cobertura inferior, y la capa de refuerzo superior o más alta está adyacente a una capa de cobertura superior.

También se describen características preferidas en las reivindicaciones secundarias y en las combinaciones de las reivindicaciones secundarias.

Realizaciones ejemplares de la invención se explican a continuación en base a las figuras. Las características descritas en las realizaciones ejemplares, individualmente y en cualquier combinación de características, desarrollan ventajosamente la materia de las reivindicaciones y también las realizaciones descritas anteriormente.

La figura 1 muestra una estructura de refuerzo en vista superior.

La figura 2 muestra la estructura de refuerzo en sección transversal.

La figura 3 muestra la estructura de refuerzo deformada en sección transversal.

La figura 4 muestra una cuchilla de corte.

La figura 4a muestra un grupo de cuchillas de corte, en vista desde abajo.

La figura 5 muestra una hoja de sierra.

La figura 5a muestra un grupo de hojas de sierra, en vista desde abajo.

La figura 6muestra una prensa de puentes.

La figura 7 muestra una prensa superior.

La figura 8 muestra una estructura compuesta de una realización en sección transversal.

La figura 9 muestra la estructura compuesta de la realización en vista en perspectiva.

Y la figura 10 muestra la estructura compuesta de la realización que sirve como un cilindro de presión.

La figura 1 representa una estructura de refuerzo 3 hecha de un material celular, a saber un material de espuma plástica. Se puede incrustar elementos de refuerzo, por ejemplo filamentos, en el material celular; sin embargo, el material celular es preferiblemente un material celular no reforzado. La estructura de refuerzo 3 consta de celdas de material poligonales 4, en la realización ejemplar celdas de material hexagonales 4, y puentes de conexión relativamente finos 5. Las celdas de material 4 están conectadas en cada uno de sus lados a la celda de material 4 adyacente más próximo mediante un puente de conexión central 5. Debido a su forma hexagonal, cada una de las celdas de material 4 está conectada a sus celdas de material 4 adyacentes más próximas mediante seis puentes de conexión 5. La anchura de las celdas de material 4, medida en cada dirección del plano de visión, es claramente mayor que la longitud de los puentes de conexión 5. El espacio entre las celdas de material adyacentes más próximas respectivamente 4 es libre, aparte de los puentes de conexión 5. Las cavidades que así permanecen libres entre las celdas de material 4 forman pasos 6 en comparación con un material base celular no estructurado en forma de placa o de manta. Dependiendo de la resistencia a la flexión del material base en forma de placa o manta, estas cavidades o pasos 6 facilitan, o incluso permiten en grado apreciable, la deformabilidad tridimensional.

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Primariamente, la estructura de refuerzo 3 se puede deformar tridimensionalmente, es decir, curvar alrededor de múltiples ejes que no apuntan paralelos uno a otro, desplazando las celdas de material 4 una con relación a otra, a saber, deformando los puentes de conexión 5. Por lo tanto, la estructura de refuerzo 3 es adecuada como un material central para compuestos ligeros curvados tridimensionalmente en una construcción emparedada. Los pasos 6 también permiten en particular la penetración de una junta, por ejemplo una resina sintética o masa adhesiva, por la que dos capas de cobertura se pueden conectar fijamente una a otra en una conexión de material mediante la estructura de refuerzo 3. La junta llena preferiblemente de forma completa los espacios que quedan libres entre las celdas de material 4 en la región de los pasos 6 y consiguientemente forma una estructura de refuerzo en forma de panel para las capas de cobertura en el compuesto endurecido.

La figura 2 representa la estructura de refuerzo 3 en un estado inicial no deformado en el que la estructura de refuerzo 3 forma sustancialmente una manta o chapa plana estructurada según la forma de las celdas de material 4.

La figura 3 representa la estructura de refuerzo 3 en un estado deformado en el que celdas de material adyacentes más próximas 4 apuntan en un ángulo inclinado una a otra, debido a flexión en el puente de conexión 5 que las conecta respectivamente.

La estructura de refuerzo 3 se produce en lotes a partir de un material base celular en forma de placa o manta, una placa inicial, o de forma continua a partir de un material laminar en múltiples pasos del método. La placa inicial u hoja producida exhibe un grosor de material que corresponde al menos sustancialmente a las celdas de material 4 en todo él. Es una placa o material laminar homogéneo, no estructurado que, sin embargo, exhibe una estructura celular microscópica y cuando sea aplicable, también macroscópica que tiene una densidad correspondientemente baja. En la realización ejemplar, el material base celular es un material de espuma plástica. Tales materiales de espuma se pueden producir en concreto por extrusión y separar en las placas iniciales a procesar, o se pueden enrollar sobre un rodillo como una hoja producida si el material base es correspondientemente flexible.

Los pasos 6 se incorporan a dicho material base celular en un método polietápico por corte o perforación y luego aserrado. Una vez completado el proceso de separación de etapas múltiples, que implica al menos un proceso de corte o perforación y al menos un proceso de aserrado, los puentes de conexión 5 que permanecen entre las celdas de material 4 y los pasos 6 así obtenidos son compactados por compresión y así se reduce su sección transversal, de tal manera que los puentes compactados 5 no lleguen a ambos lados superior e inferior de las celdas de material 4, como se puede ver, por ejemplo, en las figuras 5 y 6. Los puentes 5 pueden ser compactados con o sin ser calentados. La reducción de la sección transversal de los puentes 5 por compresión representa un método que es simple y por lo tanto barato de realizar mecánicamente y que proporciona zonas de contacto para la junta a la capa de cobertura respectiva del compuesto en la región de los pasos 6.

Antes de que los puentes 5 sean compactados o más preferiblemente después de que los puentes 5 hayan sido compactados, o, cuando sea aplicable, al mismo tiempo que los puentes 5 son compactados, las celdas de material 4 también pueden ser compactadas por medios de compresión en un rango de profundidad casi superficial en cada uno de los lados superior e inferior, con el fin de redondear los bordes de las celdas de material 4 que todavía tienen bordes afilados después del proceso de separación. En las figuras 1 a 3, los bordes ya redondeados llevan el signo de referencia 7. Las celdas de material 4 también se pueden calentar al menos en su rango de profundidad casi superficial para soportar la compactación de este material, o también pueden ser compactadas a temperatura ambiente, por medio de presión solamente. Por una parte, el redondeo de los bordes 7 evita los efectos de entalladura y, por la otra, aumenta ventajosamente la zona de contacto disponible para la junta a la capa de cobertura del compuesto situado en el lado superior o inferior respectivo de la estructura de refuerzo 3.

Las figuras 4 y 5 muestran respectivamente una cuchilla de corte 10 y una hoja de sierra 12 en vista lateral. Para incorporar los pasos 6, se coloca una pluralidad de cuchillas de corte 10 en una herramienta de corte y se coloca una pluralidad igual de hojas de sierra 12 en una herramienta de aserrado. La herramienta de corte puede estar formada, por ejemplo, por una viga de corte en la que se dispongan las cuchillas de corte 10, sobresaliendo de la viga de corte hacia el material base a procesar. La herramienta de aserrado puede incluir igualmente dicha viga de aserrado para las hojas de sierra 12 que se colocan en la viga de aserrado, sobresaliendo hacia el material base. Las cuchillas de corte 10 y las hojas de sierra 12 se colocan en la herramienta respectiva en grupos de tres, constando cada uno de tres cuchillas de corte 10 u hojas de sierra 12 que apuntan en forma de Y una con respecto a otra, como se representa en las vistas desde abajo en las figuras 4a y 5a. La herramienta respectiva se puede mover hacia atrás y hacia delante en una dirección de empuje que se indica en la cuchilla de corte 10 y la hoja de sierra 12 con una flecha direccional, de tal manera que, en el respectivo movimiento de carrera, las cuchillas de corte 10 de la herramienta de corte o las hojas de sierra 12 de la herramienta de aserrado sean empujadas hacia y a través del material base en la dirección de empuje. Cada cuchilla de corte 10 incluye una punta que sobresale en la dirección de empuje y, inclinado de ésta con respecto a la dirección de empuje -en la realización ejemplar, inclinado en un ángulo de inclinación constante-un borde cortante 11 comparable a una guillotina, de tal manera que las cuchillas de corte 10 penetren en el material base con su punta primero y luego sigan cortando a lo largo del respectivo borde cortante 11, con el fin de obtener un corte uniforme.

El proceso de aserrado se realiza después del corte o la perforación opcional, donde las hojas de sierra 12 están

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colocadas exactamente enfrente de los cortes o agujeros incorporados y luego se mueven en la dirección de empuje representando con relación al material inicial provisto de los cortes. Las hojas de sierra 12 son movidas hacia delante a lo largo de los cortes o agujeros. Incluyen igualmente una punta en sus extremos sobresalientes en la dirección de empuje, comparable a las cuchillas de corte 10, desde la que una fila de dientes de sierra 13 inclinados con respecto a la dirección de empuje se ahúsa en contra de la dirección de empuje, comparable al borde cortante

11. Como una primera aproximación, el efecto de las hojas de sierra 12 es comparable a una sierra de vaivén o sabre; sin embargo, debido a la fila inclinada de dientes de sierra 13, una fuerza que actúa en la dirección de empuje es suficiente para ensanchar el corte o agujero previamente producido por un proceso de aserrado que continúa desde la respectiva punta de la hoja de sierra hacia un puente de conexión adyacente respectivamente más próximo 5 o se aleja de un puente de conexión adyacente respectivamente más próximo 5. Durante el aserrado, el paso 6 se ensancha según el grosor de las hojas de sierra 12, en particular el grosor de las filas de dientes de sierra 13.

Las cuchillas de corte 10 exhiben una anchura de, preferiblemente, al menos 600 µm y preferiblemente a lo sumo 1600 µm. Las hojas de sierra 12 exhiben preferiblemente una anchura mayor de preferiblemente al menos 700 µm y preferiblemente a lo sumo 5 mm.

La figura 6 ilustra una prensa de puentes 14 que usa uno de los puentes 5 que pueden ser comprimidos y por ello compactados después de haber formado los pasos 6 mediante al menos uno de corte y aserrado, de tal manera que la sección transversal del puente 5 en cuestión se reduzca permanentemente. En un lado inferior 15, mediante el que presiona contra el puente 5 durante la compresión, la prensa de puentes 14 incluye un rebaje 16. El rebaje 16 es semicilíndrico -en la realización ejemplar, semicircular cilíndrico-y se extiende sobre todo el lado inferior 15. El puente compactado 5 descansa en el rebaje 16 en el extremo de la carrera de compactación. Cada puente 5 es comprimido por medio de dos prensas de puentes 14, de las que una mira y está enfrente del lado superior de la estructura de refuerzo 3 y de las que la otra mira y está enfrente del lado inferior de la estructura de refuerzo 3. Las prensas de puentes 14 son movidas una hacia otra en pares –según sea aplicable, una de las prensas de puentes 14 puede permanecer en reposo mientras que solamente se mueve la otra-hasta que el puente 5 en cuestión haya sido compactado a la forma final deseada. La dirección de movimiento de la prensa de puentes 14 se indica con una flecha direccional. En una realización preferida, las prensas de puentes 14 sobresalen de una herramienta de formación en un número y disposición que corresponde al número y a la disposición de los puentes 5 a compactar. Se dispone otra herramienta de formación mirando al otro lado de la preestructura de refuerzo producida por corte y aserrado. Cada prensa de puentes 14 exhibe un grosor que corresponde al menos sustancialmente a la longitud de los puentes 5.

La figura 7 representa una prensa superior 17 por medio de la que una de las celdas de material 4 es compactada en su lado superior o lado inferior por compresión, donde la celda de material 4 es compactada primariamente a lo largo de los bordes 7 obtenidos por el proceso de separación, preferiblemente aserrado, donde el borde 7 en cuestión es redondeado primariamente. La prensa superior 17 incluye un espacio hueco 18 en su lado inferior mirando a la estructura de refuerzo 3. El espacio hueco 18 tiene forma de canal. Durante la compresión, aloja el lado superior o inferior de una de las celdas de material 4. En su borde circunferencial, el espacio hueco 18 se ahúsa en una curva, cuya forma corresponde a la curva deseada para los bordes 7 de las celdas de material 4. Se ha colocado una herramienta de formación mirando a cada uno del lado superior y el lado inferior de la estructura de refuerzo 3 y está provista de un número de prensas superiores 17 correspondiente al número y a la forma de las celdas de material 4. En este paso de formación, las celdas de material 4 son comprimidas entre las prensas superiores 17 de las dos herramientas y por ello son compactadas cerca de la superficie, al menos en la región de los bordes 7.

La estructura de refuerzo 3 se puede producir a partir de una placa inicial hecha del material base celular en un proceso discontinuo de la siguiente manera:

Como ya se ha indicado, las cuchillas de corte 10 o las agujas de perforación se colocan en la herramienta de corte

o una herramienta de perforación a lo largo de un soporte de la herramienta en grupos de tres cuchillas de corte 10

o agujas cada uno, donde las cuchillas de corte 10 de cada grupo de tres están dispuestas en forma de Y una con respecto a otra, consiguientemente las agujas están en un triángulo. Las hojas de sierra 12 están dispuestas correspondientemente a lo largo de un soporte de la herramienta de aserrado. Placas iniciales del material celular son transportadas sucesivamente y en pasos, debajo de la herramienta de corte y la herramienta de aserrado. En cada movimiento de carrera de la herramienta de corte, las cuchillas de corte 10 o las agujas producen un corte o agujero en la región de los pasos 6 a producir. Las regiones de corte o los agujeros se sierran entonces por medio de un movimiento de carrera de la herramienta de aserrado y las hojas de sierra 12 que sobresalen de ella.

Las placas obtenidas respectivamente después de estos procesos como preestructuras de refuerzo son transportadas a la herramienta de formación incluyendo las prensas de puentes 14, donde los puentes 5 son compactados. En el paso final, los bordes 7 de las celdas de material 4 son redondeados por medio de otra herramienta de formación que lleva una pluralidad de prensas superiores 17. En una variante, el orden de las dos operaciones de compactación se puede invertir. También es posible compactar los puentes 5 y redondear los bordes 7 de las celdas de material 4 en la misma posición, y cuando sea aplicable al mismo tiempo. En tales realizaciones,

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una herramienta de formación combinada incluye tanto prensas de puentes 14 como las prensas superiores 17, donde las prensas de puentes 14 pueden ser movidas en la dirección de compresión con relación a las prensas superiores 17. Los puentes 5 y las celdas de material 4 pueden ser compactados mientras están fríos, a temperatura ambiente. En otro desarrollo, las prensas de puentes 14 se templan a una temperatura ligeramente por debajo del punto de fusión del material base celular. En otro desarrollo, las prensas superiores 17 se templan a dicha temperatura. También es posible templar correspondientemente las prensas de puentes 14 y las prensas superiores

17.

La figura 8 representa una sección transversal de una estructura compuesta de una realización. La estructura compuesta es tubular. Incluye una capa de cobertura interior o primera 1 y una capa de cobertura exterior o segunda 2, constando cada una, por ejemplo, de un material plástico preferiblemente con elementos de refuerzo incrustados como fibras de vidrio o carbono. La estructura de refuerzo 3 está intercalada entre las capas de cobertura 1 y 2, es una capa de refuerzo incrustada 3. Sus pasos 6 se llenan de una junta 8, preferiblemente una resina endurecida. La junta 8 se conforma a la estructura de panal de las celdas de material 4 y llena los primeros pasos 6 y todo el espacio vacío entre las capas de cobertura 1 y 2 que deje la capa de refuerzo 3. La estructura compuesta tiene una sección transversal anular en toda o al menos la mayor parte de su longitud. Las capas 1, 2 y 3 son anulares al menos en la mayor parte de la longitud total de la estructura compuesta. Una línea longitudinal central C de la estructura compuesta puede estar curvada, con cocas, o ser simplemente recta dependiendo de la extensión de la estructura compuesta en la dirección longitudinal.

La figura 9 representa una porción axial de la estructura compuesta tubular de la realización en vista en perspectiva. La estructura compuesta se ha formado a modo de cilindro, al menos en la porción axial representada. La estructura compuesta tubular se puede formar en concreto a modo de cilindro en toda su longitud, en la realización ejemplar como un cilindro con una circunferencia interior circular y otra exterior circular que son concéntricas entre sí.

Ambas capas de cobertura 1 y 2 son considerablemente más finas que la capa de refuerzo 3. El diámetro exterior de la estructura compuesta es preferiblemente de menos de 50 cm en toda su longitud, y puede ser de menos de 30 cm, en toda la longitud de la estructura compuesta, mientras que la longitud axial puede ser superior a 1 m. El grosor de las capas 1, 2 y 3 al unísono es preferiblemente menos de la mitad del diámetro interior o un diámetro interior máximo de la estructura compuesta medido en la sección transversal respectiva. Las capas 1, 2 y 3 pueden tener cualquier forma de aro en lugar de ser circulares, por ejemplo, se pueden conformar para formar un aro elíptico o por lo demás oval o poligonal. Sin embargo, las formas de aro circular u oval son preferibles, en particular si la estructura compuesta tubular sirve como un recipiente a presión o como un mástil o porción longitudinal de un mástil de un barco de vela o buque, para nombrar solamente aplicaciones preferidas de la estructura compuesta.

La figura 10 representa un cilindro de presión que incluye la estructura compuesta tubular de la realización. La estructura tubular, es decir, las capas intercaladas 1, 2 y 3 conjuntamente con la junta 8, constituye al menos la porción cilíndrica del cilindro de presión y también puede formar, en una pieza, un cuello del cilindro. Una parte inferior del cilindro también se puede formar conjuntamente con la porción cilíndrica, en el mismo proceso de conformación de las capas 1, 2 y 3 y en particular en el mismo proceso de endurecimiento al endurecer la junta 8 que llena cualquier espacio vacío entre la primera capa 1 y la segunda capa 2 que deje la capa de refuerzo 3.

En un método de fabricación, la primera capa 1 se puede facilitar como una estructura tubular preformada o al menos en forma de tubo, por ejemplo un tubo cilíndrico, por ejemplo, de plástico conteniendo elementos de refuerzo incrustados como fibras. Se enrolla una placa de estructura de refuerzo flexible 3 alrededor de la superficie exterior de la primera capa 1 para formar la capa de refuerzo intermedia 3. A continuación, la capa exterior 2 se enrolla alrededor de la superficie exterior de la capa de refuerzo 3. Alternativamente, las capas 2 y 3 se pueden prefijar una a la otra y enrollar alrededor de la capa interior 1 como un paquete. La capa interior preformada 1 sirve como un mandril alrededor del que enrollar las otras capas 3 y 2. El paquete en capas se puede colocar entonces o estar ya colocado en una herramienta para llenar cualquier espacio vacío entre las capas de cobertura 1 y 2 con la junta 8. Para llenar el paquete en capas 1-3 se puede rarificar. La junta 8 se endurece por autocurado o tratamiento térmico dependiendo de la naturaleza de la junta 8. La herramienta puede ejercer una presión uniforme sobre toda la superficie circunferencial exterior de la estructura compuesta hasta que la junta 8 endurezca.

En lugar de llenar el paquete de capas 1-3 con la junta 8, la junta 8 se puede facilitar, en todas las realizaciones, como parte de una o varias capas 1, 2 y 3. La primera capa 1 o la segunda capa 2 se puede facilitar como un prepreg, es decir, una tela impregnada de resina. En su lugar o adicionalmente, la estructura de refuerzo 3 que es la capa de refuerzo intermedia 3 de la estructura compuesta tubular puede contener la junta 8 o parte de la junta 8 necesaria para llenar el espacio vacío entre las capas de cobertura 1 y 2 en las cavidades entre las celdas de material 4. La superficie de las celdas de material 4 también se puede cubrir opcionalmente con una capa fina de la junta 8.

Signos de referencia

1: primera capa

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2: segunda capa

3: capa de refuerzo

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4: celda de material

5: puente

10

6: paso 7: borde

8: junta

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10: cuchilla de corte

11: borde cortante

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12: sierra 13: fila de dientes de sierra

14: prensa de puentes

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15: lado inferior de prensa de puentes

16: rebaje en prensa de puentes

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17: prensa superior 18: espacio hueco

19: borde circunferencial

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Claims (1)

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