ES2573671T3 - Núcleos de material compuesto reforzados con fibras - Google Patents

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Stephen W. Day
Daniel M. Hutcheson
G. Scott Campbell
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Milliken and Co
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Milliken and Co
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Abstract

Un núcleo reforzado con fibra adaptado para la impregnación con una resina endurecible y que tiene superficies de núcleo opuestas adaptadas para ser unidas a revestimientos correspondientes, comprendiendo dicho núcleo una pluralidad de tiras alargadas (170, 220, 251) de material de células cerradas de baja densidad, una primera capa (176, 255) de mechas porosas y fibrosas arrolladas helicoidalmente que circundan cada una de dichas tiras y dichas mechas circundantes están conectadas juntas para formar dicho núcleo, caracterizado por que dichas tiras alargadas están unidas conjuntamente con un velo adhesivo (241).

Description

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de arco. Si se desea, los revestimientos 120 pueden ser de espesor notablemente reducido, y la función estructural de la cuerda atirantada puede ser proporcionada por haces de mechas insertados en ranuras en las placas de espuma adyacentes a los revestimientos, como se describe con más detalle a continuación en relación con la figura
10.
La estructura de refuerzo del núcleo de paneles emparedados en los que la anchura del panel es mayor que la profundidad puede adoptar la forma de una pluralidad de estructuras paralelas del tipo de verdaderas cerchas, en las que los miembros de refuerzo del tipo de puntales se extienden en ángulos opuestos en una configuración triangulada entre miembros de cuerda superior e inferior, a los cuales están ancladas partes extremas de los puntales. Esta disposición proporciona sujeción superior de las partes extremas de los puntales. También se utilizan, como miembros de cuerda de cercha, materiales de refuerzo fibrosos, por ejemplo fibra de carbono o fibra de vidrio, en su forma de mechas de coste relativamente bajo para sustituir una parte esencial de los refuerzos de revestimientos de tejido más caros. Como se muestra en la figura 10, el panel emparedado 140 comprende un núcleo reforzado 141 de espuma de celdas cerradas y revestimientos de refuerzo fibrosos opuestos 142. El núcleo reforzado 141 está provisto de una pluralidad de filas paralelas de cerchas 143 que se extienden entre los revestimientos 142. Cada cercha 143 comprende una pluralidad de haces de mechas de refuerzo fibrosas 144, tal como fibra de vidrio o fibra de carbono, que están situadas en ranuras formadas en el núcleo 141 de espuma y que sirven como miembros de cuerda superior e inferior para cada cercha 143. Las barras o puntales de refuerzo fibrosos 145 penetran en los miembros de cuerda y están anclados en miembros de cuerda 143, y se extienden entre los revestimientos 142 del panel según ángulos agudos opuestos, que penetran y se superponen preferiblemente a una o más capas de revestimientos 142. Una resina curada impregna la totalidad de los materiales de refuerzo, según se ha descrito anteriormente. La estructura de cercha, que comprende puntales 145 y miembros de cuerda 143, se puede incorporar también en núcleos que tengan bandas de refuerzo que se extiendan entre o paralelamente a los revestimientos de panel, como se muestra por ejemplo en las figuras 1 y 7.
Haciendo referencia a la figura 11, el uso de mechas fibrosas relativamente económicas en lugar de tejidos de refuerzo fibrosas tejidos o tricotados puede ser extendido para formar la totalidad de la estructura de revestimiento del panel. Un panel emparedado 150 comprende un núcleo reforzado 151 de espuma de celdas cerradas y revestimientos fibrosos opuestos 152. El núcleo 151 comprende una placa 153 de espuma y miembros o puntales de refuerzo fibrosos 154 que se extienden entre los revestimientos. Cada uno de los revestimientos 152 comprende una primera capa de mechas de refuerzo paralelas 155 adyacentes al núcleo 153 de espuma y que cubren esencialmente las caras de la espuma. Una segunda capa de mechas de refuerzo paralelas 156 se superpone y cruza la primera capa 155 de mechas y cubre esencialmente la superficie de la primera capa 155. Si se desea, una capa de esterilla o velo fibroso 157 puede superponerse a la segunda capa 156 de mechas.
En la producción del panel 150, los extremos de las mechas que comprenden la primera capa 155 de revestimiento están asegurados en una línea a través del borde delantero de la placa 153 de espuma. La placa avanza a través del aparato de coser tal como se muestra en la figura 15, y el movimiento de avance de la placa tira de las mechas para formar la capa de revestimiento 155 desde filetas de suministro para cubrir las caras opuestas de la placa. Antes de la inserción de puntales 154 por medio del aparato de coser, se aplican una pluralidad de mechas de revestimiento paralelas 156 a través de la primera capa de mechas 155 mediante un mecanismo de movimiento alternativo que tiene guías que mantienen la separación y tensión deseadas de las mechas 156. La segunda capa 156 de revestimiento es a continuación cubierta por un velo fibroso 157 extraído de un rollo de suministro. Los puntales 154 de refuerzo del núcleo son cosidos a través del velo 157, de las capas de mechas 156 y 155 del revestimiento y de la placa 153 de espuma para producir el panel emparedado 150.
Si se requiere por consideraciones estructurales, se pueden aplicar capas adicionales a las caras del panel según varios ángulos antes del cosido. Alternativamente, fibras de mechas orientadas o no orientadas pueden ser troceadas en longitudes deseadas y aplicadas a las caras del núcleo en lugar de mechas continuas. La superposición de segmentos 158 de las mechas cosidas 154 de puntales mantienen todas las mechas 155 y 156 del revestimiento en posición hasta que se sitúa el panel 150 en un molde en el que se hace fluir una resina curable o endurecible a través de todos los refuerzos fibrosos para producir el panel estructural. Este método de formación de revestimientos de panel directamente a partir de mechas se puede incorporar a cualquiera de las realizaciones mostradas en las figuras 1-10.
En una realización preferida, se consiguen ahorros sustanciales de coste produciendo los miembros de refuerzo del núcleo del tipo de bandas directamente a partir de mechas fibrosas, en lugar de utilizar como bandas telas tejidas o cosidas, que son significativamente más caras que las mechas. En este método, las mechas son arrolladas circunferencialmente alrededor de una tira de espuma continua para crear una estructura de refuerzo de tubo estructural alrededor de la tira. Unos medios particularmente favorables al coste de formar la estructura arrollada son mediante arrollamiento espiral o helicoidal. La tira arrollada se corta a la longitud deseada y se alimenta a una máquina de coser mechas de la manera descrita en relación con la figura 15.
Haciendo referencia a la figura 12, tiras 170 de espuma de plástico de longitud conveniente son alimentadas extremo con extremo a través de un aparato de arrollamiento helicoidal 171, ilustrado esquemáticamente. El arrollamiento helicoidal de refuerzos del núcleo ofrece mayores ventajas económicas en comparación con los procedimientos existentes. Las fibras en forma de mechas cuestan aproximadamente del 50 a 60 por ciento de las
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incorporadas en tejidos de doble bies a 45 grados, y las tasas de producción de la máquina de arrollamiento son de cinco a diez veces las de las máquinas de trenzado. Si se desea, la tira de espuma puede ser provista de una o más ranuras 39 como se describe en relación con la figura 1, para facilitar el flujo de resina en una operación de moldeo subsiguiente. La tira de espuma 170 tiene un espesor igual al espesor del núcleo del panel emparedado que se ha de producir a partir de la tira y una anchura igual a la separación deseada de las bandas de refuerzo dentro del núcleo.
A medida que a tira 170 avanza a través del aparato de arrollamiento 171, pasa a través de los ejes de una rueda 172 de bobinas rotativa en un sentido y una rueda 173 de bobinas rotativa en sentido opuesto. Cada rueda está cargada con cierto número de bobinas 174 en las que están arrolladas mechas de refuerzo fibrosas 175. La rueda 172 de bobinas rotativa arrolla una capa 176 de mechas sobre la tira de espuma según un ángulo único que está determinado por la velocidad de avance de la tira 170 a través del aparato 171 y por la velocidad de rotación de la rueda 172 de bobinas. La tira arrollada de manera única avanza a continuación a través de la rueda 173 de bobinas en rotación de sentido contrario, la cual arrolla una segunda capa 177 de mechas sobre la capa de mechas arrolladas 176.
El aparato de arrollamiento 171 puede ser graduado para tratar eficazmente una amplia gama de tamaños, por ejemplo de 6,35 mm a 30 cm (u cuarto de pulgada a un pie) o más de espesor. Las mechas pueden ser de diferentes espesores y pueden estar estrechamente espaciadas, de manera que cubran la superficie de la tira de espuma, o más ampliamente espaciadas, dependiendo de los requisitos estructurales de la tira arrollada acabada y del panel de material compuesto en el cual se ha de incorporar. Las mechas aplicadas a las superficies de la tira de espuma pueden tener un peso en total tan pequeño como 31,83 gramos o menos por metro cuadrado (0,1 onzas por pie cuadrado) y tanto como 1578,3 gramos o más por metro cuadrado (5,0 onzas por pie cuadrado). Las mechas mostradas en las figuras 12-14 son más gruesas que lo normal, para que se puedan entender los detalles de construcción. Las mechas pueden ser arrolladas según ángulos de +45 grados y -45 grados para resistencia máxima a los esfuerzos de cizallamiento en aplicaciones en las que la tira es sometida a cargas de flexión, o las mechas pueden ser aplicadas según otros ángulos dictados por los requisitos estructurales de productos finales concretos en los cuales serán incorporadas.
La tira continua 170 de espuma con capas arrolladas superpuestas 176 y 177, se corta a su longitud por medio de un aparato de corte desplazable, tal como una sierra circular (no mostrada) para formar las tiras arrolladas acabadas
178. Puesto que las tiras arrolladas 178 de espuma se usan como los elementos de espuma y de banda de un panel emparedado híbrido, tal como el mostrado en la figura 14, su longitud es igual a la anchura deseada del panel emparedado de núcleo. Antes de ser cortadas, las mechas arrolladas 174 son aseguradas contra desenredamiento, por ejemplo al ser envueltas en cualquier lado del corte con hilo 179 impregnado con adhesivo fundido en caliente, o aplicando cinta adhesiva alrededor del lugar del corte, o aplicando adhesivo a las mechas. Si se desea, las tiras 170 de espuma pueden ser arrolladas con una película de barrera aplicada antes de las capas de mecha para proteger la espuma de la humedad, ataque por resina o similares.
Las tiras acabadas 178 se hacen avanzar hacia el extremo de alimentación del aparato 200 de formación de núcleos ilustrado en la figura 15 y son insertadas en el aparato como se ha descrito en relación con la figura 15, o son hechas avanzar hacia un aparato (no mostrado) para unir la tiras conjuntamente con un velo adhesivo 241, como se muestra en la figura 18. El coste del trabajo por unidad de superficie del núcleo producido es muy bajo. En una variante del procedimiento de arrollamiento descrito en relación con la figura 12 se aplica a la superficie de la tira 170 de espuma una capa 180 de mechas fibrosas longitudinales, en una dirección paralela al eje longitudinal de la tira y antes de que las mechas 174 sean arrolladas alrededor de la tira de manera que la capa 180 sea mantenida en posición por las mechas arrolladas 174. Las mechas de la capa longitudinal 180 son suministradas desde paquetes 181 de mechas estacionarios y son impulsadas a través del aparato de arrollamiento 171 por el movimiento de avance de la tira 170 de espuma que avanza. Las mechas longitudinales pueden ser aplicadas a dos caras opuestas de la tira, como se muestra en la figura 12, para servir como elementos de revestimiento de panel emparedado, como se describirá en relación con la figura 14. Alternativamente, las mechas longitudinales pueden ser aplicadas a todas las caras de la tira de espuma con el fin de proporcionar las propiedades de compresión y pandeo requeridas para columnas estructurales.
La figura 13 proporciona una vista detallada de una tira arrollada 178 de espuma, que muestra la disposición en capas y la orientación de los cuatro conjuntos de mechas porosas y fibrosas aplicadas durante el proceso de arrollamiento ilustrado en la figura 12. En la figura 13, todas las mechas son mostradas con sección transversal plana y están estrechamente separadas para cubrir la superficie de la tira 170 de espuma de plástico de celdas cerradas. Las capas 180 de mechas longitudinales cubren las caras superior e inferior de la tira 170 de espuma. La primera capa 176 de mecha arrollada, mostrada con un ángulo de +45 grados, cubre las capas longitudinales 180 de mechas y las caras laterales de la tira 170 de espuma. La segunda capa 177 de mechas arrolladas, en un ángulo de -45 grados, cubre la primera capa arrollada 176. Cuando son impregnadas a continuación con una resina termoendurecible curable o resina termoplástica endurecible, producen un elemento estructural que tiene las propiedades generales de una viga de sección transversal tubular, rectangular.
La figura 14 ilustra un panel emparedado de núcleo de espuma reforzado de la construcción híbrida de banda y puntal que se intersecan, descrita anteriormente en relación con la figura 1, pero en el que las tiras 178 de mechas
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presente invención, pueden ser sustituidas por estos bloques envueltos para proporcionar propiedades estructurales comparables con ahorros notables sobre el coste de tejidos y de trabajo de fabricación.
Como se describe en la Patente No. 5.904.972, puede ser deseable extender las partes de borde del tejido de refuerzo más allá de los extremos de los bloques de espuma, de manera que aquellas puedan ser dobladas para formar una pestaña o brida para la unión estructural mejorada a los revestimientos de panel emparedado. Una extensión similar de las capas longitudinales 180, 176 y 177 de mechas de la figura 13 se puede conseguir alternando bloques de espuma sacrificables (no mostrados) extremo con extremo con tiras 170 de espuma de núcleo, arrollando la espuma como se ha escrito anteriormente, cortando las tiras envueltas a través de la parte media de los bloque de espuma sacrificables y eliminando los bloques sacrificables. Las tiras 170 de espuma pueden ser provistas también de micro-ranuras superficiales antes de la inserción en el aparato de arrollamiento
171. Otros materiales de núcleo apropiados pueden sustituir a la espuma de plástico utilizada para las tiras o bloques arrollados, por ejemplo madera de balsa o botellas de plástico huecas, obturadas, de forma geométrica similar.
Puesto que las propiedades estructurales de los núcleos del panel emparedado mostrado en las figuras 1-19 son usualmente proporcionadas principalmente por la estructura fibrosa de refuerzo del núcleo, la espuma de plástico de celdas cerradas que comprenden los núcleos puede ser seleccionada sobre la base de otras propiedades deseadas del panel, tales como resistencia al agua o al fuego, aislamiento térmico o transmisión de luz. Por ejemplo, se pueden impregnar espuma de polietileno traslúcida y materiales de refuerzo de fibra de vidrio con resina traslúcida para producir un panel de transmisión de luz y de soporte de carga para usar como techo de remolques de carretera
o techos de edificios. Está también dentro del alcance de la realización sustituir la espuma de plástico por otros materiales celulares, tales como espuma de carbón o madera de balsa.
Las figuras 1-8, 10, 11 y 14 ilustran núcleos reforzados con fibras y paneles emparedados que son producidos en parte insertando, o cosiendo, elementos de refuerzo porosos y fibrosos tales como mechas de fibra de vidrio a través del espesor de materiales de núcleo de espuma plástica. Esto se puede conseguir por medio del aparato 200 ilustrado en la figura 15. Una pluralidad de tiras 201 de espuma se insertan adyacentes entre sí en un aparato de coser 200. Las tiras 201 pueden ser de sección transversal rectangular u otra y pueden estar provistas de bandas unidas porosas y fibrosas de tejido de refuerzo o de mechas de refuerzo arrolladas, porosas y fibrosas, como se ha descrito anteriormente. Se ha de entender que, si se desea, placas de espuma con una longitud esencialmente mayor que la anchura de las tiras 201 pueden comprender el material de espuma de plástico.
Las tiras 201 se hacen avanzar en general en pasos iguales, por ejemplo mediante una barra de presión (no mostrada) de movimiento en vaivén o cintas sin fin movibles 202, hacia cabezas de coser 203 y 204, a las cuales están firmemente unidas una pluralidad de agujas tubulares 205, cánulas o ganchos compuestos, adaptados a perforar y para la inserción de mechas fibrosas. Las cabezas de coser 203 y 204 están inclinadas según ángulos opuestos con respecto a la superficie de las tiras 201. Cuando los tiras 201 detienen el avance al final del paso hacia adelante, las cabezas de coser 203 y 204 de movimiento en vaivén insertan las agujas 205 dentro y a través de las tiras 201. Las agujas se sitúan exactamente en sus puntos de entrada en las tiras 201 por medio de guías 207 de agujas. Las mechas porosas y fibrosas 208, que han sido suministradas desde paquetes de mechas arrolladas (no mostrados), son insertadas por medio de las agujas 205 a través de las tiras 201 y emergen en la superficie opuesta a sus puntos de entrada en la forma general de los bucles 115 como se muestra en la figura 8.
Haciendo referencia de nuevo a la figura 15, los bucles 115 son agarrados por el aparato (no mostrado) que retiene los bucles formados más allá de la superficie de las tiras desde las cuales han emergido y, si se desea, los acopla con otros bucles para formar un punto de cadeneta como se muestra en la figura 14 o con mechas suministradas separadamente para formar un punto de bucles. Entonces se retraen las cabezas de coser 203 y 204, que hacen avanzar hacia las agujas 205 una longitud predeterminada de mechas 208 suficiente para formar la siguiente puntada. Después de la retracción, la fila de tiras 201 avanza un paso o distancia predeterminada y se detiene, y las cabezas de coser 203 y 204 se mueven en vaivén para insertar el siguiente par de puntales opuestos. El conjunto unificado de tiras 201 retenido conjuntamente por mechas cosidas 208 que intersecan las tiras es cortado por una sierra u otros medios adecuados en núcleos 209 de longitud deseada.
El aparato de coser 200 puede ser usado para producir paneles 209 que tienen revestimientos porosos y fibrosos previamente unidos, como se muestra en la figura 1. Haciendo referencia de nuevo a la figura 15, el tejido 210 de refuerzo del revestimiento se aplica desde rollos y se hace avanzar adyacente a las caras opuestas del panel 206 hacia las cabezas de coser 203 y 204. A medida que las mechas son cosidas a través de las tiras 201 que forman el panel 206, las mechas se superponen al tejido 210 de revestimiento y unen mecánicamente el tejido 210 al panel
206.
El aparato 200 mostrado en la figura 15 puede ser utilizado también para producir paneles emparedados en los cuales todos los componentes de refuerzo estructurales, tanto del núcleo como de los revestimientos, comprenden mechas fibrosas de bajo coste, como se muestra en la figura 14. Una capa de mechas longitudinales 194 de revestimiento (figura 14) es aplicada a la superficie del panel 206 durante su producción en el aparato de coser 200 mostrado en la figura 15. Una pluralidad de mechas porosas y fibrosas 211 suficiente para cubrir las caras del panel son impulsadas por el panel 206 en avance desde los paquetes de suministro de mechas (no mostrados) y avanzan
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En otra realización preferida, se consigue resistencia bidireccional del panel disponiendo tiras 177 de espuma arrolladas con miembros de refuerzo transversales internos, en lugar de insertar mechas estructurales 193 a través de las tiras 177. Haciendo referencia a la figura 16, la tira 220 de espuma reforzada comprende una pluralidad de bloques o piezas 221 de plástico en espuma separadas por láminas 222 de material de refuerzo fibroso a modo de banda, tal como tejido o esterilla de fibras de vidrio o fibras de carbono. Piezas de espuma 221 y bandas de refuerzo 222 se conectan entre sí adhesivamente para facilitar el tratamiento y la manipulación, mientras se mantiene esencialmente la porosidad del material de banda, como se describe en la Patente U.S. 5.834.082. La tira reforzada 220 puede estar provista de una ranura 223 para el flujo de resina. Se ha de entender que las piezas de espuma 221 pueden ser sustituidas por otros materiales, por ejemplo madera de balsa o cubos de plásticos moldeados por soplado, sin comprometer la forma o la integridad estructural del núcleo.
Haciendo referencia a la figura 17, la tira reforzada 230 está provista de capas 176 y 177 de mechas fibrosas, como se muestra en las figuras 12 y 13, para formar la tira reforzada arrollada 233. Si es necesario para aumentar la resistencia a la flexión o axial, puede estar prevista también la capa 180 de mechas mostrada en la figura 13. Haciendo referencia a la figura 18, el núcleo reforzado 240 está compuesto de una pluralidad de tiras reforzadas arrolladas 233 mantenidas juntas como una estructura unitaria por velos 241 adheridos con aglutinante activado por calor a las caras opuestas del núcleo 240. Si se desea, para conseguir mayor flexibilidad a la flexión, el velo 241 puede ser aplicado sólo a una superficie del núcleo. Otros medios de utilización de la estructura de núcleo incluyen adherir bandas paralelas de hilo o cañamazo fundido en caliente a través de las tiras arrolladas o aplicando adhesivo sensible a la presión a las caras de las tiras que están en contacto unas con otras. En lugar de velos 241, se puede adherir tejido o esterilla estructural a la superficie del núcleo para formar una preforma de panel emparedado preparada para la impregnación. Cuando se sitúan uno o más núcleos 240 en un molde entre refuerzos de revestimiento de tejido y se hace fluir resina a través de la estructura de núcleo y revestimiento y se cura para formar un panel de material compuesto estructural, bandas 222 de tejido y bandas 242 de mechas compuestas de cuatro capas 176 y 177 de mechas arrolladas forman una estructura de refuerzo similar a una parrilla, y las partes de capas arrolladas 176 y 177 adyacentes a los revestimientos del panel proporcionan unión adhesiva excepcional para resistir las fuerzas de cizallamiento. La construcción articulada del núcleo 240 permite también un alto grado de adaptabilidad a superficies de molde curvadas.
La figura 19 ilustra una realización de un núcleo 250 de fibras arrolladas en el que se consiguen resistencia bidireccional y rigidez sin la adición de bandas internas o de puntales de mechas. El núcleo 250 reforzado con fibras comprende una pluralidad de tiras triangulares 251 de espuma que han sido provistas de capas 252 y 253 de mechas fibrosas arrolladas helicoidalmente para formar tiras 254 envueltas de manera arrollada. Las tiras triangulares arrolladas 254 son mantenidas juntas como una estructura de núcleo unitaria por velos 255 adheridos con un aglutinante activado por calor a la capa exterior 253 de mechas arrolladas de tiras arrolladas 254. Los ángulos con los cuales son cortadas las tiras triangulares 251 pueden ser seleccionados para el equilibrio deseado de resistencia al cizallamiento y a la compresión.
Está dentro del alcance de la presente invención utilizar cualquiera de dos tipos generales de resina endurecible para infiltrar o impregnar los refuerzos porosos y fibrosos de los núcleos y revestimientos. Resinas termoendurecibles tales como poliéster, éster de vinilo, epoxídicas y fenólicas, son resinas líquidas que se endurecen mediante un proceso de curado químico, o reticulación, que tiene lugar durante el proceso de moldeo. Resinas termoplásticas, tales como polietileno, polipropileno, PET y PEEK, que han sido previamente reticuladas, son licuadas mediante la aplicación de calor antes de la impregnación en los refuerzos y se vuelven a endurecer a media que se enfrían dentro del panel.
Como una alternativa a la impregnación de materiales de refuerzo porosos de la estructura de panel ensamblada con resina líquida, los materiales de refuerzo pueden comprender tejidos y mechas que han sido previamente impregnados con resinas termoendurecibles parcialmente curadas que son a continuación curadas por la aplicación de calor. Análogamente, los materiales de refuerzo de mechas y tejidos pueden ser previamente impregnados con resinas termoplásticas o mezclados con fibras termoplásticas que son a continuación fundidos conjuntamente por medio de la aplicación de calor y presión.
Está además dentro del alcance de la invención unir a las caras de los núcleos de espuma reforzados materiales de chapa rígidos de revestimiento, tales como acero, aluminio, madera contrachapada o plástico reforzado con fibras de vidrio. Esto se puede conseguir impregnando los refuerzos del núcleo con resina curable o endurecible y aplicando presión a los revestimientos rígidos mientras cura la resina, o impregnando y curando la estructura de refuerzo del
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