ES2581542T3 - Procedimiento de fabricación de una pieza de material compuesto termoendurecible recubierta de una capa termoplástica - Google Patents

Procedimiento de fabricación de una pieza de material compuesto termoendurecible recubierta de una capa termoplástica Download PDF

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Abstract

Procedimiento de fabricación de una pieza (111) de material compuesto, dicho procedimiento que comprende las siguientes etapas: - una etapa de depósito de uno o varios pliegues (12, 13) estructurales impregnados con una resina (15) termoendurecible para formar una capa (125) estructural, - una etapa de depósito de una capa superficial apilada con los pliegues estructurales, estando formada dicha capa superficial por un conjunto (117) de una o varias fibras (18) de resina termoplástica, siendo dicho conjunto deformado según al menos dos direcciones, teniendo dicha resina termoplástica una temperatura de fusión próxima a una temperatura de polimerización de dicha resina termoendurecible, pudiendo producirse el depósito de la capa superficial antes o después del depósito de los pliegues estructurales - después, una etapa de polimerización de la capa estructural a la temperatura de polimerización, tomando entonces, la capa superficial la forma de una película (126) continua que recubre a la capa estructural.

Description

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DESCRIPCION
Procedimiento de fabricacion de una pieza de material compuesto termoendurecible recubierta de una capa termoplastica.
La invencion se refiere a un procedimiento de fabricacion de piezas de material compuesto.
El uso de materiales compuestos se ha generalizado en muchos campos tecnicos, tales como la automocion o la aeronautica. Este tipo de material es especialmente investigado el ahorro de peso que proporciona, unas propiedades mecanicas equivalentes, con respecto a materiales convencionales tales como los metales.
Los materiales compuestos se utilizan en particular para la fabricacion de piezas estructurales de aviones. Estos materiales comprenden fibras, organicas o inorganicas, que son sujetas por una matriz de resina organica.
La matriz de resina puede tener propiedades termoplasticas o incluso termoendurecibles.
Un material termoplastico se reblandece o se funde cuando se calienta por encima de una cierta temperatura, y se vuelve a endurecer por debajo de esa temperatura. Este fenomeno es reversible y generalmente no altera las propiedades mecanicas del material.
Por el contrario, la transformacion de un material termoendurecible implica polimerizacion irreversible y da lugar a un producto final solido, generalmente ngido.
La presente invencion se refiere al caso de materiales compuestos con una matriz termoendurecible. La invencion se refiere particularmente a piezas grandes y/ o de forma compleja, incluyendo formas que tienen curvaturas en dos direcciones. Tales piezas son comunes en el campo de la aeronautica (morro del avion, fuselaje, alas, cupula...).
A menudo es necesario integrar funciones a piezas de material compuesto, como una metalizacion superficial para la proteccion contra los rayos, o la soldadura de instalaciones de sistemas.
Una solucion conocida consiste en recubrir las piezas de material compuesto termoendurecible con un recubrimiento de resina termoplastica. El documento WO2007/109855 describe la fabricacion de tales piezas, permitiendo la capa termoplastica el montaje mediante termosoldado de varias piezas entre sf. Los elementos de instalacion de sistemas tambien pueden estar soldados a las piezas unidas al nivel del recubrimiento termoplastico.
Ademas, la solicitud de patente francesa n° 11 59078, a nombre de uno de los solicitantes, describe la mentalizacion superficial de una pieza de material compuesto termoendurecible recubierto con una capa termoplastica.
Como se describe en la solicitud de patente francesa n° 11 59999, a nombre de uno de los solicitantes, la capa termoplastica puede tener tambien una funcion de proteccion de la matriz termoendurecible contra la oxidacion a alta temperatura y/ o a los ataques qrnmicos y / o a la luz ultravioleta.
Se conocen varios procedimientos de fabricacion de dichas piezas de material compuesto termoendurecible recubierto con una capa termoplastica. Uno de estos procedimientos consiste en apilar pliegues estructurales impregnados en resina termoendurecible, asf como una pelfcula de resina termoplastica, antes de polimerizar por calor la resina termoendurecible. El punto de fusion de la resina termoplastica se selecciona de manera que la capa termoplastica se reblandece o funde a la temperatura de polimerizacion. La capa termoplastica se adhiere entonces a los pliegues estructurales.
Sin embargo, dicho procedimiento esta poco adaptado a las piezas de doble curvatura, es decir, que presentan curvaturas segun dos direcciones. De hecho, las pelfculas termoplasticas continuas son adaptadas a curvarse segun una sola direccion; son por tanto diffciles de drapearsobre las piezas de doble curvatura.
Una solucion a este problema, descrita en la solicitud de patente francesa n° 11 59078, consiste en pulverizar sobre los pliegues estructurales finas particular de resina termoplastica, antes de proceder a la polimerizacion por calor. La forma del recubrimiento termoplastico se adapta asf perfectamente a la forma de la pieza. Dicho procedimiento es sin embargo mas caro y mas restrictivo que el drapeado.
La presente invencion facilita la fabricacion de piezas de materiales compuestos termoendurecibles recubiertos con una capa termoplastica, que presentan una forma compleja del tipo de curvatura doble.
De hecho, la presente invencion se refiere a un procedimiento de fabricacion de una pieza de material compuesto, comprendiendo el procedimiento las etapas de:
- una etapa de deposito de uno o varios pliegues estructurales impregnados con una resina termoendurecible para formar una capa estructural,
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- una etapa de deposito de una capa superficial apilada con los pliegues estructurales, estando formada dicha capa superficial por un conjunto de una o varias fibras de resina termoplastica, siendo dicho conjunto deformable segun al menos dos direcciones, teniendo dicha resina termoplastica una temperature de fusion proxima a una temperature de polimerizacion de dicha resina termoendurecible, pudiendo producirse el deposito de la capa superficial antes y/ o despues del deposito de los pliegues estructurales,
- despues, una etapa de polimerizacion de la capa estructural a la temperatura de polimerizacion, tomando entonces, la capa superficial, la forma de una pelfcula continua que recubre a la capa estructural.
El hecho de utilizar una capa termoplastica deformable de doble curvatura facilita el drapeado en piezas de forma compleja. Ademas, tales materiales, del tipo de tejido de punto, esterilla o tela, estan facilmente disponibles en grandes tamanos.
Ademas, la realizacion de una pelfcula termoplastica requiere operaciones de reblandecimiento y de calandrado con control de espesor. La fabricacion de tejidos de punto, esterillas o telas de fibras termoplasticas es mas barata.
Segun una forma preferida de la invencion, el conjunto de una o mas de fibra de resina termoplastica es un tejido de punto, es decir, una estructura producida por el entrelazado de bucles formados por uno o mas hilos. Dicha estructura es particularmente deformable y adecuada para el drapeado de formas complejas.
Segun otra forma preferida de la invencion, el conjunto de una o mas fibras de resina termoplastica es una esterilla o fieltro, es decir, una hoja no tejida formada de fibras enredadas, agregadas entre ellas. Dicha estructura es tambien deformable segun al menos dos direcciones.
Segun otra forma preferida de la invencion, el conjunto de una o mas fibras de resina termoplastica es una tela. Mas preferiblemente, es una tela de tipo sarga o de tipo saten. Estas telas presentan una buena deformabilidad en doble curvatura.
De acuerdo con un aspecto particular de la invencion, el procedimiento comprende una etapa de vado del apilamiento de pliegues antes de la etapa de polimerizacion de la capa estructural, asegurando la capa superficial formada de un conjunto de fibras de resina termoplastica, una funcion de drenaje de aire durante dicho vado.
De hecho, es conocido proporcionar una primera etapa de vado de pliegues estructurales antes de la polimerizacion de la resina termoendurecible. Este paso tiene como objetivo evacuar el aire presente en y entre los pliegues, para evitar la formacion de porosidades en la pieza de material compuesto.
La pieza se calienta a continuacion, por ejemplo en una autoclave, hasta una temperatura de polimerizacion de la resina termoendurecible.
Durante la etapa de vado, es necesario drenar el aire presente en los pliegues, con el fin de asegurar una uniformidad de presion sobre toda la pieza de trabajo. Esta funcion de drenaje se proporciona generalmente mediante una esterilla o mediante una tela de drenaje, que cubre el apilamiento de los pliegues, que se retirara despues de la polimerizacion.
La capa de drenaje tambien puede asegurar la eliminacion de los residuos de disolvente contenidos en los pliegues, al comienzo de la elevacion de temperatura.
Un aspecto particular de la invencion, por lo tanto permite simplificar el dispositivo necesario para la polimerizacion de piezas de materiales compuestos termoendurecibles. De hecho, el conjunto de fibras termoplasticas esta adaptado para proporcionar una funcion de drenaje de aire durante la vado, antes de la polimerizacion por calor de la pieza. El dispositivo de polimerizacion se simplifica de este modo, porque la adicion de una capa de drenaje ya no es necesaria.
De acuerdo con un modo de realizacion de la invencion, una resina termoendurecible de la capa estructural se selecciona de entre una resina poliepoxida, una resina de bismaleimida o una resina fenolica. Estas resinas se utilizan de manera conocida para la fabricacion de piezas de materiales compuestos estructurales de aviones.
La resina termoplastica de la capa superficial es un material amorfo o semi-cristalino, seleccionado preferiblemente con una temperatura de reblandecimiento o de fusion dentro de un intervalo de +/- 30 °C con respecto a la temperatura de polimerizacion de la resina termoendurecible.
De acuerdo con un modo de realizacion de la invencion, la resina termoplastica de la capa superficial se selecciona con una temperatura de fusion relativamente baja, en particular entre 100 °C y 250 °C. Una resina preferida es, por ejemplo, PVDF (fluoruro de polivinilideno). Tambien se pueden utilizar PES (polietersulfonas), poliamidas y polieterimidas.
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El espesor de la capa superficial despues de la formacion de la pelfcula es funcion del gramaje del conjunto de fibras utilizadas. Los espesores son, por ejemplo entre 1 y 500 pm, preferiblemente entre 10 y 150 pm.
La invencion se entendera mejor a partir de la lectura de la siguiente descripcion y del examen de las figuras adjuntas. Estos son proporcionados a tftulo indicativo y de ninguna manera limitativo de la invencion. Las figuras muestran:
La figura 1: una vista en seccion esquematica de un dispositivo de fabricacion de una pieza de material compuesto de acuerdo con el estado de la tecnica;
La figura 2: una vista en seccion esquematica de un dispositivo de fabricacion de una pieza de material compuesto de acuerdo con modo de realizacion de la invencion;
La figura 3: una vista esquematica de la pieza de material compuesto de la figura 2 despues de la polimerizacion.
La figura 1 representa una vista en seccion esquematica de un dispositivo 10 de fabricacion de una pieza 11 de material compuesto, de acuerdo con el estado de la tecnica.
La pieza 11 se muestra en la figura 1 antes de la polimerizacion. En una primera etapa conocida de un procedimiento de fabricacion de la pieza 11 se apilan en un molde 16 los pliegues (12, 13) estructurales impregnados con resina 15 polfmera termoendurecible. Los pliegues (12, 13) estructurales apilados estan destinados a formar una capa estructural despues de la polimerizacion de la resina 15. Los pliegues (12, 13) comprenden tfpicamente fibras 14 impregnadas con resina.
El apilamiento de pliegues (12, 13) entonces se recubre con una pelfcula 17 formada de una resina 18 de polfmero termoplastico.
Con el fin de llevar a cabo la polimerizacion de la resina 15 termoendurecible, los elementos siguientes son entonces dispuestos sobre y alrededor del apilamiento de pliegues:
- una bordura 19 para evitar el flujo de la resina 15 en una direccion paralela a los pliegues (12, 13);
- una camara 20 de aire estanca dispuesta sobre el apilamiento de pliegues. La estanqueidad esta asegurada mediante un sellador 21 dispuesto entre la camara de aire 20 y el molde 16;
- un elemento 22 de drenaje, constituido por una esterilla o tejido de drenaje. El elemento 22 esta dispuesto entre la camara de aire 20 y la pieza 11.
El elemento 22 permite el drenaje del aire sobre toda la superficie de la pieza de trabajo durante un vado previo a la polimerizacion. Durante la siguiente etapa de polimerizacion, el elemento 22 permite un buen vado, lo que permite homogeneizar la aplicacion de una eventual presion externa sobre la pieza 11.
En menor medida, el elemento 22 permite una mejor evacuacion de los disolventes residuales de la resina 15 al comienzo de la subida de temperatura para la polimerizacion.
Es mejor evitar el contacto directo entre la pieza 11 y el miembro 22 de drenaje, de modo que no se adhiera a la resina despues de la polimerizacion. Por lo tanto, es posible proteger la pieza 11 mediante un elemento 23 de separacion, interpuesto entre dicho elemento 11 y el miembro 22 de drenaje.
El elemento 23 de separacion es por ejemplo una pelfcula de plastico impermeable a los lfquidos pero no a los gases, para permitir la evacuacion del aire. El elemento 23 tambien puede ser igualmente una hoja de alisado, destinada a dar una apariencia lisa a la pieza 11 despues de la polimerizacion. La hoja 23 puede comprender poros o perforaciones para permitir la evacuacion de los gases.
Normalmente, el proceso de polimerizacion de la pieza 11 comienza con una disminucion de la presion del aire entre el molde 16 y la camara de aire 20, por ejemplo por medio de una bomba de vado conectada a una tubena 24 del molde. Por lo tanto, la camara de aire se presiona sobre el conjunto formado por la pieza 11, la 19 bordura, el elemento 22 de drenaje y el elemento 23 eventual.
La disminucion de la presion de gas en la camara de aire permite que el aire residual se escape del apilamiento de pliegues (12, 13). Por otro lado, la camara de aire 20 comprime dicho apilamiento en su retraccion, lo que conduce a una pieza de material compuesto denso y carente de porosidades.
La presencia del elemento 22 de drenaje facilita la eliminacion del aire residual durante la retirada de la camara de aire 20. Sin el elemento 22, las estanqueidades locales de la camara de aire se pueden crear y atrapar el aire. Estos fenomenos de retencion locales son particularmente favorecidos por ciertas formas complejas de piezas de material compuesto y/ o de grandes dimensiones.
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Hay que senalar que la peKcula 17 de resina termoplastica es generalmente impermeable a los gases antes de llegar a una cierta temperatura. De este modo, tambien pueden obstaculizar el drenaje del aire.
De acuerdo con un procedimiento conocido de fabricacion de piezas de material compuesto, el dispositivo 10 al vado se coloca despues en una autoclave, para poder ser llevado a alta temperatura. Opcionalmente, una presion superior a la atmosferica se ejerce en el exterior de la camara de aire 20 para compactar mas la pieza 11.
La temperatura de la autoclave se elige de forma que se permite la polimerizacion de la resina 15 termoendurecible. Preferiblemente, esta temperatura tambien permite que la pelfcula 17 termoplastica se ablande o se funda, con el fin de adherirse a los pliegues (12, 13).
Despues de la polimerizacion de la resina 15 y del enfriamiento, se obtiene una pieza 11 monobloque y ngida.
La figura 2 muestra una vista en seccion esquematica de un dispositivo 110 de fabricacion de una pieza 111 de material compuesto, de acuerdo con un modo de realizacion de la invencion.
La pieza 111 se muestra en la figura 2 antes de la polimerizacion. Una primera etapa de fabricacion de la pieza 111 puede ser similar a la de la pieza 11 descrita anteriormente. Esta etapa consiste en apilar en un molde 16 los pliegues (12, 13) estructurales, impregnados con resina 15 polfmera termoendurecible y destinados a formar una capa estructural despues de la polimerizacion de la resina.
Las fibras 14 de los pliegues estructurales son, por ejemplo, fibras de carbono o de vidrio. La naturaleza y/ o la orientacion espacial de las fibras 14 pueden variar de acuerdo con el pliegue (12, 13) de manera conocida.
En cambio, la matriz 15 termoendurecible es preferiblemente identica para el conjunto de los pliegues (12, 13), con el fin de asegurar una buena cohesion a la pieza 111.
La matriz 15 termoendurecible se forma preferiblemente de una resina poliepoxida, comunmente llamada resina epoxi. En el contexto de la invencion, tambien se puede utilizar una resina de bismaleimida o una resina fenolica, o cualquier otro tipo de resina termoendurecible utilizada de manera conocida para la produccion de piezas de material compuesto en el campo de la aeronautica.
Una segunda etapa de fabricacion de la pieza 111 consiste en drapear sobre la pila de pliegues (12, 13) un material 117, que consta de un conjunto de una o mas fibras 118 de resina 18 termoplastica.
El material 117 se presenta particularmente en forma de un tejido de punto, esterilla o tela, deformable en al menos dos direcciones. De hecho, aunque el molde 16 y la pieza 111 mostradas en la figura 2 tienen una forma plana, es frecuente que la forma de estos elementos sea compleja, en particular de doble curvatura. La deformabilidad del material 117 hace que sea mas facil su drapeado sobre dicha forma, con respecto a la pelfcula 17 termoplastica de la figura 1.
Una union (no mostrada) entre dos bandas de material 117 se puede hacer mediante termosoldado local de la resina termoplastica, o ademas por costura o por medio de un hilo formado de la misma resina. Tambien es posible drapear dos bandas 117 por solapamiento, la soldadura tiene lugar durante la etapa de polimerizacion de la resina termoendurecible.
En comparacion con la pelfcula 17 termoplastica de la figura 1, el material 117 tambien tiene la ventaja de no ser estanco a los gases, debido a los espacios entre las fibras 118.
Con el fin de llevar a cabo la polimerizacion de la resina 15 termoendurecible, hay una bordura 19 alrededor de la pieza 11 y una camara de aire 20 sobre el conjunto asf formado. El sello entre la camara de aire y el molde 16 esta asegurado mediante un sellador 21.
De manera conocida, la camara de aire 20 puede ser reemplazada por un contramolde.
A diferencia del caso que se muestra en la figura 1, no se anade elemento de drenaje entre la pieza 111 y la camara de aire 20.
Una hoja 123 de alisado puede estar opcionalmente dispuesta entre la camara de aire 20 y el material 117.
La siguiente etapa del procedimiento de fabricacion de la pieza 111 es hacer el vado de la camara de aire 20, como se describio anteriormente para la pieza 11. En el caso de la pieza 111, el material 117 asegura la funcion de drenaje del aire que se escapa de los pliegues (12, 13), lo que permite liberarse de un elemento de drenaje adicional.
El dispositivo 110 se coloca entonces en una autoclave y se somete a un aumento de temperatura y, opcionalmente, de presion, como se describio anteriormente para el dispositivo 10 y la pieza 11.
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Mientras que la temperature de la autoclave esta suficientemente por debajo de la temperature de fusion de la resina 18 termoplastica, las fibras 118 mantienen su estructura y el material 117 conserva sus propiedades de drenaje. Los disolventes residuales, que se evaporan de la resina 15 al comienzo de la subida de la temperature, son debidamente drenados por el material 117.
La autoclave despues alcanza una temperatura maxima que permitira alcanzar una polimerizacion completa de la resina 15. Preferiblemente, esta temperatura maxima se encuentra cerca del punto de fusion o reblandecimiento de la resina 18 termoplastica. Por "proximo" se entiende que la diferencia entre estas temperaturas es menor o igual a 30 °C, mas o menos. De forma mas preferible, la temperatura de fusion de la resina 18 termoplastica es inferior a la temperatura de polimerizacion de la resina 15 termoendurecible, con una diferencia de 5 a 10 °C entre dichas temperaturas.
Por lo tanto, las fibras 118 se ablandan o funden durante la polimerizacion de la resina 15 para formar una pelfcula continua de resina 18 termoplastica.
La resina 18 termoplastica que forma las fibras 118 se selecciona preferiblemente con una temperatura de fusion relativamente baja, lo que permite su uso con resinas termoendurecibles del tipo epoxi. Una resina preferida es, por ejemplo PVDF (fluoruro de polivinilideno), u otro fluoropolfmero termoplastico. Sin embargo, dependiendo del procedimiento seleccionado de fabricacion de la pieza 111, se pueden usar otros tipos de resinas, con temperaturas de fusion mas altas.
Despues del enfriamiento, se obtiene una pieza 111 acabada, monobloque y ngida, como se muestra en la figura 3.
La pieza 111 acabada comprende una capa 125 estructural obtenida del montaje de los pliegues (12, 13), asf como una capa 126 superficial con forma de una pelfcula continua de resina 18 termoplastica.
Un espesor de la capa 126 superficial vana preferiblemente entre 1 y 500 pm, preferiblemente entre 10 y 150 pm. Este espesor es funcion del gramaje del material 117.
La etapa de calentamiento puede conducir a una interpenetracion parcial entre la capa 125 estructural y la capa 126 superficial, en el caso de una fusion total o parcial de la resina 18. Esta interpenetracion asegura una buena adhesion entre las capas 125 y 126, independientemente de la compatibilidad ffsico-qmmica entre las resinas 15 y 18.
El procedimiento descrito anteriormente con la ayuda de la figura 2 permite simplificar el dispositivo 110 de polimerizacion en comparacion con el caso de la figura 1, eliminando el elemento 22 de drenaje. Sin embargo, una pieza 111 de la invencion puede ser polimerizada por medio de un dispositivo 10 tal como el que se muestra en la figura 1, el material 117 toma, a continuacion, el lugar de la capa 17 de resina termoplastica.
La pieza 111 representada en las figuras 2 y 3 se obtiene drapeando los pliegues (12, 13) sobre el molde 16, a continuacion, recubriendolos de material 117. De acuerdo con una variante, es posible drapear el material 117 sobre el molde 16 despues de recubrir los pliegues (12, 13). De acuerdo con otra variante de fabricacion de la pieza 111, el material 117 puede ser drapeado sobre una capa 125 estructural parcialmente polimerizada lo cual proporciona a dicha capa de una rigidez suficiente a temperatura ambiente para ser manipulada. El conjunto material 117/ capa 125 es entonces puesto en una autoclave para completar la polimerizacion de la resina 15, siguiendo el dispositivo descrito en la figura 2.
Despues del enfriamiento, la pieza 111 puede ser manipulada y/ o almacenada. Tambien se puede modificar posteriormente, por ejemplo sometiendose a una metalizacion de la capa 126 superficial, como se describe en la solicitud de patente francesa n° 11 59078 citada anteriormente.
La pieza 111 puede tambien ser ensamblada con otras piezas de material compuesto mediante soldadura por medio de la capa 126 superficial, como se describe en el documento WO2007/ 109855 mencionado anteriormente. Los elementos de la instalacion de sistemas tambien pueden ser ensamblados mediante soldadura a la capa 126.

Claims (7)

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    Reivindicaciones
    1. Procedimiento de fabricacion de una pieza (111) de material compuesto, dicho procedimiento que comprende las siguientes etapas:
    - una etapa de deposito de uno o varios pliegues (12, 13) estructurales impregnados con una resina (15) termoendurecible para formar una capa (125) estructural,
    - una etapa de deposito de una capa superficial apilada con los pliegues estructurales, estando formada dicha capa superficial por un conjunto (117) de una o varias fibras (18) de resina termoplastica, siendo dicho conjunto deformado segun al menos dos direcciones,
    teniendo dicha resina termoplastica una temperatura de fusion proxima a una temperatura de polimerizacion de dicha resina termoendurecible,
    pudiendo producirse el deposito de la capa superficial antes o despues del deposito de los pliegues estructurales
    - despues, una etapa de polimerizacion de la capa estructural a la temperatura de polimerizacion, tomando entonces, la capa superficial la forma de una pelfcula (126) continua que recubre a la capa estructural.
  2. 2. Procedimiento de acuerdo con la reivindicacion 1, de tal manera que el conjunto (117) de una o mas fibras termoplasticas es un material seleccionado de entre un tejido de punto, una esterilla o una tela.
  3. 3. Procedimiento de acuerdo con la reivindicacion 2, de tal manera que el conjunto (117) es una tela de tipo sarga o de tipo saten.
  4. 4. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 3, de tal manera que una resina (15) termoendurecible de la capa estructural se selecciona de entre una resina de poliepoxido, una resina de bismaleimida y una resina fenolica.
  5. 5. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, detal manera que la resina (18) termoplastica de la capa superficial tiene una temperatura de fusion entre 100 °C y 250 °C.
  6. 6. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, que comprende, a continuacion, una etapa de metalizacion de la capa (126) superficial en forma de una pelfcula continua.
  7. 7. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, que comprende una etapa de hacer el vacfo del apilamiento de los pliegues antes de la etapa de polimerizacion de la capa estructural, asegurando la capa superficial, formada a partir de un conjunto (117) de fibras de resina termoplastica, una funcion de drenaje durante dicha etapa de vacfo.
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