ES2617781T3 - Preforma de fibras de haces de fibras de refuerzo, que presenta haces de fibras unidireccionales y elemento de material compuesto - Google Patents

Preforma de fibras de haces de fibras de refuerzo, que presenta haces de fibras unidireccionales y elemento de material compuesto Download PDF

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Abstract

Preforma de fibras para la producción de estructuras compuestas de fibras cuya pared está construida de fibras de refuerzo, - teniendo la pared una primera superficie y una segunda superficie opuesta a la primera superficie y un grosor extendido entre las superficies y estando delimitada por bordes, - abarcando la pared al menos una primera zona de haces de fibras de refuerzo presentando una primera composición de resina y al menos una segunda zona de al menos una banda de fibras compuesta de al menos una madeja de hilos de refuerzo alineada unidireccional que presenta al menos una segunda composición de resinas, - estando los haces de fibras de refuerzo en la al menos una primera zona orientados entre sí en diferentes direcciones espaciales, en un sentido de observación paralelo a la extensión del grosor, - estando cada haz de fibras de refuerzo compuesto de filamentos de fibras de refuerzo orientados paralelos entre sí, teniendo una longitud en el intervalo entre 3 y 50 mm conteniendo la primera composición de resinas una concentración en el intervalo entre 1 al 10 % en peso, referido al peso de las fibras, - presentando la pared de la preforma de fibras una parte de fibras de refuerzo de más de 35 % en volumen y - conformando la al menos una segunda zona en un sentido de observación perpendicular a la extensión de grosor de la pared un sector discreto y al menos una banda de fibras termina con al menos uno de sus extremos dentro de la pared.

Description

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DESCRIPCION
Preforma de fibras de haces de fibras de refuerzo, que presenta haces de fibras unidireccionales y elemento de material compuesto
La presente invencion se refiere a una preforma de fibras para la produccion de estructuras de compuestos de fibras y/o elementos de materiales compuestos, cuya pared esta hecha de fibras de refuerzo, asf como un elemento de material compuesto de una preforma de fibras de este tipo.
Particularmente en el campo de la navegacion aerea y espacial, pero tambien, por ejemplo, en el campo de la construccion de maquinas se usan de manera creciente elementos de materiales compuestos de fibras. Los materiales compuestos de fibras ofrecen respecto del metal frecuentemente la ventaja de un menor peso y/o resistencias mayores. De tal manera, un aspecto esencial es al mismo tiempo una produccion economica de tales elementos de materiales compuestos resistentes y, no obstante, de bajo peso. Con vistas a la capacidad de carga, es decir con vistas a la rigidez y a la resistencia, en el caso de los elementos de materiales compuestos la parte en volumen de las fibras de refuerzo y, en particular, tambien la orientacion de las fibras de refuerzo tiene una influencia predominante.
Un procedimiento de produccion frecuentemente usado se basa actualmente en la denominada tecnologfa de producto preimpregnado. En este caso, las fibras de refuerzo, por ejemplo fibras de vidrio o fibras de carbono son dispuestas, por ejemplo, paralelas entre sf, embutidas en una resina matricial y conformada en semiproductos continuos. Para la produccion de elementos, dichas bandas son cortadas a la medida correspondiente del contorno del elemento y laminados capa por capa mecanica o manualmente en un molde respetando la orientacion de las fibras de refuerzo necesaria para las cargas del elemento. A continuacion se produce el curado bajo presion y temperatura de la matriz en un autoclave. Sin embargo, para muchos elementos tales procedimientos de produccion son complicados y caros.
En otro procedimiento se fabrican a partir de fibras de refuerzo las asf llamadas preformas de fibras (“Preforms”). En lo esencial son semiproductos textiles en forma de formaciones bidimensionales o tridimensionales de fibras de refuerzo en los cuales para la produccion del elemento compuesto de fibras se incorpora en pasos adicionales un material matricial por medio de infusion o inyeccion, incluso usando vado. A continuacion se produce un curado del material matricial a una temperatura y presiones por lo general elevadas para formar el elemento terminado. En este caso son procedimientos conocidos para la infusion o inyeccion del material matricial el asf denominado Liquid Molding (procedimiento LM) o procedimientos emparentados como por ejemplo Resin Transfer Molding (RTM), Vacuum Assisted Resin Transfer Molding (VARTM), Resin Film Infusion (RFI), Liquid Resin Infusion (LRI) o Resin Infusion Flexible Tooling (RIFT). El material de fibras usado para la produccion de preformas de fibras tambien puede estar, por ejemplo, preimpregnado de pequenas cantidades de un material sintetico curable, es decir un aglutinante para mejorar la fijacion de las fibras de refuerzo en la preforma de fibras. Tales hilos preimpregnados se describen, por ejemplo, en el documento WO 2005/095080.
Para la produccion de tales preformas de fibras ya se ha propuesto en el documento WO 98/22644 dispersar fibras cortas de refuerzo junto con un aglutinante sobre un abanico permeable al aire adaptado a la forma de la preforma de fibras y mantenerlas en el abanico aplicando vado hasta haber alcanzado despues del enfriamiento del aglutinante una estabilidad suficiente de la preforma. En este procedimiento, las fibras de refuerzo son dispuestas en disposicion y orientacion isotropa aleatoria. Si bien esto es ventajoso cuando los sentidos de carga en el elemento no pueden predecirse, pero tiene la desventaja que debido a la orientacion isotropa estan en el sentido de carga solamente una parte de las fibras. O sea, en este procedimiento no es posible una adaptacion a sentidos especiales de las solicitudes del elemento. Los refuerzos en la pared de elemento a lo sumo se pueden conseguir mediante espesores de pared aumentados localmente, pero que estan vinculados con un incremento de peso del elemento. Ademas de ello, segun los ejemplos del documento WO 98/22644 se consiguen solamente partes de volumen de fibras en el rango de hasta 15 % en volumen y, de esta manera, debido a las reducidas partes de volumen de fibras, solamente bajas resistencias de elementos en relacion al grosor. Generalmente, en tales elementos con orientacion aleatoria de las fibras de refuerzo se consiguen partes de fibra de un maximo de 30 % en volumen.
En el documento US 2010/0126652 A1 y en el documento US 2009/0229761A1 se describe un procedimiento o bien un dispositivo para la produccion de preformas de fibras mediante las cuales es posible cumplir en el elemento la exigencia de una orientacion de fibras de acuerdo a la carga. En este caso se aplica un denominado procedimiento TFP (“metodo Tailored Fiber Placement") en el cual se colocan, prefijados mediante hilos de fijacion, hilos o haces de fibras a lo largo de vfas curvas adaptadas al flujo de fuerzas actuantes sobre el elemento terminado, para lo cual se usan maquinas automaticas de coser y tejer CNC. El documento US 2009/0229760 A1 describe un dispositivo de distribucion para los haces de fibra apropiado para tales metodos TFP. En estos metodos TFP es posible un mejor aprovechamiento de la cargabilidad mecanica de las fibras de refuerzo y una mejor adaptacion de las secciones transversales del elemento a las cargas respectivas en el elemento. No obstante, dichos procedimientos son muy complicados y costosos, en particular en la produccion de preformas de fibras con estructuras tridimensionales complejas.
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Alternativamente, para la fijacion de los haces de fibras mediante procedimientos textiles, por ejemplo procedimientos de costura y tejido, los haces de fibras tambien pueden ser fijados mediante un material aglutinante activable termicamente, por ejemplo mediante un termoplastico, tal como se describe en el documento DE 10 2007 012 608 B4.
Otra posibilidad de la produccion de preformas de fibras consiste en el uso de los denominadas hiladas multiaxiales. Como hiladas multiaxiales se entienden estructuras compuestas de multiples capas de hilos superpuestas, en las cuales las capas de hilos se componen de grupos de hilos de refuerzo dispuestos paralelos entre st Las capas de hilos superpuestos pueden ser liadas y fijadas entre sf por medio de una pluralidad de hilos para coser o tejer yuxtapuestos y extendidos paralelos entre sf formando mallas, de manera que asf la hilada multiaxial es estabilizada. Las capas de hilos estan superpuestas de tal manera que las fibras de refuerzo de las capas esten paralelas entre sf
0 alineadas alternadamente cruzadas (por ejemplo - 45°; 0°; + 45°).
Tales hiladas multiaxiales son colocadas sin material matricial en un molde y, por ejemplo, adaptado a su contorno para el moldeo a temperatura incrementada. A continuacion, el material matricial requerido para la produccion del elemento compuesto es incorporado al molde y en la preforma de fibras mediante infusion o inyeccion, tras lo cual, despues del curado del material matricial se obtiene el elemento compuesto. Unas hiladas multiaxiales y su uso para la produccion de preformas de fibras se describen, por ejemplo, en el documento EP 0 361 796 B1, el documento EP
1 352 118 B1 o el documento WO 98/10128.
Sin embargo, las hiladas multiaxiales son complicadas en su fabricacion y, en general, se producen en anchuras estandar que raras veces coinciden con las dimensiones del elemento futuro. De ello resulta una nada despreciable parte de desperdicio. Ademas, especialmente en contornos de elementos complejos y, ante todo, en elementos con radios de curvatura cortos son aplicables solo de manera limitada ya que las hiladas multiaxiales no son drapeables de manera cualquiera. Ademas, se ha observado que los hilos de coser o tejer pueden conducir muchas veces a una reduccion de la resiliencia del material compuesto resultante. Finalmente, tambien la posterior infusion o inyeccion del material matricial puede estar ralentizada por medio del Liquid Molding o procedimientos similares.
Para evitar costuras e hilos transversales, el documento US 2008/0085650 A1 propone usar estructuras de materiales de refuerzo con una conformacion de capas que abarca una capa de fibras de refuerzo continuas orientadas paralelas, asf como una capa de, por ejemplo, tela no tejida, una tela o un tronzado corto de fibras, estando las capas unidas entre sf por medio de un pegamento o puntos de pegamento. Tambien estos materiales se presentan, en principio, en anchuras estandar que deben ser cortadas a medida de acuerdo a la geometna del elemento. De este modo se producen mayores costes debidos a pasos adicionales, por ejemplo corte, drapeado y union, asf como un desperdicio promedio de hasta 30 % del material basico.
El documento WO 98/29232 da a conocer elementos de materiales compuestos que son producidos por medio de un proceso de moldeado por compresion. De tal manera se colocan materiales continuos en forma de madejas de fibras de refuerzo en un molde y se agrega un material compuesto que contiene fibras de refuerzo discontinuos. A continuacion se produce una compresion para formar el elemento. Las fibras discontinuas de refuerzo son fibras discretas discontinuas que en el material matricial estan dispuestas aleatoriamente y orientadas aleatoriamente.
En el documento EP 1 134 314 A1 se describe un producto intermedio de material compuesto en forma de banda apropiado para la produccion posterior de elementos correspondientes. El producto intermedio en forma de banda esta estructurado, exclusivamente, por segmentos de fibras de refuerzo, es decir de haces de fibras de refuerzo que estan colocados sobre un sustrato en disposicion aleatoria isotropa. Los haces de fibras presentan segun las indicaciones del documento EP 1 134 314 A1 un contenido de resinas de al menos 15 % en peso (y una longitud en el intervalo entre 10 y 100 mm).
Es el objetivo de la presente invencion proporcionar una preforma de fibras que pueda encontrar uso para una pluralidad de contornos de elementos, en la que, en particular, sea posible una adaptacion perfeccionada a las cargas locales respectivas en el elemento y que pueda ser fabricada economicamente.
El objetivo se consigue mediante una preforma de fibras para la produccion de estructuras compuestas de fibras cuya pared esta formada de fibras de refuerzo,
- teniendo la pared una primera superficie y una segunda superficie opuesta a la primera superficie y un grosor extendido entre las superficies y estando delimitado por bordes,
- abarcando la pared al menos una primera zona de haces de fibras de refuerzo presentando una primera composicion de resina y al menos una segunda zona de al menos una banda de fibras compuesta de al menos una madeja de hilos de refuerzo alineado unidireccional que presenta al menos una segunda composicion de resinas,
- estando los haces de fibras de refuerzo en la al menos una primera zona orientados entre sf en diferentes direcciones espaciales en un sentido de observacion paralelo a la extension del grosor,
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- estando cada haz de fibras de refuerzo compuesto de filamentos de fibras de refuerzo orientado paralelos entre sf, teniendo una longitud intervalo entre 3 y 50 mm conteniendo la primera composicion de resinas una concentracion en el intervalo entre 1 al 10 % en peso referido al peso de las fibras,
- presentando la pared de la preforma de fibras una parte de fibras de refuerzo de mas de 35 % en volumen y
- conformando la al menos una segunda zona en un sentido de observacion perpendicular a la extension del grosor de la pared un sector discreto y al menos una banda de fibras termina con al menos uno de sus extremos dentro de la pared.
Mediante la preforma de fibras segun la invencion es posible construir de manera sencilla una estructura compuesta de fibras o elemento de materiales compuestos. Para ello, la preforma de fibras segun la invencion puede ser colocada en un molde cercano al contorno final mediante procedimientos habituales un material matricial en el molde y, de esta manera, incorporado en la preforma de fibras mediante infusion, infiltracion o inyeccion y, a continuacion conformado el elemento de material compuesto mediante el curado del material matricial. Consecuentemente, la invencion se refiere tambien a un elemento de material compuesto, cuya pared esta estructurada de fibras de refuerzo embutidas en una matriz de polfmero,
- teniendo la pared una primera superficie y una segunda superficie opuesta a la primera superficie y un grosor extendido entre las superficies y estando delimitada por bordes,
- abarcando la pared al menos una primera zona de haces de fibras de refuerzo y al menos una segunda zona de al menos una banda de fibras compuesta de al menos una madeja de hilos de refuerzo alineados unidireccionales,
- estando los haces de fibras de refuerzo en la al menos una primera zona orientados entre sf en diferentes direcciones espaciales, en un sentido de observacion paralelo a la extension del grosor,
- estando cada haz de fibras de refuerzo compuesto de filamentos de fibras de refuerzo orientados paralelos entre sf y teniendo una longitud en el intervalo entre 3 y 50 mm,
- presentando la pared de la preforma de fibras una parte de fibras de refuerzo de mas de 35 % en volumen y
- conformando la al menos una segunda zona en un sentido de observacion perpendicular a la extension de grosor de la pared un sector discreto y al menos una banda de fibras termina con al menos uno de sus extremos dentro de la pared.
O sea, la preforma de fibras o el elemento de material compuesto presenta dentro de su pared al menos una primera zona de haces de fibras de refuerzo y al menos una segunda zona de al menos una banda de fibras. En este caso, la primera zona puede configurar dentro de la pared un sector pasante continuo en el cual estan incorporadas, por ejemplo, una o mas zonas. De tal manera, las segundas zonas pueden estar dispuestas dentro de la pared, es decir formar islas al ser observadas perpendiculares a la extension de grosor de la pared. Pero, en una forma de realizacion preferente, las segundas zonas pueden estar dispuestas en el sector de una de las superficies encima de la primera zona, es decir que el al menos una banda de fibras esta, en este caso, por ejemplo contracolada sobre una de las superficies. Sin embargo, tambien es posible que una segunda zona se extienda sobre todo el grosor de pared y sea, de tal manera, delimitada lateralmente por primeras zonas. En cualquier caso, la al menos una segunda zona forma en un sentido de observacion perpendicular a la extension del grosor de la pared una zona discreta, es decir la al menos una segunda zona no forma en este sentido de observacion ningun sector pasante, es decir ningun sector continuo. Como se ha indicado, solamente la al menos una primera zona se puede extender sobre toda la pared, o sea formar una zona pasante continua. En una forma de realizacion preferente de la preforma de fibras segun la invencion, la al menos una primera zona forma dentro de la pared un sector pasante de haces de fibras de refuerzo y la pared abarca al menos una segunda zona discreta de haces de fibras de refuerzo dispuesta en y/o sobre el sector pasante.
En la al menos una primera zona, en un sentido de observacion paralelo a la extension del grosor los haces de fibras de refuerzo estan orientados entre sf en diferentes direcciones espaciales, es decir que en la al menos una primera zona las fibras de refuerzo estan distribuidas orientadas de manera isotropa en las direcciones espaciales perpendiculares a la extension de grosor. De tal manera se entiende como isotropo el hecho que, no obstante, dentro de los haces de refuerzo individuales existe una orientacion anisotropa. Sin embargo, los haces en su totalidad no muestran ninguna orientacion preferente, sino que estan orientados de manera isotropa en las direcciones espaciales nombradas. En particular, en paredes mas gruesas o espesores mas gruesos de capas de las primeras zonas puede existir tambien una distribucion isotropa incluyendo la direccion espacial que se extiende en el sentido del grosor de pared, es decir que la preforma de fibras o el elemento de material compuesto puede presentar en la al menos una primera zona una estructura isotropa en todas las tres direcciones espaciales.
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Segun la invencion cada haz de fibras de refuerzo esta compuesto de filamentos de fibras de refuerzo orientados paralelos entre sf y tienen una longitud en el intervalo entre 3 y 50 mm. Preferentemente, la longitud se encuentra en el intervalo entre 10 y 50 mm. Con vistas a la partes obtenibles de fibras de refuerzo en la al menos una primera zona, en particular para conseguir partes de fibras de refuerzo por encima de 40 % en volumen es ventajoso que la pared de la preforma de fibras respectivamente del elemento de material compuesto segun la invencion presente en la al menos una primera zona varios grupos de haces de fibras de refuerzo de diferentes longitudes entre sf, de manera que en total la longitud de los haces de fibras de refuerzo presente una distribucion. Por ejemplo, los haces de fibras de refuerzo con una longitud de 20, 30 y 50 mm pueden estar o ser combinadas entre st
Los haces de fibras de refuerzo pueden estar compuestos de hilos continuos convencionales con, por ejemplo, 500 a 50.000 filamentos de fibras de refuerzo. Sin embargo, es ventajoso que cada haz de fibras de refuerzo este compuesto de 500 a 24.000 filamentos de fibras de refuerzo. Para conseguir una distribucion lo mas homogenea posible de los haces de fibras de refuerzo en la al menos una primera zona y para conseguir a ser posible elevadas partes de fibras, el numero de filamentos de fibras de refuerzo en los haces de fibras de refuerzo se encuentra de manera particularmente preferente en el intervalo entre 500 y 6.000 y muy preferentemente en el intervalo entre 1.000 y 3.000.
Para conseguir elevadas partes de volumen de fibras en la al menos una primera zona, en particular para conseguir partes de fibras de refuerzo por encima de 40 % en volumen, asimismo ha resultado ser ventajoso que la pared presente multiples grupos de haces de fibras de refuerzo con numeros de filamentos de fibras de refuerzo diferentes entre sf, ya que de esta manera es posible realizar altas densidades de empaque de los haces en la al menos una primera zona. Por ejemplo, es posible combinar haces de fibras de refuerzo con 3.000, 6.000 y 12.000 filamentos de fibras de refuerzo.
Para conseguir altas densidades de empaque de los haces, es decir para conseguir en la al menos una primera zona grandes partes de volumen de fibras encime de 40 % en volumen es, ademas, ventajoso si los haces de fibras de refuerzo presentan una seccion transversal a ser posible plano perpendicular a la extension de los filamentos de fibras de refuerzo en el haz. Preferentemente, los haces de fibras de refuerzo existen en forma de banditas y presentan una relacion entre anchura de haz y grosor de haz de al menos 25. De manera particularmente preferente, la relacion de la anchura de haz respecto del grosor de haz se encuentra en el intervalo entre 30 y 150.
La seleccion adecuada de haces de fibras de refuerzo respecto de su relacion entre anchura de haz y grosor de haz, respecto de su longitud asf como respecto del numero de filamentos de fibras de refuerzo permite realizar densidades de empaque particularmente altas de los haces de fibras de refuerzo y, de esta manera, partes de volumen de fibras particularmente altas en la al menos una primera zona. En una forma muy particularmente preferente de realizacion de la preforma de fibras o del elemento de material compuesto, los haces de fibras de refuerzo o del elemento de material compuesto dispuestos en la pared de la preforma de fibras o del elemento de material compuesto de la al menos una primera zona presentan, ademas de la seccion transversal plana, diferentes longitudes y diferentes numeros de filamentos de fibras de refuerzo. Ello conduce a partes particularmente elevadas de volumen de fibras en la pared de la preforma o del elemento. Segun la invencion, la pared de la preforma de fibras o del elemento de material compuesto presenta a lo largo de su extension, es decir en cada punto de su extension, una parte de fibras de refuerzo de al menos 35 % en volumen, preferentemente una parte de fibras de refuerzo de al menos 40 % en volumen y particularmente preferente de 45 % en volumen. En particular es ventajoso que la parte de fibras de refuerzo sea de al menos 50 % en volumen ya que esto conduce a propiedades mecanicas sobresalientes del elemento de material compuesto. De tal manera, la preimpregnacion de los haces de fibras de refuerzo permite con la primera composicion de resinas una ubicacion compacta estable de dichos haces de fibras de refuerzo en la produccion de la preforma de fibras, con lo cual se asiste la realizacion de tales partes elevadas de fibras.
La parte de fibras de refuerzo en la pared de la preforma de fibras puede ser determinada de acuerdo con la DIN EN 2564:1998. Para ello, de acuerdo a procedimientos habituales, la preforma de fibras es embebida con una resina epoxi, por ejemplo HexFlow RTM 6 (empresa Hexcel) y curado para formar un material compuesto. De material compuesto curado se recortan probetas en las que despues, segun las prescripciones d DIN EN 2564:1998, se determina la masa y densidad y, despues del tratamiento con acido sulfurico concentrado para la separacion de la resina matricial, la masa de las fibras contenidas en la probeta Primeramente, de acuerdo con las prescripciones de la DIN EN 2564:1998 se puede determinar de tal manera la parte de masa de fibras y como resultante de ello la parte en volumen de fibras o la parte de fibras de refuerzo. Dicho metodo tambien puede ser empleado para la determinacion de la parte en volumen de fibras en los elementos de material compuesto.
Los haces de fibras de refuerzo en la preforma de fibras presentan, segun la invencion, un contenido en una primera composicion de resinas en el intervalo entre 1 al 10 % en peso referido a la parte de fibras. De esta manera se le otorga a los haces de fibra una estabilidad suficiente y se evita una desagregacion en filamentos individuales o grupos individuales de filamentos. Al mismo tiempo se garantiza en las capas de resinas segun la invencion que los haces de fibras de refuerzo adhieren entre sf en la configuracion de la preforma de fibras y la preforma de fibras consigue asf una estabilidad suficiente para una manipulacion posterior. Tal capa de resinas tambien se denomina, con frecuencia como aglutinante o como aglomerante. Como ya se ha explicado, el material matricial real todavfa
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necesario para la conformacion del elemento compuesto solo es incorporado a la preforma mediante infusion o inyeccion en un paso posterior. Preferentemente, los haces de fibras de refuerzo de la preforma de fibras contienen la primera composicion de resinas con una concentracion en el intervalo entre 2 y 7 % en peso referido a la parte de fibras.
La primera composicion de resinas puede ser un aglutinante que cumple las exigencias mencionadas anteriormente. En una configuracion preferente de la invencion, la primera composicion de resinas es un aglutinante activable termicamente, por ejemplo un termoplastico. Sin embargo, es preferente un aglutinante sobre la base de resinas epoxi, pudiendo el aglutinante ser refundido multiples veces y llevado a estado solido mediante el enfriamiento a la temperatura ambiente. Tales composiciones de resinas o fibras de refuerzo que presentan tales composiciones de resinas se dan a conocer, por ejemplo, en el documento WO 2005/095080. Tambien el documento WO 98/22644 describe tales composiciones de resinas apropiadas como aglutinantes.
La al menos una banda de fibras sobre o dentro de la al menos una segunda zona y, de esta manera, la al menos una segunda zona misma esta dispuesta en sectores de solicitaciones particularmente elevadas del elemento o del elemento compuesto segun la invencion fabricado mas tarde mediante la preforma de fibras y orientada en las correspondientes direcciones de solicitacion allf imperantes. O sea, la al menos una banda de fibras esta, preferentemente, dispuesta orientada en la direccion del flujo de fuerzas o de acuerdo a la carga en la pared de la preforma de fibras o del elemento de material compuesto. De tal manera, la al menos una banda de fibras puede o las bandas de fibra pueden extenderse de un lado o borde de la pared de la preforma de fibras o del elemento de material compuesto hasta un otro lado o borde de la preforma de fibras o elemento de material compuesto y, por lo tanto, sobre toda la extension en dicho sector. De tal manera, los bordes pueden definir el penmetro exterior de la preforma de fibras, pero tambien pueden resultar permeabilidades, resquicios o similares debidos a cavidades en el interior de la preforma de fibras.
La preforma de fibras segun la invencion se destaca, en particular, porque es adaptable de manera flexible a solicitaciones locales del elemento a fabricar mediante la preforma de fibras. Es asf que la preforma de fibras en una forma de realizacion presenta al menos una banda de fibras que termina con al menos uno de sus extremos dentro de la pared, por consiguiente no se extiende de un borde de preforma de fibra a otro borde. O sea, una banda de fibras o varias bandas de fibras se extienden solamente sobre partes de la extension o estiramiento respectivos de la pared en el sentido de esa unica banda de fibras o estas bandas de fibra, o sea que forma o forman zonas insulares o peninsulares. De tal manera, los extremos de una banda de fibras corresponden a los extremos de la al menos una madeja de hilos de refuerzo unidireccional que estructura dicha banda de fibras. Por ejemplo, tambien es posible que en el caso de que una preforma de fibras o bien un elemento de material compuesto presente un saliente para la configuracion de una tubuladura, la banda de fibras solamente sea aplicadas como refuerzo en el sector del saliente. De tal manera, las bandas de fibras o al menos una banda de fibra tambien puede/n extenderse o ser colocada/s sobre un trayecto curvo.
Preferentemente, la al menos una banda de fibra presenta una longitud de al menos 7 cm y, particularmente preferente, de al menos 10 cm. Con longitudes menores la incorporacion de fuerzas a las bandas de fibras de un elemento es insuficiente. Ademas, la manipulacion de bandas de fibras mas cortas se torna dificultosa, especialmente en una colocacion automatica como la que se describe en el documento DE 10 2007 012 608 B4. De manera particularmente preferente, la al manos una banda de fibras presenta una longitud de al menos 20 cm. Como se ha indicado anteriormente, en un caso particular, un lfmite superior de la longitud de la banda de fibras esta dado por la geometna del elemento.
La al menos una banda puede, por ejemplo, ser de un hilado de refuerzo multifilar separado colocado desplegado y plano, es decir compuesto de una madeja separada de hilos de refuerzo. Preferentemente, la al menos una banda de fibras se compone, sin embargo, de multiples madejas de hilos de refuerzo yuxtapuestos y dispuestos paralelos entre sf.
De tal manera, en una forma de realizacion de la preforma de fibras o del elemento de material compuesto segun la invencion, la al menos una segunda zona puede estar compuesta de una banda de fibras separada que se compone de multiples hilados de refuerzo multifilares colocados yuxtapuestos y superpuestos. Preferentemente, la al menos una segunda zona abarca, sin embargo, multiples bandas de fibras superpuestas en capas, resultando el numero de capas y su anchura de las respectivas solicitudes al futuro elemento.
Como se ha indicado, debido a la configuracion espedfica de la preforma de fibras segun la invencion es posible un diseno ajustado a la carga de la preforma de fibras asf como de los elementos fabricados en la misma. Ello se consigue aqrn porque la al menos una banda de fibras esta dispuesta preferentemente en la pared de la preforma de fibras o del elemento de material compuesto orientada en la direccion del flujo de fuerzas o conforme a la carga. Por eso, en una forma de realizacion, la pared de la preforma de fibras o del elemento de material compuesto incluye al menos dos bandas de fibras y la orientacion de la al menos una madeja de hilos de refuerzo orientada unidireccional de al menos una banda de fibras es diferente respecto de la orientacion de la al menos una madeja de hilos de refuerzo orientada unidireccional de otra banda de fibras. De tal manera, en una forma de realizacion, las bandas de fibras superpuestas en capas dentro de una segunda zona o bien las madejas de hilos de refuerzo orientadas
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unidireccionales dentro de las bandas de fibras que las estructuran presentan orientaciones diferentes. En el caso de multiples segundas zonas sobre y/o en la pared de la preforma de fibras o del elemento de material compuesto pueden presentar en otra forma de realizacion unas bandas de fibras de diferentes segundas zonas o bien las madejas de hilos de refuerzo orientadas unidireccionales, que dentro de las bandas de fibras estructuran las bandas de fibras, presentan orientaciones diferentes. Las madejas de hilos de refuerzo de orientacion diferente pueden, por ejemplo, formar entre sf un angulo a en el intervalo entre 5° y 175° y, preferentemente, entre 20° y 160°. Por supuesto tambien se incluyen formas de realizacion en las cuales unas bandas de fibras dentro de una segunda zona y diferentes segundas zonas presentan diferentes orientaciones entre st
En otra forma de realizacion preferente, al menos una madeja de hilos de refuerzo orientada unidireccional de al menos una banda de fibras o al menos una banda de fibras no esta en su extension longitudinal orientada paralela respecto de los bordes de la preforma de fibras o del elemento de material compuesto.
Segun la invencion, las madejas de hilos de refuerzo alineadas unidireccionales o la al menos una banda presentan una segunda composicion de resinas. De esta manera se garantiza una colocacion y fijacion seguras de la al menos una banda de fibras y una estabilizacion de la preforma de fibras. Segun la aplicacion, la banda de fibras tambien puede ser un llamado producto preimpregnado unidireccional en el cual unas fibras de refuerzo alineadas unidireccionales estan embebidas con resina matricial y la concentracion de la resina matricial en el producto preimpregnado ya equivale, en lo esencial, a la concentracion en el elemento, es decir en el intervalo entre mas o menos 25 y 45 % en peso. Preferentemente, la al menos una banda de fibras de la preforma de fibras segun la invencion presenta una segunda composicion de resinas pero en una concentracion de 1 a 10 % en peso, referido a la parte en fibras. La segunda composicion de resinas actua entonces igualmente como material aglutinante. Con tales concentraciones esta garantizado, por un lado, la buena manejabilidad y fijacion mencionadas anteriormente. Por otra parte, la al menos una banda de fibras presenta una suficiente flexibilidad y con la posterior produccion de elementos esta dada una buena infiltrabilidad de la resina matricial.
La parte de fibras de refuerzo en la al menos una banda de fibras de la al menos una segunda zona de la preforma de fibras debena ser menor que el 70 % en volumen, para que en el elemento terminado este garantizado despues de la infiltracion con resina matricial una esencialmente completa incorporacion de las fibras de refuerzo en la resina matricial. Por otro lado, la parte de fibras debena ser tan alta como sea posible para que con un volumen dado se consiga un efecto de refuerzo tan alto como sea posible No por ultimo, incluso bajo el punto de vista de la manejabilidad practica han demostrado ser apropiadas las partes en volumen de fibras de refuerzo en la al menos una banda de fibras de la preforma de fibras o del elemento de material compuesto en el intervalo entre 40 y 65 % en volumen y, preferentemente, en el intervalo entre 50 y 65 % en volumen.
La segunda composicion de resinas es, como en la primera composicion de resinas, un aglutinante activable termicamente, por ejemplo un termoplastico. Igualmente es preferente un aglutinante sobre la base de resinas epoxi, pudiendo el aglutinante ser refundido multiples veces y llevado a estado solido mediante el enfriamiento a la temperatura ambiente. Tambien respecto de las segundas composiciones de resinas o bien respecto de la banda de fibras que presentan dichas composiciones de resinas, es posible recurrir a los hilados y composiciones de resinas dados a conocer en el documento WO 2005/095080. Preferentemente, la primera composicion de resinas y la segunda composicion de resinas son qmmicamente semejantes y, de manera especialmente preferente, iguales. Unas composiciones de resinas o aglutinantes apropiadas tambien se describen, por ejemplo, en el documento WO 98/22644.
Las fibras de refuerzo o madejas de fibras de refuerzo aplicadas a la preforma de fibras segun la invencion o el elemento del material compuesto segun la invencion pueden ser aquellas sobre la base de carbono, vidrio, aramida, ceramica, boro, acero o de polfmeros sinteticos, por ejemplo poliamida, eter polihidroxilado, polietileno, en particular polietileno UHMW (Ultra Alto Peso Molecular), o polyester o de una combinacion de estos materiales, por ejemplo en forma de hilados de hilos mixtos (co-mingled yarns). En una forma preferente de realizacion, las fibras de refuerzo de los haces de fibras de refuerzo y/o de las madejas de hilos de refuerzo de la al menos una banda de fibras son fibras de carbono. En este caso, las fibras de carbono pueden ser obtenidas de productos basicos de brea, poliacrilonitrilo o productos basicos de viscosa.
La combinacion de haces de fibras de refuerzo alineados de manera isotropa y bandas de fibras o madejas de hilos de refuerzo alineadas orientadas con el flujo de fuerzas permite una produccion de preformas de fibras economica y al mismo tiempo adaptada a las solicitaciones en el futuro elemento. De esta manera, las primeras zonas con haz de fibras de refuerzo pueden ser conformadas economicamente, por ejemplo, por medio de los denominados procedimientos por proyeccion de fibras, en los cuales las madejas de fibras de refuerzo cargadas con la primera composicion de resinas son llevadas a un cabezal de corte, cortadas en haces correspondientemente dimensionados a la longitud deseada y, a continuacion, proyectadas en un molde adaptado al contorno final de la preforma de fibras. Alternativamente, tambien es posible colocar en el molde una carga de haces de fibras de refuerzo correspondientes. En ambos casos, el posicionamiento de los haces de fibras de refuerzo puede ser apoyado mediante la aplicacion de vacfo al molde, que en este caso esta perforado.
Al mismo tiempo o tambien, por ejemplo, consecutivamente, en los sectores en los que en el futuro elemento se
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produciran cargas elevadas se pueden distribuir banda de fibras orientadas en el sentido de las cargas, pudiendo ser aplicados para ello procedimientos conocidos en el estado actual de la tecnica, por ejemplo el procedimiento de colocacion dado a conocer en el documento WO 2007/101578 aplicando un procedimiento de proyeccion a la llama para la aplicacion de la segunda composicion de resinas durante la colocacion o el procedimiento dado a conocer por el documento DE 10 2007 012 608 B4 en el cual unas bandas de fibras o unas madejas de hilos de refuerzo provistas de un aglutinante activable termicamente, por ejemplo un termoplastico, o sea una segunda combinacion de resinas, son posicionadas por medio de un cabezal colocador de dispositivos automatizados de distribucion. Tales procedimientos se conocen con la denominacion “metodos de fiber placement”.
De esta manera, a diferencia de preformas de fibras de acuerdo con el estado actual de la tecnica, mediante la presente invencion se pueden proporcionar preformas de fibras con, en principio, cualquier geometna superficial plana o bidimensional o, preferentemente, con una geometna superficial tridimensional divergente de la geometna superficial plana. La preforma de fibras segun la invencion y tambien el elemento de material compuesto segun la invencion puede presentar sobre la extension de su pared diferentes espesores de pared o tambien salientes, perforaciones, etc. Por consiguiente, una preforma de fibras preferente presenta diferentes espesores de pared, en particular en el sector de la al menos una primera zona.
En esta manera, la preforma de fibras segun la invencion o el elemento de material compuesto segun la invencion se puede presentar en una pluralidad de diferentes configuraciones. Mediante el mando flexible redproco de las primeras y segundas zonas se puede producir una adaptacion sencilla a las solicitudes de elementos. Es asf que segun las solicitaciones tambien se puede producir una adaptacion mediante el aumento del grosor de pared por medio de partes adicionales en primeras zonas, es decir mediante la adicion de haces de refuerzo. Del mismo modo es posible en sectores espedficos un refuerzo por medio de segundas zonas con bandas de fibras orientadas en el sentido del flujo de fuerzas. De tal manera, segun el elemento o segun la preforma de fibras, la parte de primeras zonas con haces de fibras de refuerzo puede predominar sobre la parte de segundas zonas con bandas de fibras de madejas de hilos de refuerzo, o viceversa. Son decisivas para la configuracion respectiva las cargas previstas en el elemento terminado y las metas a alcanzar respecto de, por ejemplo, grosores de pared, peso, volumen, etc. y no por ultimo tambien los costes de fabricacion del elemento.
La invencion se explica con mayor detalle a modo de ejemplo mediante las figuras subsiguientes, no teniendo las figuras caracter restrictivo alguno. Muestran en representacion esquematizada simplificada:
la figura 1, una vista de arriba sobre una preforma de fibras segun la invencion en forma de un segmento de casquete esferico;
la figura 2, a lo largo de la lmea A - A, una seccion transversal a traves del segmento de preforma de fibras mostrado en la figura 1.
La figura 1 muestra esquematicamente una preforma de fibras 1 en forma de un segmento de casquete esferico con una primera superficie 2 y una segunda superficie 3 con un grosor que se extiende entre las superficies. En vista de arriba sobre la primera superficie 2 se ven primeras zonas 4 de haces de fibras de refuerzo 5 que en el medio estan orientados isotropos en diferentes sentidos. Los haces de fibra de refuerzo 5 estan estructurados de filamentos de refuerzo 6 cortos paralelos entre sf, pudiendo el numero de filamentos de fibras de refuerzo en el haz estar en el intervalo entre 500 a 50.000. Los haces de fibras de refuerzo 5 estan provistos de una primera composicion de resinas, consiguiendo una buena adhesion entre sf de los haces de fibras de refuerzo y la preforma de fibras obtiene una suficiente estabilidad para un manejo posterior.
En el ejemplo presente, la preforma de fibras 1 presenta en su primera superficie 2 dos segundas zonas 7a, 7b en forma de bandas de fibras que se componen de madejas de hilos de refuerzo 8a, 8b alineadas unidireccionales. En el ejemplo mostrado, la segunda zona 7a se extiende sobre la superficie 2 desde un borde al borde opuesto, mientras que la segunda zona 7b se desarrolla solamente sobre un segmento de la superficie y termina dentro de la pared. Las madejas de hilos de refuerzo 8a, 8b de las segundas zonas 7a, 7b estan orientadas en diferentes sentidos y no estan alineados paralelos respecto de ninguno de los bordes de la preforma de fibras
La figura 2 muestra una seccion transversal a traves del segmento de preforma de fibras mostrado esquematicamente en la figura 1. Por consiguiente, las partes iguales estan provistas de iguales referencias. La preforma de fibras 1 existe como segmento curvado con una primera superficie 2 y una segunda superficie 3, entre las cuales se extiende el grosor de pared de la preforma de fibras. La pared esta estructurada de una primera zona 4 y segundas zonas 7a, 7b, 9, 10, evidenciando en la representacion que la primera zona 4 de haces de fibras de refuerzo 5 conforma un sector continuo y que puede ser designada como fase continua. Contrariamente, las segundas zonas 7a, 7b, 9, 10 estan embutidas como sectores discretos en la segunda zona. De tal manera, en la figura 2, ademas de las zonas 7a, 7b mostradas tambien en la figura 1, se muestran en la primera superficie 2 dos segundas zonas 9, 10 adicionales en el interior de pared, envueltas completamente por la primera zona 4. Las segundas zonas 7a, 7b, 9, 10 estan estructuradas de madejas de hilos de refuerzo 8, 8a, 8b que estan superpuestas en multiples capas.
La preforma de fibras mostrada en las figuras 1 y 2 presentan un grosor relativamente grande. Por consiguiente, en este ejemplo tambien en la representacion de la seccion transversal, los haces de fibras de refuerzo 5 estan orientados esencialmente isotropos sobre la seccion transversal de pared.

Claims (17)

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    REIVINDICACIONES
    1. Preforma de fibras para la produccion de estructuras compuestas de fibras cuya pared esta construida de fibras de refuerzo,
    - teniendo la pared una primera superficie y una segunda superficie opuesta a la primera superficie y un grosor extendido entre las superficies y estando delimitada por bordes,
    - abarcando la pared al menos una primera zona de haces de fibras de refuerzo presentando una primera composicion de resina y al menos una segunda zona de al menos una banda de fibras compuesta de al menos una madeja de hilos de refuerzo alineada unidireccional que presenta al menos una segunda composicion de resinas,
    - estando los haces de fibras de refuerzo en la al menos una primera zona orientados entre sf en diferentes direcciones espaciales, en un sentido de observacion paralelo a la extension del grosor,
    - estando cada haz de fibras de refuerzo compuesto de filamentos de fibras de refuerzo orientados paralelos entre sf, teniendo una longitud en el intervalo entre 3 y 50 mm conteniendo la primera composicion de resinas una concentracion en el intervalo entre 1 al 10 % en peso, referido al peso de las fibras,
    - presentando la pared de la preforma de fibras una parte de fibras de refuerzo de mas de 35 % en volumen y
    - conformando la al menos una segunda zona en un sentido de observacion perpendicular a la extension de grosor de la pared un sector discreto y al menos una banda de fibras termina con al menos uno de sus extremos dentro de la pared.
  2. 2. Preforma de fibras segun la reivindicacion 1, caracterizada porque su pared incluye al menos dos bandas de fibras y la orientacion de la al menos una madeja de hilos de refuerzo orientada unidireccional de al menos una banda de fibras es diferente respecto de la orientacion de la al menos una madeja de hilos de refuerzo orientada unidireccional de otra banda de fibras.
  3. 3. Preforma de fibras segun una o mas de las reivindicaciones 1 o 2, caracterizada porque la al menos una madeja de hilos de refuerzo alineada unidireccional de la menos una banda de fibras no esta alineada paralela a ninguno de los bordes.
  4. 4. Preforma de fibras segun una o mas de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizada porque las fibras de refuerzo de los haces de fibras de refuerzo y/o de las madejas de hilos de refuerzo de la al menos una banda de fibras son fibras de carbono.
  5. 5. Preforma de fibras segun una o mas de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizada porque la al menos una primera zona forma dentro de la pared un sector continuo de haces de fibras de refuerzo y la pared abarca al menos una segunda zona discreta dispuesta en y/o sobre el sector continuo de haces de fibras de refuerzo.
  6. 6. Preforma de fibras segun una o mas de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizada porque cada haz de fibras de refuerzo tiene una longitud en el intervalo entre 10 y 50 mm.
  7. 7. Preforma de fibras segun una o mas de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizada porque la pared de varios grupos de haces de fibras de refuerzo presenta longitudes diferentes entre sf
  8. 8. Preforma de fibras segun una o mas de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizada porque cada haz de fibras de refuerzo presenta 500 a 24.000 filamentos de fibras de refuerzo.
  9. 9. Preforma de fibras segun una o mas de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizada porque la pared de diferentes grupos de haces de fibras de refuerzo presenta entre sf numeros diferentes de filamentos de fibras de refuerzo.
  10. 10. Preforma de fibras segun una o mas de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizada porque la pared en la al menos una primera zona presenta una parte de fibras de refuerzo de al menos 45 % en volumen.
  11. 11. Preforma de fibras segun una o mas de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizada porque los haces de fibras de refuerzo contienen la primera composicion de resinas en una concentracion en el intervalo entre 2 y 5 % en peso, referido a la parte de fibras.
  12. 12. Preforma de fibras segun una o mas de las reivindicaciones 1 a 11, caracterizada porque la al menos una banda de fibras se compone de multiples madejas yuxtapuestas de fibras de refuerzo.
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  13. 13. Preforma de fibras segun una o mas de las reivindicaciones 1 a 12, caracterizada porque la al menos una banda de fibras tiene una longitud de al menos 7 cm.
  14. 14. Preforma de fibras segun una o mas de las reivindicaciones 1 a 13, caracterizada porque la al menos una banda de fibras presenta la segunda composicion de resinas en una concentracion en el intervalo entre 1 y 10 % en peso, referido a la parte de fibras.
  15. 15. Preforma de fibras segun una o mas de las reivindicaciones 1 a 14, caracterizada porque la primera composicion de resinas y la segunda composicion de resinas son iguales.
  16. 16. Elemento de material compuesto, fabricable segun una o mas de las reivindicaciones 1 a 15.
  17. 17. Elemento de material compuesto, cuya pared esta estructurada de fibras de refuerzo embutidas en una matriz de polfmero,
    - teniendo la pared una primera superficie y una segunda superficie opuesta a la primera superficie y un grosor extendido entre las superficies y estando delimitada por bordes,
    - abarcando la pared al menos una primera zona de haces de fibras de refuerzo y al menos una segunda zona de al menos una banda de fibras compuesta de al menos una madeja de hilos de refuerzo alineada unidireccional,
    - estando los haces de fibras de refuerzo en la al menos una primera zona orientados entre sf en diferentes direcciones espaciales, en un sentido de observacion paralelo a la extension del grosor,
    - estando cada haz de fibras de refuerzo compuesto de filamentos de fibras de refuerzo orientados paralelos entre sf y teniendo una longitud en el intervalo entre 3 y 50 mm,
    - presentando la pared del elemento de material compuesto una parte de fibras de refuerzo de mas de 35 % en volumen y
    - conformando la al menos una segunda zona en un sentido de observacion perpendicular a la extension de grosor de la pared un sector discreto y al menos una banda de fibras termina con al menos uno de sus extremos dentro de la pared.
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