ES2623502T3

ES2623502T3 - Procedimiento para la producción continua de mallas de fibra cortada a partir de fibras de refuerzo de longitud finita con orientación de fibra dirigida

Info

Publication number: ES2623502T3
Application number: ES10784277.5T
Authority: ES
Inventors: Thomas Reussmann; Renate LÜTZKENDORF; Gerald Ortlepp
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG; SGL Carbon SE
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG; SGL Carbon SE
Priority date: 2009-11-27
Filing date: 2010-11-11
Publication date: 2017-07-11
Anticipated expiration: 2030-11-11
Also published as: JP2013512351A; WO2011064103A1; KR20120096057A; EP2504476B1; CA2781848A1; PL2504476T3; MX2012006065A; PT2504476T; DE102009055912A1; CN102844483A; US20120279017A1; EP2504476A1; US8621722B2; BR112012012625A2

Abstract

Procedimiento para la producción continua de mallas de fibras cortadas con orientación de las fibras dirigida, en el que las mallas son producidas mediante revestimiento continuo de velo de fibra cardado bajo ángulos de deposición definidos, caracterizado por que la deposición del velo de fibras se realiza sobre una cinta transportadora temporizada, la cual está parada durante la deposición continua bajo el ángulo predeterminado y se mueve una distancia definida (desplazamiento de deposición) solo después de la deposición de la anchura de deposición, y por que al menos una máquina de cardar (2, 4) que produce el velo de fibras y el dispositivo de revestimiento (3, 5) dispuesto a continuación, mediante el cual tiene lugar la deposición de fibras sobre la cinta transportadora (1) en un ángulo agudo respecto al sentido de avance de la cinta transportadora temporizada.

Description

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DESCRIPCION

Procedimiento para la produccion continua de mallas de fibra cortada a partir de fibras de refuerzo de longitud finita con orientacion de fibra dirigida

La presente invencion se refiere a un procedimiento para la produccion continua de mallas de fibra cortada con orientacion de fibra dirigida, en el cual las mallas se crean mediante revestimiento continuo de velo de fibras cardado bajo angulos de deposicion definidos.

Mallas de fibra cortada producidas segun un procedimiento de este tipo se utilizan, por ejemplo, para la produccion de asociaciones de material sintetico reforzadas por fibras de alta resistencia, tal y como estos encuentran aplicacion en plantas eolicas, en la construccion aeronautica y la industria automovilfstica. En particular, estas asociaciones presentan altas fuerzas de adherencia y rigidez en la direccion del esfuerzo, para lo cual es necesaria una orientacion de fibra definida. Junto con una orientacion definida de las fibras finitas, las mallas tambien tienen gramajes definidos.

Estado de la tecnica

En el sector de la tecnica de asociaciones de fibras, en los ultimos anos se han realizado muchos nuevos desarrollos en la practica con una serie de aplicaciones en plantas eolicas, en la construccion aeronautica y en la industria automovilfstica. En relacion con el empleo reforzado de asociaciones de fibras, el establecimiento de metodos de tratamiento rentables recibe tambien una importancia alta. Esto es aplicable, en particular, al acabado de los productos semielaborados de asociaciones de fibras (produccion de tejidos, fieltros y mallas).

Las mallas de fibra cortada son conocidas, por ejemplo, por el documento EP1798175 y US5182835. Estos dan a conocer procedimientos para la produccion continua de mallas de fibra cortada con orientacion de fibra dirigida, generandose las mallas mediante revestimiento continuo de velo de fibras cardado bajo angulos de deposicion definidos.

Las mallas de fibra tienen una gran importancia en la produccion de materiales de trabajo de asociaciones de fibras, junto con los productos semielaborados textiles conocidos como hilos de vitrofibras, tejidos de telar y fieltros. Mediante la capa de fibras estiradas y altamente orientadas junto con mallas UD y mallas multiaxiales se pueden conseguir resistencias y rigideces muy altas con un bajo peso de los componentes. Las mallas se fabrican actualmente a partir de una multitud de hilos de vitrofibras sin fin con la ayuda de las denominadas instalaciones de deposicion. P. ej., en la patente EP2028307 se describe un procedimiento de este tipo. Con las ya conocidas instalaciones de deposicion se pueden colocar de forma precisa las orientaciones de fibras segun el caso requerido. Por regla general las asociaciones se crean con una estructura global simetrica de diferentes capas individuales que fueron depositadas en angulos diferentes (0°, 90°, +45°, -45°). De manera correspondiente se consigue tambien la estructura de las capas de las mallas multiaxiales. Es caractenstica para la estructura clasica de mallas la utilizacion de largas fibras de refuerzo sin fin. Para las instalaciones de deposicion utilizadas actualmente se necesita una alta resistencia de los hilos de vitrofibras, ya que para la realizacion de una capa de fibras estirada se tienen que aplicar altas tensiones de hilo. Un suministro continuo de largas fibras de longitud finita o productos semielaborados a base de fibras de longitud finita con baja resistencia a la traccion no es factible con las instalaciones de deposicion convencionales.

Otra posible forma de conseguir orientaciones de fibra definidas es el procedimiento de bobinado.

El uso de esta tecnologfa para la produccion de mallas multiaxiales se describe en la patente DE102006057633. El procedimiento anteriormente conocido se caracteriza por que el plano de bobinado y el aprovisionamiento de la malla monoaxial rotan uno alrededor del otro para crear una malla con una orientacion de fibra definida. El angulo de la orientacion de fibra se fija por el angulo del eje longitudinal del plano de bobinado en relacion con la direccion de la gravedad. Con este principio, no obstante, tambien se emplean hilos de vitrofibras sin fin o mallas monoaxiales. En este caso se emplean altas fuerzas de traccion sobre el material a enrollar. Un suministro y deposicion de fibras de longitud finita no es posible con este procedimiento.

Junto a la utilizacion de fibras sin fin es interesante para la produccion de materiales compuestos, sin embargo, tambien el uso de fibras con longitudes de fibras limitadas (fibras cortadas). Por esta razon se conocieron en el pasado algunos desarrollos sobre este tema.

Una variante del tratamiento de materiales de fibra de longitud finita es la deposicion de cintas, en donde tambien se pueden producir mallas a partir de secciones de fibra y en donde es posible la deposicion libre de tensiones de materiales de refuerzo.

Para ello hay una serie de soluciones tecnicas conocidas tales como, por ejemplo, las descritas en las patentes DE10301646, DE102006035847. Sin embargo, aqrn se describe unicamente la deposicion discontinua de trozos de mallas. Una deposicion continua sin tension de fibras de longitud finita no es posible en este proceso. Tambien se conoce la combinacion de procesos de deposicion de materiales no tejidos y la fabricacion clasica de mallas. En la patente GB2012671 se describe un procedimiento en el que se combinan fibras de carbono de longitud finita con

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fibras sin fin. Sin embargo, con este procedimiento no se puede conseguir una orientacion definida de las fibras de longitud finita.

De la industria textil se conoce la deposicion continua de fibras de longitud finita a traves de dispositivos de revestimiento. La produccion de telas no tejidas orientadas transversalmente y capas en cruz de materiales no tejidos se describen, por ejemplo, por Joachim Lunenschloss er al.: Vliesstoffe. Editorial Georg Thieme, 1982, Pags. 94 - 104 ISBN: 01-8. De las explicaciones e ilustraciones de ailf, asf como de la definicion de terminos y expresiones del ramo, se hace con ello referencia para la comprension general de la presente invencion. En estos procesos el velo de fibra producido por una maquina de cardar se superpone repetidamente para producir un gramaje y colocacion de anchura definidas con respecto a un modelo, para generar la produccion de materiales no tejidos. Un principio utilizado muy frecuentemente es el revestimiento transversal del velo de fibra. En este caso, el velo producido por la cardadora se coloca sobre una cinta transportadora que se desplaza continuamente, la cual esta dispuesta en un angulo de 90° respecto a la direccion de produccion de la cardadora. La velocidad de deposicion sobre la cinta, la anchura de deposicion y la velocidad de la cinta transportadora determinan el gramaje de la malla que se genera en la cinta. En el caso de la deposicion del velo en la cinta transportadora, en funcion de las diferentes velocidades y la anchura de deposicion, se ajusta un angulo determinado de la orientacion de la fibra en el interior de la malla. Debido a la forma constructiva del dispositivo de revestimiento y de las velocidades habituales en la produccion del velo se pueden realizar diferentes angulos. Sin embargo, los angulos siempre son significativamente menores que 45 °. Es sobre todo caractenstico para el revestimiento de velo de fibra que mediante la deposicion continua en la cinta transportadora en movimiento se genere una orientacion preferente en 2 direcciones (angulo indefinido). Por tanto, este principio no es posible para la produccion de mallas con una orientacion de fibra definida (p. ej., exactamente bajo los angulos +45° y -45°).

En el documento US 5.476.703 se describe un procedimiento en el que un velo de fibra se deposita continuamente en varias capas una sobre otra por medio de un dispositivo de revestimiento, ascendiendo primeramente la orientacion de las capas individuales a 75° hasta 90° con respecto a la extension longitudinal del material no tejido y, a continuacion, el material no tejido con la ayuda de un campo extensor de la aguja es estirado con el fin de modificar el angulo de la orientacion de fibra en el material no tejido. Sin embargo, con este procedimiento no es posible definir con precision la orientacion de la fibra en angulos predeterminados, sino solo una equiparacion de las propiedades de los materiales no tejidos en la direccion longitudinal y transversal. En este procedimiento la orientacion de las fibras no se puede regular definidamente y los materiales no tejidos pueden ser localmente diferentes por diferentes grados de estiramiento.

En el documente DE 32 42 539 A1 se describe un procedimiento para la produccion de bandas de velo y material no tejido, cuya anchura excede de la anchura de la maquina de formacion de material no tejido. En este caso, dos bandas de velo se desvfan 90° en cada caso con respecto a la direccion de trabajo de la maquina de formacion de material no tejido, estando dispuestos los desvfos a una distancia entre sf que corresponde a la anchura de una banda de velo, de tal manera que tras la desviacion ambas bandas de velo se encuentran uno junta a la otra y se forma una cinta de velo de doble anchura. Se trata aqrn de la ampliacion del ancho del artfculo producible. Una deposicion orientada de fibras cortadas en angulos definidos no es posible con este procedimiento conocido.

En el documento DE 103 45 953 A1 se describe un procedimiento para la produccion continua de mallas de fibra cortadas con orientacion de fibras dirigida del genero anteriormente mencionado. Con este procedimiento se produce un material no tejido mediante un dispositivo de revestimiento transversal, aunque se suministra al dispositivo de revestimiento transversal una combinacion de un velo de filamentos y un velo de fibras, de tal manera que en el material no tejido estan colocadas alternativamente unas sobre otras capas de fibras finitas y sin fin y, por lo tanto, no se trata de una malla de fibra cortada pura. Aqrn no se producen orientaciones de fibras dirigidas. El dispositivo de revestimiento transversal esta orientado como de costumbre en un angulo de 90° respecto al sentido de avance de la cinta transportadora y esta tiene un avance continuo.

Objetivo de la invencion

La presente invencion tiene, por lo tanto, el objetivo de posibilitar la produccion continua de mallas de fibras cortadas a partir de fibras de refuerzo de longitud finita con orientacion de fibra dirigida. Estas mallas de fibras cortadas se utilizan para la produccion de asociaciones de materiales compuestos reforzados por fibras de alta resistencia tal como se utilizan en plantas eolicas, en la construccion aeronautica y en la industria automovilfstica. Es importante en este caso que, en particular en la direccion de esfuerzo, estas asociaciones tengan fuertes resistencias de asociacion y rigideces, para lo cual se requiere una orientacion de las fibras definida. Junto a una orientacion definida, las mallas deben tener tambien un gramaje definido.

De acuerdo con la invencion, el problema se resuelve mediante la deposicion del velo de fibras sobre una cinta transportadora temporizada, la cual esta parada bajo el angulo predeterminado durante la deposicion continua de las fibras y solo despues de la deposicion de la anchura de deposicion prevista se mueve una distancia definida (desplazamiento de deposicion). De este modo la orientacion de las fibras dentro de la anchura de deposicion predeterminada es constante. La deposicion del velo de fibras tiene lugar, por consiguiente, en un angulo exactamente definido.

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La orientacion deseada se consigue por la orientacion de la cardadora y del dispositivo de revestimiento en el angulo predeterminado con respecto a la cinta transportadora (Figura 1).

Por lo menos una maquina de cardar que produce el velo de fibras y el dispositivo de revestimiento dispuesto a continuacion de la anterior mediante el cual tiene lugar la deposicion de las fibras sobre la cinta transportadora, estan dispuestos en un angulo agudo con respecto al sentido de avance de la cinta transportadora temporizada. Se prefieren particularmente angulos de la orientacion en el intervalo de aprox. 30° a aprox. 60° con respecto al sentido de avance de la cinta transportadora, especialmente se da preferencia a angulos del orden de magnitud en el intervalo de aproximadamente 40° hasta aproximadamente 50°, es decir, angulos alrededor de 45° +/- algunos grados. Con los dispositivos de revestimiento convencionales, que trabajan con la cinta transportadora en continuo movimiento no se pueden conseguir generalmente estos grados.

De acuerdo con la invencion se puede trabajar con una cardadora y un dispositivo de revestimiento dispuesto a continuacion, pero tambien es posible pasar a emplear varias maquinas de cardar con dispositivos de revestimiento dispuestos a continuacion, que esten dispuestos en los angulos deseados respecto a la cinta transportadora. Como resultado de ello se puede incrementar el gramaje de la malla producida. Ademas, de esta forma se pueden producir simultaneamente varios angulos de deposicion. Esto permite un proceso de deposicion muy rentable. Preferentemente, por consiguiente, al menos una primera maquina cardadora con uno de estos primeros dispositivos de revestimiento dispuestos a continuacion esta dispuesta bajo un primer angulo agudo previsto para la deposicion de fibras con respecto a la cinta transportadora y al menos una segunda maquina cardadora con uno de estos segundos dispositivos de revestimiento dispuestos a continuacion esta dispuesta bajo un segundo angulo agudo previsto para la deposicion de fibras con respecto a la cinta transportadora, estando orientado este segundo angulo en angulo recto respecto al primer angulo.

Preferiblemente el procedimiento de la invencion trabaja de modo que en cada caso con el movimiento hacia delante del dispositivo de revestimiento, el velo de fibras se deposita sobre la cinta transportadora, despues se mueve la cinta transportadora una distancia definida (desplazamiento de deposicion) y luego tiene lugar una nueva deposicion del velo de fibras en un movimiento del dispositivo de revestimiento, nuevamente con la cinta transportadora parada.

Se puede prever, por ejemplo, que el o los dispositivos de revestimiento, debido a una inversion del movimiento, se desplacen sobre el borde de la cinta transportadora, aproximadamente en el momento de la inversion del movimiento la cinta transportadora es movida una distancia definida en la direccion de avance y tras la deposicion del velo de fibras, se corta la zona del borde longitudinal de la malla. Esto tiene la ventaja de que con ello se elimina cualquier posible defecto de la malla se elimina en la zona del borde debido al corto movimiento de avance de la cinta transportadora.

De acuerdo con otro perfeccionamiento de la invencion, como materia de partida se puede utilizar por lo menos un velo de fibra a base de una mezcla de fibras cortadas con diferente composicion y/o propiedades diferentes, en particular fibras de refuerzo y/o fibras de union de longitud finita, o se pueden depositar al menos dos velos de fibras con diferente composicion y/o diferentes propiedades, en particular que comprenden fibras de refuerzo y/o bandas de fibras de longitud finita, cuando por ejemplo se trabaja con dos maquinas de cardar y en cada caso dispositivos de revestimiento dispuestos a continuacion.

El velo de fibras se compone preferentemente de fibras de longitud finita que tienen una longitud en el intervalo de 25 a 150 mm. El velo de fibras particularmente puede proveerse posteriormente con agentes aglutinantes para la posterior solidificacion o tambien puede componerse de una mezcla de fibras cortadas de diferente composicion o propiedades (p. ej., fibras de refuerzo y fibras de union). Mediante la utilizacion preferida de agentes aglutinantes o fibras de union termoplasticas es posible una subsiguiente solidificacion termica de la malla. Las fibras de refuerzo pueden ser, por ejemplo, fibras naturales o fibras de alta resistencia tales como fibras de aramida, vidrio, basalto o carbono. En este proceso, por ejemplo, tambien es posible utilizar fibras de refuerzo de longitud finita de procesos de reciclaje para la produccion de mallas con orientacion de las fibras y gramaje definido.

Una ventaja del procedimiento es la posibilidad de, en un proceso continuo con un alto rendimiento, generar mallas a partir de fibras cortadas para materiales compuestos con angulos de deposicion constantes, conseguir elevadas orientaciones de fibras y un gramaje definido.

El velo de fibra formado en la cardadora tiene preferiblemente una alta orientacion longitudinal, de manera que en una asociacion del material de fibras (FKV) se puede conseguir una anisotropfa de las resistencias de la asociacion y/o resistencias de la asociacion, por ejemplo en un intervalo de 1:1,5 a 1:10.

La malla producida de acuerdo con la invencion se puede combinar con al menos otra capa funcional o de soporte y puede adaptarse, por lo tanto, a los mas diversos campos de aplicacion.

Un perfeccionamiento preferido del procedimiento de acuerdo con la invencion preve que cada una de las capas adyacentes y paralelas entre sf del velo de fibras se solape en sus zonas de borde. Una medida minima del solapamiento puede ser aqrn ya ventajosa. Con ello, se consigue una mejor asociacion de las capas individuales en las mallas de fibra cortada a producir.

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Tambien se puede utilizar un sujetador para evitar un estiraje del velo de fibra depositado en la zona del borde de la malla.

La solucion de acuerdo con la invencion posibilita una deposicion en angulo exacto de capas adyacentes paralelas del velo de fibra con velocidades de deposicion relativamente altas. La maquina de cardar y el dispositivo de revestimiento dispuesto a continuacion predeterminan, en virtud de su orientacion respecto a la cinta transportadora, un angulo exacto de la orientacion de las fibras. Si se depositan dos velos de fibras con dos maquinas de cardar de funcionamiento independiente y dispositivos de revestimiento en un angulo de 90° entre sf en dos posiciones y dos capas superpuestas en la cinta transportadora, se puede conseguir una malla de fibras cortadas isotropica con una orientacion definida de las fibras.

Las caractensticas mencionadas en las reivindicaciones subordinadas se refieren a perfeccionamientos preferidos de la solucion del problema de acuerdo con la invencion. Otras ventajas del procedimiento de acuerdo con la invencion resultan de la siguiente descripcion detallada.

La invencion se describira a continuacion mas detalladamente con ayuda de ejemplos de realizacion preferidos con referencia al dibujo adjunto.

Ejemplos

Ejemplo de realizacion 1:

Se produce un velo de fibras con una alta orientacion longitudinal de las fibras y un gramaje de 30 g/m2 en una maquina de cardar con 1 m de anchura de trabajo. Este velo de fibra se deposita con un dispositivo de revestimiento horizontal en una anchura de deposicion de 2 m sobre una cinta transportadora temporizada. En este caso, la cardadora esta dispuesta con el dispositivo de revestimiento dispuesto a continuacion en un angulo de +45° respecto a la direccion de extraccion de la cinta transportadora. Durante la deposicion de las fibras, la cinta transportadora esta parada. Despues de la deposicion de la anchura prevista (movimiento hacia delante del dispositivo de revestimiento), la cinta transportadora se mueve 0,7 m hacia delante. Despues se realiza otra vez la deposicion del velo de fibras (movimiento del dispositivo de revestimiento). De esta manera se puede producir una malla con una orientacion de las fibras de +45° y un gramaje de 60 g/irP.

Ejemplo de realizacion 2:

Con ayuda de 2 maquinas de cardar se producen 2 velos de fibras con alta orientacion longitudinal de las fibras, cada una con 1 m de anchura de trabajo. Los velos de fibras se depositan con los dispositivos de revestimiento horizontales en una anchura de deposicion de 3 m sobre una cinta transportadora temporizada. En este caso, las maquinas de cardar estan dispuestas con los dispositivos de revestimiento dispuestos a continuacion en un angulo de ± 45° respecto a la direccion de extraccion de la cinta transportadora. Durante la deposicion de las fibras la cinta transportadora esta parada. Despues de la deposicion a la anchura prevista (movimiento hacia delante del dispositivo de revestimiento) la cinta transportadora se mueve 0,7 m hacia delante. Despues tiene lugar de nuevo la deposicion del velo de fibras (movimiento de retorno del dispositivo de revestimiento). De esta manera se puede producir una malla con una orientacion de las fibras de ± 45° y un gramaje de 120 g/mP.

Lista de simbolos de referencia

1: Cinta transportadora

2: Cardadora 1

3: Dispositivo de revestimiento 1

4: Cardadora 2

5: Dispositivo de revestimiento 2

Claims

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REIVINDICACIONES

1. Procedimiento para la produccion continua de mallas de fibras cortadas con orientacion de las fibras dirigida, en el que las mallas son producidas mediante revestimiento continuo de velo de fibra cardado bajo angulos de deposicion definidos, caracterizado por que la deposicion del velo de fibras se realiza sobre una cinta transportadora temporizada, la cual esta parada durante la deposicion continua bajo el angulo predeterminado y se mueve una distancia definida (desplazamiento de deposicion) solo despues de la deposicion de la anchura de deposicion, y por que al menos una maquina de cardar (2, 4) que produce el velo de fibras y el dispositivo de revestimiento (3, 5) dispuesto a continuacion, mediante el cual tiene lugar la deposicion de fibras sobre la cinta transportadora (1) en un angulo agudo respecto al sentido de avance de la cinta transportadora temporizada.
2. Procedimiento segun la reivindicacion 1, caracterizado por que al menos una primera maquina de cardar (2) con un primer dispositivo de revestimiento (3) dispuesto a continuacion estan dispuestos bajo un primer angulo agudo previsto para la deposicion de fibras con respecto a la cinta transportadora (1) y al menos una segunda maquina de cardar (4) con un segundo dispositivo de revestimiento (5) dispuesto a continuacion estan dispuestos en un angulo agudo para la deposicion de fibras con respecto a la cinta transportadora, estando orientado este segundo angulo en angulo recto con respecto al primer angulo.
3. Procedimiento segun una de las reivindicaciones 1 o 2, caracterizado por que en cada caso en un movimiento hacia delante del dispositivo de revestimiento (3, 5), el velo de fibras se deposita sobre la cinta transportadora (1), despues, la cinta transportadora se mueve una distancia definida (desplazamiento de deposicion) y posteriormente, en un movimiento de retroceso del dispositivo de revestimiento tiene lugar nuevamente, con la cinta transportadora parada, una deposicion renovada del velo de fibras.
4. Procedimiento segun una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado por que el o los dispositivo de revestimiento (3, 5) se desplazan mas alla del borde de la cinta transportadora, por ejemplo en el momento en que esta inversion del movimiento mueve a la cinta transportadora (1) la distancia definida en la direccion de avance y tras la deposicion del velo de fibras se corta la zona de borde longitudinal de la malla.
5. Procedimiento segun una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por que como material de partida se emplea al menos un velo de fibras a base de una mezcla de fibras cortadas de diferente composicion y/o de propiedades diferentes, en particular que comprende fibras de refuerzo finitas y/o fibras de union, o por que se depositan al menos dos velos de fibras de diferente composicion y/o de propiedades diferentes, en particular que comprenden fibras de refuerzo finitas y/o fibras de union.
6. Procedimiento segun la reivindicacion 5, caracterizado por que las fibras de refuerzo presentan una longitud de 25 a 150 mm.
7. Procedimiento segun una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado por que el velo de fibras se trata posteriormente con agentes aglutinantes.
8. Procedimiento segun una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado por que se utiliza un velo de fibras a base de una mezcla definida de fibras de refuerzo y fibras de union con una alta orientacion longitudinal de las fibras.
9. Procedimiento segun una de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado por que posteriormente la malla se solidifica termicamente.
10. Procedimiento segun una de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado por que las mallas producidas de esta manera se combinan con al menos otra capa funcional o de soporte.
11. Procedimiento segun una de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizada por que en cada caso capas adyacentes del velo de fibras depositadas paralelamente entre sf, se solapan en sus zonas de los bordes.