ES2632927T3 - Método para producir un material mixto - Google Patents

Abstract

Un método para producir un material mixto de plástico reforzado con fibras, que comprende los pasos de: [a] poner en contacto una sustancia de matriz con una estructura de fibras de refuerzo para formar un material intermedio, [b] curar la sustancia de matriz del material intermedio para formar el material mixto, [c] mezclar la sustancia de matriz y el diluyente antes del paso [a] para formar una mezcla, y [d] durante el paso [b] separar el diluyente de la sustancia de matriz añadiendo energía al diluyente desde dentro del material intermedio, caracterizado por que la estructura de fibras de refuerzo se coloca en un molde durante al menos una parte de la puesta en práctica del paso [a], y por que durante la puesta en práctica del paso [a] se añade energía desde dentro del material intermedio para calentar porciones de la sustancia de matriz a una temperatura por debajo de una temperatura de ebullición del diluyente en la mezcla del material intermedio.

Description

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DESCRIPCION

Metodo para producir un material mixto Campo tecnico

La presente invencion se refiere a la produccion de materiales mixtos en general y, mas espedficamente, a la produccion de materiales mixtos que comprenden una matriz de plastico curado, tal como epoxi, reforzada con fibras de refuerzo, tales como fibras de carbon.

Antecedentes

En muchas construcciones, tales como aviones, buques, botes, automoviles deportivos, molinos de viento y palos de golf, es sumamente conveniente obtener construcciones de peso liviano, que tengan alta resistencia y rigidez. Con frecuencia, la seleccion del material para esas construcciones es cierta clase de material mixto, tal como plasticos reforzados con fibra (FRP). Los materiales FRP frecuentemente tienen una proporcion relativamente alta de resistencia a peso, y son relativamente resistentes a la fatiga y a la corrosion.

Se pueden combinar muchos tipos de plasticos y tipos de fibras para crear un FRP y las propiedades de material, tales como la resistencia y la elasticidad, dependen de la seleccion y la combinacion de matriz y material de refuerzo, respectivamente.

Un material FRP contiene un material de matriz que es el plastico, y un material de refuerzo, que es la fibra. Los tipos comunmente usados de fibras de refuerzo son: fibras de vidrio, fibras de aramida y fibras de carbon.

Las fibras de vidrio son fibras relativamente de bajo costo y se encuentran comunmente en los productos FRP, tales como cascos para botes de placer, para los cuales es de mayor importancia un precio bajo que una proporcion elevada de resistencia a peso.

Las fibras de carbon son mas costosas, por ejemplo, que las fibras de vidrio, pero ofrecen una mayor proporcion de resistencia a peso cuando se las usa en un material FRP.

No solamente la seleccion y la combinacion de matriz y materiales de refuerzo afecta a las propiedades materiales del material mixto. La experiencia en la tecnica muestra que tambien el metodo de produccion del material mixto, que incluye, por ejemplo, la combinacion de diferentes estructuras de refuerzo en diferentes capas, y el uso de moldes especiales, sistemas de vado y/o autoclaves, puede afectar a las propiedades materiales del material mixto.

Cuando se produce un material mixto no solamente es conveniente obtener buenas propiedades materiales, sino tambien con frecuencia es conveniente obtener una buena econoirna en la produccion.

Un factor que puede afectar a la econoirna de la produccion es la capacidad de la produccion, en terminos de cantidad de unidades producidas. Una cantidad elevada de unidades producidas permite distribuir los costos fijos de produccion entre un numero mayor de unidades. Otro factor que afecta a la econoirna de la produccion es la cantidad de costos fijos, tales como el costo de maquinaria costosa especial (por ejemplo, grandes hornos o autoclaves). Tambien los costos directos e indirectos del material y el efecto del desperdicio de material sobre los costos totales de produccion.

El documento WO 01/41993 A2 divulga un metodo para producir un material mixto. El metodo descrito es un intento por obtener un material mixto sin el uso de autoclaves grandes y costosas para eliminar los huecos en el material, y el metodo comprende los pasos de ensamblar una preforma de un material de refuerzo adecuado, en un molde; viscosificar la preforma con un viscosificador, en el molde; reducir al vado el volumen de la preforma con viscosificador; embolsar doblemente la preforma de volumen reducido con una bolsa interna y una bolsa externa, para controlar el relajamiento de la bolsa de control y mejorar la integridad del vado, e infundir resina en la preforma de volumen reducido, usando un proceso de moldeo por transferencia de resina, auxiliado con vado.

Sin embargo, el metodo divulgado en el documento WO 01/41993 A2 tiene desventajas, como el ser complejo para ponerlo en practica y el que de una proporcion de resistencia a peso relativamente baja.

Como antedecentes de la tecnica, se debe mencionar tambien la solicitud de patente de los Estados Unidos, considerablemente mas antigua, US-A-4.385.957, que reclama prioridad de la solicitud de patente alemana presentada en 1979. Los inventores de la US-A-4.385.957 han reconocido que, particularmente con relacion a la impregnacion de los componentes estructurales que tienen superficies grandes, por ejemplo, las aspas de rotor de los helicopteros y otros similares, o en relacion con componentes estructurales que tienen formas complicadas, es diffcil controlar apropiadamente el flujo de resina durante la inyeccion de la resina. Este problema de control de flujo, de acuerdo con los inventores de la US-A-4.385.957, se debe al hecho de que la temperatura de la resina, en cualquier sitio particular, determina la viscosidad de la resina y, de esa manera, tambien su capacidad de fluir. Una

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manera de solucionar el problema del control de flujo es usar moldes calentados, costosos y muy complicados. Otra manera de solucionar el problema del control de flujo es usar un metodo tal como el descrito en US-A-4.385.957, en el que se inyecta una resina en un alma de fibra de carbon que puede comprender una o varias capas de velo de fibra de carbon. La capacidad de fluir requerida de la resina y su curacion se alcanzan por una aplicacion de calor directamente a traves del alma de fibra de carbon, que se calienta haciendo pasar una corriente electrica a traves de las fibras de carbon. De esa manera, el alma de fibra de carbon opera directamente como una esterilla calefactora electrica interna en el componente estructural.

Es otro objetivo de la US-A-4.385.957 proveer un metodo para fabricar componentes o estructuras con un compuesto de fibra, de cualquier tamano y/o forma, sin necesidad de moldes calentados costosos y con consumo reducido de energfa, en comparacion con el uso de moldes calentados.

De acuerdo con el metodo divulgado, se alimenta corriente electrica a traves de un alma de fibra de carbon, a fin de generar una temperatura de curacion de la resina. El documento US-A-4.385.957 sugiere tambien controlar la fuerza de la corriente electrica, de manera que sea diferente en diferentes areas del alma, con lo que se puede adaptar la intensidad del calentamiento al area particular o configuracion particular del alma. Se usa un molde electricamente conductor, no calentado, para definir la forma del componente FRP y se usa un alma de fibra de vidrio para aislar el alma de fibra de carbon, del molde conductor.

Las desventajas del metodo del documento US-A-4.385.957 son que el metodo da materiales que tienen baja durabilidad con respecto a tensiones repetidas y tension de largo plazo, y una proporcion relativamente baja de resistencia a peso.

Mas antecedentes de la tecnica se encuentra descritos en los documentos EP 1724306 A1, US-A-4.486.494 EP 0371907, US-A-5.942.182, US A1-2005.133.956, US-A-5.518.385, US-A1-2004.150.130, EP-A-0.223.061, JP-A- 08.132.536, JP-A-2001.072.783 y JP-A-2005.225993.

Sumario

Los inventores de la presente invencion creen que muchas industrias, tales como las industrias de la aviacion y la automotriz se beneficianan con mejores materiales, que tuvieran una proporcion mayor de resistencia a peso y mejor durabilidad con respecto a tensiones repetidas y tension de larga duracion. Por ejemplo, dichos materiales permitinan la produccion en masa de vehnculos mas ligeros, lo que dana por resultado, efectivamente, menor consumo de energfa y menor impacto ambiental provocado por dichos vehnculos.

Tambien creen los inventores de la presente invencion que es necesario un metodo de costo competitivo para la produccion de tales materiales, a fin de hacer disponibles los materiales mixtos tambien para areas de uso en las que el costo del material controla en gran medida la seleccion del material, tal como en la industria automotriz.

Se debe entender que cualquier mejora en la proporcion de resistencia a peso y en la durabilidad de un material usado en construcciones de vehnculos, conducina a un peso total disminuido del vehnculo. Por ejemplo, en un automovil, esto permitina reducir las dimensiones de varios componentes del vehnculo, tales como el motor, la trasmision, los frenos, la batena, etc., lo que, a su vez, permitina reducir adicionalmente las dimensiones de la construccion del material mixto, lo que conducina a circuitos adicionales de ahorros de material, ahorros de costo y ahorros ambientales.

Por ende, es un objetivo de la invencion proveer un metodo novedoso para producir un material mixto de plastico reforzado con fibra, que sea mejorado con respecto a los metodos de la tecnica anterior, del tipo discutido en lo que antecede.

Es un objetivo particular de la invencion proveer un metodo de costo competitivo, para producir un material mixto de plastico reforzado con fibra, mejorado, que tenga una proporcion elevada de resistencia a peso y gran durabilidad, con relacion a tension de larga duracion y tensiones repetidas.

Estos objetivos y otros que apareceran de la descripcion que sigue, se han obtenido mediante un metodo de acuerdo con la presente invencion, tal como se define en la reivindicacion 1. Los aspectos preferidos del metodo estan expuestos en las reivindicaciones dependientes relacionadas.

El metodo comprende un paso de poner en contacto una sustancia matriz plastica con una estructura de fibra de refuerzo para formar un material intermedio. Adicionalmente, el metodo comprende un paso de curar la sustancia de matriz del material intermedio para formar un material mixto.

Se debe interpretar el material intermedio como el material mixto antes de la curacion total.

Antes que se ponga en contacto la sustancia de matriz plastica con la estructura de fibra de refuerzo, se mezcla con un diluyente para formar una mezcla. Durante la curacion de la sustancia de matriz, se separa el diluyente de la

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sustancia de matriz. Dicho metodo tiene varias ventajas con respecto a los metodos de la tecnica anterior, tales como que permite la produccion de materiales mixtos con fibra que tienen una fraccion volumetrica alta de fibra con una proporcion elevada de resistencia a peso. Otra ventaja es que la sustancia de matriz estara sustancialmente libre de huecos internos; lo que, a su vez, da por resultado un riesgo reducido de fallas del material. Otra ventaja es que la sustancia de matriz humectara perfectamente la estructura de fibra de refuerzo y se adherira muy bien a las fibras de refuerzo, lo que conduce efectivamente a una resistencia total elevada del material, una resistencia interlaminar elevada (si se produce un laminado) y gran durabilidad con respecto a las tensiones de larga duracion y las tensiones repetidas.

La separacion del diluyente de la sustancia de matriz se efectua anadiendo energfa al diluyente desde dentro del material intermedio. Al hacerlo asf permite que se acorte el proceso de separacion, permitiendo de esa manera ciclos mas cortos de produccion, mayor cantidad de unidades en la produccion y en total, una mejor econoirna de la produccion. Adicionalmente, de esa manera, se controlara bien el proceso de separacion, de manera que el gas diluyente sea expulsado de la sustancia de matriz antes que gelifique la sustancia de matriz o se cure por completo, reduciendo de manera efectiva el riesgo de que haya bolsas de gas en la sustancia de matriz curada. Ademas, se puede acelerar el proceso de curacion, donde el numero de unidades producidas se puede incrementar y donde se disminuye cualquier necesidad de curacion posterior en horno, o se elimina por completo. Los ahorros de tiempo pueden conducir a un tiempo menor en el mercado, algunas veces esto puede ser valioso para proyectos con tiempo cntico, tales como en las industrias automotriz, de aviacion, de artfculos deportivos o de productos marinos, en las que los retardos en la produccion pueden ser extremadamente costosos. Ademas, puesto que se obtiene el calentamiento desde dentro del material de matriz, no hay necesidad de moldes calentados, lo que conduce a menores costos de molde, ciclos de produccion mas cortos y menor consumo de energfa (sin que se requiera de calentamiento y enfriamiento de moldes pesados).

De acuerdo con una modalidad, la estructura de fibra de refuerzo comprende fibras electricamente conductoras y la adicion de energfa, por lo menos en parte, se lleva a cabo conduciendo corriente electrica a traves de esas fibras electricamente conductoras. Una ventaja de esto es que es facil controlar donde se introduce en la sustancia de matriz la energfa, lo que posibilita variar la adicion de energfa de acuerdo con el espesor variable del material que se va a producir y, por lo tanto, hay un mejor control de la evaporacion del diluyente en la totalidad del material. Otra ventaja es que el equipo usado para alimentar energfa a las fibras de refuerzo es de costo relativamente bajo y que se pueden producir formas complejas con control sostenido del sitio en que se anade la energfa. Tambien se puede anadir facilmente mucha energfa a la sustancia de matriz, con lo que se posibilita el aceleramiento del proceso de separacion. Tambien, puesto que se provee la energfa anadida con una eficiencia muy elevada de la energfa, se puede reducir la cantidad total de energfa necesaria para producir el material mixto.

En una modalidad, la adicion de energfa, por lo menos en parte, se efectua ejerciendo microondas en el material intermedio. Al hacerlo se posibilita anadir facilmente la energfa en la sustancia de matriz, que no comprende fibras conductoras o que no esta cercana a ellas. Ademas, aporta la ventaja de que se puede efectuar la adicion de energfa concentrada localmente de una manera sencilla, permitiendo de esa manera la produccion facil de partes con espesor que vana mucho. Tambien esta manera de anadir energfa puede ser combinada facilmente con otros tipos de adicion de energfa, tales como el uso mencionado antes de calentamiento por resistencia de las fibras electricamente conductoras. Otra ventaja de usar microondas es que la energfa introducida usando microondas tiene un grado mayor de absorcion por porciones del material intermedio que tengan un porcentaje mayor de diluyente, y viceversa, donde la energfa anadida se concentra en las porciones del material intermedio en las que actua para promover la separacion de diluyente de la sustancia de matriz, en lugar de promover la curacion.

En otra modalidad, se lleva a cabo, al menos parcialmente, la adicion de energfa, ejerciendo ondas sonoras en el material intermedio. Al hacer esto se posibilita obtener la adicion de energfa de una manera relativamente facil, usando equipo de costo relativamente bajo.

Adicionalmente, de acuerdo con una modalidad, se produce el material intermedio antes de ser colocado en un molde para la separacion del diluyente y la sustancia de matriz. Esto tiene la ventaja de que se puede poner en contacto la sustancia de matriz con la estructura de fibra de refuerzo sin tardar tiempo valioso en moldes costosos.

La estructura de fibra de refuerzo puede ser colocada en un molde, antes de que se ponga en contacto la sustancia de matriz con la estructura de fibra de refuerzo. Una ventaja de dicho metodo es que se pueden mantener las fibras de refuerzo separadas de la sustancia de matriz hasta el momento del moldeo, donde el riesgo de desperdicio de material debido al anejamiento del material de entrada se reduce y donde el almacenamiento del material de entrada no requiere de ambientes especiales, tales como los enfriadores o congeladores costosos y consumidores de energfa.

Lo descrito arriba, en lo que se coloca la estructura de fibra de refuerzo en un molde antes de que se ponga en contacto la sustancia de matriz con la estructura de fibra de refuerzo, en algunos aspectos, se podna combinar con uno o mas de los aspectos mencionados previamente de anadir energfa al diluyente. De esa manera puede ser posible usar moldes no calentados y tambien simplificar el proceso de produccion, manteniendo el material

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intermedio en el mismo molde durante la adicion de la mezcla y durante la separacion del diluyente y la sustancia de matriz.

En un metodo, cuando se pone en contacto la sustancia plastica de matriz con la estructura de fibra de refuerzo, puede ser anadida ene^a desde dentro del material intermedio para calentar porciones de la sustancia de matriz por debajo de una temperatura de ebullicion del diluyente que hay en la mezcla del material intermedio. Una ventaja de este metodo es que, durante la adicion de la sustancia de matriz diluida a la estructura de fibra de refuerzo, la viscosidad del fluido introducido en la estructura de fibra de refuerzo disminuye de manera que la sustancia de materia permea mas facilmente y humecta mejor la estructura de fibra. Ademas, la evaporacion sustancial del diluyente no es promovida durante la introduccion de la sustancia de matriz en la estructura de fibra de refuerzo, de manera que la mayor parte del diluyente permanece en la sustancia de matriz durante la introduccion de la sustancia de matriz para actuar de esa manera en disminuir la viscosidad de la mezcla. De esta manera se puede acelerar adicionalmente el proceso de produccion y se puede promocionar adicionalmente la humectacion de la estructura de refuerzo.

Ademas, puede proveerse una baja presion en el molde, por lo menos durante un periodo de tiempo en el que se pone en contacto la sustancia de matriz con una estructura de fibra de refuerzo. Esto aporta la ventaja de que la sustancia de matriz permea mas facilmente y humecta la estructura de fibra de refuerzo, lo que lleva a ahorros en el tiempo de produccion y a propiedades mejoradas del material, debido a un riesgo reducido de que se formen bolsas de gas y huecos.

Tambien se puede proveer en el molde una atmosfera similar al vado, por lo menos durante un periodo de tiempo en el que la mezcla es puesta en contacto con una estructura de fibras de refuerzo. Una ventaja de esto es que la sustancia de matriz permea todavfa mas facilmente y humecta la estructura de fibra de refuerzo, lo que lleva a mas ahorros de tiempo y a propiedades de material mejoradas adicionalmente, debido a un riesgo disminuido de que se formen bolsas de gas y huecos.

Incluso, ademas, se puede poner en contacto la mezcla con la estructura de fibra de refuerzo llevando a cabo la inyeccion a exceso de presion de la sustancia de matriz dentro de la estructura de fibra de refuerzo. Al hacerlo se acelera adicionalmente el proceso de produccion, se promueve una adherencia mejor entre las fibras y la sustancia de matriz y, de ser posible, se promueve una permeacion mas perfecta y una mejor humectacion de las fibras, puesto que la sustancia de matriz a presion empuja el gas a las areas de menor presion.

Puede proveerse una baja presion en el molde durante dicha separacion del diluyente de la sustancia de matriz. El hacerlo promueve la evacuacion del gas diluyente evaporado y de esa manera reduce el riesgo de que queden huecos y/o bolsas de gas en el material mixto.

Una o mas de las superficies de cavidad de molde del molde pueden estar hechas de un material sustancialmente aislante del calor, con lo que se facilita mas el control de la temperatura de los contenidos del molde, al controlar la adicion de energfa a la sustancia de matriz desde dentro del material intermedio, puesto que se transfiere menos calor al molde, en comparacion con que se hubieran usado moldes conductores de calor. Tambien puede ser posible acortar el tiempo de calentamiento de la sustancia de matriz, lo que conduce a una mayor produccion.

Adicionalmente se pueden hacer una o mas superficies de la cavidad de molde del molde, de un material sustancialmente aislante electricamente, con lo que se posibilita el uso de calentamiento por resistencia de las fibras de refuerzo electricamente conductoras, sin necesidad de una estructura aislante separada, tal como un alma de fibra de vidrio para aislar las fibras conductoras de las superficies electricamente conductoras de la cavidad de molde. Una ventaja de esto es que se obtiene un acabado superficial mas uniforme y mas atractivo visualmente del material mixto moldeado, en comparacion a cuando se han usado estructuras aislantes separadas, tales como almas de fibra de vidrio, entre el material intermedio y las superficies de la cavidad de molde.

Adicionalmente, el molde puede estar hecho sustancialmente de plastico, tal como uno o mas de polioximetileno, politetrafluoroetileno y tereftalato de polietileno. Usando dichos moldes, se tiene la ventaja de que el tiempo requerido para la produccion del molde puede ser disminuido, en comparacion con la produccion de moldes metalicos. Tambien se puede mantener bajo el costo de herramientas del molde y el costo del molde se puede mantener bajo. Adicionalmente, el uso del material plastico para el molde permite la modificacion facil de la geometna el molde, en comparacion con el uso de moldes metalicos convencionales. Los plasticos nombrados proveen todos diversas caractensticas ventajosas, tales como el tener baja friccion, buena capacidad de mecanizado, buena resistencia a temperaturas elevadas, acabado superficial fino y/o bajo precio. Otra ventaja de usar moldes plasticos en lugar de moldes metalicos es que no tiene que usarse un agente soltador de molde en las superficies del molde, para promover la separacion facil del material mixto del molde.

El diluyente puede ser un diluyente sustancialmente no reactivo a la sustancia de matriz. Esto lleva la ventaja de que la mayor parte del diluyente no reaccionara con la sustancia de matriz y, por consiguiente, puede ser eliminado de la sustancia de matriz por medio de la evaporacion o por cualquier otro medio de eliminacion.

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Adicionalmente, el diluyente puede ser un alcohol, seleccionado del grupo de: metanol, etanol, propanol, butanol, pentanol, hexanol y heptanol, donde la sustancia de matriz es un epoxi. Dicha combinacion de sustancia de matriz y diluyente provee buena posibilidad de dilucion. Ademas, provee un control bueno de evaporacion del diluyente en una escala de temperature en la que la curacion de la sustancia de matriz no es demasiado rapida para permitir que el gas evaporado salga del material intermedio. Ademas, el diluyente es sustancialmente no reactivo al epoxi. Una vez curado, el epoxi provee una union de alta resistencia entre las fibras de refuerzo.

La mezcla puede comprender entre 1 y 70 por ciento de diluyente, en volumen. Al tener dicha cantidad de diluyente se provee la creacion de una mezcla de baja viscosidad, lo que facilita anadir la sustancia de matriz a las fibras, y tambien provee una mezcla que tiene una cantidad adecuada de encogimiento durante la evaporacion, de manera que sustancialmente ninguna porcion de la estructura de refuerzo termina sin sustancia de matriz, y esto de manera que no aparecen sustancialmente grietas en la sustancia de matriz durante la gelificacion y despues, provocadas por el encogimiento de la sustancia de matriz y la mezcla.

La estructura de fibra de refuerzo puede tener un contenido de fibra de carbon de por lo menos 30 por ciento en peso de la estructura de fibra de refuerzo. Al tener por lo menos dicho contenido de fibra de carbon, se hace posible tambien que se pueda obtener un calentamiento perfecto de la totalidad del material mixto al calentar por resistencia las fibras de carbon del material de refuerzo.

Se podnan usar los metodos mencionados arriba para producir materiales mixtos de plastico reforzado con fibra, de alta calidad, que tengan fracciones volumetricas de fibra extremadamente altas, en comparacion con lo que es teoricamente posible para la estructura de seleccion de fibra de refuerzo respectiva. Los resultados alcanzados usando el metodo de acuerdo con la invencion dan resultados que hasta ahora todavfa no hadan sido logrados utilizando la tecnologfa de la tecnica anterior, por lo menos no en dicha manera de bajo costo, flexible y de tiempo eficiente.

En un aspecto, se puede proveer un material mixto de plastico reforzado con fibra, obtenido mediante cualquiera de los aspectos descritos en lo que antecede.

En otro aspecto se puede proveer un material mixto de plastico reforzado con fibra. El material comprende una estructura de fibra de refuerzo y una sustancia de matriz. La estructura de fibra de refuerzo comprende una pluralidad de fibras de refuerzo y la sustancia de matriz esta distribuida en la estructura de fibras de refuerzo para actuar como una union entre las fibras de la estructura de fibras de refuerzo. Adicionalmente, el material mixto de plastico reforzado con fibras tiene una fraccion volumetrica de fibras (FVF) que es mayor que 65 por ciento.

En otro aspecto, el material mixto de plastico reforzado con fibras puede tener una FVF/Tmax de mas del 80 por ciento. Dicho material tiene la ventaja de que el material mixto obtenido es un conductor electrico muy bueno, que hace que el material sea adecuado para uso en aplicaciones de tecnologfa de sigilo. Otra ventaja adicional de ese material es que es buen conductor del calor, lo que hace al material menos sensible al calentamiento local, lo que de otra manera podna danar el material de matriz.

Tambien se puede proveer un sistema para poner en practica un metodo en un aspecto de la invencion. El sistema comprende un molde cerrable, un dispositivo de alimentacion de energfa, un recipiente de sustancia de matriz, un recipiente de diluyente, un recipiente de agente curador y una o mas bombas, configuradas para alimentar fluido desde los recipientes a un medidor de mezcla. Ademas, el sistema comprende una prensa de molde y un sistema de vado. La prensa de molde puede ser una prensa hidraulica.

Dicho sistema permite la produccion eficiente de materiales mixtos de alto desempeno, tales como los que se han mencionado en lo que antecede.

Descripcion de los dibujos

Se describiran en lo que sigue las realizaciones de la invencion haciendo referencia a los dibujos anexos.

La figura 1 muestra un ejemplo de un sistema para llevar a cabo un metodo de acuerdo con una realizacion de la invencion.

La figura 2 muestra una seccion transversal de una porcion de una estructura de fibra de refuerzo, de fibras unidireccionales.

Descripcion detallada

Un metodo de acuerdo con la invencion esta destinado primariamente para uso cuando se producen materiales mixtos de fibra de carbon, de alto rendimiento, aunque son factibles otros usos. Dichos materiales son especialmente utiles en aplicaciones demandantes, tales como naves espaciales, satelites, aviones, buques, botes, automoviles deportivos, molinos de viento y palos de golf, donde es sumamente conveniente obtener construcciones de peso ligero que tengan alta resistencia y rigidez. En lo que sigue, se describira dicho metodo.

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Metodo general

En resumen, el metodo de acuerdo con un aspecto de la invencion comprende los pasos de:

mezclar una sustancia de matriz y un diluyente para formar una mezcla; poner en contacto la mezcla con una estructura de fibra de refuerzo; y

separar el diluyente de la sustancia de matriz durante la curacion de la sustancia de matriz para formar un material mixto reforzado con fibra.

En el metodo, puede ser mezclada una sustancia de matriz plastica, tal como una resina epoxi o una resina poliester, con un diluyente adecuado, tal como etanol, para formar una mezcla. Luego se lleva la mezcla hasta contacto con una estructura de fibra de refuerzo, tal como un alma de fibra de carbon, para formar un material intermedio. Posteriormente se separa el diluyente de la sustancia de matriz, por ejemplo, por evaporacion del diluyente, mientras que la sustancia de matriz se cura para formar un material mixto de plastico reforzado con fibra.

Se debe entender que el termino “sustancia de matriz” se refiere a la sustancia de matriz independientemente de en que fase este el material. Por ejemplo, en el caso de la sustancia de matriz que se dice que es un epoxi, esto significa que el termino sustancia de matriz puede ser usado para describir la resina sin curar, la resina semicurada y tambien la resina curada, dependiendo del contexto, si no se senala de otra manera en forma explfcita.

Tambien se debe entender que la frase “material intermedio” no debe confundirse con “preforma en bruto”. Dentro del contexto de esta memoria descriptiva, la frase “material intermedio” se usa para hacer referencia a la composicion de resina, diluyente y fibras de refuerzo, antes de que la resina haya curado. Despues que la resina ha curado totalmente, la composicion de resina y fibra de refuerzo se denomina mas bien “material mixto plastico reforzado con fibra” o simplemente “un producto plastico reforzado con fibra”.

Si se usa demasiado diluyente, hay el riesgo incrementado de obtener porciones de la estructura de fibra de refuerzo que carezcan de sustancia de matriz. Si se usa demasiado poco diluyente, hay el riesgo incrementado de tener porciones de la estructura de fibra de refuerzo a las que no ha podido llegar la mezcla y que, por lo tanto, quedan completamente sin sustancia de matriz.

En el metodo de la invencion, la distribucion de la sustancia de matriz en la estructura de fibra se facilita diluyendo la sustancia de matriz con un diluyente para formar una mezcla y luego distribuir la mezcla en la estructura de fibra de refuerzo. Es mas facil de distribuir la mezcla en la estructura de fibra de refuerzo que si se dejara la sustancia de matriz por sf misma. Por consiguiente, la sustancia de matriz puede ser anadida facilmente a sustancialmente todas las superficies de fibra en la estructura de fibra de refuerzo, e incluso a los espacios pequenos formados entre las fibras.

La cantidad de sustancia de matriz necesaria para obtener una union fuerte y durable entre las fibras de la estructura de fibra de refuerzo depende de lo cerca que puede ponerse cada fibra de las otras en la estructura de fibra de refuerzo lo que, a su vez, define la cantidad de sustancia de matriz necesaria para cubrir las separaciones entre las fibras y adherirse bien a las superficies de las fibras. El diametro de las fibras y la disposicion de las fibras en la estructura de fibra de refuerzo definen finalmente como pueden quedan de cerca las fibras de refuerzo unas con respecto a las otras, cuanto se pueden doblar y, por lo tanto, tambien cuanto se puede compactar la fibra de refuerzo. Por ejemplo, una estructura de refuerzo de fibras paralelas puede tenerlas muy cerca unas de otras; mientras que las fibras en una esterilla de fibras dispuestas aleatoriamente puede no llevarlas tan cerca unas de otras, vease la figura 2.

Especialmente cuando se usan varias capas de tela de fibra de refuerzo, tejida densamente, en la estructura de fibra de refuerzo, no senan utiles los metodos de la tecnica anterior para aplicar la resina a la estructura de fibra de refuerzo, puesto que es casi imposible hacer que la resina permee perfectamente la estructura de fibra, por lo menos en un tiempo razonable, usando los metodos de la tecnica anterior.

Preparacion de la sustancia de matriz

Se debe entender que es necesario un agente curador a fin de provocar la curacion de la sustancia de matriz y de preferencia se mezcla el agente curador con la sustancia de matriz antes de llevar la mezcla a la estructura de refuerzo. Una razon de esto es el hecho de que es mas facil distribuir uniformemente y mezclar el agente curador en la matriz antes de que se haya puesto en contacto la sustancia de matriz con la estructura de fibra de refuerzo. La cantidad de agente curador que se va a anadir es determinada por una especificacion dada tfpicamente por el fabricante de la sustancia de matriz.

Un mezclado perfecto y uniforme de la sustancia de matriz y el agente curador promueven la curacion satisfactoria de todas las partes de la sustancia de matriz, puesto que todas las partes de la matriz contendran la cantidad correcta de agente curador para completar la curacion, y puesto que ninguna parte de la sustancia de matriz contendra demasiado o muy poco agente curador. Si esta presente demasiado agente curador en la sustancia de

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matriz, el exceso de agente curador podna no reaccionar y, por lo tanto, puede permanecer como Kquido en el material de matriz, disminuyendo posiblemente la resistencia y/o la durabilidad del material mixto. De igual manera, si alguna parte de la sustancia de matriz tiene muy poca cantidad de agente curador, esa parte de la sustancia de matriz no curara apropiadamente, con lo que probablemente disminuira la resistencia y/o la durabilidad del material mixto.

Un mezclado perfecto y uniforme promueve ademas la curacion pareja de la sustancia de matriz. Esto, a su vez, hace mas facil controlar el proceso de poner en contacto la sustancia de matriz con las fibras de refuerzo, puesto que la viscosidad de la sustancia de matriz en la mezcla es sustancialmente pareja por toda la mezcla.

De preferencia se completa la distribucion de la mezcla en la estructura de fibra de refuerzo antes de que comience la gelificacion de la sustancia de matriz. Cuanto mas avance el proceso de gelificacion, se volvera mas espesa la sustancia de matriz y sera mayor el riesgo de que se formen grietas en la sustancia de matriz. De preferencia, la gelificacion solo ocurre despues que se ha distribuido la mezcla por toda la estructura de fibra de refuerzo.

Se debe mencionar que la velocidad de curacion de las sustancias de matriz vana mucho y que algunas sustancias de matriz curaran muy lentamente o no curaran del todo, si se mantienen a cierta temperatura.

Con frecuencia la mezcla comprende entre 2 y 15 por ciento de diluyente, en volumen, pero son posibles cantidades hasta por lo menos 70 por ciento, y ayudan a disminuir la viscosidad de la mezcla. Cuando se provee una cantidad alta de diluyente en la mezcla, se genera mucho gas durante la evaporacion del diluyente y, por lo tanto, se debe proveer un sistema de ventilacion adecuadamente dimensionado para ocuparse del gas evaporado. En tanto que la viscosidad de la mezcla sea suficientemente baja para permitir la buena humectacion de la estructura de fibra, la cantidad de diluyente debe mantenerse baja, por ejemplo, a fin de evitar el desperdicio de diluyente y evitar la necesidad de ventilacion innecesaria.

Preparacion de la mezcla

Al escoger un diluyente, se escoge uno que tenga una viscosidad menor que la sustancia de matriz, de manera que la mezcla de ellos obtenga una viscosidad menor que la que tema inicialmente la sustancia de matriz. Ademas, frecuentemente es sano escoger un diluyente que sustancialmente no reaccione con la sustancia de matriz, de modo que se pueda separar tanto diluyente como sea posible de la sustancia de matriz, antes de que se cure totalmente. Sin embargo, se debe entender que tambien se podna usar un diluyente reactivo, siempre y cuando reaccione de manera relativamente lenta y se separe de la sustancia de matriz antes de que haya tenido tiempo de reaccionar una cantidad sustancial de diluyente con la sustancia de matriz, o con cualquier otro aditivo, tal como un agente curador, una carga, un tinte, un pigmento u otros similares.

Una mezcla de diluyente y sustancia de matriz tiene una tension superficial relativamente baja, en comparacion con una sustancia de matriz no diluida. Asf, el angulo de contacto entre la mezcla y cada fibra de refuerzo respectiva disminuye, en comparacion con la sustancia de matriz no diluida. Esto tiene la ventaja de que la mezcla se adapta de manera relativamente facil a geometnas complejas de la estructura de fibra, y las sigue, de modo que las fibras se humecten perfectamente por la sustancia de matriz durante la distribucion de la mezcla en la estructura de fibra de refuerzo.

Adicion de la mezcla a la estructura de fibra de refuerzo

Hay muchas maneras de poner en contacto la mezcla con la estructura de fibra de refuerzo, y algunas de ellas se pueden combinar a fin de que, por ejemplo, se obtenga una distribucion mas uniforme de la mezcla en la estructura de refuerzo. Una distribucion uniforme significa que todas las partes de la estructura de refuerzo se humecten con la mezcla y tambien que los pequenos espacios diffciles de alcanzar, entre las fibras, se llenen con la mezcla, y de esa manera con la sustancia de matriz (suponiendo que la sustancia de matriz estaba distribuida uniformemente en la mezcla durante la distribucion de la mezcla en la estructura de fibra de refuerzo).

Puede anadirse manualmente la mezcla a la estructura de fibra de refuerzo, tal como mediante el uso de una brocha o simplemente vertiendo la mezcla sobre la estructura de fibra de refuerzo. Tales metodos de aplicacion manual se llevan a cabo, la mayona de las veces, usando un molde o similar. Si se usa un molde o similar, para contener la estructura de fibra de refuerzo durante la aplicacion, de preferencia dicho molde es un molde abierto, de manera que se pueda efectuar la aplicacion manual con la estructura de fibra de refuerzo colocada en el molde.

Puede ponerse en contacto una mezcla adicional con la estructura de fibra de refuerzo usando la accion capilar de las fibras. Frecuentemente la estructura de fibra tiene miles, algunas veces millones, de filamentos individuales de fibra, que actuan juntos mediante accion capilar, para promover el desplazamiento del lfquido de baja viscosidad en contacto con las fibras. Cuando se suministra la mezcla a la estructura de fibra de refuerzo, la accion capilar succiona la mezcla una y otra vez a traves de la estructura de fibra de refuerzo, donde se puede obtener una permeacion total de la estructura de fibra de refuerzo. La influencia de la accion capilar es mas fuerte en la mezcla de lo que habna sido en la sustancia de matriz sola.

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Mas aun, la estructura de fibra de refuerzo se coloca en un molde cerrable, donde se inyecta la mezcla en el molde usando presion elevada.

Aqm, un molde cerrable es un molde que puede ser cerrado, de manera que la presion dentro de la cavidad o las cavidades del molde, se pueda controlar. Se debe entender que un molde cerrable puede tener portillos de entrada y portillos de salida y, sin embargo, se considera cerrable. Un portillo de entrada, por ejemplo, puede ser un portillo para la inyeccion de resina, a traves del cual se puede introducir en el molde una resina u otra sustancia de matriz. Un portillo de salida, por ejemplo, puede ser un portillo al que esta conectada una bomba de vado o un sistema de vado para crear baja presion o vado dentro del molde.

Una bomba de vado u otra bomba capaz de crear una baja presion puede estar conectada al portillo de salida del molde cerrable, de manera que se pueda proveer una baja presion alrededor de las fibras de refuerzo que estan dentro del molde. De esa manera se elimina el gas de alrededor de la estructura de la fibra de refuerzo, de manera que la mezcla pueda humectar mas facilmente la estructura. Cuando se provee una baja presion en el molde, se incrementa el diferencial de presion entre la mezcla suministrada y la mezcla adicionalmente distribuida a la estructura de fibra de refuerzo, donde se distribuye mas facilmente la mezcla en la estructura de fibra de refuerzo y humecta mejor las fibras.

Puede ser usada la inyeccion de la mezcla a alta presion junto con la creacion de una baja presion dentro del molde a fin de mejorar la humectacion y disminuir el tiempo necesario para humectar perfectamente las fibras.

Separacion del diluyente y la sustancia de matriz

Una vez que se ha distribuido suficiente mezcla en la estructura de fibra de refuerzo para permear totalmente la estructura de fibra, se puede promover activamente la separacion del diluyente y la sustancia de matriz, por ejemplo, anadiendo energfa al diluyente desde dentro del material intermedio.

De preferencia se separa el diluyente de la sustancia de matriz por medio de la evaporacion del diluyente, aunque se debe entender que se podna usar cualquier otro medio para eliminar el diluyente, tal como dejando que reaccione con otra sustancia o gas, y luego eliminando la sustancia o gas resultantes.

Una ventaja de la separacion del diluyente y la sustancia de matriz es que se compacta la estructura de fibra de refuerzo cuando se separa el diluyente y se elimina del material intermedio, puesto que la mezcla encoge. Esta es una manera muy efectiva de obtener un material mixto compacto con una fraccion volumetrica elevada de fibra.

Cuando se evapora el diluyente, lo hace a traves de la sustancia de matriz lfquida o a traves de huecos microscopicos o de bolsas de gas en la estructura interna compleja del material intermedio.

Si hay una cantidad elevada de sustancia de matriz gelificada, altamente viscosa, en comparacion con la sustancia de matriz lfquida, el diluyente evaporado puede tener que pasar la sustancia de matriz gelificada en su salida del material intermedio, donde hay un riesgo incrementado de que se formen grietas en la sustancia de matriz gelificada. Puesto que dichas grietas pueden permanecer en el material mixto final, es conveniente evitarlas, evaporando tanto diluyente como sea posible antes de que la sustancia de matriz circundante gelifique o cure.

A fin de evaporar el diluyente, o por lo menos una porcion del diluyente, de preferencia dicha porcion recibe suficiente energfa para que alcance una temperatura a la que pueda comenzar a evaporarse a la presion actual circundante de dicha porcion. Una presion circundante menor baja la temperatura necesaria para la evaporacion, y viceversa. Posteriormente, se tiene que anadir mas energfa a fin de que dicha porcion de diluyente se evapore.

Se debe entender que no todo el diluyente se evapora de una vez a traves de la mezcla, y que el proceso de evaporacion es un proceso gradual.

Por consiguiente, una vez que la temperatura de por lo menos una porcion del diluyente ha alcanzado la temperatura a la que puede comenzar a evaporarse a la presion actual circundante, el diluyente puede ser llevado a evaporarse usando energfa del gas circundante, del material lfquido o solido, tal como un gas circundante, las fibras de refuerzo o la sustancia de matriz.

Se debe entender ademas que hay un equilibrio de energfa entre la porcion del diluyente y sus fluidos o solidos circundantes, que previene efectivamente la elevacion rapida de la temperatura del diluyente y sus sustancias circundantes durante la evaporacion del diluyente. Aqm, si la estructura de fibra de refuerzo comprende fibras que sean buenas conductoras de calor, tales como fibras de carbon, estas fibras ayudaran a la distribucion del calor por la totalidad del material intermedio, extendiendo adicionalmente de esa manera el efecto de equilibrio de energfa que el diluyente tiene durante el cambio de estado entre la fase lfquida y la fase gaseosa. El efecto de equilibrio de energfa ayuda a mantener uniforme la temperatura en la mezcla durante la evaporacion del diluyente, cuando, despues de que la temperatura de las porciones de la sustancia de matriz ya no estan rodeadas por diluyente,

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puede alcanzar mas facilmente la temperatura y, por tanto, puede gelificar mas facil y rapidamente y curar para formar el material mixto.

A fin de acelerar la evaporacion del diluyente, se puede anadir energfa directamente a una porcion del diluyente o, indirectamente, a traves de sustancias circundantes, tal como a traves de fibras circundantes o sustancia de matriz.

Se debe entender que los moldes calentados convencionales son medios inadecuados para anadir energfa al diluyente, puesto que el diluyente cercano a las superficies de la cavidad se evaporana primero y formana volumenes de gas que senan forzados a salir de las superficies de la cavidad de molde y hacia la mezcla en forma lfquida o de gel, lo que muchas veces da por resultado burbujas y bolsas de gas que posteriormente permaneceran en el plastico curado. Tambien el calor de las superficies de la cavidad de molde acelerana primero el proceso de curacion de la sustancia de matriz cerca de las superficies de la cavidad de molde, donde se formana una capa exterior o “costra” de sustancia de matriz en forma de gel, o solida, alrededor del material intermedio, de modo que el diluyente quedana atrapado dentro del material mixto y, posiblemente, formana bolsas de gas adicionales dentro del material mixto, cuando se anada energfa adicional. En un escenario del caso peor, dicho diluyente atrapado provocana tension interna cuando se caliente el material mixto y conducina a la formacion de grietas y a la falla del material. Esos problemas se evitan usando los metodos.

Adicionalmente, puede promoverse la separacion del diluyente y la sustancia de matriz anadiendo energfa desde dentro del material intermedio. Esto tiene la ventaja de que el diluyente que esta dentro del material intermedio se evaporara antes que la sustancia de matriz exterior forme un gel altamente viscoso y antes de que la sustancia de matriz cure para formar un material solido. El gas diluyente evaporado puede entonces encontrar de manera relativamente facil su camino para salir a traves de los huecos o de las sustancias circundantes en forma lfquida o gaseosa.

Cuando se ha evaporado el diluyente, la mayona de las veces eventualmente alcanza la periferia exterior del material intermedio. Si no se usa molde, el gas diluyente evaporado es arrojado al aire circundante. Sin embargo, si se usa un molde cerrable, de preferencia el diluyente evaporado es eliminado a traves de un sistema de baja presion, tal como un sistema de vacfo, posiblemente auxiliado por canales de transporte de gas en las superficies de la cavidad del molde.

Las diferencias de presion

Puesto que la mezcla no puede moverse libremente dentro de la estructura de refuerzo, pueden presentarse diferencias de presion dentro de la mezcla y tambien dentro de las sustancias de matriz lfquidas o gelificadas. Por ejemplo, si se usa la inyeccion de la mezcla a alta presion, en combinacion con una baja presion en un molde, la presion de la sustancia de matriz es mas alta cerca de los portillos de entrada del molde, que la presion en la mezcla que se ha desplazado adicionalmente hacia la estructura de refuerzo, dentro del molde.

Las diferencias de presion se igualan mas facilmente dentro de la mezcla en la estructura de fibra de refuerzo, cuando la mezcla contiene un porcentaje elevado de diluyente. Tambien, cuando el diluyente se evapora de la mezcla, la mezcla obtiene una viscosidad mayor y, por lo tanto, no puede permear tan facilmente como antes en la estructura de fibra de refuerzo.

Como una fase media del proceso de curacion, entre la fase lfquida inicial y la fase solida curada final, la sustancia de matriz sufre una fase de gelificacion en la que la sustancia de matriz forma un gel altamente viscoso. Una vez que la sustancia de matriz gelificada fragua a un solido, cualquier diferencia de presion que quedara todavfa en el material durante la gelificacion, se conserva en la sustancia de matriz en la forma de tension acumulada, lo que es claramente indeseable, ya que esto disminuye la durabilidad del material mixto.

A fin de evitar la acumulacion de tension, es conveniente separar una porcion principal del diluyente, de preferencia sustancialmente la totalidad del diluyente, de la sustancia de matriz antes de que la sustancia de matriz forme un gel, de modo que no se cree sustancialmente gas en el material intermedio despues de que se ha formado la sustancia de materia a un gel, y de modo que se haya completado sustancialmente el encogimiento de la mezcla antes de que la sustancia de matriz forme un gel altamente viscoso. Al hacerlo se reduce el riesgo de la formacion de grietas en la sustancia de matriz resultante.

Metodos para anadir energia al diluyente

Existen varios metodos para anadir energfa, todos ellos tienen sus propias ventajas y algunos de ellos son adecuados para usarlos juntos.

La estructura de fibra de refuerzo puede comprender fibras electricamente conductoras y la adicion de energfa, por lo menos en parte, se efectua conduciendo corriente electrica a traves de esas fibras electricamente conductoras.

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Pueden estar conectados electrodos en posiciones seleccionadas en la estructura de fibra de refuerzo, a fin de controlar entre que puntos se desplace la corriente electrica. Las posiciones de los electrodos dependen de la geometna de la estructura mixta o el material que se va a producir. Puesto que el espesor de la estructura mixta puede variar, podna haber necesidad de adaptar la cantidad de energfa introducida en diversas porciones de la estructura de refuerzo, de manera que ninguna porcion de la estructura obtenga demasiada energfa ni muy poca energfa. La cantidad de energfa introducida puede variar fijando o quitando electrodos y/o ajustando el potencial entre un electrodo y otro. A fin de proveer sitios para conectar los electrodos a la estructura de fibra, se podna proveer una estructura de fibra mayor que la que finalmente sera parte de la estructura de material mixto formada. Las porciones extra o la estructura de fibra pueden ser eliminadas entonces cuando ya no se las necesite.

Cuando se anade energfa a traves de las fibras, la energfa anadida calienta la mezcla alrededor de las fibras, separando de esa manera el diluyente de la sustancia de matriz comenzando inmediata a las fibras y conduciendo eventualmente a la promocion de la curacion del material de matriz cercano a las fibras. El gas diluyente evaporado es expulsado de esa manera a traves de la resina no curada, donde se puede evaporar sin quedar atrapado dentro del material intermedio.

En una realizacion, la adicion de energfa, al menos en parte, se efectua ejerciendo microondas en el material intermedio. Dicho metodo funciona sin necesidad de fibras conductoras. Por ejemplo, dicho metodo sena ventajoso para partes de una estructura de fibra de refuerzo que comprende principalmente fibras de vidrio o para partes mas gruesas en las que sena necesaria energfa adicional a fin de obtener la evaporacion mas rapida del diluyente y/o una curacion mas rapida.

Adicionalmente, la adicion de energfa puede, al menos en parte, llevarse a cabo mediante calentamiento por induccion de la estructura de fibra de refuerzo. A fin de que esto funcione, la estructura de fibra de refuerzo debe comprender fibras electricamente conductoras. Una ventaja de esto es que se puede efectuar el calentamiento local de porciones de la estructura de fibra de refuerzo, tales como las porciones mas gruesas, sin necesidad de moldes calentados y sin necesidad de contacto electrico directo con las fibras de refuerzo.

La estructura de fibra de refuerzo

La estructura de fibra de refuerzo puede ser un velo, una esterilla, una banda u otra estructura fibrosa, o una combinacion de tales estructuras. Las fibras tfpicas, adecuadas para uso como fibras de refuerzo, son las fibras de carbon, de vidrio, de aramida y de Kevlar, si bien otras fibras pueden ser adecuadas, dependiendo de sus propiedades ffsicas, tales como la resistencia, la resistencia a la temperatura, la conductividad, etc.

La curacion de la sustancia de matriz

Como se menciono previamente, si se va a usar un agente de curacion, de preferencia se inicia la curacion de la sustancia de matriz antes de que la sustancia de matriz sea puesta en contacto con la estructura de fibra de refuerzo. En tal caso, el proceso de curacion es un proceso qrnmico entre la sustancia de matriz, tal como epoxi o poliester, y un agente curador. Dicho proceso de curacion algunas veces se puede acelerar ligeramente mediante una cantidad modesta de calentamiento. Tambien se debe mencionar que tfpicamente el proceso de curacion es una reaccion exotermica, en la que se genera calor por la reaccion qrnmica del propio proceso de curacion, lo que posiblemente conduce a un proceso de curacion todavfa mas rapido, en el que existe el riesgo de danos al material si la temperatura es demasiado alta.

Por consiguiente, se puede efectuar la curacion del material intermedio sin hacer nada sino esperar, pero tambien se puede acelerar ligeramente mediante la adicion ulterior de calor.

La seleccion del diluyente y de la sustancia de matriz

En gran medida, la seleccion del diluyente depende de la seleccion de la sustancia de matriz, la que, a su vez, depende de las caractensticas deseadas del material de matriz, tal como elevada resistencia, bajo precio, buena adherencia al material de fibra de refuerzo, buena resistencia a la corrosion, baja toxicidad, etc.

El diluyente debe tener la capacidad de diluir el material de matriz. Tambien sera preferible que tenga una temperatura de ebullicion normal, que sea suficientemente alta para no iniciar la evaporacion sino hasta despues de que se haya puesto en contacto la mezcla con la estructura de fibra de refuerzo, y suficientemente baja para permitir la evaporacion suficientemente rapida del diluyente, de manera que la sustancia de matriz que rodea exteriormente no tenga tiempo de formar un gel, como se describio previamente.

Diferentes materiales de matriz tienen diferentes temperaturas de curacion recomendadas. Algunos materiales de matriz son adecuados para curar a la temperatura ambiente, mientras que otros requieren de temperaturas mas altas, a fin de curar completamente. La cantidad recomendada de agente de curacion esta especificada por el fabricante del material de matriz.

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Las sustancias de matriz tfpicas son resinas, tales como las resinas epoxi usadas comunmente para estructuras de fibra de refuerzo o resinas poliester usadas comunmente para estructuras de fibra de refuerzo.

El diluyente puede ser un alcohol, seleccionado del grupo de metanol, etanol, propanol, butanol, pentanol, hexanol y heptanol, y la sustancia de matriz es una resina epoxi.

Los moldes

Se podna usar un molde para definir la forma del material mixto que se va a producir y/o para efectuar el proceso de poner en contacto la mezcla con la estructura de fibra de refuerzo. Aqu se debe entender que, aun si no se usa molde para el proposito de definir la forma del material mixto, se podna usar el molde como un volumen cerrable, capaz de efectuar el proceso de poner en contacto la mezcla con una estructura de fibra de refuerzo para formar un material intermedio, en el que posteriormente se puede sacar del molde el material intermedio y luego se puede tratar y/o curar posteriormente. Como consecuencia, se podna usar un molde unicamente para definir la forma del material mixto que se va a producir; en cuyo caso se puede producir el material intermedio fuera del molde y luego se coloca en el molde.

La forma y el diseno del molde dependen en gran medida del diseno de la parte de material mixto que se va a producir. Como se menciono previamente, los moldes pueden ser moldes abiertos o cerrados. Un molde cerrado, por ejemplo, puede ser un molde de doble lado que tiene uno o mas portillos de entrada separados de uno o mas portillos de salida. Se pueden conectar los portillos de salida a un sistema de vado. Ademas, el molde puede estar provisto de uno o mas canales en las cavidades de molde, hacia los cuales puede escapar el diluyente evaporado y a traves de los cuales el diluyente evaporado puede ser conducido hacia el portillo o los portillos de salida del molde, si los portillos de salida estan abiertos. Por consiguiente, aun si el portillo de salida no esta abierto durante la separacion del diluyente y la sustancia de matriz, el diluyente evaporado puede escapar hacia dichas cavidades del molde que no esten llenas con sustancia lfquida o solida.

De preferencia, el molde usado con el metodo es un molde de plastico, tal como un molde hecho de polipropileno. El uso de un molde plastico en lugar de un molde metalico facilita controlar entre que puntos fluye corriente a traves de las fibras conductoras y asegura que no se aparte involuntariamente la electricidad de la estructura de fibra de refuerzo, en comparacion con los moldes electricamente conductores, tales como los moldes metalicos. Adicionalmente, el uso de un molde plastico en lugar de un molde metalico disminuye los costos de material y de herramientas para la produccion del molde. Puesto que el molde no tiene que ser calentado, se pueden reducir los tiempos del ciclo de produccion y disminuir el consumo de energfa, en comparacion con el uso de moldes calentados. Otra ventaja de usar moldes de plastico en lugar de moldes metalicos es que no tiene que usarse agente soltador de molde sobre las superficies del molde para promover la separacion facil del material mixto del molde.

El sistema de produccion

Se describira ahora, con referencia a la figura 1, un sistema S para llevar a la practica un metodo. El sistema S comprende tres recipientes de fluido. El primer recipiente 1 esta configurado para almacenar la sustancia de matriz A, el segundo recipiente 2, para almacenar el diluyente B y el tercer recipiente 3 para almacenar el agente curador C.

Cada recipiente esta en conexion fluida con una bomba 3, 4, 5, configurada para alimentar lfquido desde cada recipiente, respectivamente, a traves de un medidor de mezcla 7 y hacia un molde 8. El medidor de mezcla 7 esta configurado para dosificar la sustancia de materia, el diluyente y el agente curador, mezclarlos para formar una mezcla y luego alimentar la mezcla al molde 8, con ayuda de las bombas 3, 4, 5. El medidor de mezcla 7 comprende una unidad mezcladora desechable que conecta el medidor de mezcla con un portillo de entrada 9 del molde 8. Si, o cuando, la sustancia de matriz cura en la unidad mezcladora desechable, la unidad puede cambiarse facilmente por una nueva, de manera que las trayectorias de flujo del sistema sean mas faciles de mantener limpias para facilitar las operaciones de produccion. El molde 8 comprende tfpicamente una pluralidad de partes de molde que se pueden reunir para definir una cavidad de molde en comunicacion fluida con el portillo de entrada 9 y un portillo de salida 10. Adicionalmente, el molde 8 esta montado en una prensa hidraulica 11, configurada para poner opcionalmente el molde 8 bajo fuerte presion. Tambien esta provisto el molde 8 de empaques 12, 13, 14, configurados para asegurar que se cierre la cavidad del molde, excepto por los portillos de entrada y de salida y, por consiguiente, solo en comunicacion fluida con los portillos de entrada y de salida, de manera que la presion dentro de la cavidad de molde pueda ser controlada bombeando fluido para introducirlo o succionando fluido para expulsarlo, a traves de los portillos de entrada y de salida del molde 8. Un sistema de vacfo 15, que comprende una bomba de vacfo, esta conectado al portillo de salida 9 del molde 8. Adicionalmente, esta provisto un dispositivo 16 alimentador de energfa para proveer opcionalmente energfa electrica a una estructura F de fibra de refuerzo colocada en el molde 8, por medio de los cables 16a, 16b, y los bloques/tiras de conexion 16c, 16d, situados en el molde, en conexion electrica con fibras conductoras de la estructura de fibra de refuerzo F. Ademas, puede colocarse un centro o nucleo C en la cavidad de molde para soportar la estructura de fibra de refuerzo F.

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Se debe entender que la prensa hidraulica podna ser reemplazada por cualquier otro medio de prensar las partes de molde entre s^ de tal manera que una pluralidad de tornillos actuen directa o indirectamente sobre el molde.

Un metodo para usar el sistema

Primeramente se llenan los tres recipientes 1, 2, 3 con la base epoxi A, con etanol B y con el agente curador de epoxi C, respectivamente. Luego se abre el molde y se corta una estructura F de fibra de refuerzo que comprende una pluralidad de capas de alma de fibra de carbon, a un tamano adecuado, y se coloca en la cavidad del molde alrededor de un nucleo D, donde, despues de que se cierra el molde 8, se pone a presion por medio de la prensa hidraulica 11. Se conectan el sistema de vado 15 y el medidor de mezcla 7 al molde, y se activa el sistema de vado 15 para proveer una atmosfera similar al vado dentro de la cavidad de molde, y todas las mangueras y demas espacios que estan en comunicacion fluida con la cavidad de molde. Una vez que se ha obtenido la atmosfera similar a vado, se activan las bombas 4, 5, 6 y el medidor de mezcla 7 para alimentar la mezcla en la cavidad de molde, a alta presion, de manera que la estructura F de fibra de refuerzo sea permeada totalmente por la mezcla para formar un material intermedio. Una vez que se ha llenado la cavidad de molde con la mezcla, se activa el dispositivo 16 de suministro de energfa para calentar por resistencia las fibras de carbono que estan conectadas electricamente con el, y que pertenecen a la estructura F de fibra de refuerzo, de manera que se separe el etanol B del epoxi mixto A + C, de dentro del material intermedio. Se deja escapar el etanol evaporado B de la cavidad de molde a traves del portillo de salida 10 del molde 8, usando el sistema de vado 15. Una vez que se ha separado sustancialmente todo el etanol B del epoxi mixto A + C y se ha expulsado, se adapta el calentamiento por resistencia a un nivel adecuado para promover la curacion mas rapida del epoxi mixto A + C, sin sobrecalentarlo.

Tabla 1

Propiedades de materiales en comparacion con los materiales de la tecnica anterior

Material tlpicamente obtenibleporelmetodo Mejor material obtenido por metodos de la tecnica anterior

Tipodeestructuradela fibra derefuerzo

T • * 1 max FVF** real en el material mixto FVF real comparado T *** COR 1 max FVF* real en el material mixto FVF real comparado con Tmax***

Fibras unidireccionales

91 % >80 % >88 % “65 % “72 %

Fibras tejidas como sarga

73 % >65 % >89 % “55 % “75 %

*T max = Volumen maximo teorico de fibras de la estructura de fibra de refuerzo. **FVF = Fraccion volumetrica de fibra *** FVF real, comparada con Tmax = FVF/Tmax

La tabla 1 muestra las propiedades materiales de los materiales obtenibles tfpicamente por medio del metodo, en comparacion con las propiedades materiales de los materiales mixtos de plastico reforzado con fibra mejor conocidos, producidos mediante los metodos de la tecnica anterior.

Como se menciono previamente, se debe entender que para cada estructura espedfica de fibra de refuerzo hay un maximo teorico para la cantidad de fibras que, de acuerdo con la orientacion y la posicion relativa de las fibras de la estructura, pueda ajustarse dentro de los lfmites (Y) de la estructura. La fraccion volumetrica maxima de fibras (Tmax) para cualquier estructura de fibra de refuerzo dada, puede ser aproximada por medio de calculos matematicos. Por ejemplo, como se muestra en la figura 2, Tmax para las fibras unidireccionales puede ser aproximada calculando el area de seccion transversal de las fibras 17 y dividiendo esa area entre el area total de la seccion transversal de la estructura de fibras de refuerzo. Para estructuras de fibras unidireccionales con tantas fibras, el area puede ser aproximada calculando Tmax para el area repetitiva indicada por la casilla X en la figura 2.

Como se muestra en la tabla 1, los calculos dan que Tmax para fibras unidireccionales es aproximadamente de 91 por ciento, donde Tmax para la estructura de fibra de refuerzo tejida como sarga, es aproximadamente de 73 por ciento.

Un valor real medido para la fraccion volumetrica de fibra (FVF) en una pieza de material que comprende plastico reforzado con fibras tejidas como sarga, mediante el metodo, es aproximadamente de 65 por ciento, posiblemente mayor.

La fraccion volumetrica de fibra real, en comparacion con la fraccion volumetrica de fibra maxima, teorica, se puede calcular como FVF/Tmax.

Se han obtenido fracciones volumetricas de fibra todavfa mayores que las mostradas en la tabla 1 anterior, usando el metodo, por ejemplo, alrededor de 71 por ciento para las fibras tejidas como sarga, y alrededor de 82 por ciento para las fibras unidireccionales, lo que se traduce en valores FVF/Tmax de alrededor de 97 por ciento y 90 por ciento, respectivamente.

Como se muestra en la tabla 1, la FVF maxima obtenida en un material mixto que comprende plastico reforzado con fibras unidireccionales, usando el metodo de la tecnica anterior, es aproximadamente 65 por ciento, mientras que el valor correspondiente para fibras tejidas como sarga es de 55 por ciento.

5 Para el mejor de los metodos conocidos, esto da valores FVF/Tmax de 72 por ciento para las fibras unidireccionales, y 75 por ciento para las fibras tejidas como sarga.

Se conoce en la tecnica una FVF elevada para dar las propiedades deseables de material y, de esa manera, convenientes de obtener.

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Obviamente, son mas faciles de estructurar las fibras unidireccionales de una manera compacta que las estructuras de fibra menos bien ordenadas, tal como un tejido de sarga, o tal como una esterilla que tenga fibras orientadas aleatoriamente. Por consiguiente, es mas facil obtener una FVF alta para un material mixto hecho a partir de fibras unidireccionales, que uno hecho a partir de fibras tejidas como sarga. Por supuesto, la FVF obtenida siempre es 15 menor que Tmax para cualquier estructura de fibra de refuerzo.

Se debe mencionar que la invencion no esta limitada a las modalidades descritas aqrn, y que son factibles varias modificaciones dentro del alcance de la invencion, como se define en las reivindicaciones anexas. Por ejemplo, se podnan usar microondas u ondas sonoras para anadir energfa dentro del material intermedio, a fin de calentar 20 porciones de la sustancia de matriz que estan debajo de la temperatura de ebullicion del diluyente en la mezcla del material intermedio.

Claims (4)

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   REIVINDICACIONES

   1. Un metodo para producir un material mixto de plastico reforzado con fibras, que comprende los pasos de:

   [a] poner en contacto una sustancia de matriz con una estructura de fibras de refuerzo para formar un material intermedio,

   [b] curar la sustancia de matriz del material intermedio para formar el material mixto,

   [c] mezclar la sustancia de matriz y el diluyente antes del paso [a] para formar una mezcla, y

   [d] durante el paso [b] separar el diluyente de la sustancia de matriz anadiendo energfa al diluyente desde dentro del material intermedio,

   caracterizado por que la estructura de fibras de refuerzo se coloca en un molde durante al menos una parte de la puesta en practica del paso [a], y por que durante la puesta en practica del paso [a] se anade energfa desde dentro del material intermedio para calentar porciones de la sustancia de matriz a una temperatura por debajo de una temperatura de ebullicion del diluyente en la mezcla del material intermedio.
2. 2. Un metodo de acuerdo con la reivindicacion 1, en el que dicha estructura de fibras de refuerzo comprende fibras conductoras de electricidad, y en donde el paso [d] se realiza, al menos en parte, mediante la conduccion de corriente electrica a traves de dichas fibras electricamente conductoras.
3. 3. Un metodo de acuerdo con la reivindicacion 2, en el que el paso [d] se realiza, al menos parcialmente, ejerciendo microondas y/u ondas sonoras sobre el material intermedio.
4. 4. Un metodo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el material intermedio se produce antes de ser colocado en un molde para la realizacion del paso [d].