ES2695040T3 - Método para la producción de una barra a partir de un material compuesto y una barra de carga - Google Patents
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Abstract
Proceso para la fabricación de una barra de carga fabricada con resina reforzada con fibras proporcionando un mandrino (1) formado por un núcleo de espuma (2) y dos terminales (5) metálicos, laminando un conjunto de telas de fibra seca (10) estrechamente adheridas al mandrino de forma que mantengan un espesor controlado al conjunto pre formado, bobinando con alta tensión una capa de filamento de fibras de alta resistencia de forma que compriman las telas secas en unas ranuras (7) mecanizadsas en los terminales (5) metálicos que actúan como trampas para fibra, transfiriendo una resina líquida y polimerizando dicha resina para consolidar la pieza en un conjunto cerrado de molde y contramolde.
Description
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DESCRIPCIÓN
Método para la producción de una barra a partir de un material compuesto y una barra de carga Antecedentes de la invención
(a) Campo de la invención
La presente invención pertenece al campo de la tecnología para fabricar estructuras de resina reforzadas con fibras y, más específicamente, dentro de los métodos de fabricación usados para producir barras de carga con resina reforzada con fibras.
(b) Tecnología relacionada
En los últimos años, el uso de estructuras fabricadas con materiales compuestos hechos de resina reforzada con fibras ha aumentado en la fabricación de estructuras ligeras, debido a su extraordinaria combinación de baja densidad, alta resistencia mecánica y capacidad para resistir la corrosión. El uso de estos materiales está limitado por consideraciones de diseño tal como la dificultad de unir juntas estructuras metálicas y estructuras hechas de material compuesto.
Se conocen diversos procesos en el estado de la técnica para fabricar barras de carga hechas de material compuesto y estructuras tubulares en general, como las descritas en las patentes de los Estados Unidos 4,704,918 y 6,202,505. Los procesos más utilizados para fabricar artículos tubulares con resina reforzada con fibras son "Trenzado" (un proceso automático en el que los manojos de fibras se trenzan sobre un mandril) y "Filamento devanado" (enrollar manojos de fibras sobre un mandril). Estos procesos carecen de la posibilidad de tener fibras de refuerzo que se extiendan longitudinalmente en la barra (a 0°), que es la dirección preferida, debido a las condiciones de carga de estos elementos. Otra limitación de los procesos de tipo "trenzado" es la dificultad de unir un elemento terminal de metal al tubo de material compuesto, que es el método preferido para montar posteriormente la barra de carga.
El procedimiento preferido en el estado de la técnica para unir un terminal de metal a una barra de material compuesto es el uso de trampas de fibra, como se describe en la patente de los Estados Unidos 5,160,392 y posteriormente refinada en las patentes de los Estados Unidos 6,379,763 y 6.676.169. Las trampas de fibra son aberturas mecanizadas en la superficie externa de un terminal. Al menos dos capas de fibras están dispuestas en la misma, una primera capa en una dirección cercana a la fibra axial con baja tensión, que pasa sobre las aberturas, seguido por una segunda capa de fibras cruzadas con alta tensión que fuerzan las fibras en la primera capa en las trampas de fibra, esto proporciona una unión altamente resistente. Ambas capas de fibras se aplican mediante procesos de soldadura de filamentos.
El uso de procesos tales como RTM (moldeo por transferencia de resina), VARTM (moldeo por transferencia de resina asistida por vacío) y LRI (infusión de resina líquida) es conocido en el estado de la técnica, así como otros que consisten en impregnar fibras secas y polimerización posterior con el fin de consolidar la pieza. Estos procesos, especialmente RTM, son capaces de producir piezas de mayor calidad, que son más tolerantes. La solicitud de patente de Estados Unidos 2009/148700 describe un proceso para fabricar una barra de fibra reforzada con resina, usando una variación del proceso RTM, que incorpora capas de tela pretratada en la preforma.
El proceso de RTM no es el proceso preferido para fabricar productos tubulares en el estado de la técnica. La principal limitación de este proceso es la dificultad de obtener una preforma con dimensiones controladas, que se ajusta a las caras del molde y el contramolde requerido en el proceso de RTM. Cuando la preforma tiene un diámetro mayor que el diámetro de la cavidad del molde, se forman arrugas longitudinales. Cuando el diámetro de la preforma es menor que el diámetro de la cavidad del molde, el hueco se llena con un exceso de resina. En ambos casos, las piezas fabricadas son rechazadas porque son defectuosas.
Como un resultado, la necesidad de un método mejorado para moldear barras de carga surge en procesos de moldeo por medio de moldeo por transferencia de resina (RTM). Además, son necesarias barras de carga fabricadas con resina reforzada con fibras capaces de cumplir con los requisitos de calidad asociados con estructuras ligeras. Igualmente, es necesario un método que permita integrar terminales metálicos en barras de carga fabricadas con resina reforzada con fibras, fabricadas por medios de procesos de moldeo por transferencia de resina (RTM).
Descripción de la invención
La presente invención proporciona una solución a los requisitos identificados anteriormente. Proporciona un proceso de acuerdo con la reivindicación 1 capaz de producir consistentemente barras de resina reforzadas con fibras de alta calidad, cuyas dimensiones son adecuadamente tolerantes con los terminales integrados.
De acuerdo con la presente invención, el método comprende los pasos definidos en la reivindicación 1.
En una realización, el conjunto de telas hechas de material seco comprende al menos una tela hecha principalmente de fibras unidireccionales, que se extienden en la dirección axial y al menos una tela hecha de material tejido con
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fibras ortogonales. Las telas pueden estar compuestas de manojos de fibras largas de carbono que se entrelazan en direcciones perpendiculares, con una proporción que varía entre 50/50 balanceado y en su mayoría unidireccional, 95/5.
En otra realización, en el proceso que implica moldear las telas secas en el mandril e introducir el mandril entre al menos dos rodillos precalentados, que aplican presión y calor a las capas de fibras secas con el fin de obtener una menor tolerancia y mayor repetitividad en el espesor de la preforma.
En otra realización, los terminales de la barra están fabricados de acero, con una abertura que actúa como una trampa de fibra, estando dicha abertura en una forma angular y siguiendo una trayectoria helicoidal a lo largo de la superficie externa del terminal.
Breve descripción de los dibujos
La invención se describirá con mayor detalle con referencia a los dibujos adjuntos, en los que las Figuras 1-5 proporcionan un conjunto de representaciones que muestran las etapas del proceso para fabricar una barra de resina reforzada con fibras, de acuerdo con la presente invención.
La Figura 1 es una vista en despiece de un mandril usado en un proceso de la presente invención, que comprende un núcleo de espuma tubular y dos terminales en ambos extremos del tubo.
La Figura 2 es una vista en planta de los patrones de corte usados para los tejidos de fibra usados en un proceso de la presente invención.
La Figura 3 es una representación esquemática isométrica del proceso para estirar las telas de fibra seca en el mandril empleando una herramienta compuesta de rodillos precalentados.
La Figura 4 es una representación esquemática isométrica de la formación del molde y del molde contrario para el proceso de transferencia de resina usado en la presente invención.
La Figura 5 es una representación isométrica de la barra de carga fabricada con resina reforzada con fibras, siguiendo los procesos de fresado y acabado.
La Figura 6 representa un terminal alternativo con una abertura helicoidal incorporada, que actuará como una trampa de fibra de acuerdo con uno de los aspectos de la presente invención.
Descripción detallada de la invención
Las figuras 1-5 representan la secuencia de etapas de fabricación en un ejemplo de una barra de carga fabricada con resina reforzada con fibras de acuerdo con la presente invención. En este ejemplo, la barra de carga se fabrica con fibras de carbono secas, en las que se infunde una resina epoxi termoestable. Sin embargo, es importante entender que el método descrito aquí puede llevarse a cabo utilizando otros tipos de fibra, como las fibras de vidrio, boro y kevlar, y las fibras naturales, que son altamente resistentes, así como otras resinas tales como fenólica, bismaleimida y poliéster. Resinas y otros, incluyendo termoplásticos y termoestables. Además, es importante comprender que la barra de resina reforzada con las fibras descritas puede fabricarse usando una formación de terminal alternativa, por ejemplo, utilizando terminales con juntas, casquillos y otros elementos de unión incorporados.
La Figura 1 representa las etapas involucradas en la configuración del mandril (1). De acuerdo con una incorporación, la preparación del mandril (1), comprende una primera etapa de mecanizado que usa una tolerancia estrecha de un núcleo (2) de espuma, generalmente con forma tubular, con extremos (3) biselados y orificios (4). El proceso se continúa estabilizando el material de espuma por medio de sobrecocción durante al menos 36 horas. Sin embargo, en el estado de la técnica se sabe que el ciclo del proceso de estabilización dependerá del tipo de espuma elegido. En una segunda etapa, se mecanizan dos terminales (5) de acero que incluyen una barra (6) de unión en un extremo dimensionada con el fin de cooperar con el orificio (4) mecanizado en el núcleo (2) de espuma, un orificio (8) roscado en el otro extremo y aberturas (7). Finalmente, una tercera etapa implica proporcionar tapas (9) de nylon o tapas hechas de cualquier otro material, con el fin de proteger el orificio roscado contra la ingestión de resina en las etapas anteriores del proceso.
La Figura 2 representa patrones de tela cortados en una segunda etapa de acuerdo con el método descrito en la presente solicitud. En una realización, una tela hecha de fibras largas de carbono unidireccionales con una proporción de al menos 90% de fibras que se extienden en la dirección principal y 10% que se extienden en la dirección de recogida, compuesto por manojos de 6k (seis mil) fibras en la dirección principal y los manojos de 1k (1 mil) fibras en la dirección de recogida se cortan utilizando el patrón (11).Del mismo modo, al menos un patrón (12) se corta para telas tejidas planas hechas de fibras de carbono, con una proporción del 50% de las fibras que se extienden en la dirección principal y el 50% de las fibras en la dirección de recogida, compuesta de manojos de 3k (tres mil) fibras. En una realización, el patrón (11) se corta con las dimensiones requeridas para cubrir el mandril con
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cuatro capas de material, mientras que a su vez, una capa de tela hecha de capas planas también se corta usando el patrón (12), con el fin de cubrir el mandril con una sola capa de material.
La Figura 3 representa el proceso para laminar una preforma de telas hechas de fibras secas en el mandril. En un ejemplo del método de acuerdo con la presente invención, el mandril (1) se envuelve con cada una de las telas hechas de fibras (10) de carbono. Tres cilindros (13) calentados que tienen soportes elásticos ejercen presión sobre el mandril. Dichos cilindros incluyen medios mecánicos con el fin de girar junto con el mandril (1), enrollando la tela hecha de fibras secas en el mandril (1). Se puede ver una formación alternativa de cilindros, que se puede usar con el fin de obtener la formación geométrica deseada en el mandril. Además, se puede observar el uso de otros medios para laminar las telas en el mandril, por ejemplo, una plancha manual con una superficie capaz de girar al unísono con el mandril (1), que aplica presión y calor a la tela hecha de fibras secas. Posteriormente, se aplica un manojo de fibras de carbono por medio de una máquina bobinadora de filamentos en una dirección tangencial cercana a 90° con la dirección axial que obliga a las telas hechas de fibras de carbono secas a penetrar en las aberturas (7) de los terminales (5), dichas aberturas (7) actúan así como una trampa de fibra, facilitando una unión altamente resistente entre las telas hechas de fibra de carbono y el terminal de metal.
La Figura 4 representa la etapa de transferencia de resina líquida a la preforma (14) de telas secas hechas de fibra de carbono en un molde y conjunto de contramolde. En una realización, dicho molde (20) está compuesto por una base (15) de molde con una tapa (16) superior que, cuando está cerrada, cierra ambas juntas firmemente. Dicho molde (20) tiene una cavidad (17) de molde cuyas dimensiones están diseñadas para ajustarse a la preforma de las telas hechas de fibras (14) secas. Como ya se mencionó, es sumamente importante obtener una preforma de fibras (14) secas con tolerancias estrechas, con el objetivo de ajustarse a la cavidad (17) del molde y poder obtener una pieza sin defectos de fabricación.
En una realización, una resina epoxi líquida se calienta y se mezcla en un recipiente de vacío (no mostrado). Posteriormente, el vacío se calienta y se aplica dentro del recipiente y, si es necesario, la resina se deja desgasificar durante al menos 45 minutos. Una vez que la resina se ha desgasificado, las líneas de alimentación y el molde se calientan y la resina se transfiere al molde, aplicando una presión de 3 bares al recipiente de resina y aplicando vacío en el interior del molde. La preforma (14) de fibras secas se impregna con la resina inyectada. Posteriormente, se aplica calor para moldear hasta 180°C durante 90 minutos, con el fin de polimerizar la resina epoxi y consolidar la pieza.
La Figura 5 representa una barra (12) acabada hecha de resina reforzada con fibras fabricadas de acuerdo con el método expuesto en la presente invención, después de haber retirado las tapas (9) y fresado las caras externas de los terminales de la barra.
En una realización preferida de la presente invención, como se muestra en la Figura 6, se emplea un terminal (22) alternativo para la barra. Con el objetivo de mejorar la resistencia contra las cargas de torsión aplicadas al terminal (22) de barras y de mejorar la forma en que las fibras secas se adaptan al terminal de barras, se mecaniza una abertura (23) helicoidal en el diámetro externo del terminal de barras.
Claims (3)
- REIVINDICACIONES1. Método para fabricar barras de carga fabricadas con resina reforzada con fibras para un proceso de transferencia de resina que comprende las siguientes etapas:- Patrones (11) de corte de telas de fibras (10) secas5 - Mecanizar un núcleo (2) de baja densidad con tolerancia reducida y pegando dos terminales (5) metálicos conadhesivo para formar un mandril (1)- Laminar una preforma (14) de fibras (10) secas en el mandril (1) con presión y temperatura, logrando así un ajuste perfecto al mandril (1)- Bobinar un filamento de fibras (10) secas altamente resistentes con alta tensión, presionar las fibras (10) secas en 10 las trampas de fibras mecanizadas en los terminales (5)- Insertar la preforma (14) en el molde (20)- Transferir la resina aplicando presión y/o calor en condiciones de vacío.- Consolidar la resina.
- 2. Método para fabricar barras de carga fabricadas con resina reforzada con fibras, de acuerdo con la reivindicación15 1, en el que la presión y el calor en toda la etapa en que se lamina la preforma (14) se aplican a la superficie de lastelas con un movimiento rotatorio en el mandril (1) utilizando una plancha manual.
- 3. Método para fabricar barras de carga fabricadas con resina reforzada con fibras, de acuerdo con la reivindicación 1, en el que la presión y el calor en toda la etapa en la que se lamina la preforma (14) se aplica a la superficie de las telas con una herramienta que comprende al menos dos cilindros (13), que ejercen presión sobre la superficie del20 laminado del mandril (1) por medios elásticos y proporcionan calor y, a su vez, uno de ellos proporciona el movimiento de rotación al conjunto.
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