ES2711121T3 - Procedimiento para producir una pieza de material de plástico que tiene un núcleo de espuma - Google Patents

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Abstract

Procedimiento para producir una pieza de material de plástico (PS) que tiene una estructura de tipo intercalado, en el que: - se disponen en un molde (MO) al menos dos láminas de material de plástico (FMP) reforzado con fibras; - se dispone en el molde (MO) al menos un inserto de espuma (IM) entre las láminas de material de plástico (FMP), formando el inserto de espuma (IM) un núcleo estructural; - se cierra el molde (MO), y se aplica una presión y una temperatura elegidas para permitir la fluencia y la polimerización del material de plástico; y - se desmoldea la pieza (PS) así obtenida.

Description

DESCRIPCION
Procedimiento para producir una pieza de material de plastico que tiene un nucleo de espuma
La invencion se refiere al campo tecnico de los procedimientos de fabricacion de piezas de material de plastico. En particular, la invencion se refiere a un procedimiento para producir una pieza de material de plastico que tiene una estructura de tipo intercalado con un nucleo de espuma.
El documento WO2012/016658A1 describe un procedimiento para producir una pieza de material de plastico que tiene una estructura de tipo intercalado en el que se situa un inserto de espuma en un molde entre dos capas de material fibroso. Es necesaria a continuacion una etapa de inyeccion de resina en las capas de material fibroso para obtener la pieza.
El documento US 2004/0043181A1 muestra un procedimiento similar en el que se coloca un material de espumacion entre las capas de material fibroso situadas previamente en el molde.
En el campo del automovil, por ejemplo, numerosas piezas deben conjugar resistencia mecanica y peso ligero. Para ello, se conoce reemplazar piezas de acero por piezas de material de plastico.
Se conocen diferentes procedimientos de moldeo de piezas de material de plastico:
• procedimiento mediante compresion (para los materiales termoestables tales como SMC);
• procedimiento mediante termoconformado (compresion con un material termoplastico);
• procedimiento mediante inyeccion (para los materiales termoplasticos).
• Procedimiento mediante transferencia de resina (RTM)
Se sabe usar materiales de plastico reforzados (termoestables o termoplasticos). Estos materiales estan constituidos por fibras de refuerzo mezcladas con una resina de polfmero. Estos refuerzos comprenden fibras de vidrio o de carbono, por ejemplo. Estas fibras pueden cortarse (extremos de fibra de longitud inferior a 50 mm) o, a la inversa, ser continuas.
Para obtener un desempeno mecanico aumentado en determinadas piezas, se sabe usar cuerpos huecos. Estos cuerpos huecos estan constituidos por un revestimiento superior de material de plastico cargado, tal como un flanco de SMC, y por un revestimiento inferior de material de plastico cargado, tal como un flanco de SMC.
Tambien se sabe reforzar esta estructura separando los dos revestimientos por un nucleo de espuma. La estructura de tipo intercalado de SMC mejora la rigidez del producto con respecto al componente convencional SMC.
Estos cuerpos huecos de espuma pueden usarse, por ejemplo, para constituir un suelo de vetuculo.
Para producir una pieza de material de plastico que tiene una estructura de tipo intercalado con un nucleo de espuma, se conocen diferentes procedimientos.
Un primer procedimiento consiste en introducir un nucleo de espuma entre dos flancos de SMC:
- Se realiza el moldeo del primer revestimiento;
- se realiza el moldeo del segundo revestimiento;
- se inserta un nucleo de espuma entre los dos revestimientos; y
- se ensamblan los dos revestimientos mediante encolado o remachado.
Un segundo procedimiento, denominado “OSS-SMC” (“One Step Sandwich SMC”, SMC de tipo intercalado en una sola etapa), permite producir piezas ligeras en una sola etapa de fabricacion. El procedimiento comprende las siguientes etapas:
- Se dispone una capa de SMC que contiene un agente de espumacion, intercalado entre dos revestimientos de SMC en un molde.
- Se cierra el molde, provocando la fluencia de la resina del SMC, y despues la coccion de los revestimientos superior e inferior de SMC, se produce la formacion de espuma entonces en paralelo a estas cocciones;
- despues en un momento posterior, el centro de espuma se somete a coccion a su vez (reticulacion);
- se abre el molde, provocando la expansion del centro de SMC que contiene un agente de espumacion;
La principal ventaja de este procedimiento “OSS-SMC” reside en la reduccion de las etapas del procedimiento de produccion (y de ah su nombre “Un procedimiento en etapas”).
Sin embargo, este procedimiento requiere una formulacion espedfica de SMC que contiene el agente de espumacion, en funcion del tipo de SMC usado para producir los revestimientos.
Ademas, el aporte de calor al interior de SMC que contiene el agente de espumacion es complicado.
La espuma asf obtenida y que forma el nucleo de la estructura de tipo intercalado tiene una densidad de aproximadamente 1,0 g/cm3 Ahora bien, a menudo es necesario aligerar mas la pieza por ejemplo, usar espumas de menor densidad.
En funcion de las restricciones estructurales de la pieza, a veces es necesario tener un grosor de espuma importante. Ahora bien, esto se obtiene lentamente, mediante expansion, lo que conduce a largos tiempos de ciclo (180 s -360 s).
Finalmente, la gestion de los bordes de la pieza es delicada. En efecto, en el borde, el revestimiento se reticula cuando el SMC espumado se expande, lo que implica un riesgo de creacion de fisuras en los revestimientos superior e inferior.
La invencion tiene como objetivo paliar estos inconvenientes proporcionando un procedimiento para producir una pieza de material de plastico que tiene una estructura de tipo intercalado con un nucleo de espuma. El procedimiento comprende principalmente las siguientes etapas:
- se disponen en un molde al menos dos laminas de material de plastico reforzado con fibras;
- se dispone en el molde al menos un inserto de espuma entre las laminas de material de plastico, formando el inserto de espuma un nucleo estructural;
- se cierra el molde, y se aplica una presion y una temperatura elegidas para permitir la fluencia y la polimerizacion del material de plastico; y
- se desmoldea la pieza asf obtenida.
Este procedimiento permite obtener una pieza una pieza de material de plastico que tiene una estructura de tipo intercalado con un nucleo de espuma, usando cualquier tipo de espuma, y en particular espumas de baja densidad (inferior a 1,0 g/cm3). En particular, no es necesaria ninguna etapa de ensamblaje complementaria para garantizar la cohesion entre los dos revestimientos de la estructura de tipo intercalado.
Ademas, gracias a este procedimiento es posible obtener piezas que tienen una razon muy buena de desempeno mecanico / masa.
Finalmente, durante la fluencia de la resina, la misma penetra en las celulas de la espuma, favoreciendo asf la cohesion de las capas de la estructura intercalada. Por tanto, no hay necesidad de usar una coherencia qmmica y, por tanto, es posible usar materiales no compatibles qmmicamente.
Segun un primer modo de realizacion, el material de plastico es adecuado para continuar con su maduracion mediante polimerizacion a una presion P, y se usa una espuma cuya densidad es tal que a la presion P, la espuma no experimenta casi deformacion, teniendo la espuma una meseta de compresibilidad en su curva de compresibilidad que comienza a una presion superior a la presion P.
La presion P puede ser inferior a 30 MPa y la espuma tener una densidad inferior a 0,2 g/cm3, o la presion P puede ser superior a 40 MPa y la espuma tener una densidad superior a 0,4 g/cm3.
Segun un segundo modo de realizacion, el material de plastico es adecuado para continuar con su maduracion mediante polimerizacion a una presion P, y se usa una espuma que tiene una curva de compresibilidad que presenta una meseta de compresibilidad para un intervalo de presiones que comprende la presion P.
Puede entonces dimensionarse el molde de modo que tenga en cuenta una variacion de grosor del inserto de espuma una vez abierto el molde.
Segun un tercer modo de realizacion, el material de plastico es adecuado para continuar con su maduracion mediante polimerizacion a una presion P, y se usa una espuma que tiene una curva de compresibilidad que presenta una meseta de compresibilidad para un intervalo de presiones inferiores a la presion P.
Segun la invencion, puede calentarse el inserto de espuma antes de su introduccion en el molde, o entonces, el inserto de espuma puede introducirse en el molde a una temperatura inferior o igual a la temperatura ambiente. Puede realizarse una preconformacion del inserto de espuma antes de introducirlo en el molde.
Finalmente, segun la invencion, la lamina de material de plastico reforzado puede estar constituida por una resina termoplastica o termoestable que impregna fibras de refuerzo.
La invencion se comprendera mejor con la lectura de las figuras adjuntas, que se proporcionan a modo de ejemplo y no presentan ningun caracter limitativo, en las que:
La figura 1 ilustra en la parte superior las tres etapas (a) a c)) de un primer modo de realizacion (de izquierda a derecha), asf como el producto acabado (un cuerpo hueco de espuma) a la derecha, y en la parte inferior, un esquema de la curva de compresibilidad de la espuma usada para este procedimiento.
La figura 2 ilustra en la parte superior las tres etapas (a) a c)) de un segundo modo de realizacion (de izquierda a derecha), asf como el producto acabado (un cuerpo hueco de espuma) a la derecha, y en la parte inferior, un esquema de la curva de compresibilidad de la espuma usada para este procedimiento.
La figura 3 ilustra en la parte superior las tres etapas (a) a c)) de un tercer modo de realizacion (de izquierda a derecha), asf como el producto acabado (un cuerpo hueco de espuma) a la derecha, y en la parte inferior, un esquema de la curva de compresibilidad de la espuma usada para este procedimiento.
Descripcion detallada de la invencion
Se hace referencia ahora a la figura 1 que ilustra el procedimiento segun la invencion para producir una pieza de material de plastico que tiene una estructura de tipo intercalado (PS). El procedimiento comprende principalmente las siguientes etapas:
- se dispone en un molde (MO) al menos dos laminas de material de plastico (FMP) reforzado con fibras;
- se dispone en el molde (MO) al menos un inserto de espuma (IM) entre las laminas de material de plastico (FMP), formando el inserto de espuma (IM) un nucleo estructural;
- se cierra el molde (MO), y se aplica una presion y una temperatura (gracias al medio de calentamiento MC) elegidas para permitir la fluencia y la polimerizacion del material de plastico; y
- se desmoldea la pieza (PS) asf obtenida.
En las figuras 1 a 3, la etapa a) ilustra la colocacion de las laminas (FMP) de material de plastico reforzado con fibras y del inserto de espuma (IM) en el molde (MO); la etapa b) ilustra la compresion y la coccion, cuando se cierra el molde; la etapa c) ilustra la apertura y el desmoldeo de la pieza.
La descripcion de la invencion se realiza segun un ejemplo de realizacion particular en el que las laminas de material de plastico (FMP) reforzado con fibras son flancos de SMC (“Sheet Molding Compound”, compuesto de moldeo en laminas). Los materiales preimpregnados de SMC son productos semiacabados constituidos por una resina, denominada matriz, que impregna un refuerzo (fibra de vidrio, fibra de carbono, fibras de aramida...) a los que pueden anadirse diferentes adyuvantes. Estos materiales preimpregnados se usan esencialmente para los materiales compuestos con matrices organicas termoestables. Los SMC se suministran en forma de laminas, de rollos. Este producto semiacabado preimpregnado es maleable y no pegajoso. Terminan de polimerizar durante el moldeo.
Pero el uso de este material no es limitativo en modo alguno y puede usarse cualquier otro material de plastico reforzado con fibras. Asf, la lamina de material de plastico reforzado puede estar constituida por una resina termoplastica o termoestable que impregna fibras de refuerzo.
El nucleo de espuma se obtiene en una etapa preliminar.
La fuerza de reaccion de la espuma en compresion garantiza la presion necesaria para una buena transformacion del material de plastico (SMC). La presion de reaccion de la espuma es la presion que puede transmitir la espuma a las laminas de material de plastico.
La transformacion del SMC, es decir su endurecimiento mediante polimerizacion (reticulacion) se realiza a una presion, denominada presion de transformacion. Por tanto, se trata de la presion a la que el material de plastico es adecuado para continuar con su maduracion mediante polimerizacion. Esta presion es una especificidad, un dato del SMC. Depende de la reaccion qmmica que tenga lugar en la resina y, por tanto, de la formulacion de la resina y de la naturaleza de la carga.
Preferiblemente, el nucleo de espuma estructural (IM) tiene una forma que se aproxima a la geometna final de la pieza. Asf, puede experimentar una preconformacion antes de su introduccion en el molde.
Segun un modo de realizacion, el inserto de espuma (IM) se inserta con una temperatura inferior o igual a la temperatura ambiente en el molde (MO). Esto permite aumentar la presion de reaccion durante la compresion (termica de la reaccion/intercambio termico lento con la espuma)
Segun otro modo de realizacion, el inserto de espuma (IM) es calentado con su insercion en el molde (MO). Esto permite deformar de manera irreversible el inserto de espuma (IM) mediante termoconformacion durante la compresion del molde. Ademas, esto puede ayudar a la reaccion de reticulacion de SMC, cuando la presion de reaccion de la espuma a esta temperatura es suficiente para garantizar una buena transformacion del material de plastico.
Para producir una pieza de material de plastico (PS) que tiene una estructura de tipo intercalado, que tiene prestaciones dadas, es necesario alcanzar un compromiso entre diferentes parametros:
- La resistencia mecanica de la pieza (comportamiento en flexion y resistencia al choque, principalmente);
- La voluminosidad de la pieza (concretamente su grosor). En efecto, segun el destino de la pieza en el vehuculo, la voluminosidad puede estar limitada; y
- El peso de la pieza.
La resistencia mecanica de la pieza esta regida principalmente por la calidad de las laminas de material de plastico (FMP) reforzado con fibras. Cuanto mas reforzadas estan, mas resistentes son.
Sin embargo, cuanto mayor es la tasa de refuerzo, mayor es la presion necesaria para la transformacion del material de plastico. Esta presion, indicada como P, es la presion a la que el material de plastico es adecuado para continuar con su maduracion mediante polimerizacion.
Por ejemplo, para un SMC muy reforzado, con una tasa de fibra superior al 50% en masa, por ejemplo, la presion necesaria para la transformacion de este SMC es importante: de aproximadamente 40 MPa.
Para un SMC con menor carga, usado en piezas que requieren menor resistencia mecanica, se tiene generalmente una presion necesaria para la transformacion de aproximadamente 30 MPa.
Si se elige un SMC muy reforzado, que tiene por tanto una alta presion de transformacion (40 MPa), entonces pueden elegirse dos tipos de espuma. O bien se usa una espuma de alta densidad, y entonces la pieza sera resistente mecanicamente, de poco grosor, pero pesada. O bien se usa una espuma de menor densidad, y entonces la pieza sera resistente mecanicamente, de mayor grosor, pero menos pesada.
Asf, segun la invencion, se preven tres variantes del procedimiento en funcion de las restricciones que deben respetarse en la pieza acabada:
Variante 1 (figura 1)
El material de plastico es adecuado para continuar con su maduracion mediante polimerizacion a una presion P. Se usa una espuma cuya densidad es tal que a la presion P, la espuma no experimenta casi deformacion, teniendo la espuma una meseta de compresibilidad en su curva de compresibilidad que comienza a una presion superior a la presion P.
La curva de compresion de la espuma es una curva que representa la deformacion de la espuma (en % de su volumen) en funcion de la presion aplicada a la espuma (en bar). Esta curva presenta tres partes:
- una primera parte en la que la espuma no experimenta casi deformacion a pesar de un aumento de presion aplicada;
- una meseta, es decir un intervalo de deformacion para el que la presion aplicada es constante. Dicho de otro modo, cuando se alcanza una determinada presion, la espuma continua deformandose aunque no aumente la presion. - Una barrera de compresibilidad de la espuma, es decir un intervalo de presion aplicada para el que no hay casi deformacion.
Segun esta variante, durante el cierre del molde (MO), la espuma se comprime hasta perder menos del 5% de su volumen. La fuerza de reaccion de la espuma comprime los flancos de SMC a la presion necesaria para una buena transformacion (endurecimiento mediante polimerizacion) de la misma. Se aporta temperatura por las paredes del molde. Durante la apertura del molde, el SMC reticulado resiste la presion interna creada por la expansion del inserto de espuma (iM). Las densidades inicial y final de la espuma son iguales.
Segun esta variante, si las laminas de material de plastico (FMP) estan muy cargadas (presion de transformacion superior a 40 MPa), entonces la espuma tendra una densidad muy alta (superior a 0,4 g/cm3, y preferiblemente superior a 0,6 g/cm3), lo que conlleva un mayor peso para la pieza (PS). En cambio, la pieza (PS) tendra una voluminosidad limitada para una resistencia mecanica elevada.
Segun esta variante, si las laminas de material de plastico (FMP) estan poco cargadas (presion de transformacion inferior a 30 MPa), entonces la espuma podra tener una baja densidad (inferior a 0,2 g/cm3, y preferiblemente inferior a 0,05 g/cm3), lo que conlleva un menor peso para la pieza (PS).
En cambio, la pieza (PS) tendra una voluminosidad mas importante para una resistencia mecanica elevada.
Variante 2 (figura 2)
El material de plastico es adecuado para continuar con su maduracion mediante polimerizacion a una presion P. Se usa una espuma que tiene una curva de compresibilidad que presenta una meseta de compresibilidad para un intervalo de presiones, estando comprendida la presion P en este intervalo de presiones.
Segun esta variante, durante el cierre del molde (MO), la espuma se comprime hasta perder el 60% de su grosor. La fuerza de reaccion de la espuma comprime los flancos de SMC a la presion necesaria para una buena transformacion. Se aporta temperatura por las paredes del molde. Durante la apertura del molde, el inserto de espuma recupera su grosor de partida. El inserto de espuma es visible en el canto de la pieza. Las densidades inicial y final de la espuma son iguales.
Durante este procedimiento, por tanto, es necesario controlar la herramienta de moldeo en su dimensionamiento para tener en cuenta el hinchamiento de la pieza. En efecto, el grosor de la pieza es un dato de entrada que debe respetarse. Por tanto, se usa un molde (MO) que comprime mas la estructura de tipo intercalado, para que una vez que la espuma haya tomado su forma, la pieza tenga un buen grosor.
Asf, se dimensiona el molde (MO) de modo que tenga en cuenta la variacion de grosor del inserto de espuma (IM) una vez abierto el molde.
Variante 3 (figura 3)
El material de plastico es adecuado para continuar con su maduracion mediante polimerizacion a una presion P. Se usa una espuma que tiene una curva de compresibilidad que presenta una meseta de compresibilidad que presenta una meseta de compresibilidad para un intervalo de presiones inferiores a la presion P: la presion optima de transformacion de SMC es comparable al valor de presion de la barrera de compresibilidad de la espuma.
Segun esta variante, durante el cierre del molde (MO), la espuma se comprime hasta perder el 60% de su grosor. El SMC fluye por los bordes de la pieza para envolver por completo el inserto de espuma (IM). Con la apertura del molde, el SMC es suficientemente solido como para resistir la presion interna creada por la expansion del inserto de espuma. La geometna del inserto de espuma (IM) comprimido debe ser delgada en los bordes para minimizar esta presion.
Segun un modo de realizacion particular, se precalienta el inserto de espuma (IM) antes de su introduccion en el molde (MO), para permitir disminuir la reaccion residual (es decir, el hinchamiento de la espuma una vez abierto el molde). La densidad de la espuma en la pieza acabada (PS) es mayor que la densidad inicial de la espuma.

Claims (10)

REIVINDICACIONES
1. Procedimiento para producir una pieza de material de plastico (PS) que tiene una estructura de tipo intercalado, en el que:
- se disponen en un molde (MO) al menos dos laminas de material de plastico (FMP) reforzado con fibras; - se dispone en el molde (MO) al menos un inserto de espuma (IM) entre las laminas de material de plastico (FMP), formando el inserto de espuma (IM) un nucleo estructural;
- se cierra el molde (MO), y se aplica una presion y una temperatura elegidas para permitir la fluencia y la polimerizacion del material de plastico; y
- se desmoldea la pieza (PS) asf obtenida.
2. Procedimiento segun la reivindicacion 1, en el que el material de plastico es adecuado para continuar con su maduracion mediante polimerizacion a una presion P, y se usa una espuma cuya densidad es tal que a la presion P, la espuma no experimenta casi deformacion, teniendo la espuma una meseta de compresibilidad en su curva de compresibilidad que comienza a una presion superior a la presion P.
3. Procedimiento segun la reivindicacion 2, en el que la presion P es inferior a 30 MPa, y la espuma tiene una densidad inferior a 0,2 g/cm3, o la presion P es superior a 40 MPa, y la espuma tiene una densidad superior a 0,4 g/cm3.
4. Procedimiento segun la reivindicacion 1, en el que el material de plastico es adecuado para continuar con su maduracion mediante polimerizacion a una presion P, y se usa una espuma que tiene una curva de compresibilidad que presenta una meseta de compresibilidad para un intervalo de presiones que comprende la presion P.
5. Procedimiento segun la reivindicacion 4, en el que se dimensiona el molde (MO) de modo que tenga en cuenta una variacion de grosor del inserto de espuma (IM) una vez abierto el molde.
6. Procedimiento segun la reivindicacion 1, en el que el material de plastico es adecuado para continuar con su maduracion mediante polimerizacion a una presion P, y se usa una espuma que tiene una curva de compresibilidad que presenta una meseta de compresibilidad para un intervalo de presiones inferiores a la presion P.
7. Procedimiento segun una de las reivindicaciones anteriores, en el que se calienta el inserto de espuma (IM) antes de su introduccion en el molde (MO).
8. Procedimiento segun una de las reivindicaciones 1 a 6, en el que el inserto de espuma (IM) se introduce en el molde (MO) a una temperatura inferior o igual a la temperatura ambiente.
9. Procedimiento segun una de las reivindicaciones anteriores, en el que se realiza una preconformacion del inserto de espuma (IM) antes de introducirlo en el molde (MO).
10. Procedimiento segun una de las reivindicaciones anteriores, en el que la lamina de material de plastico (FMP) reforzado esta constituida por una resina termoplastica o termoestable que impregna fibras de refuerzo.
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