ES2836214T3 - Método para tejer sustratos con paredes laterales integrantes - Google Patents

Abstract

Una preforma tridimensional tejida integralmente (11, 15, 31, 51) con al menos una pared lateral (12, 13, 16, 17, 22) en al menos una dirección construida a partir de una tela base tejida, comprendiendo la tela base tres o más capas (32, 33, 34, 52, 53, 54), en donde: (a) las tres o más capas comprenden al menos una capa superior (32, 52), una segunda capa (33, 53) y una tercera capa (34, 54); (b) las capas comprenden fibras en una primera dirección (36, 56) y fibras en una segunda dirección perpendicular a la primera dirección (37, 57); caracterizada por que: - la segunda capa está debajo de la capa superior y la tercera capa está debajo de la segunda capa; (c) hay una pluralidad de primeras regiones entretejidas (38, 71, 81), en donde dichas primeras regiones entretejidas comprenden fibras de la capa superior en la primera dirección entretejidas con fibras de la tercera capa en la primera dirección; (d) hay una pluralidad de primeras paredes laterales integrantes (12, 16) en la segunda dirección, en donde dichas primeras paredes laterales integrantes se forman en las primeras regiones entretejidas (38) respectivas, en donde dichas primeras paredes laterales integrantes se forman cortando y doblando una primera parte de la capa superior expuesta (32) en un primer lado de una primera región entretejida junto con una segunda parte de la capa superior expuesta en un segundo lado de la primera región entretejida, en donde las primeras paredes laterales integrantes comprenden fibras de la primera y la tercera capa; y (e) hay una pluralidad de segundas regiones entretejidas (72), en donde dicha segunda región entretejida comprende fibras de la segunda capa en la segunda dirección entretejidas con fibras de la tercera capa en la segunda dirección; (f) hay una pluralidad de segundas paredes laterales integrantes (13) en la primera dirección, en donde dichas segundas paredes laterales integrantes están formadas en las segundas regiones entretejidas respectivas, en donde dichas segundas paredes laterales integrantes son perpendiculares a las primeras paredes laterales integrantes (12) y se forman doblando una primera parte de la segunda capa expuesta lejos de la tercera capa en un primer lado de una segunda región entretejida junto con una segunda parte de la segunda capa en un segundo lado de dicha segunda región entretejida; y (g) la primera y segunda paredes laterales integrantes forman al menos una celda.

Description

DESCRIPCIÓN

Método para tejer sustratos con paredes laterales integrantes

Campo de la invención

La presente invención se refiere a preformas tejidas integralmente para estructuras compuestas reforzadas que se pueden tejer en plano y doblar en su forma tridimensional final, teniendo la forma final paredes laterales integrantes en al menos una dirección.

Antecedentes de la invención

El uso de materiales compuestos reforzados para producir componentes estructurales está ahora muy extendido, particularmente en aplicaciones donde se buscan sus características deseables por ser ligeros, fuertes, duros, resistentes térmicamente, autoportantes y su adaptabilidad a formarse y conformarse. Se utilizan tales componentes, por ejemplo, en las industrias aeronáutica, aeroespacial y de satélites, así como para usos recreativos como en embarcaciones de carreras y otras innumerables aplicaciones. Normalmente, los componentes consisten en materiales de refuerzo incrustados en materiales de matriz. El componente de refuerzo puede estar hecho de materiales tales como vidrio, carbono, cerámico, aramida, polietileno, y/u otros materiales que exhiben las propiedades físicas, térmicas, químicas y/u otras deseadas, siendo la principal de las cuales una gran resistencia contra el fallo por tensión. Mediante el uso de tales materiales de refuerzo, que finalmente se convierten en un elemento constitutivo del componente terminado, las características deseadas de los materiales de refuerzo tales como una resistencia muy alta, se confieren al componente compuesto completado. Los materiales de refuerzo constituyentes normalmente pueden ser tejidos, tricotados u orientado de otro modo en configuraciones y formas deseadas para preformas de refuerzo. Habitualmente, se presta especial atención a garantizar la utilización óptima de las propiedades para las que se han seleccionado estos materiales de refuerzo constituyentes. En general, tales preformas de refuerzo se combinan con un material de matriz para formar los componentes terminados deseados o producir material de trabajo para la producción final de componentes terminados.

Después de haber construido una preforma de refuerzo deseada, el material de matriz puede introducirse y combinarse con la preforma, de modo que la preforma de refuerzo quede encajada en el material de matriz de modo que el material de matriz llene las áreas intersticiales entre los elementos constituyentes de la preforma de refuerzo. El material de matriz puede ser cualquiera de una amplia variedad de materiales, tales como epoxi, poliéster, éster de vinilo, cerámico, carbono y/u otros materiales, que también exhiben las propiedades físicas, térmicas, químicas y/u otras deseadas. Los materiales elegidos para usar como matriz pueden ser o no los mismos que los de la preforma de refuerzo y pueden tener o no propiedades físicas, químicas, térmicas o de otro tipo, comparables. Normalmente, sin embargo, no serán de los mismos materiales ni tendrán propiedades físicas, químicas, térmicas u otras, comparables, como la preforma de refuerzo, ya que un objetivo habitual que se busca al usar materiales compuestos, en primer lugar, es lograr una combinación de características en el producto terminado que no se puede lograr mediante el uso de un solo material constituyente. Cuando se combinan, la preforma de refuerzo y el material de matriz se pueden curar y estabilizar entonces en la misma operación mediante termoendurecimiento u otros métodos conocidos, y luego someterse a otras operaciones para producir el componente deseado. Es importante observar que después de curarlas, las masas entonces solidificadas del material de matriz se adhieren normalmente muy fuertemente al material de refuerzo (p. ej., la preforma de refuerzo). Como resultado, la tensión en el componente terminado, particularmente a través de su material de matriz que actúa como adhesivo entre fibras, puede ser efectivamente transferida a y soportada por el material constituyente de la preforma de refuerzo de refuerzo.

Con frecuencia, es deseable producir componentes en configuraciones que no sean formas geométricas simples tales como placas, láminas, sólidos rectangulares o cuadrados, etc. Es de particular interés la configuración que consiste en un sustrato plano con paredes laterales integrantes en dos direcciones. Las paredes laterales integrantes se pueden utilizar como refuerzos convencionales en aplicaciones de capa superficial reforzada, en donde el sustrato actúa como la capa superficial. En cada una de estas aplicaciones, es importante hacer cada unión entre los componentes constituyentes, es decir, el refuerzo y la plataforma de base o la parte del panel, tan fuerte como sea posible. Dada la muy alta resistencia deseada de los constituyentes de la preforma de refuerzo por sí mismos, la debilidad de la unión se vuelve, efectivamente, un "eslabón débil" en una "cadena" estructural.

En el pasado se han usado diversos métodos para unir componentes compuestos o preformas de refuerzo para producir una estructura compleja reforzada o paneles de capa superficial reforzados. Se ha propuesto utilizar capas individuales de tela adherente o preimpregnada para formar la estructura del sustrato con paredes laterales. Cuando se usa tela adherente, la preforma laminada resultante se puede moldear posteriormente por transferencia de resina; si se usa preimpregnado para formar la forma final, la preforma resultante se puede embolsar al vacío y curar. Sin embargo, la aplicación de cargas, en particular a través de cargas de espesor, a la preforma laminada puede dar como resultado la deslaminación de la preforma o la separación de las paredes laterales del sustrato plano.

También se ha utilizado el uso de pernos o remaches metálicos en la interfaz de dichos componentes, pero es inaceptable porque tales adiciones destruyen y debilitan, al menos parcialmente, la integridad de las propias estructuras compuestas, añaden peso e introducen diferencias en el coeficiente de expansión térmica entre dichos elementos y el material circundante.

Otros enfoques para resolver este problema se han basado en el concepto de introducir fibras de alta resistencia a través del área de la unión mediante el uso de métodos tales como coser uno de los componentes al otro y basados en el hilo de coser para introducir tales fibras de refuerzo en y a través del lugar de la unión. Uno de estos enfoques se muestra en la Pat. de EE. UU. n.° 4.331.495 y su método homólogo divisional, la Pat. de EE. UU. n.° 4.256.790. Estas patentes divulgan uniones que se han realizado entre un primer y un segundo panel compuesto hecho de capas de fibra unidas con adhesivo. El primer panel se bifurca en un extremo para formar dos superficies de contacto del panel coplanarias y divergentes, de la manera de la técnica anterior, que se han unido al segundo panel mediante puntadas de hilo compuesto flexible sin curar a través de ambos paneles. Luego, los paneles y el hilo se "curan conjuntamente": es decir, se curan simultáneamente. Sin embargo, este proceso requiere que la preforma se construya en varias etapas, así como requiere la introducción de un tercer hilo o fibra en la preforma.

Un ejemplo de una configuración de intersección se establece en la Patente de EE. UU. n.° 6.103.337. Esta referencia divulga un medio para unir una preforma de refuerzo con un panel de preforma para formar una preforma de refuerzo tridimensional. Las dos preformas individuales se unen entre sí en la unión por medio de fibras de refuerzo en forma de hebras o hilos. Una vez que las dos preformas estén unidas o cosidas, se introduce material de matriz en las preformas. Sin embargo, este proceso requiere que las preformas se tejan o construyan individualmente, y posteriormente se cosan juntas en una etapa separada. Las preformas no se tejen juntas de forma continua o integrante. Además, se necesita un hilo o fibra adicional para conectar las preformas.

Otro método para mejorar la resistencia de la unión se establece en la Patente de EE. UU. n.° 5.429.853. Sin embargo, este método es similar a los métodos descritos anteriormente porque los elementos distintos construidos por separado se unen mediante la costura de un tercer hilo o fibra entre los dos.

El documento US 2006/0121809 divulga una preforma tridimensional tejida integralmente con refuerzos en dos direcciones construidos a partir de una tela base tejida que tiene primera, segunda y tercera telas tejidas. Una pluralidad de hilos están entretejidos sobre una región entre la primera y la segunda tela de modo que la primera tela sea plegable con respecto a la segunda tela. Una pluralidad adicional de hilos se entrelazan sobre una región entre la segunda y la tercera tela de modo que la tercera tela sea plegable con respecto a la segunda tela. Al doblar la tela base tejida, se forma la preforma tridimensional integralmente tejida con refuerzos en dos direcciones.

El documento US 4958663 divulga una tela de entrelazado angular de múltiples capas que se teje a partir de hilos de urdimbre que se extienden de manera recta en una dirección común a lo largo de la tela e hilos de relleno que se extienden repetidamente a través del grosor de la tela a lo largo de trayectorias angulares entre superficies anchas opuestas de la tela y se entrelazan dentro de los hilos de urdimbre relativamente rectos. La tela se puede tejer usando un telar de lanzadera convencional con una máquina Jacquard programable que controla las líneas del arnés del telar para subir y bajar selectivamente los hilos de relleno que se extienden a través de un área de tejido del telar mientras la lanzadera del telar se mueve alternativamente a través del área de tejido para extender repetidamente un hilo de relleno a lo ancho de la tela que se está formando. Se pueden proporcionar hilos embutidos extendiendo periódicamente el hilo de relleno a lo ancho de la tela entre láminas adyacentes de los hilos de urdimbre durante el tejido. Tejer la tela de esta manera permite que se forme una ranura a través de parte del ancho de la tela dentro del grosor de la tela al restringir las partes adyacentes de los hilos de relleno a los lados opuestos de la interfaz entre un par adyacente de láminas de hilo de relleno donde se encuentra la ranura que se va a formar.

El documento US 2002/192450 divulga una arquitectura de tejido tridimensional para tejer preformas que tiene fibras de relleno tejidas para proporcionar entrelazado capa a capa de capas de fibra de urdimbre así como entrelazado de fibras dentro de cada capa. La preforma tejida transfiere la carga fuera del plano a través de fibras dirigidas para minimizar la tensión interlaminar. La preforma tiene una base y al menos una pata que se extiende desde la base, la base y la pata tienen cada una al menos dos capas de fibras de urdimbre. Las fibras de relleno siguen una secuencia de tejido que las lleva a través de parte de la base, luego en las patas, luego a través de la otra parte de la base, y de regreso a través de la base para regresar al punto de inicio de la estopa de llenado. La pata puede estar conectada en una intersección de columna simple o distribuida, y la intersección puede ser radial. Los extremos exteriores de la base y las patas pueden tener ahusamientos formados a partir de capas terminales de fibras de urdimbre en un patrón escalonado.

El documento US 2003/056847 divulga una preforma para uniones estructurales que tiene una arquitectura de tejido tridimensional con fibras de relleno tejidas para proporcionar entrelazado capa a capa de capas de fibra de urdimbre así como entrelazado de fibras dentro de cada capa. Al menos dos patas se extienden desde una base, la base y las patas tienen cada una al menos dos capas de fibras de urdimbre. Las patas están conectadas en una intersección de columnas distribuida y simétrica, siendo las patas un número impar de columnas de fibras de urdimbre que están localizadas. Los extremos exteriores de la base y las patas tienen preferentemente conos formados a partir de capas terminales de fibras de urdimbre en un patrón escalonado. Las fibras trazadoras que incluyen una hebra coloreada y una hebra opaca a los rayos X se tejen en la preforma en ubicaciones seleccionadas como una fibra de urdimbre. Las fibras trazadoras permiten la identificación de una ubicación seleccionada o una parte seleccionada de la preforma mediante inspección visual o imágenes de rayos X.

El documento US 6446 675 divulga una preforma tejida para un material compuesto reforzado que puede tejerse en plano y doblarse en una forma con las fibras en el pliegue que se tejen de manera que se compense el doblado.

Si bien la técnica anterior ha buscado mejorar la integridad estructural del material compuesto reforzado y ha logrado cierto éxito, existe el deseo de mejorarlo y abordar el problema mediante un enfoque diferente del uso de adhesivos o acoplamiento mecánico del panel separado y los elementos de refuerzo. En este sentido, un enfoque podría ser la creación de una estructura tridimensional tejida en máquinas especializadas. Una tela tridimensional generalmente consiste en fibras que se extienden a lo largo de una dirección perpendicular a las otras fibras, que está a lo largo de las direcciones axiales X, Y y Z. Sin embargo, el gasto involucrado es considerable y rara vez es deseable tener una máquina de tejer dirigida a crear un solo tipo de estructura.

Otro enfoque es tejer una estructura bidimensional y doblarla para darle forma de modo que el panel quede rígido integralmente, es decir, los hilos se entrelazan continuamente entre la base plana o la parte del panel y el refuerzo. Sin embargo, esto normalmente da como resultado la distorsión de la preforma cuando se dobla la preforma. La distorsión se produce porque las longitudes de la fibra tal como están tejidas son diferentes de las que deberían ser cuando se dobla la preforma. Esto causa hoyuelos y ondulaciones en las áreas donde las longitudes de las fibras recién tejidas son demasiado cortas y se comban en las áreas donde las longitudes de las fibras son demasiado largas. Estas distorsiones provocan anomalías superficiales indeseables y reducen la resistencia y rigidez del componente. Si bien esto puede aliviarse mediante corte y proyección, tales procedimientos son indeseables ya que requieren mucha mano de obra o pueden comprometer la integridad de la preforma.

La Patente de EE. UU. n.° 6.446.675 resuelve el problema de la distorsión que se produce al doblar una preforma tejida bidimensional ajustando las longitudes de las fibras durante el tejido de modo que algunas fibras sean demasiado cortas en algunas áreas y otras demasiado largas en otras áreas. Al doblar la preforma, las longitudes de las fibras se igualan, proporcionando una transición suave en el pliegue. Sin embargo, esta preforma tejida solo es capaz de proporcionar refuerzo o rigidez en una dirección, que es paralela a la dirección de la fibra de urdimbre.

Otro enfoque para la construcción de paneles rigidizados se establece en la Patente de EE. UU. n.° 6.019.138, que divulga un método para fabricar paneles rigidizados con enderezadores de refuerzo tanto en la dirección de urdimbre como en la de relleno. Según se divulga, este método logra el refuerzo en dos direcciones mediante sobretejido, o simplemente tejiendo puntos altos en la parte de panel de la preforma. El uso de este método limitará la altura del refuerzo que se puede lograr. Asimismo, este método requiere que la preforma se teja con tres hilos. El tercer hilo, que une el refuerzo a la parte del panel de la preforma, solo se teje periódicamente entre los otros dos hilos. Por tanto, el refuerzo no está completamente tejido integralmente con la parte de panel, lo que da como resultado una unión que es más débil que una unión completamente tejida integralmente.

Por consiguiente, existe la necesidad de una preforma tejida integralmente que proporcione paredes laterales en dos o más direcciones que puedan tejerse en un proceso usando un telar convencional sin modificaciones especiales.

La cita o identificación de cualquier documento en esta solicitud no debería interpretarse como una admisión de que dicho documento está disponible como técnica anterior a la presente invención.

Sumario de la invención

De acuerdo con la presente invención, se proporciona una preforma tridimensional tejida integralmente con al menos una pared lateral en al menos una dirección, de acuerdo con la reivindicación 1.

La tela base de la preforma comprende tres o más capas.

(a) las tres o más capas comprenden al menos una capa superior, una segunda capa y una tercera capa;

(b) las capas comprenden fibras en una primera dirección y fibras en una segunda dirección perpendicular a la primera dirección; la segunda capa está debajo de la capa superior y la tercera capa está debajo de la segunda capa;

(c) hay una pluralidad de primeras regiones entretejidas, en donde dichas primeras regiones entretejidas comprenden fibras de la capa superior en la primera dirección entretejidas con fibras de la tercera capa en la primera dirección;

(d) hay una pluralidad de primeras paredes laterales integrantes en la segunda dirección, en donde dichas primeras paredes laterales integrantes se forman en las primeras regiones entretejidas respectivas, en donde dichas primeras paredes laterales integrantes se forman cortando y doblando una primera parte de la capa superior expuesta en un primer lado de una primera región entretejida junto con una segunda parte de la capa superior expuesta en un segundo lado de la primera región entretejida, en donde las primeras paredes laterales integrantes comprenden fibras de la primera y la tercera capa; y

(e) hay una pluralidad de segundas regiones entretejidas, en donde dicha segunda región entretejida comprende fibras de la segunda capa en la segunda dirección entretejidas con fibras de la tercera capa en la segunda dirección;

(f) hay una pluralidad de segundas paredes laterales integrantes en la primera dirección, en donde dichas segundas paredes laterales integrantes están formadas en las segundas regiones entretejidas respectivas, en donde dichas segundas paredes laterales integrantes son perpendiculares a las primeras paredes laterales integrantes y se forman doblando una primera parte de la segunda capa expuesta lejos de la tercera capa en un primer lado de una segunda región entretejida junto con una segunda parte de la segunda capa expuesta en un segundo lado de dicha segunda región entretejida; y

(g) la primera y segunda paredes laterales integrantes forman al menos una celda.

En una realización preferida, la preforma comprende celdas de forma rectangular.

En otra realización, la preforma comprende celdas de forma hexagonal.

Otro aspecto de la presente invención es un método para formar una preforma tridimensional tejida con paredes laterales de acuerdo con la reivindicación 26.

El método comprende las etapas de:

(i) preparar una tela base que comprende tres o más capas, en donde las capas comprenden fibras en una primera dirección y fibras en una segunda dirección perpendicular a la primera dirección, y en donde las fibras de la primera capa en una primera dirección se entretejen en una primera región entretejida con fibras de una segunda capa en una segunda dirección;

(ii) cortar la primera capa en una segunda dirección de modo que una primera parte de la primera capa en un primer lado de la primera región entretejida sea plegable a la preforma, y una segunda parte de la primera capa en un segundo lado de la primera la región entretejida sea plegable a la preforma;

(iii) doblar la primera y la segunda partes de modo que dicha parte sea perpendicular a la tela básica para formar una pared lateral integrante.

Estas y otras realizaciones se divulgan o son evidentes a partir de, y están abarcadas por, la siguiente descripción detallada.

Breve descripción de los dibujos

La siguiente descripción detallada, dada a modo de ejemplo, pero no destinada a limitar la invención únicamente a las realizaciones específicas descritas, se puede entender mejor junto con los dibujos adjuntos, en los que:

Las Figs. 1A-1C representan diferentes patrones de tejido de la preforma. La Fig. 1A muestra la arquitectura de entrelazado angular a través del espesor. La Fig. 1B muestra una arquitectura ortogonal a través del espesor. La Fig. 1C muestra la arquitectura de entrelazado capa a capa;

Las Figs. 2A-2B muestran preformas básicas con paredes laterales integrantes. La Fig. 2A muestra una preforma básica con paredes laterales integrantes longitudinales continuas y paredes laterales integrantes transversales discontinuas para formar celdas rectangulares, de acuerdo con una realización de la invención. La Fig. 2B muestra una preforma básica con paredes laterales integrantes longitudinales continuas y paredes laterales integrantes transversales discontinuas para formar celdas rectangulares, de acuerdo con una realización alternativa de la invención;

La Fig. 3 muestra una preforma básica con paredes laterales integrantes transversales discontinuas y paredes laterales no integrantes discontinuas que se utilizan para formar celdas hexagonales, de acuerdo con una realización de la invención;

Las Figs. 4A-4D representan la formación de paredes laterales integrantes. La Fig. 4A muestra una vista lateral de una preforma básica que comprende 4 capas de tela tejida. La Fig. 4B. muestra cómo las fibras de la capa superior se entrelazan con las fibras de la tercera capa para formar una región entretejida. La Fig. 4C muestra cómo se hacen cortes en la capa superior de modo que se crean partes separadas de la capa superior. La Fig. 4D muestra cómo las partes separadas de la capa superior se pueden doblar en la región entretejida para formar las paredes laterales integrantes;

Las Figs. 5A-5C representan la formación de paredes laterales no integrantes. La Fig. 5A muestra una vista lateral de una preforma básica que comprende 4 capas de tela tejida. La Fig. 5B. muestra cómo se hacen los cortes en la capa superior de modo que se crean partes separadas de la capa superior. La Fig. 5C muestra cómo las partes separadas de la capa superior se pueden doblar para formar las paredes laterales no integrantes;

Las Figs. 6A-6C representan la formación de una preforma básica con paredes laterales integrantes longitudinales continuas y paredes laterales integrantes transversales discontinuas para formar celdas rectangulares, de acuerdo con una realización de la invención. La Fig. 6A muestra una vista superior de una preforma básica que tiene regiones entretejidas entre fibras en las direcciones de urdimbre y trama, y cómo se corta la capa superior para formar partes separadas. La Fig. 6B muestra cómo se doblan las partes separadas para formar las paredes laterales integrantes longitudinales, y cómo se corta la segunda capa para formar partes separadas. La Fig. 6C muestra cómo las partes separadas de la capa superior se pueden doblar para formar las paredes laterales integrantes transversales;

Las Figs. 7A-7C representan la formación de una preforma básica con paredes laterales integrantes longitudinales continuas y paredes laterales integrantes transversales discontinuas para formar celdas rectangulares, de acuerdo con una realización alternativa de la invención. La Fig. 7A muestra una vista superior de una preforma básica que tiene regiones entretejidas entre fibras en las direcciones de urdimbre y trama, y cómo se corta la capa superior para formar partes separadas. La Fig. 7B muestra cómo se doblan las partes separadas para formar las paredes laterales integrantes longitudinales, y cómo se corta la segunda capa para formar partes separadas. La Fig. 7C muestra cómo las partes separadas de la capa superior se pueden doblar para formar las paredes laterales integrantes transversales;

Las Figs. 8A-8C representan la formación de una preforma básica con paredes laterales integrantes transversales discontinuas y paredes laterales no integrantes discontinuas que se utilizan para formar celdas hexagonales, de acuerdo con una realización de la invención. La Fig. 8A muestra una vista superior de una preforma básica que tiene regiones entretejidas entre fibras en la dirección de urdimbre, y cómo se corta la capa superior para formar partes separadas. La Fig. 8B. muestra cómo se doblan las partes separadas para formar las paredes laterales transversales integrantes y no integrantes. La Fig. 8C muestra cómo las paredes laterales no integrantes se mueven y unen con las paredes laterales integrantes para formar la celda hexagonal.

Descripción detallada

En la siguiente descripción, los mismos caracteres de referencia designan partes iguales o correspondientes en todas las figuras. Adicionalmente, en la siguiente descripción, se entiende que términos tales como "delantero", "trasero", "izquierdo", "derecho", "transversal", "longitudinal", y similares son palabras de conveniencia y no deben interpretarse como términos limitantes. Además, los términos "fibras" e "hilos" se utilizan de forma intercambiable en todas partes y tienen un significado equivalente. Asimismo, los términos "transversal" y "perpendicular" se utilizan de forma intercambiable en todas partes y tienen un significado equivalente.

La presente invención se refiere a una preforma tridimensional con paredes laterales, o al menos una pared lateral, proporcionada en al menos una dirección. Las paredes laterales pueden ser parte integrante de la preforma, de manera que las fibras se entrelazan entre la base de la preforma, o sustrato, y las paredes laterales para bloquear los componentes juntos. Esto produce ventajosamente una junta de resistencia mucho mayor que los métodos anteriores porque ya no hay una línea de unión débil entre los componentes, lo que elimina el potencial de deslaminación y mejora la tolerancia al daño. La preforma se construye a partir de una pieza de material, eliminando así todo el tiempo asociado con el corte de capas para la capa superficial laminada y las paredes laterales. Asimismo, no hay necesidad de un agente de pegajosidad, lo que también ahorra tiempo y dinero, y elimina la posibilidad de problemas de compatibilidad con la resina primaria. La preforma se teje primero como una preforma plana en forma de tela base. Luego, la tela base se dobla en una preforma tridimensional con una parte de sustrato que tiene paredes laterales en al menos una dirección, p. ej., transversal o longitudinal, pero alternativamente en más de una dirección, p. ej., paredes laterales transversales y longitudinales. La preforma tejida resultante se puede procesar en un componente compuesto con la introducción de un material de matriz usando técnicas convencionales tales como moldeo por transferencia de resina o infiltración de vapor químico.

Las preformas se pueden utilizar en diversas aplicaciones que se conocen en la técnica, tal como para componentes estructurales que requieren un material que sea ligero, fuerte, duro, resistente térmicamente, autoportante y que tenga capacidad de adaptación al formarse y conformarse. De forma similar, la preforma se puede utilizar en aplicaciones y las paredes laterales se pueden utilizar como refuerzos convencionales en aplicaciones de capa superficial reforzada, actuando la parte de sustrato como capa superficial.

La preforma se puede tejer con fibras o hilos de urdimbre y trama o fibras o hilos de relleno utilizando un telar Jacquard o un telar de arnés y lanzadera capturada; sin embargo, se puede utilizar cualquier técnica de tejido convencionalmente conocida para tejer la preforma. La preforma puede comprender cualquier fibra que se pueda tejer a máquina y pueden ser materiales sintéticos o naturales tales como carbono, nailon, rayón, poliéster, fibra de vidrio, algodón, vidrio, cerámico, aramida y polietileno. Las fibras se pueden tejer en capas, en donde cada una de las capas de la preforma puede tener cualquier patrón de tejido, tal como liso, asargado, satinado, y entre las capas capa a capa, entrelazado ortogonal o angular. Por ejemplo, en una arquitectura de entrelazado angular a través del espesor como se muestra en la Fig. 1A, las fibras de urdimbre 1 atraviesan todo el espesor de la preforma en un ángulo que está definido por el pico o el espaciado de las fibras de trama 2. En una arquitectura ortogonal a través del espesor como se muestra en la Fig. 1B, las fibras de urdimbre 1 atraviesan todo el espesor de la preforma entre picos adyacentes o columnas de fibras de trama 2, por lo que el componente a través del espesor es más o menos ortogonal a las caras de la tela. Este tipo de arquitectura generalmente incluye "embutidoras" de urdimbre que simplemente pasan entre dos capas de picos sin tejer. En una arquitectura de entrelazado capa a capa como se muestra en la Fig. 1C, las fibras de urdimbre 1 solo pasan parcialmente a través del espesor total de la preforma, bloqueando dos o más capas juntas. La urdimbre suele tener un ángulo de entrelazado similar a las arquitecturas de entrelazado angular, pero también puede ser ortogonal. Por ejemplo, la capa 1 de la preforma se puede bloquear a la capa 2, la capa 2, a la capa 3, y así sucesivamente.

De acuerdo con una realización de la invención, la invención comprende una preforma tridimensional con una o más paredes laterales integrantes en las direcciones longitudinal y transversal, en donde las paredes laterales forman celdas rectangulares como se muestra en la Fig. 2A. Esta preforma originalmente comprendía seis capas de tejido, en donde la capa superior forma dos filas de paredes laterales integrantes continuas 12 en la dirección longitudinal (urdimbre) y la segunda capa forma cuatro filas de paredes laterales integrantes discontinuas 13 en la dirección transversal (trama); por tanto, la preforma 11, como se muestra, comprende las paredes laterales integrantes continuas 12, las paredes laterales integrantes discontinuas 13 y el sustrato que comprende las cuatro capas restantes.

En una realización alternativa representada en la Fig. 2B, la preforma originalmente comprendía seis capas de tela tejida en la que la capa superior forma tres filas de paredes laterales integrantes continuas 16 en la dirección longitudinal (urdimbre) y la segunda capa forma cinco filas de paredes laterales integrantes discontinuas 17 en la dirección transversal. Como resultado, la preforma 15 como se muestra comprende las paredes laterales integrantes continuas 16, las paredes laterales integrantes discontinuas 17 y el sustrato que comprende las cuatro capas restantes.

Por lo tanto, variaciones de las realizaciones representadas en las Figs. 2A y 2B pueden incluir:

el número de capas que forman la preforma, que es preferentemente tres o más

el número de paredes laterales continuas o discontinuas

la dirección de las paredes laterales continuas y discontinuas, es decir, longitudinal o transversal

las capas que están entrelazadas

la presencia de paredes laterales no integrantes continuas

la presencia de paredes laterales no integrantes discontinuas

la presencia de paredes laterales no integrantes continuas y discontinuas

la ubicación de las paredes laterales longitudinales y transversales

De acuerdo con otra realización, la invención comprende una preforma tridimensional con paredes laterales integrantes en la dirección longitudinal y paredes laterales no integrantes en las direcciones diagonales, en donde las paredes laterales forman una celda hexagonal como se muestra en la Fig. 3. Esta preforma 21 originalmente comprendía dos capas de tela tejida, en donde la capa superior forma cinco filas de paredes laterales 22 integrantes discontinuas en la dirección longitudinal (urdimbre) y cuatro filas de paredes laterales 23 no integrantes discontinuas en la dirección diagonal entre las direcciones longitudinal y transversal. Por tanto, el sustrato de la preforma 21 comprende una capa de tela. Las paredes laterales diagonales se mueven y aseguran con las paredes laterales longitudinales para crear la celda hexagonal. Las paredes laterales discurren en las direcciones 0°, 60° y -60°, lo cual es ventajoso en aplicaciones en las que las paredes laterales se utilizan como refuerzos. Este diseño se considera una configuración casi-isotrópica, ya que la rigidez en el plano sería igual sin importar en qué dirección se aplique la fuerza.

Variaciones de la realización representada en la Fig. 3 pueden incluir:

el número de capas que forman la preforma, que es preferentemente dos o más

la forma de la celda, que puede incluir cualquier forma poligonal

el número de paredes laterales integrantes discontinuas

la dirección de las paredes laterales integrantes discontinuas, es decir, urdimbre o trama

la presencia de paredes laterales integrantes continuas

el número de paredes laterales no integrantes discontinuas

la presencia de paredes laterales no integrantes continuas

la orientación de las paredes laterales no integrantes

Por supuesto, la invención también puede comprender una combinación de las preformas representadas en las Figs.

1A-1C, 2A-2B y 3, p. ej., y puede comprender paredes laterales integrantes continuas y discontinuas, combinadas con paredes laterales no integrantes para formar diversas formas, tales como rectángulos, cuadrados y hexágonos de diferentes tamaños.

Como se ha descrito anteriormente, el doblez se ubica en sitios donde los hilos se entretejen entre capas para formar regiones entretejidas. Las paredes laterales en la dirección de la trama se forman a partir de fibras en la dirección de la urdimbre entretejidas entre capas, mientras que las paredes laterales en la dirección de la urdimbre se forman a partir de fibras en la dirección de la trama. Por ejemplo, la Fig. 4A muestra una sección transversal de una preforma 31 que comprende cuatro capas de tela (32, 33, 34 y 35). Los círculos representan fibras en la dirección de urdimbre 36 (hacia el observador), mientras que las líneas estriadas representan fibras en la dirección de la trama 37. La Fig. 4B muestra las fibras de trama de la capa superior entretejidas con fibras en la tercera capa. El sitio de entretejido forma la región entretejida 38 que marca el lugar donde se doblará la capa superior para formar la pared lateral integrante. La figura 4C muestra que la capa superior tiene que cortarse 39 para formar partes separadas 40 de la capa que se pueden doblar hacia arriba para formar la pared lateral. La Fig. 4D muestra el doblado de la parte separada de la capa superior y la formación de paredes laterales integrantes 41. Las paredes laterales están integradas con al menos una de las otras capas de la preforma, en concreto, la tercera capa 34.

También se pueden formar paredes laterales que no estén integradas con la preforma. La Fig. 5A representa una sección transversal de una preforma 51 que comprende cuatro capas de tela (52, 53, 54 y 55). Los círculos representan fibras en la dirección de urdimbre 56 (hacia el observador), mientras que las líneas estriadas representan fibras en la dirección de la trama 57. Como se muestra en la Fig. 5B, se hacen cortes 58 en la capa superior para formar partes separadas 59 de la capa que se pueden doblar hacia arriba. La Fig. 5C muestra el doblado de la parte separada de la capa superior y la formación de paredes laterales 60 que no están integradas con la preforma y por lo tanto pueden moverse.

En diversas realizaciones, la preforma puede consistir en paredes laterales integrantes que comprenden dos piezas de material que se tejen integralmente con el sustrato. Se puede poner material adicional entre las dos piezas tejidas para aumentar el grosor de la pared lateral o para incluir refuerzo en direcciones distintas a las proporcionadas por el proceso de tejido. Por ejemplo, la tela puede cortarse al bies y podría colocarse entre las partes tejidas de la pared lateral para producir una pared lateral que tenga un refuerzo a 0° y a 90° (de las partes tejidas integralmente) y un refuerzo a ± 45° (de la tela al bies). La tela de capas al bies se puede tejer usando fibras o hilos de urdimbre y trama o puede ser un no tejido, tricotado o una matriz de fibras o hilos no tejidos. Los hilos de la matriz son paralelos entre sí. La matriz se puede orientar de 0° a 90° en comparación con la orientación de la pared lateral. Al igual que la preforma, la tela al bies puede comprender cualquier fibra que pueda tejerse a máquina y puede ser de materiales sintéticos o naturales tales como carbono, nailon, rayón, poliéster, fibra de vidrio, algodón, vidrio, cerámico, aramida y polietileno. Las fibras de la tela pueden seguir cualquier patrón de tejido, tal como liso, asargado, satinado y, entre las capas de capa a capa, entrelazado ortogonal o angular.

Se pueden aplicar técnicas conocidas en la técnica para mantener unido el laminado de la pared lateral. Tales técnicas incluyen coser, formación de T (p. ej., véase la Patente de EE. UU. n.° 6.103.337, etc.

La presente invención también se refiere a un método para formar una preforma tridimensional tejida con paredes laterales. El método comprende proporcionar dos o más capas de tela tejida en donde una pluralidad de fibras de una capa de tela se entrelazan con una pluralidad de fibras de otra capa de tela. Puede haber varios pares de capas entrelazadas. Las paredes laterales se forman entonces cortando y después doblando partes de las capas de la preforma, comenzando con la capa superior. El corte y el doblado se pueden repetir para capas adicionales.

Las paredes laterales pueden consistir en una o más capas de tela. Las paredes laterales que consisten en una capa de tela se pueden formar cortando y doblando partes de la capa superior hacia arriba (p. ej., véanse las Figs. 7B y 7C). Si el doblado ocurre en una región entretejida, entonces la pared lateral de una sola capa resultante es una pared lateral integrante; de lo contrario, la pared lateral no es integrante. Las paredes laterales que consisten en dos capas de tela se pueden formar cortando y doblando dos partes adyacentes de la capa superior juntas. De nuevo, si el doblado ocurre en una región entretejida, las paredes laterales de doble capa resultantes se integran en el sustrato de la preforma; si no es así, las paredes laterales no están integradas en el sustrato. Pueden formarse paredes laterales de más de dos capas moviendo juntas las paredes laterales no integrantes.

El sustrato será normalmente de construcción multicapa. Como alternativa, la preforma puede ser una construcción híbrida y comprender más de un material tal como una mezcla de paredes laterales de hilo de fibra de vidrio y carbono.

A modo de ejemplo, las Figs. 6A-6C muestran cómo se entreteje la preforma y cómo se forman las paredes laterales para la realización representada en la Fig. 2A. La Fig. 6A muestra una vista desde arriba de la preforma tejida antes de que se formen las paredes laterales. Las fibras están entretejidas entre la primera y la tercera capas en la dirección de la trama (indicada por "x") en la región entretejida 71 y en la dirección de la urdimbre entre la segunda y tercera capas ("marcadas por" ") en la región entretejida 72. Para formar la preforma 11, los cortes longitudinales 73 se realizan en la capa superior (indicada por líneas de puntos) para formar partes 74 separadas que se pueden levantar y doblar. La Fig. 6B muestra que los cortes longitudinales permiten que las partes separadas de la capa se doblen de modo que se formen las paredes laterales 12 longitudinales. Estas paredes laterales están integradas con la preforma, dado que el doblado se produce en la misma región entretejida 71 en la que se entrelazan las capas. Se hacen ahora cortes transversales 75 en la capa superior para formar partes separadas 76 de modo que esta capa pueda levantarse y doblarse. La Fig. 6C muestra que los cortes transversales permiten que la parte separada de la capa superior se doble de modo que se puedan formar las paredes laterales 13 transversales. La preforma 11 resultante es la misma que la realización mostrada en la Fig. 2A. Cabe destacar que, la preforma representada en las Figs. 6A-6C puede comprender solo una pequeña parte de una preforma más grande, en donde el patrón de entretejido entre capas y la formación de las paredes laterales se repite en las direcciones de urdimbre y trama.

Las Figs. 7A-7C muestran cómo se entrelaza la preforma y cómo se forman las paredes laterales para la realización representada en la Fig. 2B. La Fig. 7A muestra una vista superior de la preforma 15 antes de que se formen las paredes laterales. Las fibras están entretejidas entre la primera y la tercera capas en la dirección de la trama (marcada con "x") en la región entretejida 81 y en la dirección de la urdimbre (marcada con "+") entre la segunda y tercera capas en la región entretejida 82. Se realizan cortes longitudinales 83 en la capa superior para formar partes separadas 84 que se pueden doblar. La Fig. 7B muestra que las partes separadas de la capa superior se doblan para formar las paredes laterales 16 longitudinales, que se integran con la preforma. Se hacen ahora cortes transversales 85 en la capa superior para formar partes separadas 86 que se pueden levantar y doblar. La Fig. 7C muestra que los cortes transversales permiten doblar la capa superior de modo que se puedan formar las paredes laterales 17 transversales. La preforma 15 resultante es la misma que la realización mostrada en la Fig. 2B. De manera destacable, la preforma representada en las Figs. 7A-7C puede representar solo una pequeña parte de una preforma más grande, en donde el patrón de entretejido entre capas y la formación de las paredes laterales se repite en las direcciones de urdimbre y trama.

Como un ejemplo adicional, las Figs. 8A-8C muestran cómo se entreteje la preforma 21 para la realización representada en la Fig. 3. La Fig. 8A muestra una vista superior de la preforma 21 antes de que se formen las paredes laterales. Las fibras se entretejen en la dirección de la urdimbre (marcada con "+") entre la primera y la segunda capas en los sitios 91. Los cortes longitudinales 92 y transversales 93, marcados por las líneas de puntos, se realizan en la capa superior para formar las partes 94 separadas en los sitios indicados en la Fig. 8A. La Fig. 8B muestra que la capa superior se dobla para formar las paredes laterales transversales. Las paredes laterales formadas en los sitios donde se entretejen las capas superior y segunda formarán paredes laterales integrantes 22 (también marcadas con líneas en negrita), mientras que las paredes laterales formadas en los sitios donde las capas no están entretejidas serán paredes laterales no integrantes 23. Es importante señalar que las Figs. 8A-8C representan solo una pequeña región de toda la preforma, y que el patrón de entretejido de las capas se repite en la dirección de la urdimbre y la trama. Por lo tanto, la Fig. 8B muestra que las paredes laterales de las esquinas son integrantes. La Fig. 8C describe cómo las paredes laterales no integrantes se pueden mover para unir las paredes laterales integrantes y formar la celda hexagonal. Las paredes laterales no integrantes se pueden unir a las paredes laterales integrantes mediante métodos conocidos en la técnica tales como formación en T, formación de mechones y costuras.

Después de que la tela base se dobla en una preforma tridimensional tejida integralmente con paredes laterales, el panel o componente reforzado compuesto ahora se puede formar con la introducción de un material de matriz tal como epoxi, poliéster, éster de vinilo, cerámico, carbono y/u otros materiales, que también exhiben propiedades físicas, térmicas, químicas y/u otras deseadas, utilizando técnicas convencionales tales como moldeo por transferencia de resina o la infiltración de vapor químico.

Por consiguiente, se ha demostrado que una tela base puede diseñarse y conformarse en una preforma tejida tridimensional con paredes laterales integrantes en al menos una dirección.

Claims (26)

REIVINDICACIONES

1. Una preforma tridimensional tejida integralmente (11, 15, 31, 51) con al menos una pared lateral (12, 13, 16, 17, 22) en al menos una dirección construida a partir de una tela base tejida, comprendiendo la tela base tres o más capas (32, 33, 34, 52, 53, 54), en donde:

(a) las tres o más capas comprenden al menos una capa superior (32, 52), una segunda capa (33, 53) y una tercera capa (34, 54);

(b) las capas comprenden fibras en una primera dirección (36, 56) y fibras en una segunda dirección perpendicular a la primera dirección (37, 57);

caracterizada por que :

- la segunda capa está debajo de la capa superior y la tercera capa está debajo de la segunda capa;

(c) hay una pluralidad de primeras regiones entretejidas (38, 71, 81), en donde dichas primeras regiones entretejidas comprenden fibras de la capa superior en la primera dirección entretejidas con fibras de la tercera capa en la primera dirección;

(d) hay una pluralidad de primeras paredes laterales integrantes (12, 16) en la segunda dirección, en donde dichas primeras paredes laterales integrantes se forman en las primeras regiones entretejidas (38) respectivas, en donde dichas primeras paredes laterales integrantes se forman cortando y doblando una primera parte de la capa superior expuesta (32) en un primer lado de una primera región entretejida junto con una segunda parte de la capa superior expuesta en un segundo lado de la primera región entretejida, en donde las primeras paredes laterales integrantes comprenden fibras de la primera y la tercera capa; y

(e) hay una pluralidad de segundas regiones entretejidas (72), en donde dicha segunda región entretejida comprende fibras de la segunda capa en la segunda dirección entretejidas con fibras de la tercera capa en la segunda dirección;

(f) hay una pluralidad de segundas paredes laterales integrantes (13) en la primera dirección, en donde dichas segundas paredes laterales integrantes están formadas en las segundas regiones entretejidas respectivas, en donde dichas segundas paredes laterales integrantes son perpendiculares a las primeras paredes laterales integrantes (12) y se forman doblando una primera parte de la segunda capa expuesta lejos de la tercera capa en un primer lado de una segunda región entretejida junto con una segunda parte de la segunda capa en un segundo lado de dicha segunda región entretejida; y

(g) la primera y segunda paredes laterales integrantes forman al menos una celda.

2. La preforma de la reivindicación 1, en donde las paredes laterales integrantes (12, 16) son continuas o discontinuas a lo largo de la preforma.

3. La preforma de la reivindicación 1, en donde la preforma comprende una combinación de paredes laterales integrantes continuas y discontinuas.

4. La preforma de la reivindicación 2 o 3, en donde las paredes laterales integrantes discontinuas están alineadas.

5. La preforma de la reivindicación 2 o 3, en donde las paredes laterales integrantes discontinuas están escalonadas.

6. La preforma de la reivindicación 1, en donde las paredes laterales forman múltiples celdas.

7. La preforma de la reivindicación 6, en donde las múltiples celdas son rectangulares.

8. La preforma de la reivindicación 6, en donde las múltiples celdas son de diferentes tamaños y formas.

9. La preforma de la reivindicación 1, en donde la preforma comprende paredes laterales no integrantes que no están formadas en regiones entretejidas, y en donde las paredes laterales no integrantes son continuas o discontinuas.

10. La preforma de la reivindicación 9, en donde las paredes laterales no integrantes se forman doblando juntas dos partes adyacentes de una capa expuesta.

11. La preforma de la reivindicación 9, en donde la preforma comprende una combinación de paredes laterales no integrantes continuas y paredes laterales no integrantes discontinuas.

12. La preforma de la reivindicación 9, en donde las paredes laterales no integrantes se unen a las paredes laterales integrantes mediante una técnica seleccionada del grupo que consiste en coser, formación de T y mechones.

13. La preforma de la reivindicación 12, en donde las paredes laterales no integrantes forman ángulos con respecto a las paredes laterales integrantes, con respecto a otras paredes laterales no integrantes, o una combinación de ambas.

14. La preforma de la reivindicación 13, en donde la al menos una celda tiene forma poligonal.

15. La preforma de la reivindicación 14, en donde la celda poligonal es un hexágono.

16. La preforma de la reivindicación 1, en donde la preforma comprende una fibra de un material sintético o natural.

17. La preforma de la reivindicación 16, en donde la fibra se selecciona del grupo que consiste en carbono, nailon, rayón, poliéster, fibra de vidrio, algodón, vidrio, cerámico, aramida y polietileno.

18. La preforma de la reivindicación 1, en donde las capas comprenden una tela que tiene un patrón de tejido seleccionado del grupo que consiste en tejido liso, asargado, satinado y, entre las capas de capa a capa, entrelazado ortogonal o angular.

19. La preforma de la reivindicación 1, en donde se coloca un material entre las partes que comprenden la pared lateral.

20. La preforma de la reivindicación 19, en donde el material es una tela cortada al bies.

21. La preforma de la reivindicación 20, en donde el tejido al bies comprende un material sintético o natural.

22. La preforma de la reivindicación 21, en donde el material se selecciona del grupo que consiste en carbono, nailon, rayón, poliéster, fibra de vidrio, algodón, vidrio, cerámico, aramida y polietileno.

23. La preforma de la reivindicación 20, en donde las fibras de la tela al bies pueden seguir un patrón de tejido seleccionado del grupo que consiste en liso, asargado, satinado y, entre las capas de capa a capa, entrelazado ortogonal o angular.

24. La preforma de la reivindicación 1 o 9, en donde las partes que comprenden las paredes laterales se mantienen juntas mediante una técnica seleccionada del grupo que consiste en coser, formación de T y mechones.

25. La preforma de la reivindicación 20, en donde las partes que comprenden las paredes laterales y el material colocado entre dichas partes se mantienen unidos mediante una técnica seleccionada del grupo que consiste en coser, formación de T y mechones.

26. Un método para formar una preforma de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende:

(i) preparar una tela base que comprende tres o más capas, en donde las capas comprenden fibras en una primera dirección y fibras en una segunda dirección perpendicular a la primera dirección, y en donde las fibras de la primera capa en una primera dirección se entretejen en una primera región entretejida con fibras de una segunda capa en una segunda dirección;

(ii) cortar la primera capa en una segunda dirección de modo que una primera parte de la primera capa en un primer lado de la primera región entretejida sea plegable a la preforma, y una segunda parte de la primera capa en un segundo lado de la primera la región entretejida sea plegable a la preforma;

(iii) doblar la primera y la segunda partes de modo que dicha parte sea perpendicular a la tela básica para formar una pared lateral integrante.