ES2922809T3 - Un panel hecho de material composite que tiene una estructura en capas - Google Patents

Abstract

Se describe un panel (1) que tiene una estructura en capas que comprende: - una primera capa exterior (2), - una capa intermedia (3), y - una segunda capa exterior (4). La segunda capa exterior (4) tiene una tensión de pandeo inferior a la tensión de pandeo de la primera capa exterior (2), y la primera capa exterior (2) y la segunda capa exterior (4) tienen cada una una tensión de rotura por compresión superior a la tensión de pandeo de la segunda capa exterior (4). (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Un panel hecho de material composite que tiene una estructura en capas

Texto de la descripción

Campo de la invención

La presente invención se refiere al campo de los paneles de material composite que tienen una estructura en capas, particularmente una estructura tipo sándwich. Dichos paneles son conocidos, por ejemplo, del documento US.

2002/0151240 A1.

En particular, la presente invención se refiere a paneles que son asimétricos desde el punto de vista de la rigidez a la flexión, es decir, paneles que exhiben una capacidad diferente de resistir un momento de flexión dependiendo del lado del panel en el que dicho momento de flexión tiende a doblar el panel.

Estado de la técnica

Se conocen paneles de material composite que tienen una estructura en capas, y en particular que tienen una estructura denominada sándwich, que comprende dos capas exteriores, también conocidas como pieles o caras, separadas entre sí y conectadas por medio de una capa intermedia, también conocida como núcleo.

En general, las caras de dichos paneles son de materiales “nobles” y están configuradas para distribuir las cargas sobre el plano. La capa intermedia, que tiene en general un mayor espesor y está fabricada con un material más ligero respecto a las caras, tiene por objeto aumentar la rigidez global a flexión del panel con un reducido aumento de peso del mismo.

Los paneles de este tipo tienen así un comportamiento estático notablemente mejor que el de las capas individuales que los componen. No obstante, la Solicitante ha observado que, en los paneles que tienen una estructura sándwich del tipo conocido, cuando se aplica un momento de flexión que supera un determinado umbral crítico, la cara del sándwich que está sometida a compresión puede sufrir un fallo por inestabilidad de carga columnar (generalmente conocido como pandeo) y/o posiblemente la separación de la cara del núcleo.

Entre los paneles que tienen una estructura en capas, se conocen paneles que tienen la característica de ser asimétricos desde el punto de vista de la rigidez a la flexión, es decir, paneles que tienen una capacidad diferente de resistir la acción de los momentos flectores en función del hecho de que estos tienden a doblar los paneles a un lado o al otro del panel.

En particular, se conocen paneles que son capaces de doblarse, dentro de sus rangos operativos y dentro de ciertos valores de momentos de flexión, exclusivamente en uno de sus lados.

Un ejemplo de un panel que tiene una estructura en capas y que tiene esta característica se describe en el documento US 4,286,006. El panel allí descrito, utilizado en el campo del embalaje, está compuesto por una primera capa exterior, por ejemplo, de papel, del tipo convencionalmente utilizado para los embalajes de cartón ondulado, una capa intermedia de cartón ondulado y una segunda capa exterior, por ejemplo, de polietileno de alta densidad, que tiene una alta resistencia a la tracción, pero baja resistencia a la compresión. El panel resultante es así capaz de doblarse sobre una única capa exterior, particularmente sobre la segunda capa exterior.

Sin embargo, el solicitante ha observado que el panel descrito en el mismo puede doblarse solo a lo largo de una dirección paralela a los picos y valles de las capas onduladas, mientras que permanece sustancialmente rígido si se intenta doblarlo a lo largo de una dirección perpendicular a dichos picos y valles.

Otro ejemplo de panel que tiene una estructura en capas que es asimétrica desde el punto de vista de la rigidez a la flexión se describe en el documento EP 1 074 194. Dicho panel, utilizado para fabricar suelas de zapatos, está compuesto por una primera capa exterior flexible, pero sustancialmente no extensible, por ejemplo, de fibra de vidrio, una capa intermedia formada por una serie de bloques incompresibles, por ejemplo, de espuma sólida, dispuestos transversalmente respecto al panel, y una segunda capa exterior elástica. El panel es así capaz de doblarse, gracias a una salida mutua de los bloques que forman la capa intermedia y gracias a las diferentes propiedades mecánicas de las dos capas exteriores, únicamente hacia la primera capa exterior.

Sin embargo, el solicitante ha observado que el panel allí descrito presenta propiedades de resistencia a la tracción no óptimas, en la medida en que la segunda capa exterior, que es elástica, no ofrece suficiente resistencia a las fuerzas de tracción aplicadas longitudinalmente al panel.

Objeto de la invención

El objeto de la presente invención es el de resolver los problemas técnicos destacados anteriormente.

Resumen de la invención

De acuerdo con la presente invención, el objeto se logra por medio de un panel de material composite, en particular un material que tiene una estructura en capas del tipo sándwich, que tiene las características expuestas en las siguientes reivindicaciones.

En particular, el objeto de la invención se logra mediante un panel que tiene una estructura en capas y que comprende:

- una primera capa exterior,

- una capa intermedia y

- una segunda capa exterior;

el panel se caracteriza porque:

- la segunda capa exterior tiene una tensión de pandeo que es menor que la tensión de pandeo de la primera capa exterior, y

- porque la primera capa exterior y la segunda capa exterior cada una tiene una tensión de rotura por compresión superior a la tensión de pandeo de la segunda capa exterior.

Las reivindicaciones forman parte integral de la divulgación técnica aquí proporcionada en relación con la invención.

La siguiente descripción de la invención se proporciona con el objetivo de permitir la comprensión básica de algunos aspectos de la invención.

De acuerdo con la realización preferida, el panel comprende una primera y una segunda capa exterior y una capa intermedia.

Las capas exteriores están hechas de material reforzado con fibra con matriz de polímero, mientras que la capa intermedia es un relleno con estructura de panal de abejas, hecho de fibras de polímero, y es capaz de doblarse y comprimirse.

De acuerdo con otra realización, la capa intermedia es un relleno hecho de espuma sólida, siendo esta última capaz de flexionarse y comprimirse.

De acuerdo con otra característica de la presente invención, las dos capas exteriores son ambas resistentes a la tracción. La primera capa exterior, preferentemente de fibras de carbono, resiste a la compresión sin deformarse apreciablemente, mientras que la segunda capa exterior, preferentemente de fibras de Polietileno de Ultra Alto Peso Molecular (UHMWPE), sufre inestabilidad para tensiones de baja compresión y se deforma notablemente, sin sufrir daños, gracias al reducido espesor de los mismos.

Debido a tales propiedades, el panel objeto de la presente invención presenta un comportamiento asimétrico desde el punto de vista de la rigidez a la flexión, siendo capaz de doblarse sobre la segunda capa exterior, pero resultando sustancialmente rígido si se somete a un momento flector que tiende a doblarlo hacia la primera capa exterior.

En otras palabras, el panel de acuerdo con la invención presenta una rigidez a la flexión asimétrica en función de la dirección de flexión. En un primer sentido de flexión el panel doblado respecto al estado de reposo corresponde a una configuración en la que las fibras exteriores de una de las capas exteriores están sometidas a una acción que se considera per se (es decir, independientemente de otras acciones posiblemente superpuestas que pueden actuar sobre dichas fibras, incluyendo un preformado del material que previamente establece patrones de deformación por tracción o compresión) provoca una tracción de las propias fibras exteriores, mientras que las fibras exteriores de la otra capa exterior están sujetas a una acción que, considerada per se (ver arriba) provoca una compresión de las propias fibras externas (la expresión “fibras externas” se usa aquí tomándola prestada de la jerga de la ciencia de la construcción, y no apunta a la estructura del material del que están hechas las capas).

En una segunda dirección de flexión, el panel doblado con respecto a la condición de reposo corresponde a una situación de imagen especular con respecto a la anterior, es decir, las fibras exteriores de la primera capa están sujetas a una acción que, considerada per se (ver arriba) , provoca una compresión de las propias fibras exteriores, mientras que las fibras exteriores de la segunda capa están sujetas a una acción que, considerada per se (véase más arriba), provoca una tensión de las propias fibras exteriores. Sin embargo, siendo iguales los momentos de flexión, en la segunda dirección de flexión la extensión de la deformación asociada a la compresión y tracción de las fibras exteriores de la capa exterior es mucho menor que la extensión del mismo fenómeno que se observa en la primera dirección de flexión.

Breve descripción de las figuras.

Estas y otras características y ventajas de la presente invención quedarán claras a partir de la siguiente descripción de realizaciones preferidas, proporcionadas únicamente con fines ilustrativos y no limitativos junto con la ayuda de las figuras adjuntas, en las que los elementos a los que se hace referencia con un encabezado igual o similar indican elementos que tienen la misma o similar funcionalidad y construcción y en el que:

- La Figura 1 representa una sección transversal de una realización de un panel de acuerdo con la presente invención, en condiciones de reposo;

- La Figura 2 representa el panel de la Figura 1 curvado hacia una segunda capa exterior del mismo debido a un momento de flexión M1, que da como resultado un panel doblado con una primera dirección de flexión;

- La Figura 3 representa el panel de la Figura 1 que permanece sustancialmente rígido cuando está sujeto a un momento de flexión M2 que actúa para doblar este último hacia una primera capa exterior del mismo, lo que da como resultado un panel doblado con una segunda dirección de flexión;

- La Figura 4 representa, en vista axonométrica en explosión, una realización del panel que comprende una capa intermedia que tiene una estructura de panal de abejas;

- La Figura 5 incluye una primera parte asociada a la letra A que muestra una realización del panel de acuerdo con la invención en estado no deformado, y la segunda parte B que muestra la misma realización del panel de acuerdo con la invención en estado deformado;

- La Figura 6 incluye una primera porción asociada a la letra A que muestra otra realización del panel de acuerdo con la invención en estado no deformado, y la segunda parte B que muestra la misma realización del panel de acuerdo con la invención en estado deformado;

- La Figura 7 incluye una primera parte asociada a la letra A que muestra otra realización del panel de acuerdo con la invención en un estado no deformado, y la segunda parte B que muestra la misma realización del panel de acuerdo con la invención en un estado deformado;

- La Figura 8 muestra una sección transversal de una realización del panel de acuerdo con la invención durante un posible proceso de fabricación;

- La Figura 9 muestra el panel de la Figura 8 posterior a su formación y sujeto a un primer momento de flexión;

- La Figura 10 muestra el panel de la Figura 8 posterior a su formación y sujeto a un momento de flexión opuesto al momento de flexión esbozado en la Figura 6;

- La Figura 11 muestra, en vista axonométrica, una realización del panel de acuerdo con la invención sujeto a un momento de flexión y el molde utilizado para impartirle una forma de reposo durante su fabricación;

- La Figura 12 muestra el panel de la Figura 11 en un estado deformado enrollado, y

- La Figura 13 y la Figura 14 muestran dos condiciones de prueba para un panel de acuerdo con una realización de la invención correspondiente al ejemplo 2.

Descripción detallada de las realizaciones de la invención.

Con referencia a la Figura 1, la referencia número 1 designa en su conjunto un panel de material composite que tiene una estructura en capas de tipo sándwich y que comprende una primera capa 2 exterior, una capa 3 intermedia y una segunda capa 4 exterior. Tales capas están unidas entre sí, al menos parcialmente. El panel 1 de la Figura 1 tiene una estructura que en la representación esquemática aquí expuesta es descriptiva de varias realizaciones de la invención.

Las capas 2, 4 exteriores se conocen comúnmente con el nombre de “pieles” o “caras”, mientras que la capa intermedia se conoce comúnmente con el nombre de “núcleo”.

Las capas 2, 4 exteriores están fabricadas, preferentemente, en materiales de matriz polimérica reforzados con fibra (conocidos como Polímeros de Fibra Reforzada, FRP), es decir, materiales composite que consisten en una matriz polimérica en la que se hunden fibras 2a, 4a con altas propiedades mecánicas.

Alternativamente, sujeto a que la segunda capa 4 externa esté hecha de material reforzado con fibra, la capa 2 puede estar hecha de uno de los siguientes materiales:

- metales: hierro, aluminio, titanio, magnesio o sus aleaciones,

- materiales poliméricos: preferentemente polietileno (PE), tereftalato de polietileno (PET), nailon (Nylon 6, nailon 6.6), policarbonato (PC), polieteretercetona (PEEK), polimetilmetacrilato (PMMA), polioximetileno (POM), poliestireno (PS), poliuretano (PU), policloruro de vinilo (PVC), acrilonitrilo-butandieno-estireno (ABS), resina epoxi, resinas fenólicas o resinas de poliéster.

En el caso de las capas 2, 4 hechas de materiales reforzados con fibra con matriz polimérica, más preferentemente la primera capa 2 exterior está hecha con fibras de carbono incrustadas en una matriz epoxi y la segunda capa 4 exterior está hecha de fibras de polietileno (PE) incrustadas en un tereftalato de polietileno (PET).

La matriz epoxídica de la primera capa 2 exteriores, más preferentemente, una matriz epoxídica modificada, es decir, una matriz a la que se añaden adictivos, por ejemplo, potenciadores de la polimerización.

Las fibras de polietileno de la segunda capa 4 exterior son, más preferentemente, fibras de polietileno de alta densidad y un grado de cristalinidad superior al 80 % (comúnmente conocido como Polietileno de Alta Densidad, HDPE). Aún más preferentemente, las fibras de la segunda capa 4 exterior son fibras de Polietileno de Peso Molecular Ultra Alto (UHMWPE), conocidas comercialmente bajo el nombre de Dyneema. El material que consiste en fibras de polietileno de ultra alto peso molecular incrustadas en una matriz de tereftalato de polietileno (PET) se conoce comercialmente como CTF3. Tal material es conocido por sus propiedades de resistencia a la fatiga, particularmente con respecto a la flexión y recuperación de los ciclos de forma iniciales, sin un deterioro significativo de sus propiedades mecánicas.

La primera capa 2 exterior tiene preferentemente un espesor mayor que la segunda capa 4 exterior. Preferentemente, la primera capa 2 exterior tiene un espesor comprendido, incluidos los puntos finales, entre 40 pm y 6000 pm, más preferentemente comprendido entre 80 pm y 1000 pm, incluso más preferentemente igual a 200 pm. En otras realizaciones, la primera capa 2 tiene un espesor comprendido -puntos extremos incluidos- entre 80 pm y 6000 pm, más preferentemente comprendido entre 100 pm y 1000 pm. La segunda capa 4 exterior tiene en cambio un espesor preferentemente comprendido entre 10 pm y 1000 pm, más preferentemente comprendido entre 40 pm y 600 pm, incluso más preferentemente igual a 60 pm. En otras realizaciones, la segunda capa 4 tiene un espesor comprendido entre 40 pm y 300 pm.

El mayor espesor de la primera capa 5 exterior, en combinación con la elección de los materiales, da como resultado una mayor rigidez de la segunda capa 2 exterior, sustancialmente incompresible, con respecto a la segunda capa 4 exterior, que en cambio resulta ser capaz de deformarse sin sufrir rotura (por los fenómenos de pandeo antes mencionados) si se somete a compresión.

Para limitar la deformación por flexión del panel cuando éste se somete a un momento de flexión M2, la segunda capa 4 exterior está reforzada por medio de fibras continuas que tienen un módulo de tracción elástico superior a 10 GPa, preferentemente superior a 20 GPa, incluso más preferentemente superior a 40 GPa. El módulo elástico de tracción se mide de acuerdo con la norma ASTM C1557 a 20 °C de temperatura, presión atmosférica y humedad relativa del 25 %; tales condiciones de medida son comunes a todas las medidas realizadas de acuerdo con las normas ASTM mencionadas en la presente descripción.

Además, al menos en una dirección del panel (preferentemente una dirección paralela a las fibras de la capa 4) el producto del módulo de compresión elástica de la primera capa 2 exterior, y el espesor de la primera capa 2 exterior es preferentemente mayor que el producto entre el módulo elástico de tracción de la segunda capa 4 externa y el espesor de la segunda capa 4 externa.

El módulo de compresión elástica se mide, en función del material que forma la capa 2 exterior, según la norma ASTM D3410/D3410M en el caso de materiales reforzados con fibras, o la norma ASTM D695 en el caso de materiales poliméricos, o incluso la norma ASTM E9 en el caso de materiales metálicos.

El módulo de tracción elástica de las dos capas exteriores se mide de acuerdo con la norma ASTM D3039/D3039M en el caso de materiales reforzados con fibra, o de acuerdo con la norma ASTM D638 en el caso de materiales poliméricos, o de acuerdo con la norma ASTM E8/E8M en caso de materiales metálicos. Preferentemente, el valor del módulo elástico (tanto de tracción como de compresión) de las capas 2, 4 exteriores es superior a 1 GPa, más preferentemente superior a 10 GPa, e incluso más preferentemente superior a 30 GPa.

En algunas realizaciones, las dos capas 2, 4 exteriores tienen un módulo elástico de tracción (o módulo de Young) que es similar. En tales realizaciones, las dos capas exteriores tienen además un módulo de compresión elástico que resulta sustancialmente idéntico al módulo de tracción elástico respectivo.

Preferiblemente, además, en tales realizaciones, las dos capas 2, 4 exteriores exhiben límites de elasticidad respectivos (en el caso de materiales metálicos o materiales poliméricos) o resistencias a la tracción respectivas (en el caso de materiales composite) que no difieren en más de dos órdenes de magnitud y superior a 20 MPa. Dichas cantidades se miden de acuerdo con la norma ASTM D3039/D3039M en el caso de materiales composite, de acuerdo con la norma ASTM D638 en el caso de materiales poliméricos y de acuerdo con la norma ASTM E8 en el caso de materiales metálicos.

Sin embargo, en tales realizaciones, generalmente es válida (aproximadamente), al menos en una dirección x paralela a las fibras de la capa 4, la siguiente relación:

en el que:

E²,x y E⁴,x son respectivamente el módulo elástico de la primera capa 2 exterior y la segunda capa 4 exterior en la dirección x mencionada anteriormente,

Omáx,²,x y Omáx,⁴,x son los límites de elasticidad (materiales metálicos o materiales poliméricos), o las resistencias máximas (materiales reforzados con fibra) admisibles respectivamente para la primera capa 2 exterior y la segunda capa 4 exterior sin que esta última sufra daños permanentes (en la dirección x).

En ciertas realizaciones, los materiales se eligen de modo que Omáx,²,x = Omáx,⁴,x. En otras realizaciones, cuando el sándwich se somete a tracción, la capa 2 tiene una resistencia a la rotura superior o igual a la que genera la rotura de la capa 4.

De acuerdo con otras realizaciones, las dos capas 2, 4 exteriores tienen diferentes módulos elásticos de tracción.

La capa 3 intermedia es un relleno fabricado, preferentemente, de un material que tiene una estructura de panal de abejas hecha de una pluralidad de celdas colocadas una al lado de la otra y que tienen forma de prismas que tienen una base hexagonal; dichos prismas tienen caras o paredes 5 dispuestas sustancialmente en una dirección perpendicular con respecto a las dos capas 2, 4 del panel 1, como se muestra en la Figura 4. Alternativamente, la forma de las celdas puede diferir de la hexagonal: se pueden considerar, por ejemplo, celdas triangulares, circulares o cuadrangulares (rectangulares o cuadradas).

Las capacidades de deformación de la primera capa 2 exterior dependen además del grado de polimerización de la matriz comprendida en dicha capa. Preferentemente, dicho grado de polimerización está comprendido entre el 70 % y el 100 %, más preferentemente entre el 75 % y el 95 %.

De acuerdo con una realización preferida, mostrada en la Figura 4, las fibras 2a de la primera capa 2 exterior y las fibras 4a de la segunda capa 4 exterior están dispuestas en una misma dirección, para garantizar la máxima resistencia a la tracción en la dirección en que se orientan las fibras. De acuerdo con otra realización, las fibras se cruzan o constituyen una tela capaz de resistir mejor a la tracción en dos o más direcciones principales. Preferentemente, al menos una de las direcciones de las fibras de una capa exterior coincide con una de las direcciones de las fibras de la otra capa exterior.

La capa 3 intermedia con estructura de panal de abejas está constituida, preferentemente, por policarbonato o fibras poliméricas, por ejemplo, fibras aramídicas, de polietileno o de carbono, sumergidas en matrices poliméricas, como resinas fenólicas o epoxídicas. La capa 3 intermedia, de acuerdo con otras realizaciones, es un relleno de espuma sólida, por ejemplo, espuma de poliuretano o espuma de poliéster. Otros materiales adecuados incluyen poliestireno, cloruro de polivinilo (PVC), poliolefinas, urea espumada, carbono, acetato de etilenvinilo, tereftalato de polietileno o poliéster o combinaciones de ellos. También se pueden utilizar espumas auxéticas.

Preferiblemente, la capa intermedia (cualquiera que sea el material) tiene un espesor comprendido entre 2 mm y 50 mm, más preferentemente comprendido entre 5 mm y 20 mm, aún más preferentemente igual a 10 mm. Preferentemente, el espesor de la capa 3 intermedia es al menos cinco veces superior al de la segunda capa 4 exterior, más preferentemente al menos diez veces superior al de la capa 4 exterior.

Además, una única celda hexagonal de la capa 3 intermedia tiene una dimensión s comprendida entre 1 mm y 15 mm, más preferentemente comprendida entre 1.5 mm y 5 mm, incluso más preferentemente igual a 2 mm (en el que por dimensión S del hexágono celda se entiende el radio de una circunferencia circunscrita a la celda hexagonal).

Dado que la capa 3 intermedia constituye una parte importante, en volumen, del panel 1, para garantizar una baja densidad global del panel 1, es preferible que la capa 3 intermedia tenga (desde el punto de vista macroscópico) una densidad inferior a 200 Kg/m3, más preferentemente inferior a 80 Kg/m3. Tal densidad se conoce comúnmente con el nombre de “densidad aparente”.

En algunas realizaciones, la capa 3 intermedia está hecha de material de espuma, que tiene un acabado superficial o una forma más o menos profunda, por ejemplo, como se ve en las Figuras 5, 6, 7, la capa 3 intermedia puede tallarse para crear más listones de material espaciados por espacios I (que cada espacio I comprendía entre dos listones posteriores). La amplitud de los espacios I puede ser más (figura 5) o menos (figura 6) amplia en función de las necesidades. De esta manera, se imparte al material de la capa 3 una dirección de flexión preferencial. Por el término “dirección de flexión” se entiende la dirección de un eje alrededor del cual se produce la rotación de una primera sección de material (en este caso, la capa intermedia) con respecto a una sección de material adyacente cuando la primera sección de material se dobla sobre la segunda sección de material.

Alternativamente, el material de la capa 3 se puede tallar para impartirle una estructura en relieve, por ejemplo, proporcionando los espacios I a lo largo de un par de direcciones ortogonales con un método similar a “dinking”. De este modo se obtienen dos direcciones de flexión preferenciales que son ortogonales entre sí.

Los ejemplos de espuma que llevan tales tallas se conocen comercialmente con los nombres Grid-Scored, CountourKore, Scored, FlexiCut.

Preferiblemente, los espacios I no se extienden por todo el espesor de la capa intermedia y están orientados de manera que miran hacia la capa 4. Esto significa que la capa 3 intermedia presenta, en la interfaz con la capa 2, una superficie libre de variaciones geométricas, mientras que presenta una superficie alternada por valles (los espacios I) con respecto a la capa 2.

La capa 3 intermedia, ya sea de espuma o de panal de abejas, tiene un módulo de compresión tal que permite la deformación del panel cuando éste se dobla sobre la segunda capa 4 exterior.

En particular, para las capas intermedias 3 aquí consideradas, se puede distinguir entre:

- un módulo de compresión macroscópico, que puede medirse mediante las normas ASTM C365/C365M, que caracteriza las capas y que se mide en espumas de una dimensión superior a la de la porosidad presente en las mismas o, en los materiales con estructura de panal de abeja, en una dimensión superior al doble de la dimensión s de las celdas hexagonales, y

- un módulo de compresión del material, que caracteriza el material del que están hechas las paredes de la porosidad de las espumas o las paredes 5 de las celdas de la estructura de panal de abejas.

En general, el módulo de compresión macroscópico de la capa 3 intermedia, en al menos una dirección paralela a las capas del panel -en adelante denominada, por conveniencia, dirección longitudinal- resulta preferentemente menor que el módulo de compresión de la primera capa 2 exterior; más específicamente, el módulo de compresión macroscópico de la capa 3 intermedia es al menos dos órdenes de magnitud menor que el módulo de compresión de la primera capa 2 exterior (que en este caso es el módulo de compresión elástica), más preferentemente al menos tres órdenes de magnitudes inferiores. Esto permite evitar que la capa 3 intermedia obstaculice la flexión del panel 1 en al menos una dirección que es sustancialmente perpendicular a dicha(s) dirección(es) longitudinal(es) a lo largo de las cuales la capa intermedia es comprimible.

Además, las paredes 5 de las celdas del material con estructura de panal de abejas o las porosidades tienen una rigidez a la flexión lo suficientemente baja para permitir la flexión sin provocar resistencias excesivas en el material, para evitar el daño de la capa 3 en caso de flexión de la misma.

El resultado es que la rigidez a la flexión de las paredes 5 de las celdas del material de panal de abejas o las porosidades aumenta con el aumento del módulo elástico del material del que están hechas y, en el caso del material de panal de abejas, con el aumento de la dimensión característica de las paredes 5 de las celdas hexagonales.

La capa 3 intermedia con estructura de panal de abejas o espuma moldeada (por ejemplo, con espacios I) está provista de direcciones de flexión preferenciales, dispuestas longitudinalmente respecto a las capas del panel 1, correspondientes a la dirección de los lados de las celdas hexagonales. Preferiblemente, una de dichas direcciones preferenciales se hace coincidir con al menos una dirección en la que se disponen las fibras 2a, 4a dentro de las capas 2, 4 exteriores, como se muestra en la Figura 4.

En cambio, la capa 3 intermedia de espuma sin forma resulta ser isótropa y, por lo tanto, libre de direcciones preferenciales de flexión.

En caso de uso de una capa 3 intermedia de material con estructura de panal de abejas, el pandeo de las capas exteriores corresponde al fenómeno descrito como “hoyuelos e la cara” por la norma ASTM C274, y la capacidad de deformación de las dos capas 2, 4 exteriores está influenciado por las dimensiones s de las celdas hexagonales; de hecho, se sabe que, en una primera aproximación, se puede aplicar la siguiente relación:

en el que:

Ob,i,x es la tensión crítica de pandeo de la primera o, respectivamente, de la segunda capa exterior (i = 2.4), en una dirección genérica x perteneciente al dominio bidimensional que describe el desarrollo superficial de la capa, preferentemente (en caso de material reforzado con fibras) una dirección que coincide con la dirección de orientación de las fibras;

E^c ,^í,^x es el módulo de compresión elástica de la primera o, respectivamente, la segunda capa exterior (i = 2.4), en la misma dirección x anterior;

ti es un espesor de la primera o, respectivamente, la segunda capa exterior (i = 2.4), y

s es la dimensión de la celda hexagonal.

En caso de uso de una capa 3 intermedia de espuma, la tensión crítica de pandeo (tensión crítica de compresión), más correctamente la que determina el fenómeno de “arrugas en la cara” (con referencia a la norma ASTM C274) de las dos capas 2, 4 exteriores, está influenciado por el módulo de elasticidad y por el espesor de la propia capa. Se conocen varias relaciones para estimar dicha tensión de compresión crítica (indicada como ob,i,x) entre los cuales los siguientes:

CTb,u = 2/3 • (Ec,i,x • E3,z • t i / t 3)05

en el que, análogamente a la relación anterior:

ti es el espesor de la capa exterior (primera o segunda) considerada (i = 2.4).

E^c ,^í,^x es el módulo de elasticidad a la compresión de la misma (primera o segunda respectivamente; i = 2, 4) capa exterior de acuerdo con la norma ASTM D3410/D3410M (para una piel hecha de matriz polimérica reforzada con fibra), en la dirección x del cálculo del estrés Ob,i,x;

t³ es el espesor de la capa 3 intermedia, y

E³,z es el módulo de elasticidad a la compresión de la capa 3 intermedia en la dirección del espesor de acuerdo con la norma ASTM C365/C365M.

En general, la tensión de pandeo de la segunda capa 4 exterior es, preferentemente, inferior a la tensión de rotura por compresión de ambas capas 2, 4 exteriores, y también inferior a la tensión que provoca la rotura del panel 1 debido a la separación de capas.

Además, la tensión de pandeo de la segunda capa 4 exterior es menor que la tensión de pandeo de la primera capa 2 exterior.

Tales relaciones son válidas independientemente del material que constituya las capas 2, 4.

La tensión de rotura por compresión de la segunda capa 4 exterior puede resultar difícilmente medible con precisión, sin embargo, se puede verificar si esta última es menor que la tensión de pandeo de la segunda capa 4 exterior realizando pruebas de flexión como la que se muestra en Figura 14 y descrito posteriormente en la realización 2: si al aplicar una carga de flexión que produce compresión de la capa 4 exterior, esta última sufrirá un fenómeno de pandeo no disruptivo, se cumplirán los criterios.

Preferiblemente, la tensión de pandeo de la primera capa 2 exterior no es más de un orden de magnitud inferior a la resistencia al fallo por compresión de la misma.

Además, preferentemente, la tensión de pandeo de la segunda capa 4 exterior es al menos un orden de magnitud inferior a la resistencia a la rotura por compresión del panel 1 (en el que por rotura se entiende la rotura de una de las capas del panel o del desmontaje de los mismos).

Al menos en una dirección paralela a las fibras de la segunda capa 4 externa, la primera capa externa 2 deberá, preferentemente, tener una tensión de pandeo (o tensión de rotura por compresión, cuando este último sea menor que la tensión de pandeo de la misma), que multiplicado por el espesor de la primera capa 2 exterior, es superior a 1/3 del producto entre la tensión de rotura por tracción (según la norma ASTM D3039/D3039M) de la segunda capa 4 exterior y el espesor de la segunda capa 4 exterior.

En la fórmula

CTb/c,2,x-t2 > (1/3) • ^máx,4,x • 4^

en el que

Ob/c^,2 es la tensión de pandeo (o tensión de rotura por compresión, cuando es menor que la tensión de pandeo) de la capa 2, en la dirección X paralela a las fibras de la capa 4

t² es el espesor de la capa 2

Omáx^,4 es la tensión de rotura por tracción de la capa 4 en la dirección X mencionada anteriormente

t4 es el espesor de la capa 4

La tensión de rotura por compresión de los revestimientos que constituyen las capas exteriores, es decir, de las capas exteriores, se mide de acuerdo con la norma ASTM D3410/D3410M en el caso de material reforzado con fibras, o de acuerdo con la norma ASTM D695 en el caso de materiales poliméricos. de acuerdo con la norma ASTM E9-89A en el caso de materiales metálicos. Por la expresión tensión de rotura por compresión se entiende el límite elástico por compresión, donde este último resulta ser menor que la tensión de rotura.

La referencia a la expresión “capa” en lo que se refiere a las tensiones de pandeo significa indicar que se considera la capa ensamblada para formar el panel, y no la capa per se antes del ensamblaje del panel.

Para garantizar el montaje del panel 1, entre la primera capa 2 exterior y la capa 3 intermedia, así como entre esta última y la segunda capa 4 exterior, se prevén preferentemente películas adhesivas correspondientes.

Alternativamente, es posible obtener el ensamblaje entre al menos una de las dos capas 2, 4 exteriores y la capa 3 intermedia mediante polimerización de la matriz polimérica comprendida en al menos una de las dos capas 2, 4 exteriores, respectivamente.

En la realización preferida, entre la capa 3 intermedia y la segunda capa 4 exterior se interpone una película adhesiva que está hecha, por ejemplo, de polietileno y anhídrido maleico modificado o poliolefinas modificadas.

En la técnica de realizaciones adicionales, por ejemplo, las que son objeto de la Figura 7, la capa 2 exterior puede incluir dos o más capas de materiales unidos entre sí. En particular, en la realización de la Figura 7, la primera capa 2 exterior está cubierta por una capa 22 de revestimiento dispuesta entre la capa 2 y la capa 3 intermedia. En otras palabras, una realización para la capa 2 está revestida con una capa de interfaz en correspondencia con la unión con la capa 3.

Además, en la misma realización, la segunda capa 4 exterior está revestida en ambos lados con, respectivamente, una segunda y una tercera capas 42, 43 de revestimiento.

En tales realizaciones, preferentemente, la capa 3 intermedia está hecha de material de espuma tallado para presentar espacios I.

Para evitar que el pandeo de la segunda capa 4 dañe o rompa esta última, es necesario limitar el módulo de elasticidad de la matriz polimérica, que medido de acuerdo con la norma ASTM D695 resulta comprendido entre 0.05 GPa y 20 GPa, más preferentemente comprendida entre 0.1 GPa y 10 GPa, aún más preferentemente comprendida entre 0.5 GPa y 5 GPa.

Para proteger la segunda capa 4 externa de la rotura por flexión durante el pandeo, las posibles capas de revestimiento de la segunda capa 4 externa deberán tener un módulo de elasticidad, de acuerdo con la norma ASTM D695, inferior al módulo de elasticidad a la tracción de las fibras de refuerzo de la segunda capa 4 exterior (medida de acuerdo con ASTM C1557), preferentemente al menos cinco veces menor, más preferentemente al menos diez veces menor, aún más preferentemente al menos treinta veces menor.

Esto se aplica tanto en el caso de la presencia contemporánea de las capas 42 y 43, como en el caso de que solo un lado de la capa 4 esté revestido (tanto el que está en la interfaz con la capa 3 como el que mira hacia el exterior). En caso de revestimiento de la capa 4 por ambos lados (capas 42, 43), se puede utilizar un material para el revestimiento que se caracteriza por un módulo de elasticidad inferior al de la capa 4, que impide la formación de arrugas en la capa 4 tener un radio de curvatura inferior al que generaría de la rotura de la matriz o de las fibras. Las propiedades de flexión del panel 1 son el resultado de la presencia contemporánea de las siguientes características:

- una capacidad de la capa 3 intermedia de comprimirse en una dirección paralela a la de las capas, debido a la estructura de las mismas (caracterizada por la porosidad, en el caso de espumas, o presencia de celdas vacías o llenas de gas, en el caso de material con estructura de panal de abejas) y de las características elásticas del material del que está hecha la capa,

- una tensión de pandeo reducida de la segunda capa 4 externa, de manera que permita que esta última se colapse localmente hacia la capa 3 intermedia (así en las celdas hexagonales o comprimiendo la espuma en una dirección que es ortogonal a la de la superficie de la misma) y/o hacia el exterior del panel 1, especialmente cuando no se proporciona pegado entre la capa 4 exterior y la capa 3 intermedia.

Para reducir la tensión de pandeo de la segunda capa 4 exterior, es posible prever zonas de contacto entre dichas capas exteriores y la capa 3 intermedia que no estén encoladas; esto, por ejemplo, puede obtenerse usando películas adhesivas moldeadas. La dimensión de las zonas no encoladas corresponderá a la dimensión típica en la que se produce el fenómeno de pandeo.

Otra forma de reducir la tensión de pandeo de la segunda capa 4 exterior consiste en prever que una porción de la capa 3 intermedia próxima a la capa 4 exterior tenga un módulo de compresión macroscópico más bajo en una dirección normal a la de las capas del panel. Por el contrario, para evitar el pandeo de la primera capa 2 exterior, se preverá, en una porción de la capa 3 intermedia próxima a la capa 2 exterior, un módulo de elasticidad macroscópica superior.

De acuerdo con otras realizaciones, la primera capa 2 exterior está compuesta por, por ejemplo, fibras de vidrio, fibras aramídicas (por ejemplo, las de tereftalamida poliparafenileno, conocidas comercialmente con el nombre de Kevlar), fibras de polipropileno o fibras de poliéster. Tales fibras están embebidas, por ejemplo, en matrices de resina epoxi, poliéster, poliuretano o poliamida.

De acuerdo con otras realizaciones, la segunda capa 4 exterior está hecha, por ejemplo, de fibras de polipropileno (PP), fibras de Vectran (compuestas por ácido 4-hidroxibenzoico y ácido 6-hidroxi-naftaleno, ácido carboxílico), fibras de Zylon (p -fenil-2,6-benzobisoxazol) fibras de aramida (por ejemplo, las conocidas comercialmente con el nombre de Kevlar) o fibras de carbono. Tales fibras se embeben, por ejemplo, en matrices de poliamida (PA), polietileno (PE), tereftalato de polietileno (PET) o, en el caso de uso de fibras aramídicas, en una matriz de resina epoxi, poliéster o poliuretano.

El uso de los materiales poliméricos reforzados con fibra antes mencionados para la fabricación de las capas 2, 4 exteriores permite fabricar un panel con propiedades similares a las de la realización preferida, eligiendo adecuadamente parámetros tales como el espesor de dichas capas, el grado de polimerización de la matrices poliméricas que se utilizan y la disposición de las fibras 2a, 4a embebidas en ellas.

El método de fabricación del panel 1 objeto de la presente invención contempla la creación de las capas del panel mediante extrusoras y moldes adecuados. Es posible fabricar paneles que tengan una forma de reposo determinada eligiendo moldes de formas adecuadas y/o velocidades de rotación adecuadas de las extrusoras. Por ejemplo, si se utiliza un molde semicilíndrico, el panel mantendrá la forma semicilíndrica del molde como forma de reposo.

Después de confeccionar las capas del panel, el método de fabricación prevé el apilamiento y el pegado de dichas capas.

Esto ocurre preferentemente en un ambiente de baja presión proporcionado, por ejemplo, en un autoclave o mediante tecnología de bolsa de vacío; más preferentemente el entorno en el que se produce el pegado a una presión inferior a 0.4 bar.

La formación del panel 1 a modo de bolsa de vacío se representa esquemáticamente en la Figura 8. Más en detalle, un molde MD opcionalmente revestido por una película polimérica desprendible DF (o en alternativa un gel desprendible) que proporciona al panel (sándwich) la forma de reposo (configuración no deformada).

La primera capa 2 exterior se coloca sobre la película despegable DF, la capa de relleno/intermedia 3 se deforma para adherirse a la primera capa 2 exterior, luego la segunda capa exterior se coloca encima de la capa 3 intermedia tensada para obtener una superficie sin arrugas.

Sobre la capa 4 se coloca opcionalmente una película despegable (no representado en la figura), luego un tejido transpirable y finalmente una bolsa de vacío VB, que se cierra sobre los bordes del molde MD mediante perlas de masilla SL.

Mediante una válvula VL para bolsa de vacío conectada a una bomba de vacío, los gases de la cámara comprendida entre el molde MD y la bolsa de vacío VB son aspirados de forma que el aire exterior a la bolsa de vacío VB comprime la propia bolsa de vacío manteniendo en contacto estrecho entre sí las capas dispares del sándwich durante el proceso de curado posterior.

El pegado en ambiente de baja presión permite, ventajosamente, una mejor adherencia entre las capas del panel 1. Preferentemente, el pegado se produce a una temperatura comprendida entre 40 °C y 200 °C, más preferentemente igual a 120 °C. El tiempo de curado para obtener el pegado está comprendido preferentemente entre 30 minutos y 6 horas, más preferentemente igual a 45 minutos.

El proceso de curado con la condición antes descrita determina el pegado entre las capas 2, 3, 4 a modo de polimerización de las matrices poliméricas contenidas en las capas exteriores del panel, o, en caso de uso de los adhesivos poliméricos interpuestos entre las capas, a modo de polimerización de dichas películas.

Preferiblemente, las capas 2, 4 exteriores y las posibles películas adhesivas tienen una superficie mayor que la de la capa intermedia. En tal caso, las capas exteriores y la película adhesiva relacionada, si está presente, se doblan sobre los bordes del panel (es decir, los lados del panel en la dirección del espesor), debido a la presión. Preferiblemente se eligen matrices y/o adhesivos que curan en las mismas condiciones de temperatura y con tiempos similares para evitar una degradación de los polímeros, y para permitir la copolimerización en los bordes y lograr una adhesión efectiva de las pieles al núcleo. Ventajosamente, esto dota al panel de una mayor resistencia a la separación de capas.

Los inventores han observado además cómo es aconsejable doblar por primera vez el sándwich hacia la piel fina (capa 4 exterior) al final del proceso de fabricación, para mejorar su flexibilidad.

El funcionamiento del panel descrito en lo anterior es el siguiente.

Aplicando al panel 1 en estado de reposo un momento flector M1, como se muestra en las figuras 2 y 9 (y en lo que respecta a las realizaciones con capa 3 intermedia tallada con espacios I, en las figuras 5B, 6B, 7B), tal como al doblar el panel hacia la segunda capa 4 exterior se produce una variación de la curvatura del panel con respecto a la condición de reposo (cuya forma se indica con línea discontinua y referencia RS en la Figura 9), es decir el panel 1 se dobla en la segunda capa 4 exterior.

La expresión “doblar el panel hacia la segunda capa 4 exterior”, como se desprende de la figura, pretende indicar una condición en la que el panel 1 se deforma en una primera dirección de flexión debido al momento de flexión M1 que se caracteriza por la aplicación/ superposición de una tracción/tensión de las fibras exteriores de la capa 2 y la compresión de la fibra exterior de la capa 4.

Esto se debe al hecho de que la segunda capa 4 exterior es deformable por pandeo y flexible mientras que la primera capa 2 exterior es flexible pero sustancialmente no extensible.

Si, por el contrario, se aplica un momento de flexión M2 al panel 1 (que tiene la misma intensidad, pero dirección opuesta a M1), como se muestra en la Figura 3 y la Figura 10, y tal que dobla el panel 1 hacia la primera capa 2 exterior, el panel 1 no sufre deformaciones macroscópicas, manteniendo sustancialmente la forma de reposo (de nuevo referencia RS, figura 10).

La expresión “doblar el panel hacia la primera capa 2 exterior”, como se desprende de las figuras, pretende designar una condición en la que el panel 1 se deforma en una primera dirección de flexión debido al momento de flexión M2 que se caracteriza por la aplicación/superposición de una tracción/tensión de las fibras exteriores de la capa 4 y la compresión de las fibras exteriores de la capa 2, de forma especular con respecto a lo que ocurre bajo el efecto del momento M1. Esto se debe al hecho de que la primera capa 2 exterior resiste la compresión sin deformarse debido al pandeo y la segunda capa 4 exterior es sustancialmente no extensible. Este comportamiento es consecuencia de que la tensión de pandeo de la capa 2 es mayor que la de la capa 4. Gracias a esta propiedad, la capa 2 tiene principalmente un comportamiento de flexión elástico o cuasi-elástico, mientras que la capa 4 tiene un comportamiento principalmente tensoestructural: la baja tensión de pandeo da como resultado una inestabilidad elástica reversible (el llamado “arrugamiento reversible”) cuando la capa 4 está sometida a compresión, como en el caso de la acción del momento flector M1- y resistencia a tracción pura (o casi pura) cuando la capa 4 está sometida a tracción, como en el caso de la acción del momento M2.

La deformación por flexión de la capa 2 se permite así en la dirección de flexión asociada a una condición de compresión de la capa 4, en la medida en que en tal condición la inestabilidad elástica de la capa 4 sea compatible con respecto a la deformación de la capa 2. Por el contrario, el comportamiento tensoestructural de la capa 4 surge cuando se establece una condición de tracción de la misma capa, que contrarresta la deformación por flexión de la capa 2 en el sentido de flexión opuesto. El experto en la materia apreciará así la analogía con el comportamiento de las tensoestructuras propiamente dichas: el elemento tensoestructural contrarresta la deformación por flexión de las masas suspendidas en una y una sola dirección (en ese caso exigida por la dirección de la fuerza G).

Dicho de otro modo, se puede decir que en el panel/sándwich 1, y en un sentido de flexión que determina la compresión de las fibras exteriores de la capa 2 exterior, ésta se encuentra soportada por medio de una tensoestructura formada por la capa 4, que limita fuertemente, en la medida en que lo impide, la deformación por flexión. En el sentido contrario de flexión, la deformación por flexión de la capa 2 puede ser notable, llegando incluso (figura 12) al enrollamiento del panel 1 con la capa 4 en condiciones de arrugado completo.

Esta asimetría de la rigidez a flexión se obtiene así en virtud de la elección de las capas del panel (aquellas según las características técnicas descritas anteriormente, como módulo elástico, tensiones de pandeo, módulo de compresión macroscópico, etc.), que permiten obtener que la rigidez a flexión del panel, cuando éste sufre la acción de un momento flector M1 sea, preferentemente, al menos en el orden de dos magnitudes inferior a la rigidez del mismo panel sometido a un momento M2 (de igual intensidad con respecto a al momento M1). Más preferentemente, la rigidez asociada al momento M1 es al menos tres órdenes de magnitud inferior a la rigidez asociada al momento M2.

La flexión del panel sobre la segunda capa 2 exterior se produce además a lo largo de direcciones de flexión preferenciales, determinadas por la estructura del panel 1. Por ejemplo, si el panel 1 comprende una capa intermedia que tiene una estructura de panal de abejas, el panel 1 ofrece una menor resistencia a la flexión en la dirección correspondiente a los ejes de simetría (dispuestos longitudinalmente con respecto al panel) de la estructura de panal de abejas, correspondiente a la dirección del tamaño de las celdas hexagonales. Otras direcciones de flexión preferenciales también están determinadas por la orientación de las fibras 2a, 4a en las capas 2, 4 exteriores; por ejemplo, si tales capas exteriores comprenden fibras dispuestas en una misma dirección, el panel 1 ofrece una menor resistencia a la flexión en la dirección paralela a dichas fibras.

Ejemplo 1

Un ejemplo de fabricación del panel de acuerdo con la presente invención contempla la provisión de una primera capa exterior de 0.180 mm de espesor y que comprende fibras de carbono en una matriz epoxi modificada, de una segunda capa exterior de 0.060 mm de espesor y que comprende fibras de Dyneema en una matriz de tereftalato de polietileno, y de una capa intermedia con estructura de panal de abejas de fibra aramídica en una matriz fenólica de 10 mm de espesor. Además, se ha interpuesto una película de polímero hecha de polietileno y anhídrido maleico modificado entre la segunda capa exterior y la capa intermedia.

El pegado de las capas se realizó a la presión de 0.4 bar, a una temperatura de 120 °C y en un tiempo de 45 minutos.

La temperatura se ha elegido de manera que permita el curado de la película de polietileno y anhídrido maleico modificado y las de la segunda capa exterior y la capa intermedia. A dicha temperatura, también la resina epoxi modificada de la primera capa exterior reacciona y cura, consiguiendo así un grado de polimerización igual al 87 %, permitiendo así el pegado entre la primera capa exterior y la capa intermedia.

Además, en correspondencia con los bordes del panel (es decir, que el panel bordea en la dirección del espesor) tuvo lugar una copolimerización de la película de polietileno y anhídrido maleico modificado con la resina epoxi modificada, con la creación subsiguiente de un copolímero con excelentes propiedades de pegado en ambas capas exteriores.

La temperatura y el tiempo de pegado se han elegido teniendo en cuenta la degradación a la que se someten las fibras de Dyneema contenidas en la segunda capa exterior. De hecho, a temperaturas superiores a 120 °C, las fibras de Dyneema comienzan a ablandarse.

Sin embargo, se observa que la degradación de las propiedades mecánicas de las fibras Dyneema puede despreciarse cuando estas últimas se someten a una temperatura de 120 °C por tiempos no superiores a 45 minutos.

El panel obtenido mediante el proceso de fabricación ejemplificado anteriormente tiene las propiedades mecánicas que se exponen a continuación.

En caso de un momento de flexión que tienda a doblar el panel en la segunda capa 4 exterior, la rigidez a la flexión por unidad de longitud del panel, medida experimentalmente, se encuentra en el rango de 0.1 - 0.2 N m 2/metro. Tal rigidez a la flexión tiende a aumentar a medida que disminuye el radio de curvatura del panel. Así es posible doblar el panel alcanzando un radio de curvatura de aproximadamente 3 cm sin dañar el panel y sus partes.

En el caso de un momento de flexión que tiende a doblar el panel en la primera capa 2 exterior, la rigidez a la flexión por unidad de longitud del panel se encuentra en cambio en el rango de 80 -110 N m 2/m, resultando así hasta más de tres órdenes de magnitudes superiores con respecto al caso anterior.

La densidad del panel es aproximadamente igual a 760 g/m2. Cuando el panel se somete a tracción paralela a sus planos, en una de las direcciones en las que se disponen las fibras de las capas exteriores, se produce el fallo bajo una carga de aproximadamente 125 kN/m.

Ejemplo 2

Otro ejemplo de fabricación del panel de acuerdo con la presente invención se caracteriza por el uso, como material para la capa 3, de espuma con tallado de “rejilla ranurada”.

La capa 3 está hecha de espuma de PET de 5 mm de espesor y una densidad de 130 kg/m3, módulo elástico a la compresión (o módulo de compresión macroscópico) igual a 60 MPa de acuerdo con la norma ASTM C365/C365M, y módulo de corte igual a 30 MPa de acuerdo con la norma ASTM C273/C273M. Dicha espuma ha sido ranurada creando cuadrados que tienen un tamaño de 1 cm x 1 cm en toda la superficie para aumentar la flexibilidad de la misma.

La segunda capa 4 exterior está formada por un laminado 0°/90° de fibras de carbono y Dyneema que tiene una matriz y capas exteriores protectoras (capas 42, 42) de poliamida modificada de 0.08 mm de espesor y máxima resistencia a la tracción en una de las direcciones de las fibras igual a 0.6 GPa de acuerdo con la norma ASTM D3039/D3039M. El espesor de la capa 4 se ha elegido de modo que satisfaga al menos una de las siguientes condiciones, de modo que los fenómenos de inestabilidad de la capa 4 se produzcan bajo una carga de compresión inferior a la carga de rotura.

í4 < 1 /fs • XX(15 • ac,4,x)°'5/(E cA;x0-5 • n)

en el que

x = dirección a lo largo de la cual se disponen las fibras de la capa 4

t4 = espesor de la capa 4

t³ = espesor de la capa 3

Oc,⁴,x = tensión de rotura por compresión de la capa 4, de acuerdo con la norma ASTM D3410/D3410M, en la dirección x

E^c ,⁴,^x = módulo de compresión elástica de la capa 4 de acuerdo con la norma ASTM D3410/D3410M en la dirección x

E³,z = módulo de elasticidad de la capa 3 de acuerdo con la norma ASTM C365/C365M, en la dirección del espesor A^x = distancia en la dirección x, medida con el panel en forma de reposo, sobre la cual la capa 4, y/o el revestimiento 42 en la interfaz con la capa 3, no está pegado a la espuma (por ejemplo, en correspondencia con muescas en la superficie del mismo)

Fs = factor de seguridad, preferentemente mayor o igual a 2

La primera capa 2 exterior está compuesta por tejido preimpregnado de resina epoxi modificada y fibras de vidrio E9 con disposición 0°/90°, tiene un espesor de 0.25 mm y máxima resistencia a la compresión en una de las direcciones de las fibras igual a 0.25 GPa de acuerdo con la norma ASTM D3410/D3410M.

El espesor de la primera capa 2 se ha elegido de modo que satisfaga al menos una, o preferentemente ambas, de las siguientes relaciones, de manera que será la capa 4, en lugar de la capa 2, la que se rompa en el caso de que el panel 1 esté sometido a un momento flector M2 que exceda la carga de rotura por flexión del mismo.

t 2 > (1/3) • ^⁴ • ^ ^m á^x ,⁴,^x / ° ^c,²,^x

^² > ^⁴ • ^ ^m á^x ,⁴,^x / ^ ^c,²,^x

utilizando las referencias ya referidas anteriormente e indicando con:

Oc,²,x = tensión de rotura por compresión de la capa 2, de acuerdo con la norma ASTM D3410/D3410M en la dirección x

Omáx,⁴,x = tensión de rotura por tracción de la capa 4, de acuerdo con la norma ASTM D3039/D3039M, en la dirección x.

El espesor de la capa 2 deberá además cumplir la condición

t 2 > t 4 • 1.5

Se verifica además que las propiedades de los componentes dispares del sándwich 1 cumplen al menos una, o preferentemente ambas de las siguientes condiciones, de manera que el pandeo de la capa 2 se produce bajo una carga de flexión superior a la que provoca la rotura de la capa 4:

E3,z > 1/4 • t 3 • ( t4 • amáx,4,x) 2/ ( t 23 • Ec,2,x)

E3,z > 9 /4 • t 3 • ( t4 • amáX,4,x) 2/ ( t 23 • Ec2x)

utilizando las mismas referencias anteriores.

El curado se proporciona mediante el uso de un molde curvo configurado para conferir la forma de reposo RS al producto terminado (figura 11). El molde y los bordes del molde se cubren con un gel desprendible DF, luego se fija la segunda capa 4 exterior sobre el gel para que no se formen arrugas; sobre toda la superficie expuesta de la capa 4 (es decir, la superficie que queda expuesta después del moldeo) una película de polímero a base de PET modificado presenta buenas capacidades de pegado sobre la matriz de poliamida de la capa 4 y sobre la espuma de PET de la capa 3. La capa 3 se corta así para que resulte ligeramente menos extendida que la primera y la segunda capas exteriores, y para permitir que las capas 2, 4 exteriores entren en contacto directo entre sí en los bordes del molde. Así, la espuma que constituye la capa 3 se coloca en el molde de manera que la superficie conformada mire hacia la segunda capa 4 externa, y que las direcciones de los bordes de las celdas conformadas resulten paralelas a las de las fibras de la segunda capa 4 externa y de la primera capa 2 exterior.

Posteriormente, la primera capa 2 exterior se sitúa por encima de la espuma de la capa 3 y sus bordes se ponen en contacto con los de la capa 4 de manera que en la interfaz de la misma se forma un copolímero durante el curado.

Sobre la capa 4 se coloca una película despegable y, encima, el tejido transpirable. Por último, se coloca encima de toda la bolsa de vacío VB, sellada herméticamente en los bordes MD_E del molde MD por medio de la masilla SL.

El conjunto se introduce en el autoclave; la bomba de vacío se conecta a la bolsa de vacío VB y se activa el autoclave para que se establezca en él una presión de 0.3 MPa.

La polimerización y el pegado ocurren a una temperatura de 110 °C durante 60 minutos; la temperatura y el tiempo se eligen en función de las características de la película de polímero y de la resina epoxi del tejido preimpregnado.

Al final del proceso, el sándwich 1 se vuelve a poner a temperatura ambiente, luego se retiran la bolsa de vacío VB y el tejido transpirable PF y el sándwich 1 se extrae del molde MD.

Las propiedades del sándwich 1 obtenido mediante el proceso de fabricación descrito anteriormente se ensayan al fabricar en molde plano, y utilizando el mismo material y el mismo proceso de fabricación, cinco especímenes cortos de dimensiones 40 mm x 250 mm y espesor igual al del sándwich y cinco especímenes largos de dimensiones 40 mm x 450 mm y espesor igual al del sándwich.

Todos los especímenes exhiben la mayor longitud orientada a lo largo de la dirección del módulo de máxima elasticidad de la piel delgada (capa 4). Antes de someter los especímenes a las pruebas mecánicas, éstas se doblan una primera vez hacia la piel delgada (capa 4), hasta alcanzar un radio de curvatura de 5 cm; de esta manera la carga (capa 3) sufre una deformación permanente que facilita el posterior doblado del material sin comprometer de forma relevante las prestaciones mecánicas globales del mismo.

Los especímenes son los probados de acuerdo con el estándar ASTM D7250/D7250M utilizando las configuraciones de carga “Configuración de carga de un cuarto de tramo de 4 puntos” y “Configuración de carga de un tercer tramo de 4 puntos”.

La distancia entre los dos soportes fijos en el primero de los dos ensayos es igual a 400 mm, mientras que en el segundo ensayo es igual a 200 mm. Los ensayos se realizan a una temperatura de 20 °C, presión atmosférica y humedad relativa del 25 %. Experimentos anteriores han demostrado que una variación de temperatura de /- 4 %, o de humedad o presión de /- 30 % no influye significativamente en los resultados de la prueba.

Cada muestra se ensaya primero como se muestra en la Figura 14, con la segunda capa 4 exterior orientada hacia los soportes fijos B1. Este ensayo finaliza con la consecución de una deformación por flexión del punto medio del espécimen A^b igual a 4 cm (carga aplicada mediante empujadores B2).

Los datos así detectados permitieron calcular de acuerdo con el procedimiento ASTM D7250/D7250M, el valor medio de la rigidez a la flexión, igual a 250 Nmm2.

Posteriormente, cada espécimen se ensaya como se muestra en la Figura 14, con la primera capa exterior mirando hacia los soportes fijos A1. En esta prueba el sándwich se lleva a la rotura (carga aplicada por medio de los empujadores A2). Los datos así detectados permitieron calcular, de acuerdo con la norma ASTM D7250/D7250M, el valor medio de la rigidez a la flexión, igual a 19140 Nmm2 El panel de acuerdo con la invención presenta múltiples ventajas. La particular estructura del panel permite, como ya se ha mostrado, doblarlo por uno solo de sus lados. Además, ajustando adecuadamente la rigidez y el material, es posible establecer límites a la curvatura del panel dentro del cual se dobla el panel sin tener problemas de rotura.

Las propiedades de flexión del panel objeto de la presente invención pueden resultar particularmente útiles en el campo aerodinámico y fluidodinámico. De hecho, el panel es capaz de variar su forma bajo la acción de fuerzas externas y esto, ventajosamente, puede producir una reducción de la acción ejercida por dichas fuerzas sobre el propio panel, evitando así tensiones que de otro modo provocarían fallos en el panel. Este comportamiento puede ocurrir, por ejemplo, en el caso de que el panel esté sujeto a la acción de un viento fuerte, como para doblar el panel. Como consecuencia de la flexión, la superficie del panel que queda expuesta al viento se reduce, por lo que la acción del mismo sobre el panel se reduce en consecuencia.

El panel de acuerdo con la presente invención puede emplearse en múltiples campos de la tecnología, algunos de los cuales se exponen a continuación únicamente a modo de ejemplo.

El panel se puede utilizar en el campo aeronáutico, en caso de que sea necesario tener un material flexible que permita cambiar las formas aerodinámicas. En tales casos, se puede prever, por ejemplo, que el panel se doble aplicando fuerzas adecuadas por medio de tirantes, cuerdas, pistones u otros mecanismos.

El panel se puede utilizar en el campo de la generación de energía eólica e hidráulica, para fabricar palas capaces de deformarse para disminuir o aumentar la resistencia aerodinámica o sustentación según las necesidades. Por ejemplo, en las turbinas eólicas del tipo Savonius es posible deformar la pala que se mueve contra el viento para reducir la resistencia aerodinámica, aumentando así la eficiencia de las turbinas.

En el campo de los trajes de seguridad, por ejemplo, en motociclismo, el panel puede utilizarse para crear juntas capaces de resistir golpes o rozaduras. Adicionalmente, el panel puede servir para limitar posibles movimientos capaces de dislocar o dañar articulaciones o tendones de los usuarios que visten tales trajes.

El panel también puede utilizarse en el campo del diseño de interiores o equipamiento de camping para crear elementos o muebles transformables o plegables y caracterizados por una notable ligereza, por ejemplo, sillas plegables.

Otra aplicación es posible en el campo del hobby/juguete, para la creación de disfraces y armaduras con una excelente capacidad de flexión, así como una excelente ligereza y capacidad de resistencia.

El panel también puede ser utilizado en el campo médico y de rehabilitación, por ejemplo, en el caso de que sea necesario disponer de un material muy ligero, resistente y flexible en una sola dirección. Por ejemplo, el panel puede utilizarse para fabricar tutores para la rehabilitación de rodillas y brazos, con el fin de limitar la rotación de las articulaciones.

Otro uso del panel es posible en el campo náutico y deportivo, para la producción de velas, cometas, cascos plegables, embarcaciones y sus componentes, que requieren excelentes prestaciones en términos de resistencia a la tracción y ligereza; además, en el campo de los deportes de invierno, el panel puede utilizarse para la fabricación de equipos plegables y ligeros (por ejemplo, trineos, trineos, etc.).

Por último, en el campo de la construcción, el panel puede ser utilizado para realizar estructuras de emergencia o estructuras de encofrado para hormigonado. Además, también se puede contemplar el uso de cuerdas para modificar la forma de dichas estructuras, consiguiendo así la geometría y la forma que más se desee.

Claims (10)

REIVINDICACIONES

1. Un panel (1) que tiene una estructura en capas que comprende:

- una primera capa (2) exterior,

- una capa (3) intermedia, y

- una segunda capa (4) exterior

el panel (1) se caracteriza porque:

la segunda capa (4) exterior tiene una tensión de pandeo inferior a la tensión de pandeo de la primera capa (2) exterior, y

porque la primera capa (2) exterior y la segunda capa (4) exterior cada una tienen una tensión de rotura por compresión superior a la tensión de pandeo de la segunda capa (4) exterior

en el que la tensión de rotura por compresión de dicha primera capa (2) exterior y segunda capa (4) exterior se mide de acuerdo con la norma ASTM D34l0/D3410M,

en el que dicha primera capa (2) exterior tiene un espesor mayor que el espesor de dicha segunda capa (4) exterior, en el que dicha primera capa (2) exterior y segunda capa (4) exterior están hechas de materiales reforzados con fibra que tienen una matriz de polímero,

en el que la capa (3) intermedia está formada por un material elegido del grupo formado por:

- materiales que tengan una estructura de panal de abejas, o

- espumas poliméricas, y

en el que cuando la capa (3) intermedia está formada por un material elegido del grupo formado por las espumas, dicha tensión de pandeo se calcula como

CTb,u = 2/3 • (Ec,i,x • E3,^z • t i / t 3)05

en el que,

Ob,i, x es la tensión crítica de pandeo de la primera (2) o, respectivamente, la segunda capa (4) exterior, en una dirección genérica x perteneciente a un dominio bidimensional que describe el desarrollo superficial de la capa (2, 4), preferentemente, en el caso de materiales reforzados con fibra, una dirección coincidente con la dirección de orientación de las fibras

ti es el espesor de la capa (2, 4) exterior considerada,

E^c ,^í,^x es el módulo de elasticidad a la compresión de la misma (primera o segunda respectivamente) capa exterior de acuerdo con la norma ASTM D3410/D3410M, en la dirección x de cálculo de la tensión de pandeo Ob,i,xi t³ es el espesor de la capa (3) intermedia, y

E³,z es el módulo de elasticidad a la compresión de la capa (3) intermedia en la dirección del espesor de acuerdo con la norma ASTM C365/C365M,

y en el que además cuando la capa (3) intermedia está formada por un material elegido del grupo formado por materiales con estructura de panal de abeja, dicha tensión de pandeo se calcula como:

en el que:

E^c ,^í,^x es el módulo de compresión elástica de la primera (2) o, respectivamente, la segunda capa (4) exterior, en la dirección x;

ti es un espesor de la primera (2) o, respectivamente, la segunda capa (4) exterior, y

s es la dimensión de la celda hexagonal de la estructura de panal de abejas.

2. El panel (1) de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende al menos una película de polímero interpuesta entre la primera capa (2) exterior y la capa (3) intermedia y/o entre la segunda capa (4) exterior y la capa (3) intermedia, dicha al menos una película de polímero está configurada para permitir la adhesión de las capas entre las que se interpone.

3. El panel (1) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dicha primera capa (2) exterior y dicha segunda capa (4) exterior son capas resistentes a la tracción con un módulo elástico de tracción al menos igual a 1 GPa.

4. El panel (1) de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dicho material reforzado con fibra que constituye dicha segunda capa (4) exterior comprende:

una matriz polimérica elegida del grupo formado por:

- una matriz de tereftalato de polietileno (PET),

- una matriz de polietileno (PE),

- una matriz de poliamida (PA),

- una matriz de resina epoxi,

- una matriz de resina de poliéster, o

- matriz de resina de poliuretano; y

fibras (4a) embebidas en dicha matriz polimérica y elegidas del grupo formado por:

- fibras de polietileno de alta densidad (HDPE),

- fibras de polietileno de ultra alto peso molecular (UHMWPE),

- fibras de polipropileno (PP),

- fibras de Zylon,

- fibras de vectran,

- fibras aramídicas, o

- fibras de carbono.

5. El panel (1) de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dicho material polimérico reforzado con fibra que constituye dicha primera capa (2) exterior comprende una matriz polimérica elegida del grupo que consiste en:

- una matriz epoxi,

- una matriz de resina epoxi modificada,

- una matriz de resina de poliéster,

- una matriz de resina de poliuretano, o

- una matriz de resina de poliamida; y

fibras (2a) embebidas en dicha matriz polimérica y elegidas del grupo formado por:

- fibras de carbono,

- fibras de vidrio,

- fibras aramídicas,

- fibras de polipropileno, o

- fibras de poliéster.

6. El panel (1) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en el que, a saber

Ob/c,²,x la tensión de pandeo de dicha primera capa (2) exterior, o la tensión de rotura por compresión cuando esta última sea inferior a la tensión de pandeo, en al menos una dirección x paralela a las fibras de la segunda capa (4) exterior,

t² el espesor de la capa 2

Omáx,⁴,x la tensión de rotura por tracción de la capa 4, en la dirección x

t4 el espesor de la capa 4,

se aplica lo siguiente:

CTb/c,2,x-t2 > (1/3) • ^máx,4,x • 4^

7. El panel (1) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que, en al menos una dirección del panel, el producto entre el módulo elástico a la compresión de la primera capa (2) exterior y el espesor de la primera capa (2) exterior es superior al producto entre el módulo de tracción elástica de la segunda capa (4) exterior y el espesor de la segunda capa (4) exterior.

8. El panel (1) de acuerdo con la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en el que la segunda capa (4) está revestida en uno o ambos lados por medio de capas (42, 43) de revestimiento correspondientes, en el que cada capa de revestimiento tiene un módulo elástico inferior al módulo elástico a la tracción de las fibras de refuerzo de la segunda capa (4) exterior, preferentemente inferior en al menos cinco veces, más preferentemente inferior en al menos diez veces, incluso más preferentemente inferior en treinta veces.

9. El panel (1) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dicha capa (3) intermedia tiene un espesor al menos cinco veces mayor que el de la segunda capa (4) exterior, siendo más preferentemente al menos diez veces mayor que el de la segunda capa (4) exterior.

10. El panel (1) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 o 4, en el que la segunda capa (4) exterior está reforzada por medio de fibras continuas que tienen un módulo de tracción elástica superior a 10 GPa, preferentemente superior a 20 GPa, incluso más preferentemente superior a 40 GPa.