ES2949807T3 - Refuerzo multiaxial cosido - Google Patents

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ES2949807T3 ES20712252T ES20712252T ES2949807T3 ES 2949807 T3 ES2949807 T3 ES 2949807T3 ES 20712252 T ES20712252 T ES 20712252T ES 20712252 T ES20712252 T ES 20712252T ES 2949807 T3 ES2949807 T3 ES 2949807T3
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ES
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twisted multifilament
resin
multifilament yarns
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English (en)
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Petro Huoponen
Päivi Rita
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Vitrulan Composites Oy
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Vitrulan Composites Oy
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Abstract

La presente invención se refiere a un refuerzo multiaxial cosido y a un método para producir un refuerzo multiaxial cosido. El refuerzo multiaxial cosido de la presente invención se puede utilizar en todas aquellas aplicaciones en las que generalmente se necesitan refuerzos y especialmente en aplicaciones en las que se utiliza tecnología de infusión al vacío o tecnología de moldeo por transferencia de resina (RTM) para distribuir la resina en el molde. El refuerzo multiaxial cosido de la presente invención es especialmente aplicable en la fabricación de palas de turbinas eólicas, embarcaciones, equipos deportivos, tanques de almacenamiento, paneles de autobuses, remolques, trenes y camiones, etc., y en general en todas aquellas estructuras que estén sujetas estresarse en más de una dirección. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Refuerzo multiaxial cosido
Campo técnico
La presente invención se refiere a un refuerzo multiaxial cosido. El refuerzo multiaxial cosido de la presente invención puede utilizarse en todas aquellas aplicaciones en las que son necesarios generalmente refuerzos y especialmente en aquellas aplicaciones en las que se utiliza o bien tecnología de infusión por vacío o bien tecnología de moldeo por transferencia de resina (RTM) para distribuir la resina en el molde. El refuerzo multiaxial cosido de la presente invención es especialmente aplicable a la fabricación de palas de turbinas eólicas, embarcaciones, equipos deportivos, tanques de almacenamiento, paneles de autobuses, remolques, trenes y camiones, etc., y generalmente a todas aquellas estructuras que estén sometidas a tensión en más de una dirección.
Antecedentes de la técnica
Cuando se fabrican productos compuestos y laminados utilizando diversas fibras, como por ejemplo fibras de vidrio, carbono y aramida, así como lino, cáñamo, yute, kenaf, basalto y otras fibras naturales, etc. para la fabricación, por ejemplo, de embarcaciones, paneles de automóviles, autobuses , trenes, remolques y camiones o partes de turbinas eólicas, por ejemplo, la fabricación comienza con la producción de un refuerzo de fibra apropiado como una estructura tejida o tricotada, que puede presentar una orientación unidireccional o multiaxial. A continuación, las estructuras se colocan en un molde utilizado en la fabricación del producto intermedio o final. El molde presenta, naturalmente, la forma del producto final, lo que significa que la forma a veces puede ser muy complicada y requiere una conformación sustancial del refuerzo cuando se coloca en el molde. Normalmente, varias capas, hasta decenas de capas, de refuerzos se colocan una encima de otra en el molde y se introduce en el molde una resina termoendurecible de tipo epoxídica mezclada con un endurecedor o una resina de poliéster insaturada o resina de éster vinílico para formar un artículo compuesto reforzado con fibras. La resina también puede ser termoplástica como PA (poliamida) o CBT (poli(tereftalato de butileno) cíclico) o similares. La práctica ha demostrado que cuando el producto final tiene que resistir altas cargas mecánicas, las capas unidireccionales de mechas de refuerzo, que pueden mantenerse unidas por medio de cosido, son una elección preferida en su fabricación. En el caso de que existan cargas mecánicas en más de una dirección, los refuerzos multiaxiales son una opción preferida. Tales capas unidireccionales de un refuerzo están hechas de mechas o estopas, generalmente denominadas fibras de refuerzo.
El refuerzo multiaxial está formado por dos o más capas de mechas de refuerzo, donde las mechas en una capa son unidireccionales, pero las mechas de capas adyacentes forman un determinado ángulo, habitualmente de 45, 60 o 90 grados, aunque también pueden utilizarse otras orientaciones de mecha. La construcción del refuerzo depende del peso por unidad de superficie objetivo y el número de tex de las mechas. Por ejemplo, si se desea un alto peso por unidad de superficie o peso en gramos, se utiliza una mecha gruesa (por ejemplo, con fibra de vidrio de tipo E de 2400 tex, y cuando se desea un refuerzo con bajo peso por unidad de superficie, se utiliza una mecha delgada (por ejemplo, con fibra de vidrio de tipo E de 600 tex) en su fabricación.
El producto final, es decir, la estructura laminada curada, puede fabricarse con varios de tales refuerzos multiaxiales disponiendo las capas de refuerzos de modo que, en el producto final, las mechas de las capas están orientadas en por lo menos dos direcciones diferentes según las cargas a las que se someta la construcción laminada o fabricando en primer lugar materiales textiles de varias capas de refuerzos unidireccionales de modo que las mechas de capas adyacentes forman un determinado ángulo, y después utilizando los materiales textiles así formados en la producción del producto final. Tales materiales textiles se denominan materiales textiles biaxiales, triaxiales, cuadraxiales, etc. dependiendo del número de orientaciones de fibras diferentes en los mismos.
Un refuerzo multiaxial formado por al menos dos capas de refuerzo de mechas de refuerzo de por sí unidireccionales es inherentemente inestable por naturaleza ya que los hilos de cada capa de refuerzo discurren sólo en una dirección. Para ser capaz de manejar un refuerzo de este tipo, sus mechas tienen que anclarse o unirse entre sí de una manera adecuada. La técnica anterior divulga, en principio, dos métodos mecánicos diferentes para un fin de este tipo.
Un método consiste en fijar las mechas por medio de cosido (por ejemplo, tricotado por urdimbre). Los hilos de cosido forman bucles de tricotado, es decir, puntadas, que mantienen las propias mechas de refuerzo en su lugar en el refuerzo. Las puntadas están formadas mediante diversos elementos de tricotado, por ejemplo, mediante agujas, que penetran en la capa o las capas de mechas de refuerzo según la técnica de tricotado por urdimbre conocida. Las puntadas pueden formar varios patrones bien conocidos como, por ejemplo, cadena o tricot, etc. El hilo de cosido es normalmente, pero no necesariamente, un hilo de filamento de poliéster (poli(tereftalato de etileno)) texturizado o no texturizado que presenta un grosor de desde aproximadamente 34 dtex hasta aproximadamente 167 dtex y que comprende decenas de filamentos, normalmente, por ejemplo, 24 o 48 filamentos.
Otro método mecánico consiste en utilizar una técnica de tejido para anclar los hilos de urdimbre longitudinales, es decir, las mechas de refuerzo, con hilos de trama de peso ligero en su lugar respectivo. Como hilos de trama se han utilizado tanto hilos no recubiertos como recubiertos por fusión en caliente. Después de calentar y enfriar, el aglutinante de fusión en caliente ha proporcionado al refuerzo una estabilidad considerable. Sin embargo, la alternativa del tejido no se considera más favorable ya que las mechas de refuerzo forman rizos cuando cruzan sobre los hilos de trama conduciendo a concentraciones de tensión y menores propiedades mecánicas que las versiones cosidas. Se ha hallado que los hilos de aglutinante de fusión en caliente crean una perturbación local en el curado de matrices y tampoco se ven más favorecidos en el comercio. Normalmente, los hilos de trama son hilos multifilamento que se aplastan por compresión independientemente de que sean hilos de fusión en caliente o no.
Los refuerzos cosidos se conocen bien y presentan algunas buenas propiedades. En primer lugar, su estabilidad transversal es buena, porque los hilos de cosido, aunque discurren principalmente de manera longitudinal, forman tales patrones, como un tricot, que proporciona a las mechas unidireccionales la integridad estructural necesaria para el refuerzo. En segundo lugar, el refuerzo es fácil de posicionar en el molde (es decir, permite al refuerzo seguir los contornos del molde) ya que el refuerzo cosido es a menudo muy flexible si los parámetros de cosido se eligen de manera apropiada como la longitud de puntada, calibre de aguja y tensión de hilo, por citar sólo algunos ejemplos.
Sin embargo, la utilización de puntadas también puede dar lugar a un problema. El problema puede observarse cuando se infusiona una pila de refuerzos cosidos, es decir, la denominada preforma, con resina. La distribución de resina en los haces de fibras es sorprendentemente lenta y no uniforme en ambas direcciones, es decir, en una dirección paralela con las mechas de refuerzo y en una dirección transversal a las mechas de refuerzo. El hallazgo anterior es sorprendente ya que a primera vista un refuerzo cosido parece incluir pasos de flujo en tres dimensiones. Las puntadas cuando se aprietan alrededor de un haz de mechas abren pasos de flujo a través del refuerzo. Además, en la dirección de los hilos de puntada paralela a la superficie del refuerzo, las mechas se presionan juntas de modo que se crean pasos de flujo sobre la superficie del refuerzo. Y, además, en la dirección de las mechas el apriete de las puntadas parece formar pasos de flujo longitudinales sobre la superficie del refuerzo. Podría esperarse que, cuando se coloca un refuerzo encima de otro en el molde, la pila de refuerzos incluiría una red tridimensional de pasos de flujo, que aseguraría un flujo de resina y penetración rápidos, así como un empapado rápido de la pila de refuerzos. Sin embargo, como ya se ha mencionado anteriormente, este no es el caso. El principal motivo es que antes de que se inicia la alimentación de la resina al molde, la pila de refuerzos en el molde se somete a compresión. La compresión hace que los refuerzos se presionen unos contra otros por una fuerza tal que, dado el hecho de que las puntadas de los refuerzos no están unas directamente encima de otras de manera vertical, sino que su posicionamiento es al azar, las mechas “libres” (lo que significa las mechas que no están bajo compresión por una puntada) entre las puntadas de un refuerzo se presionan en la puntada de un refuerzo vecino. Como resultado, el paso de flujo en la dirección de la superficie del refuerzo se llena más o menos totalmente con las mechas “libres” impidiendo un flujo de resina eficaz en la dirección de la superficie de un refuerzo. En cuanto a la parte de una puntada donde el hilo de cosido está en la dirección Z, el paso de flujo permanece en la pila, quizás algo más pequeño, pero todavía algo. Sin embargo, ahora que los pasos de flujo en la dirección de la superficie de un refuerzo están sustancialmente cerrados, el paso de flujo en la dirección Z permanece lleno de aire, que es muy difícil de retirar. Esto da como resultado fácilmente la presencia de burbujas de gas en el producto final, lo que, naturalmente, reduce la calidad y las propiedades de resistencia del producto final.
Ya que una buena permeabilidad de resina es vital para la ejecución práctica del procedimiento de moldeo, se acelera normalmente utilizando una diferencia de presión cuando se alimenta la resina en el molde. Es una práctica habitual aplicar o bien tecnología de infusión por vacío o bien tecnología de moldeo por transferencia de resina (RTM) para distribuir la resina por todas las capas de refuerzo en el molde. Sin embargo, a veces a pesar de varias medidas, como vacío y/o presión de alimentación elevada, tienden a permanecer pequeñas cavidades con aire en el refuerzo reduciendo significativamente las propiedades de resistencia del laminado. El principal motivo para las cavidades con aire es el posicionamiento ajustado de las mechas unas contra otras en el refuerzo de modo que su permeabilidad a la resina está limitada tanto en las direcciones transversales como longitudinales de las mechas de refuerzo, así como en la dirección Z. En vista de lo anterior, deben investigarse nuevas maneras para mejorar tanto la retirada del gas de la pila de refuerzos como la permeabilidad del refuerzo a la resina.
Una manera de mejorar la permeabilidad del refuerzo es dotar al refuerzo de pasos de flujo para la resina, permitiendo los pasos de flujo que la resina fluya rápidamente en el refuerzo. Pueden hallarse, en la técnica anterior, numerosas maneras para disponer los pasos de flujo de resina en los refuerzos o entre los refuerzos en una pila de refuerzos, por ejemplo, los denominados materiales textiles de infusión. Sin embargo, se ha descubierto que la utilización de tales pasos de flujo no es muy eficaz, ya que el vacío aplicado en la etapa de infusión tiende a desplazar o arrastrar las mechas de las zonas o refuerzos vecinos e incluso desplazar sus posiciones para llenar los pasos de flujo/cavidades.
Una manera tradicional de disponer canales de flujo de resina en un refuerzo se comenta en el documento US-A-2005/0037678 (Mack et al.). El documento divulga un material textil de rejilla abierta, que está formado por mechas unidireccionales gruesas, que se cosen entre sí de modo que se forma una estera de mechas unidireccionales que deja un espacio abierto desobstruido entre mechas paralelas adyacentes. Otra estructura opcional es formar el material textil de rejilla de dos capas de mechas donde las mechas de una capa están dispuestas en ángulos rectos con respecto a las de la otra capa. Las mechas se cosen de nuevo entre sí de modo que se forma un material textil de rejilla abierta. El material textil de rejilla abierta de la solicitud estadounidense se utiliza como material textil de infusión colocándolo entre capas de refuerzo de un material laminado para asegurar un flujo de resina no obstruido entre las capas de refuerzo para empapar las capas de refuerzo vecinas en la dirección Z. Los problemas en la construcción de la solicitud estadounidense se refieren al material textil de rejilla abierta que es un producto fabricado independiente y a las mechas utilizadas en el material textil. La etapa de fabricación independiente se añade a los costes de fabricación de un refuerzo, y la utilización de mechas, que no están unidas o retorcidas, significa que para proporcionar alguno espacio abierto en el material textil de rejilla abierta, las mechas tienen que ser muy gruesas (véase la discusión en relación con la figura 1b que se refiere al aplastamiento de mechas bajo compresión). Las mechas gruesas significan un aumento tanto del peso como de los gastos en tales partes del producto que son necesarios sólo en un segundo fin, es decir, el flujo de resina. La proporción relativamente alta de mechas en una dirección que no es necesaria en vista de los aspectos de resistencia y fatiga del producto hacen que el producto no sea atractivo comercialmente ni para el mercado. Otro inconveniente de este tipo de un material textil de infusión es que provoca, en el producto final, zonas de mayor contenido de resina que en las partes que contienen sólo capas de refuerzo, es decir, el producto no es cohesivo.
La técnica anterior también divulga materiales textiles de infusión biaxiales que se fabrican con dos capas de mechas de por sí tejidas, que se estiran primero en dirección diagonal de modo que una capa se convierte en una capa de -45 grados y otra en una capa de 45 grados, y luego se cosen juntas. Ambas capas tejidas comprenden mechas gruesas de fibra de vidrio en la dirección de la trama e hilos delgados de fibra de vidrio en la dirección de la urdimbre. Los hilos en la dirección de la urdimbre unen las mechas en haces redondos relativamente sueltos. Cuando las capas tejidas están inclinadas, los hilos en la dirección de la urdimbre se tensan y unen las mechas con más fuerza (lo que equivale a una sección transversal casi redonda de los haces). Como un buen ejemplo de la tirantez del hilo puede mencionarse que los hilos de trama longitudinales pueden girarse, mediante inclinación, 30 y 45 grados desde la dirección de la trama, pero no más de 60 grados. Las dos capas tejidas y estiradas se colocan entonces una encima de la otra de modo que las mechas de las capas discurren en diferentes orientaciones, por lo que, después del cosido, se obtiene un producto biaxial. El producto se vende para su utilización como material textil de infusión, que presenta canales de flujo de resina en la dirección de las mechas.
Sin embargo, el material textil de infusión anterior presenta algunos problemas en cuanto a su estructura, utilización y funcionamiento. En la práctica, en esta clase de productos existe una clara correlación entre la capacidad de flujo de la resina y el peso en gramos, de modo que cuanto mayor es el peso en gramos, peor es la capacidad de flujo (a menos que se cambie el número de tex de las mechas). El motivo es que los pasos de flujo en el producto se forman entre las mechas y cuando aumenta el peso en gramos, aumenta el número de mechas, por lo que la zona abierta entre las mechas se reduce naturalmente. Otra opción sería aumentar el tamaño o el número de tex de las mechas, pero como las mechas solo están disponibles en 300 tex, 600 tex, 1200 tex, 2400 tex, 4800 tex, etc., no siempre es posible encontrar una buena combinación. Muchas veces, el paso de un tamaño de mecha que da como resultado un flujo menos adecuado al siguiente tamaño de mecha posible sin aumentar el peso en gramos da como resultado un material textil de infusión que es difícil de manipular debido a que presenta espacios tan desobstruidos entre las mechas que el material textil no presenta, en la práctica, ninguna rigidez en absoluto. De manera correspondiente, aumentar el peso en gramos disminuye la capacidad de flujo de la resina (si sólo se aumenta el número de mechas) o aumenta la zona de flujo abierta (si se aumenta el tamaño de las mechas) en el material textil de infusión de modo que pierde su integridad. Dicho de otro modo, en muchas aplicaciones debe utilizarse un material textil de infusión, que no es exactamente el deseado, sino un compromiso entre la capacidad de flujo de la resina y el peso en gramos. Una característica adicional que debe tenerse en cuenta es la falta de uniformidad del producto final, es decir, el refuerzo. Si el material textil de infusión contiene más cavidades abiertas que las propias capas de refuerzo, lo que ocurre muy a menudo, en el producto final las cavidades abiertas se llenan de resina. Por tanto, la proporción de resina es claramente mayor en las ubicaciones de lo(s) material(es) textil(es) de infusión, lo que provoca zonas de menor resistencia en el refuerzo.
La técnica anterior también divulga otras estructuras en las que las mechas se utilizan básicamente de la misma manera que en el documento estadounidense, sin embargo, las mechas están rodeadas por un bobinado de hilo de poliéster alrededor de las mechas para hacer que las mechas no sean comprimibles. Al hacer que las mechas se vuelvan rígidas de la manera mencionada anteriormente, se logran propiedades de flujo de resina adecuadas, pero la manera también presenta inconvenientes. En primer lugar, el bobinado del hilo de poliéster (PE) alrededor de las mechas no es gratuito. En segundo lugar, la disponibilidad de mechas aplicables es muy limitada, por lo que el diámetro del paquete de mechas-hilos de PE no puede elegirse libremente. En la práctica, este último problema en las mechas con PE enrollados impide que el usuario elija el mejor diámetro posible para su aplicación. Por tanto, puede observarse que la utilización de mechas en productos de infusión o medios de infusión da como resultado por lo menos una de varias etapas del método, trabajo manual, utilización de material que se desperdiciará, etc., todo lo cual significa un aumento de gastos que en cierto modo son innecesarios.
Un problema adicional relacionado con la utilización de mechas de fibra de vidrio en materiales textiles de rejilla abierta o en cualquier otro producto de infusión es el hecho de que la fibra de vidrio o cualquier otra fibra de refuerzo, tal como la fibra de aramida o la fibra de carbono, presenta un módulo mucho más alto (habitualmente por encima de 50 GPa) que el (habitualmente por debajo de 10 GPa, normalmente del orden de 3 - 4 GPa) de la resina utilizada al curar el refuerzo. La diferencia en los módulos significa que, tan pronto como el refuerzo comienza a soportar una carga, se crean picos de tensión en tales fibras de refuerzo del producto de infusión que son transversales a las propias fibras o mechas de refuerzo de las capas de refuerzo. Los picos de tensión están sometidos a tensión de fatiga y actúan como puntos de inicio de fisuras por fatiga.
Los diversos problemas relacionados con la utilización de mechas como medio de creación de canales de flujo se abordan en el documento EP-B1-2874803 (Bergstrom), que divulga un refuerzo unidireccional o multiaxial cosido para la fabricación de materiales compuestos reforzados con fibra mediante uno de procedimiento de moldeo por transferencia de resina y procedimiento de moldeo por infusión por vacío, comprendiendo el refuerzo unidireccional o multiaxial cosido por lo menos una capa de mechas unidireccionales continuas dispuestas en el refuerzo y mono o multifilamentos, estando dispuestos los mono o multifilamentos de manera transversal a las mechas unidireccionales y formando a los lados de los mismos pasos de flujo que se extienden desde un borde del refuerzo unidireccional o multiaxial cosido hasta el borde opuesto del mismo para facilitar, cuando se empapa una pila de refuerzos con resina, el flujo de resina en una dirección transversal a la dirección de las mechas unidireccionales, uniéndose dicha por lo menos una capa y los mono o multifilamentos entre sí mediante cosido, presentando los mono o multifilamentos un diámetro de 70 - 300 μm bajo compresión. Los mono o multifilamentos de la patente europea están hechos de un polímero que presenta un módulo bajo, es decir, cercano al de la resina, por lo que los mono o multifilamentos se consideran de no refuerzo.
El refuerzo comentado en el documento anterior está dirigido para su utilización en la producción de cordón de larguero de palas de turbinas eólicas, que presenta una longitud de decenas de metros y una anchura de unas pocas decenas de centímetros. Por tanto, al disponer la alimentación de resina en el molde a lo largo de toda la longitud del cordón de larguero, es decir, en un lado de la pila de capas de refuerzos, la resina sólo necesita fluir unas pocas decenas de centímetros para impregnar o empaparse toda la pila de capas del refuerzo. Por tanto, la distancia de empapado es tan corta que incluso una velocidad de impregnación relativamente lenta se considera aceptable. Un motivo para la lenta velocidad de impregnación es el pequeño diámetro de los mono o multifilamentos unidos, siendo necesario el pequeño diámetro en vista de las propiedades de resistencia requeridas por los cordones de larguero, es decir, la utilización del diámetro más pequeño posible minimiza el riesgo de microfisuras en el material laminado de cordón de larguero.
La utilización de monofilamentos como medio para crear pasos de flujo para la resina también tiene algunos inconvenientes. En primer lugar, cuanto más gruesos son los monofilamentos que se utilizan, menos flexibles son, por lo que resulta difícil colocar el producto de infusión o refuerzo en posiciones que requieren curvas pronunciadas en el producto. En segundo lugar, los monofilamentos pueden no adherirse de manera fiable a la resina, por lo que existe el riesgo de que se suelten de la resina y se muevan en su dirección longitudinal y dejen una cavidad abierta en el producto final.
Por tanto, el documento europeo de la técnica anterior citado anteriormente utiliza medios de formación de pasos de flujo dispuestos en una dirección transversal a las fibras o mechas de refuerzo. Los medios de formación de pasos de flujo pueden estar formados por un único monofilamento o un multifilamento unido, es decir, un haz de filamentos. Una construcción de este tipo se limita, en la práctica, a permitir que la resina fluya en una única dirección, lo que no puede considerarse suficiente en la fabricación de artículos que presentan una forma compleja o de área amplia.
El documento EP-B1-2918398 (Grove-Nielsen) analiza un material compuesto reforzado con fibras para fabricar un componente para una turbina eólica, que comprende una pluralidad de primeras fibras, estando dispuestas las fibras en una configuración unidireccional o biaxial, una pluralidad de segundas fibras, estando dispuestas las segundas fibras de manera perpendicular a una dirección longitudinal de las primeras fibras, y una resina que impregna la primera y la segunda fibras, donde un módulo E de la resina es igual a un módulo E de las segundas fibras de tal manera que cuando el material compuesto reforzado con fibras se estira en la dirección longitudinal, se permite que las segundas fibras se contraigan a la misma velocidad que la resina.
Para ser más específico el documento EP-B1-2918398 analiza, por un lado, un material compuesto reforzado unidireccional que presenta las segundas fibras transversales a las primeras fibras de refuerzo o las segundas fibras en zigzag a través de la(s) capa(s) de las primeras fibras de refuerzo, o, por otro lado, un material compuesto reforzado biaxial donde las fibras de refuerzo están dispuestas en ángulos de /- 45 grados con respecto a la dirección de las segundas fibras y las segundas fibras están unidas a las dos capas de las primeras fibras de refuerzo por medio de cosido.
Sin embargo, el documento EP-B1-2918398 no enseña el fin de sus segundas fibras transversales. Pero, como el documento enseña claramente que una capa de distribución de vacío independiente, es decir, una capa de infusión está dispuesta encima del material de fibra, queda bastante claro que las segundas fibras del material de fibra se utilizan sólo para dar al refuerzo estabilidad transversal. Pero, incluso si las segundas fibras crearán pasos de flujo de resina, el zigzagueo de los monofilamentos a la manera del documento europeo no parece razonable, ya que la infusión de resina tiene lugar normalmente desde un lado del refuerzo hacia el otro, y la disposición de los monofilamentos en una orientación diferente a la paralela entre sí forma tanto canales ensanchados en los que la resina apenas puede entrar (ya que apenas hay ninguna abertura entre los monofilamentos) como canales convergentes en los que los monofilamentos convergentes y el propio espacio convergente añaden resistencia al flujo y reducen la velocidad a la que la resina es capaz de avanzar.
Dicho de otro modo, la técnica anterior sugiere, por un lado, la utilización de hilos o mechas multifilamento dispuestos en dos direcciones transversales entre sí y cosidos entre sí para formar un material textil de rejilla abierta para proporcionar una rejilla abierta entre las capas de refuerzo de un refuerzo, y por otro lado, la utilización de mono o multifilamentos unidos para disponer pasos de flujo para la resina en una única dirección transversal a la dirección de las mechas de refuerzo.
Sin embargo, la práctica ha demostrado que los refuerzos cosidos actuales presentan varias áreas problemáticas, como, por ejemplo:
- los canales de flujo proporcionados en los refuerzos o en conexión con los mismos se diseñan para objetos largo y estrechos donde la resina debe fluir únicamente en una dirección, es decir, la ruta más corta a través del objeto, o para objetos más o menor redondos o cuadrados, donde es suficiente que la resina fluya a un ritmo similar en todas las direcciones, por tanto, la técnica anterior no considera objetos que presenten una forma compleja que requiera un velocidad de infusión diferente en diferentes direcciones,
- la utilización de materiales textiles tejidos de la técnica anterior como medios de infusión está limitada a unas pocas combinaciones de peso en gramos - capacidad de flujo de resina aplicables,
- en materiales textiles de infusión de la técnica anterior los canales de flujo de resina estaban en la dirección de las mechas, lo que no asegura una infusión apropiada y fiable de resina en todo el producto,
- la aplicabilidad de las mechas como medios para disponer canales de flujo en el refuerzo es muy limitada,
- las mechas presentan problemas en su compresibilidad, en su infusión de resina y en su diámetro, tal como se comentó anteriormente,
- los materiales textiles de infusión de la técnica anterior contienen a menudo grandes zonas abiertas que, también en el producto final, se llenan con resina, lo que hace que el producto final presente una estructura no uniforme con cambios en los valores de resistencia,
- cuando se utilizan monofilamentos como los medios de creación de pasos de flujo de resina, productos que requieren pasos de flujo de resina relativamente largos y/o la velocidad de infusión alta requieren la utilización de monofilamentos relativamente gruesos. Los monofilamentos gruesos hacen que el producto sea relativamente rígido, por lo que el producto no puede doblarse fácilmente en un molde que requiere curvas pronunciadas, y
- la utilización de mechas como medios para disponer canales de flujo requiere varias etapas de producción, lo que significa un aumento del tiempo y los costes de producción.
La utilización de mono o multifilamentos unidos ha demostrado ser una manera tan ideal para proporcionar canales de flujo de resina junto con refuerzos unidireccionales en la producción de cordones de larguero de palas de turbinas eólicas que se decidió someter a prueba la utilización de los mismos junto con otros tipos de productos, es decir, productos multiaxiales que requieren una capacidad de sustentación de carga en más de una dirección y que presentan un área más amplia en comparación con los cordones de larguero. Pronto se descubrió que la capacidad de flujo de resina de la clase de mono o multifilamentos unidos utilizados en el documento EP-B1-2874803 no era suficiente en la fabricación de paneles de camiones o autobuses o cascos de embarcaciones, sólo por nombrar algunas opciones. Un motivo fue que en tales paneles o cascos la distancia de empapado o impregnación con resina desde un borde del producto hasta el borde opuesto del mismo es muchas veces más largo que en las correspondientes aplicaciones de cordón de larguero. Otro motivo fue que tales paneles o cascos presentan formas que requieren un doblado o conformado del refuerzo, por lo que no pueden utilizarse las capas de refuerzo o capas de infusión que presentan monofilamentos gruesos que hacen que la capa sea relativamente rígida. Para superar los problemas se decidió mejorar la flexibilidad del producto, es decir, o bien una capa de refuerzo o bien un material textil de infusión, aplicando hilos multifilamento retorcidos como medios de creación de pasos de flujo, lo que mejora la capacidad de flujo de resina aumentando el diámetro de los hilos multifilamento retorcidos sin sacrificar la flexibilidad de los hilos.
Entonces, sorprendentemente, se descubrió que el riesgo de formar microfisuras en refuerzos multiaxiales se redujo considerablemente incluso aunque se aumentó el diámetro de los hilos multifilamento retorcidos. La conclusión fue, ya que los diversos paneles, cascos de embarcaciones o materiales laminados en sándwich se sometieron a carga en diferentes direcciones y, por tanto, requirieron la utilización de refuerzos multiaxiales, que por lo menos un motivo para el hallazgo es que, en un producto biaxial o cualquier producto multiaxial, las mechas de las capas vecinas en cualquier caso están ligeramente dobladas cuando se cruzan, por lo que el posible doblado o rizado adicional provocado por los hilos multifilamento retorcidos ya no presenta, en la práctica, mucha influencia. Otro factor que reduce la tendencia de formación de microfisuras se refiere a la optimización del peso, ya que los diversos paneles, por ejemplo, no presentan requisitos de peso estrictos como los cordones de larguero. Por tanto, se aprendió que los hilos multifilamento retorcidos que presentan un mayor diámetro pueden utilizarse en refuerzos multiaxiales, por lo que los canales de flujo de resina pueden ampliarse y, de ese modo, aumentarse la velocidad de flujo de resina.
Definiciones
Las siguientes explicaciones ilustrativas se proporcionan para facilitar la comprensión de determinados términos utilizados frecuentemente en la memoria descriptiva y las reivindicaciones que estudian la presente invención. Las explicaciones se proporcionan por conveniencia y no se pretende que limiten la invención.
Peso por unidad de superficie - Peso (masa) por unidad de superficie de un material textil.
Aglutinante - Un material polimérico en diversas formas como polvo, película o líquido. Los aglutinantes pueden estar hechos de uno o varios aglutinantes individuales que presentan diferentes características en cuanto a propiedades químicas o físicas como rigidez, punto de fusión, estructura polimérica, Tg, etc. El aglutinante se utiliza para unir la estructura de fibras para formar una banda y finalmente el refuerzo. Los aglutinantes adecuados son materiales epoxídicos termoplásticos, copoliésteres, poliésteres insaturados bisfenólicos o sus mezclas, sólo por nombrar algunos ejemplos.
Material textil - un material tejido flexible que consiste en una red de fibras naturales o artificiales sintéticas, a menudo denominada hiladura o hilo. Los materiales textiles se forman, por ejemplo, mediante tejido, tricotado, ganchillo, anudado, punzonado o prensado de fibras (fieltro).
Filamento - un hilo compuesto por una única estructura continua fabricada normalmente de materiales sintéticos artificiales (incluyendo los materiales a base de celulosa) y naturales, tales como viscosa, seda, poliamida (por ejemplo, nailon), poli(tereftalato de etileno) (PET), polipropileno (PP), poli(tereftalato de butileno) (PBT), etc. Cuando se utiliza aparece en multifilamentos formados por un haz de filamentos.
Producto/capa de infusión - un material textil o material no tejido provisto de canales para facilitar el flujo de resina en el plano del producto. Se utiliza colocándolo entre capas de refuerzo para introducir resina en toda el área del refuerzo de modo que la resina pueda ser fácilmente absorbida por las capas de refuerzo vecinas.
Material laminado - un material que puede construirse impregnando una o más capas de refuerzo utilizando una mezcla adecuada de resina y endurecedor y dejar que se endurezca por reacción química o descenso de la temperatura. El material laminado es una estructura reforzada con fibras hecha de una matriz reforzada con fibras finas de, por ejemplo, vidrio, carbono, aramida, etc. La matriz puede ser un material epoxídico, un plástico termoendurecible (más a menudo material epoxídico, poliéster o viniléster) o un termoplástico. Los usos finales comunes de los refuerzos de fibra de vidrio incluyen embarcaciones, piezas de automóviles, palas de turbinas eólicas, etc.
Matriz - material que une los refuerzos entre sí para formar un material compuesto. Los materiales compuestos utilizan polímeros especialmente formulados, como resina epoxídica termoendurecible, resina de poliéster insaturado o viniléster, y resinas de fenol-formaldehído o una resina termoplástica (véase “Polymer”), sólo por mencionar algunos ejemplos.
Monofilamento - Un hilo compuesto de un único filamento continuo normalmente fabricado de material sintético, tal como poliamida (por ejemplo, nailon), poli(tereftalato de etileno) (PET), polipropileno, poli(tereftalato de butileno) (PBT), etc. Específicamente significa en esta descripción un hilo que funciona solo, es decir, como una estructura unitaria, a diferencia de un único filamento, que, cuando se junta en un haz de filamentos, forma un hilo multifilamento.
Multifilamento - Un hilo o una hiladura compuesto por una multitud de filamentos continuos normalmente fabricados de material sintético, tal como poliamida (nailon), poli(tereftalato de etileno), polipropileno, poli(tereftalato de butileno), etc. Especialmente, en relación con la presente invención, debe hacerse una distinción entre multifilamentos comprimibles sueltos formados por filamentos independientes y multifilamentos unidos donde los filamentos están unidos entre sí para hacer que el multifilamento unido se comporte como un monofilamento.
Polímero -Generalmente incluye, por ejemplo, homopolímeros, copolímeros, tales como, por ejemplo, copolímeros de bloque, de injerto, al azar y alternantes, terpolímeros, etc., y mezclas y modificaciones de los mismos. Además, a menos que se limite específicamente de otro modo, el término “polímero” incluye todas las configuraciones geométricas posibles del material. Estas configuraciones incluyen, por ejemplo, simetrías isotácticas, sindiotácticas y al azar.
Refuerzo: una banda que comprende fibras de refuerzo, estando las fibras ancladas entre sí mediante medios apropiados. A menudo se fabrican como bandas continuas. Hay varias formas de fabricar el refuerzo en orientaciones unidireccionales, multiaxiales o al azar, por ejemplo, a través de las técnicas de procesamiento textil de tejido, tricotado, trenzado y cosido o mediante la unión con un aglutinante apropiado.
Fibras de refuerzo - fibras utilizadas junto con una matriz en la fabricación de materiales compuestos. Las fibras son habitualmente fibras sintéticas como de vidrio (incluyendo todas sus variantes), de carbono (con todas sus variantes) o de aramida, que pueden utilizarse tanto como filamentos continuos como fibras discontinuas. También se ha utilizado una amplia gama de fibras naturales como el sisal, el lino, el yute, el coco, el kenaf, el cáñamo o el basalto, sólo por nombrar algunos.
Moldeo por transferencia de resina (RTM) - Un procedimiento que presenta dos superficies de molde por el que una resina se bombea normalmente a bajas viscosidades y bajas o altas presiones al interior de un conjunto de matriz de molde cerrado que contiene a menudo una preforma de refuerzo seco, es decir, para infundir resina en el preforma y para hacer una pieza de material compuesto reforzada con fibras.
Mecha - un haz largo y estrecho sin retorcer de fibras o filamentos continuos, particularmente fibras de vidrio. En esta solicitud, sinónimo de estopa, por lo que la selección de fibras no sólo contiene fibras de vidrio, sino también fibras de carbono, basalto y aramida, más generalmente fibras continuas sintéticas.
Grupo de mechas o grupo de estopas - una o más estopas o mechas que están estrechamente espaciadas.
Hilo de cosido - Un hilo formado por, por ejemplo, 24 o 48 filamentos individuales fabricados de poliéster texturizado. El hilo de cosido utilizado normalmente en la fabricación de refuerzos unidireccionales presenta normalmente una densidad de masa lineal de 76 o 110 dtex. El diámetro de un filamento individual es normalmente de 5-10 |jm.
Número de tex - una unidad de medida del SI para la densidad de masa lineal de los hilos y se define como la masa en gramos por 1000 metros. Es más probable que tex se utilice en Canadá y Europa continental, mientras que el denier sigue siendo más común en los Estados Unidos y el Reino Unido. El código de la unidad es “tex”. La unidad más utilizada en relación con las fibras sintéticas artificiales es en realidad el decitex, abreviado dtex, que es la masa en gramos por 10.000 metros.
Textil - definición general de diversos tipos de artículos, incluyendo láminas, bandas, materiales textiles y esteras que presentan una o más capas, estando formadas las capas por hiladuras unidireccionales o multidireccionales.
Termoplástico - Un polímero que es fusible, que se ablanda cuando se expone al calor y regresa generalmente a su estado no ablandado cuando se enfría a temperatura ambiente. Los materiales termoplásticos incluyen, por ejemplo, poli(cloruros de vinilo), algunos poliésteres, poliamidas, polifluorocarbonos, poliolefinas, algunos poliuretanos, poliestirenos, poli(alcohol vinílico), caprolactamas, copolímeros de etileno y por lo menos un monómero vinílico (por ejemplo, poli(etilenvinilacetatos), ésteres de celulosa y resinas acrílicas.
Termoendurecible - Un material polimérico que cura irreversiblemente. El curado puede realizarse a través de calor (generalmente por encima de los 200 grados Celsius), a través de una reacción química (material epoxídico de dos partes, por ejemplo) o mediante irradiación, tal como el procesamiento por haz de electrones.
Hiladura - Haz retorcido de filamentos o fibras unitarios, hilo.
Estopa - En la industria de los materiales compuestos, una estopa es un haz no retorcido de filamentos continuos, y se refiere a fibras sintéticas, particularmente fibras de carbono (también denominado grafito). Las estopas se designan por el número de fibras que contienen, por ejemplo, una estopa de 12K contienen aproximadamente 12.000 fibras. En este caso es sinónimo de mecha.
Estabilidad de manipulación transversal - una fuerza que impide que un refuerzo unidireccional se deforme o se rompa en pedazos. Necesario cuando se coloca un refuerzo en un molde encima de otro refuerzo y se mueve el refuerzo en una dirección transversal a su dirección longitudinal.
Dirección transversal - Cualquier dirección que no es paralela a la dirección de referencia, que se desvía prefentemente por lo menos 5 grados, más prefentemente por lo menos 10 grados, lo más prefentemente por lo menos 15 grados de la dirección de referencia.
Refuerzo unidireccional (UD) - Refuerzo en el que todas las mechas o estopas discurren en la misma dirección, en este caso particular en dirección longitudinal, pero un refuerzo UD también puede ser transversal, es decir, orientado en una dirección de 90 °. En los refuerzos UD de la técnica anterior estas mechas están a menudo unidas por medio de cosido y, normalmente, utilizan alguna capa ligera adicional de hilos de base cortados o hilos multifilamento continuos para mantener las mechas unidas e impedir que se rompan, o por medio de tejido donde los hilos de trama dan estabilidad estructural. El hilo de urdimbre también puede recubrirse mediante fusión en caliente. Otra manera de unir las mechas o estopas entre sí es la utilización de un aglutinante, por ejemplo, un aglutinante termoplástico o termoendurecible. También en ese caso pueden utilizarse las capas de estabilización adicionales mencionadas anteriormente.
Infusión por vacío - Un procedimiento que utiliza un molde de un solo lado que da forma al producto final. En el lado inferior hay un molde rígido y en el lado superior una membrana flexible o bolsa de vacío. Cuando se aplica vacío/succión a la cavidad del molde, el aire escapa de la cavidad, después de lo cual se permite que la resina sea infundida por la succión (o adicionalmente asistida por una pequeña sobrepresión en el lado de alimentación, un rasgo distintivo del RTM ligero) para empapar por completo los refuerzos y eliminar todos los vacíos de aire en la estructura laminada.
Distancia de empapado - La posición del frente de flujo o, en realidad, la distancia medida desde el lugar donde la resina entró en la pila de refuerzo hasta la posición actual.
Hilo - Un multifilamento largo y continuo, a menudo retorcido, adecuado para su utilización en la producción de textiles, costura, ganchillo, tricotado, tejido, cosido, bordado y fabricación de cuerdas. Los hilos pueden fabricarse de fibras naturales o sintéticas continuas o discontinuas.
Dirección Z - La dirección perpendicular al plano de la capa o la pila de capas, es decir, la dirección del grosor.
Breve sumario de la invención
Un objetivo de la presente invención es ofrecer una solución a por lo menos uno de los problemas comentados anteriormente.
Otro objetivo de la presente invención es desarrollar un refuerzo multiaxial cosido novedoso que presenta una excelente permeabilidad a la resina en más de una dirección transversal a las orientaciones de los filamentos de refuerzo.
Un objetivo adicional de la presente invención es desarrollar un refuerzo multiaxial cosido novedoso en el que puede controlarse el flujo de resina en direcciones diferentes.
Un objetivo aún adicional de la presente invención es acelerar la producción de refuerzos multiaxiales mediante la capacidad de producir un refuerzo multiaxial en una única etapa de producción.
Un objetivo todavía adicional de la presente invención es desarrollar un producto de infusión novedoso cuya capacidad de flujo de resina y peso en gramos pueden elegirse libremente, es decir, independientemente uno del otro.
La permeabilidad a la resina requerida del refuerzo y la retirada de gas requerida del refuerzo de la presente invención se aseguran según una forma de realización preferida de la presente invención utilizando por lo menos dos conjuntos de hilos multifilamento retorcidos dispuestos, en una alternativa preferida de la presente invención, entre capas de refuerzo de por sí unidireccionales y orientadas de manera transversal entre sí para formar pasos de flujo para resina para disponer una zona de flujo libre en más de una dirección transversal a la dirección de las mechas de refuerzo tanto para que escape el aire del refuerzo como para que la resina impregne o empape el producto de manera eficaz.
La invención se define mediante la reivindicación 1.
Se resuelve por lo menos uno de los problemas de la técnica anterior y se consigue por lo menos uno de los objetivos por medio de un refuerzo multiaxial cosido para la fabricación de materiales compuestos reforzados con fibras mediante uno de procedimiento de moldeo por transferencia de resina y procedimiento de moldeo por infusión por vacío, comprendiendo el refuerzo multiaxial cosido por lo menos una primera capa de refuerzo de mechas unidireccionales continuas con una primera dirección axial, una segunda capa de refuerzo de mechas unidireccionales continuas con una segunda dirección axial y un primer conjunto de multifilamentos altamente retorcidos formado por un haz de filamentos unidos entre sí retorciendo los filamentos por lo menos 100 vueltas por metro o recubriendo con un encolado; dejando la primera dirección axial y la segunda dirección axial un ángulo entre las mismas; en el que el primer conjunto de multifilamentos unidos está formado por hilos multifilamento altamente retorcidos posicionados sobre la primera capa de refuerzo en un ángulo diferente de la primera dirección axial, un segundo conjunto de hilos multifilamento altamente retorcidos que está dispuesto entre la primera y la segunda capa de refuerzo (20, 32) en una segunda dirección transversal a una primera dirección del primer conjunto (26) de hilos multifilamento altamente retorcidos, los hilos multifilamento altamente retorcidos son hilos no de refuerzo que presentan un módulo de menos de 10 GPa, y la primera y la segunda capa de refuerzo y los hilos multifilamento altamente retorcidos del primer conjunto y el segundo conjunto están unidos entre sí por medio de cosido para formar un refuerzo cosido, por lo que los hilos multifilamento altamente retorcidos forman pasos de flujo de resina en los lados de los mismos.
Otros rasgos distintivos del refuerzo multiaxial cosido de la presente invención se dan a conocer en las reivindicaciones de la patente adjuntas.
Con la presente invención puede alcanzarse por lo menos algunas de las siguientes ventajas
- la permeabilidad de los refuerzos multiaxiales cosidos se mejora hasta un nivel tal que facilita un buen flujo de resina,
- la utilización de hilos multifilamento retorcidos en productos de infusión asegura que la capacidad de flujo de resina y el peso en gramos pueden elegirse libremente, independientemente uno del otro, para todas las aplicaciones,
- la distancia que avanza la resina en la dirección transversal en un determinado periodo de tiempo aumenta considerablemente en los experimentos realizados hasta por lo menos 2 veces,
- el tiempo necesario para la impregnación se reduce considerablemente en los experimentos realizados hasta por lo menos un cuarto del tiempo necesario con los refuerzos de la técnica anterior,
- los pasos de flujo de resina en dos direcciones diferentes aseguran que la resina alcance todas las partes del refuerzo incluso aunque pueda bloquearse por algún motivo un canal en la dirección primaria de flujo de resina,
- un refuerzo más uniforme debido a una distribución de resina más uniforme en todo el refuerzo,
- la utilización de hilos multifilamento altamente retorcidos asegura la sujeción de los multifilamentos a la resina, ya que el área específica de la superficie de los hilos retorcidos es, al presentar una clase de superficie con hiladura, mucho más grande que la de un monofilamento para la unión de la resina, y - las propiedades de flujo de resina en direcciones diferentes pueden ajustarse variando por lo menos uno de la dirección y el diámetro de los hilos multifilamento retorcidos.
Breve descripción de los dibujos
A continuación, el refuerzo multiaxial cosido de la presente invención y el método de su producción se comentan con más detalle con referencia a las figuras adjuntas, en las que
las figuras 1a y 1b ilustran esquemáticamente una comparación entre los comportamientos de un hilo multifilamento altamente retorcido de la presente invención y un multifilamento de la técnica anterior bajo compresión entre dos capas de refuerzo de mechas,
la figura 2 ilustra esquemáticamente el procedimiento de producción del refuerzo multiaxial cosido según una forma de realización preferida de la presente invención,
las figuras 3a a 3c ilustran esquemáticamente unas secciones transversales del refuerzo biaxial fabricado de la manera comentada en la figura 2, y
la figura 4 compara un refuerzo cosido de la técnica anterior con dos refuerzos cosidos de la presente invención en vista de la distancia de flujo de resina en la dirección transversal.
Descripción detallada de los dibujos
Las figuras 1a y 1b ilustran esquemáticamente la comparación en sección transversal entre los comportamientos de un hilo multifilamento retorcido de la presente invención y un hilo multifilamento de la técnica anterior (como el utilizado en el documento US-A-2005/0037678) bajo compresión del procedimiento de infusión por vacío entre dos capas de refuerzo de mechas. La figura 1a ilustra una sección transversal de dos capas de refuerzo solapantes 2 y 4 fabricadas de haces de mechas unidireccionales cosidas por medio de cosido transversal (no mostrado) entre sí como un refuerzo que presenta un hilo multifilamento retorcido 6 dispuesto en ángulos rectos con respecto a las mechas UD entre las capas 2 y 4 del mismo. La figura 1b muestra las mismas capas de refuerzo 2 y 4 fabricadas de haces de mechas unidireccionales cosidas por medio de cosido transversal entre sí como un refuerzo que presenta un hilo multifilamento 8 dispuesto en ángulos rectos con respecto a las mechas entre las capas 2 y 4 del mismo. La figura 1a muestra cómo el hilo multifilamento retorcido todavía separa o mantiene aparte las mechas de los refuerzos 2 y 4 de modo que se forman pasos de flujo 10 abiertos entre los refuerzos 2 y 4 en los lados del hilo multifilamento retorcido 6. La figura 1b muestra las mechas de los refuerzos 2 y 4 separados de igual manera que en la figura 1a, es decir, el grosor de los dos refuerzos con el hilo multifilamento retorcido 6 transversal y el multifilamento 8 es igual. Sin embargo, puede observarse que el hilo multifilamento 8 necesario para separar o mantener aparte las mechas es de un tamaño y área de sección transversal totalmente diferentes. Se ha transformado en una forma ovalada o plana bajo compresión de modo que, en la práctica, no hay pasos de flujo 12 reales en los lados del hilo multifilamento 8.
El motivo es que los hilos multifilamento están fabricados de decenas, centenas o incluso miles de filamentos individuales. Cuando el hilo multifilamento de la figura 1b se somete a presión de compresión, es decir, en la etapa de infusión por vacío, en el molde, los filamentos de los hilos multifilamento se ven obligados a desplazarse lateralmente de modo que la dimensión en la dirección Z del hilo multifilamento sea una fracción de la de un hilo multifilamento retorcido.
Un entendimiento común era que los hilos con alta torsión, del orden de 100 TPM o 150 TPM (TPM = vueltas por metro) o más, podrían ser eficaces para resistir el efecto compresivo del vacío. Un entendimiento igualmente aceptado fue que tales hilos altamente retorcidos no pueden utilizarse en la industria de los materiales compuestos debido a su efecto negativo sobre las propiedades mecánicas del material compuesto. Además, se creía que los hilos multifilamento altamente retorcidos eran de carácter rígido lo que conduce a rizos en las mechas UD de refuerzo. Por tanto, cuando se consideran incluso hilos retorcidos, su torsión se mantiene normalmente de manera relativa baja, es decir, del orden de 20 - 40 TPM.
Por consiguiente, la utilización de multifilamentos retorcidos no se consideraba en absoluto recomendable ya que el multifilamento que presenta una baja torsión es capaz de aplastarse y perder de ese modo su capacidad de formar pasos de flujo para la resina. La única manera de dotar al refuerzo de los pasos requeridos para la resina sería aumentar el tamaño del multifilamento, lo que inevitablemente conduce a un aumento en el peso del multifilamento. El aumento en el peso, por un lado, aumenta los costes del multifilamento y, por otro lado, aumenta el material que no participa en la tarea básica del refuerzo, es decir, la capacidad de soporte de carga del material compuesto.
Para resolver los problemas mencionados anteriormente, se tiene en cuenta la utilización de un multifilamento altamente retorcido. Por lo que el término “multifilamentos unidos” ya utilizado anteriormente se refiere en esta invención a un multifilamento, que está formado por un haz de filamentos unidos entre sí retorciendo los filamentos por lo menos 100 vueltas por metro, prefentemente más de 150 TPM y más prefentemente más de 200 TPM. Denominándose entonces el “multifilamento unido” hilo multifilamento altamente retorcido. La utilización de un hilo multifilamento altamente retorcido de este tipo reduce el peso del material añadido, ya que la sección transversal de un hilo altamente retorcido es sustancialmente redonda.
Cuando se utilizan tales hilos multifilamento altamente retorcidos, el diámetro, o realmente, la dimensión en la dirección Z, de los hilos multifilamento altamente retorcidos es del orden de 50 - 2000 μm, prefentemente de 100 -1000 μm, más prefentemente entre 150 - 900 μm, 200 - 800 μm. Otros intervalos preferidos son 500 - 1000 μm, 500 - 900 μm y 500 - 800 μm.
Por tanto, para asegurar que los pasos de flujo formados por los hilos multifilamento altamente retorcidos son tan eficaces como sea posible en relación con la cantidad de materia extraña introducida en el refuerzo por los hilos multifilamento altamente retorcidos, los hilos multifilamento altamente retorcidos deben ser tan compactos como sea posible, lo que significa que su relación de aspecto (relación anchura/altura) debe ser igual o de menos de 2.0, prefentemente menos de 1.5, lo más prefentemente tan cercana a 1.0 como sea posible, cuando los hilos multifilamento altamente retorcidos se someten a vacío, es decir, compresión en la etapa de empapado o impregnación. Una relación de aspecto 2 significa, por ejemplo, dos hilos multifilamento altamente retorcidos dispuestos uno al lado del otro.
Los hilos multifilamento altamente retorcidos están fabricados de materiales tales como filamentos de poliéster (por ejemplo, PET o PBT), poliamida (PA), co-poliamida o copoliéster (co-PET), en general polímeros sintéticos o naturales que presentan un módulo de menos de 10 GPa de modo que el módulo está suficientemente cerca del de la resina, por lo que pueden evitarse los riesgos de concentraciones de tensión y fisuras por tensión de fatiga. El módulo de la resina es normalmente del orden de 3 - 3.5 GPa. Los filamentos de los hilos multifilamento altamente retorcidos están recubiertos prefentemente, pero no necesariamente, con un encolado, lo que mejora las uniones tanto de los filamentos entre sí como de los hilos multifilamento altamente retorcidos con la resina de la matriz. En la siguiente tabla se proporcionan los módulos de diversos materiales que aparecen en materiales compuestos reforzados con fibras.
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La tabla muestra las enormes diferencias en, por ejemplo, los módulos, la densidad y el alargamiento de, por un lado, las fibras no de refuerzo (poliéster) y la resina y, por otro lado, las fibras de refuerzo.
En cuanto al tamaño de los hilos multifilamento altamente retorcidos, así como su posicionamiento sobre las capas de refuerzo, es decir, su distancia lateral entre sí, todas estas características (entre otras) tienen que considerarse cuidadosamente en vista de una impregnación y un empapado apropiados de la pila de refuerzos con resina. Los pasos de flujo de resina formados en los lados de los hilos multifilamento altamente retorcidos no deben ser demasiado abiertos para proporcionar a la resina suficiente tiempo para impregnarse en las mechas y no fluir directamente desde el lado de la pila de refuerzo donde se introduce la resina hasta el lado opuesto de la pila de refuerzos. Naturalmente, cuanto más corta sea la distancia entre hilos multifilamento altamente retorcidos adyacentes, más abiertos, es decir mayor sección transversal, pueden ser los pasos de flujo transversales en los lados de los hilos multifilamento altamente retorcidos, y viceversa. Otra cosa que debe tenerse en cuenta es el grosor o peso en gramos de la capa de refuerzo. Cuanto más gruesa sea la capa de refuerzo, más tiempo se necesita para empapar de manera apropiada la capa de refuerzo con resina. Con la presente invención es posible ajustar la permeabilidad del refuerzo para asegurarse de que las fibras de refuerzo individuales estarán bien impregnadas y no se dejan zonas secas o huecos entre las fibras.
Una propiedad ideal para el material polimérico para los hilos multifilamento altamente retorcidos es que el material no retarde el curado o no tenga ningún efecto negativo de otra manera sobres las propiedades químicas, térmicas o mecánicas de la resina, que forma la matriz. En los experimentos realizados se han utilizado hilos multifilamento altamente retorcidos de poli(tereftalato de etileno) (PET), poli(tereftalato de butileno) (PBT), poliamida (PA), copoliamida o co-PET, u otros materiales no de refuerzo. Por tanto, también pueden utilizarse también otros materiales que funcionan de la manera deseada y presentan un módulo suficientemente bajo.
Otra propiedad opcional preferida para el material polimérico para los hilos multifilamento altamente retorcidos es que el material sea, por lo menos parcialmente, soluble en la resina. Sin embargo, la solubilidad debe ser débil o lenta para que el refuerzo tenga tiempo de impregnarse por la resina antes de que los hilos multifilamento altamente retorcidos “desaparezcan” o “colapsen”. Sin embargo, la ventaja de los hilos multifilamento altamente retorcidos por lo menos parcialmente solubles es que los canales formados por los hilos multifilamento altamente retorcidos se desvanecen/desaparecen, y el producto, así como la matriz, se vuelve incluso más homogéneo que cuando se utilizan hilos multifilamento altamente retorcidos no solubles.
La figura 2 ilustra esquemáticamente el procedimiento de producción del refuerzo multiaxial cosido según una forma de realización preferida de la presente invención. La fabricación de un refuerzo multiaxial cosido se desarrolla de la siguiente manera. Para empezar, una primera capa de refuerzo 20 de mechas unidireccionales 20' (prefentemente, pero no necesariamente de mechas o estopas de fibra de vidrio o fibra de carbono o fibras de aramida así como lino, cáñamo, yute, sisal, coco, kenaf, basalto u otras fibras naturales fibras) se forma tirando de las mechas 20' de los paquetes 22 y disponiéndolas una al lado de la otra o a una distancia controlada entre sí dependiendo del peso por unidad de superficie objetivo en una primera dirección axial, en este caso 45 (opcionalmente también, por ejemplo, 0 o 60) grados. A partir de ahora la palabra “mechas” se utiliza para referirse a todos las estopas, mechas, fibras, etc. que se utilizan en la fabricación de refuerzos unidireccionales. Por tanto, las mechas se disponen una al lado de la otra en una o más capas de refuerzo de mechas.
A continuación, sobre la primera capa de refuerzo 20 se coloca desde los medios de alimentación 24 un primer conjunto 26 de hilos multifilamento altamente retorcidos que discurren en la dirección de la máquina, es decir, en una dirección de desplazamiento del refuerzo que va a producirse, o por lo menos en una dirección transversal a las mechas 20' de la primera capa de refuerzo 20. A continuación, se coloca un segundo conjunto 28 de mono o multifilamentos desde los medios de alimentación 30 sobre la primera capa de refuerzo 20 y sobre el primer conjunto 26 de hilos multifilamento altamente retorcidos, prefentemente, pero no necesariamente, de manera transversal a la primera dirección axial de la primera capa de refuerzo 20. Naturalmente, puede elegirse libremente el orden en el que se colocan el primer y el segundo conjunto de hilos multifilamento altamente retorcidos sobre la primera capa de refuerzo 20. Después de eso se forma una segunda capa de refuerzo 32 de mechas unidireccionales 32' tirando de ellas desde los paquetes 34 y disponiéndolas una al lado de la otra o en una distancia controlada entre sí dependiendo del peso por unidad de superficie objetivo en una segunda dirección axial, en este caso -45 (opcionalmente también, por ejemplo 90 o -60) grados. Por tanto, los hilos multifilamento altamente retorcidos de ambos conjuntos 24 y 26 se quedan entre las dos capas de refuerzo 20 y 28, por lo que los hilos multifilamento altamente retorcidos del primer y el segundo conjunto están en contacto directo entre sí. Los hilos multifilamento altamente retorcidos de la presente invención presentan un diámetro de 50 - 2000 μm, prefentemente de 100 - 1000 μm, y más prefentemente 150 - 900 μm, 200 - 800 μm. Otros intervalos preferidos son 500 - 1000 μm, 500 - 900 μm y 500 - 800 μm. El diámetro, o el grosor en la dirección Z, es ideal en el caso de que la viscosidad de la mezcla de resina infusionada - agente de curado está en el nivel de 200 - 350 mPas a temperatura ambiente. Si la viscosidad difiere claramente de ésta, puede ser necesario ajustar la distancia entre los hilos multifilamento altamente retorcidos o el diámetro/grosor en la dirección Z de los mismos. En este caso la expresión “transversal” significa principalmente cualquier dirección no paralela. Sin embargo, cuando es necesario cierto margen de seguridad la expresión “transversal”, por ejemplo, con respecto a la dirección de hilos multifilamento altamente retorcidos, significa cualquier dirección tal que se desvía por lo menos 5, 10 o 15 grados desde la dirección de la primera y la segunda direcciones axiales de las mechas de refuerzo de la primera y la segunda capa de refuerzo. El fin de la desviación es impedir que los hilos multifilamento altamente retorcidos se orienten localmente entre las mechas por lo que se perdería el objetivo de facilitar el flujo de resina o por lo menos se vería seriamente comprometido. El mismo desplazamiento angular también se aplica a las direcciones del primer y el segundo conjunto de hilos multifilamento altamente retorcidos, es decir, deben, prefentemente, pero no necesariamente, formar también un ángulo de por lo menos 5, 10 o 15 grados.
Sin embargo, como segunda forma de realización complementaria de la presente invención, debe entenderse que los conjuntos de hilos multifilamento altamente retorcidos pueden estar dispuestos de modo que el primer conjunto de hilos multifilamento altamente retorcidos presenten una orientación de filamentos transversal a la primera dirección axial de la primera capa de refuerzo, pero paralela a la segunda dirección axial de la segunda capa de refuerzo. De una manera correspondiente, el segundo conjunto de hilos multifilamento altamente retorcidos puede presentar una orientación de filamentos en paralelo con la primera dirección axial de la primera capa de refuerzo, pero transversal a la segunda dirección axial de la segunda capa de refuerzo. En este caso, la idea es, naturalmente, que los hilos multifilamento altamente retorcidos del primer conjunto de hilos multifilamento altamente retorcidos, debido a su rigidez, no sean capaces de doblarse en la zona abierta entre dos hilos multifilamento altamente retorcidos adyacentes del segundo conjunto de hilos multifilamento altamente retorcidos para alcanzar la superficie de la segunda capa de refuerzo y bloqueando de ese modo el flujo de resina entre el mono o multifilamento y la capa de refuerzo y viceversa. Naturalmente, cuanto más corta sea la distancia entre los hilos multifilamento altamente retorcidos vecinos de un conjunto, menos rigidez se requiere de los hilos multifilamento altamente retorcidos del otro conjunto. Por tanto, para optimizar las propiedades de flujo de resina de los hilos multifilamento altamente retorcidos, deben tenerse en cuenta el diámetro y la rigidez de los mismos, así como la distancia entre los hilos multifilamento altamente retorcidos vecinos y debe seleccionarse la mejor combinación de aquellos que cumplan mejor los requisitos de cada aplicación particular.
Los hilos multifilamento altamente retorcidos del segundo conjunto 28, y también aquellos del primer conjunto 26, si la dirección del primer conjunto 26 no es paralela a la dirección de desplazamiento del refuerzo que va a producirse, pueden estar dispuestos sobre la primera capa de refuerzo 20 utilizando un sistema de transporte de hilos bien conocido de máquinas de producción multiaxiales, es decir, por medio de una herramienta que se desplace transversalmente hacia delante y hacia atrás encima de la primera capa de refuerzo colocando un determinado número de hilos multifilamento altamente retorcidos sobre la primera capa de refuerzo a la vez. La colocación puede facilitarse, por ejemplo, con un manipulador de movimiento servolineal con una disposición de alimentación de hilos multifilamento altamente retorcidos.
Una característica ventajosa de la presente invención es que ambos conjuntos de hilos multifilamento altamente retorcidos se colocan sobre la primera capa de refuerzo 20 cada uno en formación recta y paralela, es decir, los hilos multifilamento altamente retorcidos del primer conjunto 26 discurren lineal y uniformemente en la dirección deseada, de manera preferible principalmente en la dirección del desplazamiento del refuerzo 38 que van a producirse, y el segundo conjunto 28 de hilos multifilamento altamente retorcidos discurre lineal y uniformemente desde un borde de la capa de refuerzo 20 hasta el borde opuesto del mismo, dicho de otro modo, los hilos multifilamento altamente retorcidos, por ejemplo, no forman bucles hallados normalmente en patrones de tricotado. Una formación esencialmente recta, es decir, lineal y plana de hilos multifilamento altamente retorcidos a través de las mechas unidireccionales de refuerzo asegura un tiempo de flujo de resina más corto entre los bordes del refuerzo ya que una línea recta es el camino más corto entre dos puntos. Independientemente de la ubicación y dirección reales de los hilos multifilamento altamente retorcidos de los dos conjuntos, están dispuestos en intervalos regulares, es decir, a una distancia lateral o separación entre sí de aproximadamente 2 a 50 mm, prefentemente 5-25 mm, más prefentemente a aproximadamente 5-15 mm. La distancia exacta debe optimizarse según la viscosidad de la resina y el peso en gramos de la capa de refuerzo, sólo por nombrar algunas variables.
Sin embargo, debe entenderse que la discusión anterior se refiere al método más simple de fabricación de un refuerzo multiaxial, en este caso biaxial. Básicamente, el mismo método puede aplicarse en la fabricación de refuerzos que presentan varias capas de refuerzo de por sí unidireccionales. Si va a fabricarse un refuerzo multiaxial que tenga más de dos capas de refuerzo, se necesitarán tantos medios adicionales para formar nuevas capas de refuerzo como sean necesarios. Además, como es preferible, pero no siempre necesario, que ambos conjuntos transversales de mono o multifilamentos se coloquen entre cada par de capas de refuerzo, cada capa de refuerzo adicional requiere medios de alimentación para ambos conjuntos de hilos multifilamento altamente retorcidos. Además, cuando se coloquen hilos multifilamento altamente retorcidos, debe recordarse que estos no deben ser ni paralelos ni casi paralelos a las mechas de refuerzo de la capa de refuerzo más cercana, es decir, la capa de refuerzo sobre la que descansan, sino, prefentemente, pero no necesariamente, debe disponerse entre los mismos una inclinación de por lo menos 5, 10 o 15 grados. Sin embargo, los hilos multifilamento altamente retorcidos pueden ser paralelos a las mechas de refuerzo de la capa de refuerzo más alejada.
Como una tercera forma de realización complementaria de la presente invención, que proporciona por lo menos una gran ventaja, una estructura de refuerzo que contienen los dos conjuntos de hilos multifilamento altamente retorcidos y posiblemente algunas otras características comentadas en relación con la presente invención, comprende adicionalmente los conjuntos de hilos multifilamento altamente retorcidos que presentan diámetros diferentes. Los diámetros diferentes ayudan a controlar el flujo de resina entre las capas de refuerzo. Si, por ejemplo, se asume que el diámetro del primer conjunto de hilos multifilamento altamente retorcidos es de 300 μm y el del segundo conjunto de hilos multifilamento altamente retorcidos es de 600 μm, los experimentos realizados muestran que la resina avanza más rápido en la dirección de los hilos multifilamento altamente retorcidos más gruesos o avanza una distancia determinada más rápido. Cuando se utilizan tales hilos multifilamento altamente retorcidos, el diámetro, o realmente la dimensión en la dirección Z, de los hilos multifilamento altamente retorcidos del conjunto de hilos multifilamento altamente retorcidos que presentan un diámetro más pequeño puede variar entre 50 y 1000 μm, prefentemente entre 150 y 900 μm, más prefentemente entre 200 y 700 μm. Esta característica puede utilizarse cuando el refuerzo que va a producirse presenta una forma compleja y de área amplia. La estructura detallada del refuerzo de la tercera forma de realización se comenta con más detalles en relación con las figuras 3b y 3c.
Debe entenderse como una cuarta forma de realización complementaria de la presente invención que los hilos multifilamento altamente retorcidos pueden colocarse encima y/o en superficie(s) inferior(es) del refuerzo también, es decir, los hilos multifilamento altamente retorcidos pueden hallarse no sólo entre las capas de refuerzo. En este caso, se aplican también las mismas reglas para colocar los hilos multifilamento altamente retorcidos en las superficies superiores e inferiores de los refuerzos que para colocarlos entre las capas de refuerzo, es decir, la orientación de los hilos multifilamento altamente retorcidos pueden no ser igual que la de las mechas de la capa de refuerzo que quedan entre los conjuntos de hilos multifilamento altamente retorcidos.
Según una quinta forma de realización complementaria de la presente invención, un refuerzo biaxial puede presentar hilos multifilamento altamente retorcidos en la dirección de 0 grados en el fondo, una capa de refuerzo en la dirección de 45 grados sobre los hilos multifilamento altamente retorcidos, luego una capa de refuerzo en la dirección de -45 grados, y finalmente otro conjunto de hilos multifilamento altamente retorcidos en una dirección de 90 grados.
Según una sexta forma de realización complementaria de la presente invención, otro refuerzo biaxial puede presentar hilos multifilamento altamente retorcidos en la dirección de 0 grados en el fondo, una capa de refuerzo en la dirección de+45 grados sobre los hilos multifilamento altamente retorcidos, luego otro conjunto de hilos multifilamento altamente retorcidos en la dirección de 90 grados, y finalmente una capa de refuerzo en la dirección de -45 grados.
Según una séptima forma de realización complementaria de la presente invención, pueden comentarse refuerzos triaxiales y cuadraxiales. Un refuerzo triaxial se produce añadiendo una tercera capa de refuerzo que presenta mechas en una tercera dirección axial o bien debajo de la primera capa de refuerzo o bien encima de la segunda capa de refuerzo cuando se compara con la producción comentada en relación con la figura 2. Un refuerzo cuadraxial se produce añadiendo una tercera capa de refuerzo que presenta mechas en una tercera dirección axial debajo de la primera capa de refuerzo y una cuarta capa de refuerzo que presenta mechas en una cuarta dirección axial encima de la segunda capa de refuerzo cuando se compara con la producción comentada en relación con la figura 2. Además, si se desea o se considera necesario, por lo menos un conjunto de hilos multifilamento altamente retorcidos puede proporcionarse entre la tercera capa de refuerzo y la capa de refuerzo adyacente más cercana, así como entre la cuarta capa de refuerzo y la capa de refuerzo adyacente más cercana. En este caso también se aplican las mismas reglas que en las formas de realización anteriores, es decir, que los hilos multifilamento altamente retorcidos de cada conjunto de hilos multifilamento altamente retorcidos dispuestos entre dos capas de refuerzo pueden no ser paralelos a las mechas de la capa de refuerzo más cercana, pero, prefentemente pero no necesariamente, debe disponerse entre los mismos una inclinación de por lo menos 5, 10 o 15 grados.
Después de colocarse un número deseado de capas de refuerzo y un número deseado de conjuntos de hilos multifilamento altamente retorcidos unos encima de otros, la pila de capas de refuerzo se lleva a una etapa de unión 36 en la que se cosen las capas de refuerzo y los conjuntos de hilos multifilamento altamente retorcidos colocados entre las mismas, las puntadas 38 mostradas mediante líneas de trazos, entre sí para formar un refuerzo unitario 40 que presenta mechas en una configuración multiaxial. Después de eso el refuerzo multiaxial 40 en enrolla en 42 para el suministro a un cliente.
Tal como se muestra esquemáticamente en la figura 1a de técnica anterior, los hilos multifilamento altamente retorcidos 6 utilizados entre las capas de refuerzo 2 y 4 para mejorar tanto la permeabilidad de la pila de refuerzos a la resina en dirección transversal como la retirada de aire de entre la pila de capas de refuerzo crean pequeños pasos de flujo 10 en ambos de sus lados y entre las mechas unidireccionales de refuerzo.
La pila de refuerzos de la presente invención tal como se muestra en las figuras 3a a 3c funciona en la etapa de infusión de modo que la resina de infusión fluirá a través de los pasos de flujo 10' de manera transversal a las mechas de refuerzo 32' y luego penetrará entre las mechas o los filamentos de refuerzo individuales y asegurará un flujo de resina rápido y una buena impregnación. Durante la infusión la resina que avanza empuja las burbujas de aire restantes a lo largo de las cámaras o las cavidades en el interior de la estructura de refuerzo hasta los pasos de flujo y finalmente fuera del producto. Tanto el avance de la resina como la retirada del aire pueden facilitarse adicionalmente presurizando la alimentación de la resina en el caso de que se utilicen moldes superiores rígidos como en el RTM o el RTM ligero (aunque rara vez se utiliza) en los primeros extremos de los pasos de flujo y/o disponiendo vacío en los extremos opuestos de los pasos de flujo. Ahora que los hilos multifilamento altamente retorcidos de los dos conjuntos están dispuestos transversalmente entre sí, los mono o multifilamentos pueden orientarse en una dirección deseada, por lo que la dirección del flujo de resina puede controlarse mejor que en los productos de la técnica anterior. Esto es especialmente así si el diámetro del primer conjunto de los hilos multifilamento altamente retorcidos es diferente del diámetro del segundo conjunto de los hilos multifilamento altamente retorcidos. Dicho de otro modo, el flujo de resina puede orientarse, por ejemplo, en la dirección de la dimensión más corta o más larga del producto que va a fabricarse dependiendo de la aplicación.
Las figuras 3a a 3c ilustran esquemáticamente, por un lado, el efecto que los hilos multifilamento altamente retorcidos dispuestos transversalmente entre sí aportan al refuerzo y, por otro lado, el efecto que aporta el diámetro variable de los hilos multifilamento altamente retorcidos. La figura 3a muestra una sección transversal del refuerzo de la presente invención tomada en la dirección axial de las mechas 32' de la segunda capa de refuerzo y la del primer conjunto 26 de hilos multifilamento altamente retorcidos, orientándose las mechas 20' de la primera capa de refuerzo y el segundo conjunto 28 de hilos multifilamento altamente retorcidos en ángulos rectos con respecto tanto a las mechas 32' de la segunda capa de refuerzo como a los hilos multifilamento altamente retorcidos del primer conjunto 26 de hilos multifilamento altamente retorcidos. Se muestra que tanto las mechas 32' de la segunda capa de refuerzo como el primer conjunto 26 de hilos multifilamento altamente retorcidos se doblan bajo compresión en la etapa de infusión. En la forma de realización de la figura 3a, los hilos multifilamento altamente retorcidos de ambos conjuntos 26 y 28 presentan el mismo diámetro. La figura 3b es similar en todos los demás aspectos, pero el primer conjunto 26' de hilos multifilamento altamente retorcidos presenta ahora un diámetro más pequeño que el del segundo conjunto 28 de hilos multifilamento altamente retorcidos. Al comparar las figuras a modo de ejemplo es fácil observar que el hilo multifilamento altamente retorcido más delgado (del primer conjunto 26') se dobla más y reduce de ese modo ligeramente el área de flujo en sección transversal de los canales de flujo de resina 10' en la dirección de los hilos multifilamento altamente retorcidos más gruesos (del segundo conjunto 28). Sin embargo, lo que es más importante es que el área de flujo en sección transversal en la dirección de los hilos multifilamento altamente retorcidos más delgados (del primer conjunto 26') se reduce más, ya que las mechas 32' dobladas de la segunda capa de refuerzo son, por lo menos, casi capaces de entrar en contacto con las 20' de la primera capa de refuerzo en el punto X. De ese modo, el flujo de resina en la dirección de los hilos multifilamento altamente retorcidos más delgados (del primer conjunto 26') está más restringido que en la dirección de los hilos multifilamento altamente retorcidos más gruesos (del segundo conjunto 28). Básicamente lo mismo se muestra en la figura 3c donde la sección transversal se toma de modo que el primer conjunto 26' más delgado de hilos multifilamento altamente retorcidos vienen desde la izquierda hacia el observador y el segundo conjunto 28 más grueso de hilos multifilamento altamente retorcidos desde la derecha hacia el observador.
La figura 4 es un diagrama que compara las propiedades de flujo de resina o empapado de seis refuerzos biaxiales fabricados según el método comentado en la figura 2 y utilizando los hilos multifilamento altamente retorcidos como medios de creación de pasos de flujo de resina en un refuerzo biaxial convencional. Dicho de otro modo, las capas de refuerzo en todos los ejemplos se formaron de dos capas de refuerzo unidireccionales en /- 45 grados que dan como resultado un refuerzo que presenta un peso por unidad de superficie de 600 g/m2. El refuerzo biaxial convencional (ejemplo A) no presentaba ninguno medio de formación de pasos de flujo en el producto. En todos los ejemplos (B a G) según la presente invención, las capas de refuerzos presentaban dos conjuntos de hilos multifilamento altamente retorcidos colocados en orientaciones de 0 y 90 grados entre los mismos. El experimento se realizó de modo que se prepararon siete refuerzos biaxiales diferentes. En la fabricación de los refuerzos se utilizaron las mismas mechas unidireccionales, el mismo hilo de cosido y la misma clase y tipo de puntada. La única diferencia estaba en los diámetros de los conjuntos de hilos multifilamento altamente retorcidos que se colocaron (en los ejemplos B a G) con un espaciado de 10 mm y se dispusieron en un ángulo de 0 y 90 grados en relación con la dirección de desplazamiento del refuerzo que va a producirse entre las dos capas de refuerzo de mechas UD. Las propiedades de los hilos multifilamento altamente retorcidos utilizados en el experimento pueden observarse en la siguiente tabla.
Figure imgf000016_0001
Para el experimento, se cortó una lámina de 80 cm por 80 cm de refuerzo biaxial de la presente invención a partir de cada refuerzo biaxial de modo que las mechas formaron ángulos de /-45 grados en los lados de la lámina y los hilos multifilamento altamente retorcidos eran paralelos a los lados de la lámina, es decir, en ángulos de 0/90 grados en los ejemplos B a G. En cada experimento, se colocó la lámina en el molde de prueba que comprende el lado inferior de la lámina de vidrio de modo que la película de plástico cubre el refuerzo. El paquete se hizo hermético con la masa de sellado habitual. Después de eso, se sometió el molde a vacío de -0.95 bar para la retirada del aire durante 10 minutos, después de lo cual se introdujo una resina epoxídica que presentaba una viscosidad de 300 mPas de manera transversal a las mechas de refuerzo en el molde a una temperatura ambiente de 23 °C. Se elaboró un gráfico registrando la distancia de empapado que ha avanzado la resina en función del tiempo.
La figura 4 ilustra la distancia de empapado que se ha desplazado la resina en función del tiempo. En el gráfico el eje X muestra el tiempo utilizado para la impregnación y el eje Y la distancia que es capaz de avanzar la resina. La posición del frente de flujo sigue normalmente la bien conocida ley de Darcy donde la posición es inversamente proporcional a la raíz cuadrada del tiempo. Por tanto, existe un determinado valor máximo, que puede ser infinitamente aproximado, pero nunca alcanzado. La diferencia de permeabilidad determina la distancia real del frente de flujo, es decir, la distancia de empapado, si se mantienen constantes otros parámetros como la viscosidad y la temperatura. El gráfico más inferior A representa un refuerzo biaxial convencional donde no había medios de formación de pasos de flujo de resina en absoluto. Hicieron falta unos 35 minutos para que la resina avanzara unos 31 cm. El gráfico B representa un refuerzo biaxial en el que el diámetro de los hilos multifilamento altamente retorcidos era de 0.25 mm, por lo que durante los mismos 35 minutos de tiempo, la resina avanzó aproximadamente 56 cm. El gráfico C representa un refuerzo biaxial en el que el diámetro de los hilos multifilamento altamente retorcidos era de 0.35 mm, por lo que la resina avanzó en 35 minutos aproximadamente 76 cm. El gráfico D representa un refuerzo biaxial en el que el diámetro de los hilos multifilamento altamente retorcidos era de 0.45 mm, por lo que la resina avanzó en los mismos 35 minutos aproximadamente 81 cm. El gráfico E representa un refuerzo biaxial en el que el diámetro de los hilos multifilamento altamente retorcidos era de 0.55 mm, por lo que, para que la resina avanzara 80 cm, hicieron falta sólo aproximadamente 20 minutos. El gráfico F representa un refuerzo biaxial en el que el diámetro de los hilos multifilamento altamente retorcidos era de 0.65 mm, por lo que, para que la resina avanzara 80 cm, hicieron falta sólo aproximadamente 14 minutos. Y el gráfico E representa un refuerzo biaxial en el que el diámetro de los hilos multifilamento altamente retorcidos era de 0.75 mm, por lo que, para que la resina avanzara 80 cm, hicieron falta sólo aproximadamente 7 minutos. Tal como puede observarse, por ejemplo, en la figura 4, duplicando aproximadamente el diámetro del hilo multifilamento altamente retorcido desde los 0.35 mm del ejemplo C hasta los diámetros de 0.65 del ejemplo F o hasta los 0.75 del ejemplo G, se reduce el tiempo de empapado desde unos 38 minutos hasta 14 o 7 minutos. Dicho de otro modo, parece que la velocidad de empapado, en la práctica, en promedio, se cuadriplica cuando el diámetro de los hilos multifilamento altamente retorcidos se reduce a la mitad. Los experimentos realizados también muestran que, si es necesaria una distancia de impregnación larga, la utilización de hilos multifilamento altamente retorcidos relativamente gruesos según la presente invención reduce el tiempo de empapado a aproximadamente una cuarta parte en comparación con los refuerzos de la técnica anterior. Cuando se compara con el ejemplo A, la distancia de empapado de 33 cm puede alcanzarse en unos 4 minutos con un diámetro de 0.55, en unos 3 minutos con un diámetro de 0.65 y en aproximadamente 2 minutos con un diámetro de 0.75 mm. Una manera adicional para aumentar la distancia de empapado en un determinado periodo de tiempo es reducir la distancia entre hilos multifilamento altamente retorcidos adyacentes a 5 mm, por ejemplo.
Los experimentos anteriores muestran claramente la enorme ventaja que aporta el nuevo diseño de presentar pasos de flujo en dos direcciones transversales o no paralelas. Y tal como se ha comentado ya anteriormente, no es sólo una cuestión de una infusión “de alta velocidad” que aumenta la velocidad de producción significativamente, sino también una cuestión de una retirada de gas muy eficaz desde la pila de refuerzos que asegura un material laminado libre de huecos sin zonas secas o semiimpregnadas, y una cuestión de un material laminado que presenta mejores propiedades de resistencia y fatiga que los materiales laminados de la técnica anterior utilizados para los mismos fines.
El refuerzo multiaxial de la presente invención puede utilizarse con todas las clases de métodos de infusión, incluyendo, pero limitarse a, métodos de infusión por vacío, de RTM ligero o de RTM. Otros casos de laminación donde la impregnación con resina es crítica o de lo contrario se retrasa por fibras dispuestas estrechamente u otros materiales presentes en la estructura laminada, tal como materiales de tipo sándwich, materiales ignífugos, cargas, pigmentos, etc., donde la viscosidad de la resina puede ser extremadamente alta, pueden mejorarse por medio del refuerzo de la presente invención.
Los refuerzos multiaxiales de la presente invención pueden utilizarse en la fabricación tanto de preformas como de productos finales, es decir, materiales laminados como por ejemplo palas de turbinas eólicas, embarcaciones, equipamiento deportivo, tanques de almacenamiento, paneles de autobuses, remolques, trenes y camiones, etc. Las preformas pueden fabricarse de por lo menos dos capas de refuerzo de por sí unidireccionales colocando las capas de refuerzo una encima de la otra de modo que las direcciones axiales de las mismas formen un ángulo (para refuerzos biaxiales prefentemente, pero no necesariamente /- 45 grados, /- 60 grados o 0/90 grados), posicionando los hilos multifilamento altamente retorcidos en por lo menos dos direcciones transversales entre las capas de refuerzo de modo que la dirección de los hilos multifilamento altamente retorcidos no es paralela a la dimensión axial de las mechas de la capa de refuerzo más cercana, mediante cosido del refuerzo multiaxial, y finalmente utilizando un aglutinante apropiado para unir el refuerzo entre sí para formar la preforma.
De una manera similar puede fabricarse un material laminado del refuerzo multiaxial de la invención o de la preforma comentada anteriormente. En el método de fabricación del material laminado, por lo menos dos refuerzos multiaxiales, o preformas, se colocan uno encima del otro en el molde, se posiciona una cubierta sobre los refuerzos multiaxiales, se cierra el molde, y se proporciona una diferencia de presión para evacuar el aire del molde y para impregnar los refuerzos multiaxiales con resina.
El refuerzo multiaxial de la presente invención también puede utilizarse en relación con la fabricación de materiales laminados de tipo sándwich. Los materiales laminados de tipo sándwich están formado por al menos una capa exterior, que está dispuesta sobre una cara de capa de grosor o de núcleo. Sin embargo, tales materiales laminados presentan normalmente dos capas exteriores dispuestas en ambas caras opuestas de una capa de núcleo o de grosor. La(s) capa(s) exterior(es) está(n) cada una formada por uno o más refuerzos multiaxiales de la presente invención dispuestos, opcionalmente, en relación con una o más de otras capas de refuerzo. Prefentemente, pero no necesariamente, el refuerzo multiaxial de la presente invención actúa como medios de infusión que introducen resina en toda el área del refuerzo que va a absorberse en las otras capas de refuerzo opcionales. Un material laminado de tipo sándwich de este tipo puede utilizarse en paneles de autobuses, camiones, remolques o embarcaciones. En dichos materiales laminados, la capa de grosor o de núcleo dispuesta en relación con una capa exterior o entre las capas exteriores pueden estar formados de por lo menos uno de espumas de PVC, de PE y madera de balsa. El refuerzo multiaxial de la presente invención también puede utilizarse en estructuras donde son necesarias más de dos capas de refuerzo, como, por ejemplo, en suelos de autobuses o remolques o fondos de embarcaciones.
Una utilización opcional adicional puede hallarse en estructuras laminadas reemplazando la utilización de mallas de la técnica anterior. Las mallas son estructuras de red abierta, que están posicionadas en uno o ambos lados (superior o inferior) de una pila de refuerzos en un molde. El fin de las mallas es permitir que la resina se introduzca rápidamente en toda la superficie del refuerzo desde donde se supone que tiene lugar la infusión de resina a lo largo de la pila de refuerzos. Sin embargo, la utilización de mallas presenta varios inconvenientes. En primer lugar, la malla tiene que retirarse del molde antes de que se deje curar la resina, lo que significa trabajo manual, por ejemplo. En segundo lugar, la malla utilizada una vez no puede volver a utilizarse ya que la resina se cura en la malla. Y, en tercer lugar, una cantidad considerable de resina se adhiere a la malla y también se desperdicia. Ahora, colocando el refuerzo biaxial de la presente invención entre las capas de otros refuerzos, trabaja como una malla, es decir, extiende la resina por todo el refuerzo como las mallas, pero no presenta ninguna de las desventajas de las mallas, ya que forma una de las capas de refuerzo que pueden permanecer en el refuerzo. La única contrapartida puede ser un peso ligeramente aumentado.
Además de las reivindicaciones adjuntas la presente invención cubre también los siguientes aspectos.
Según un aspecto de la presente invención los hilos multifilamento altamente retorcidos de cada conjunto están dispuestos en un espaciado de 2 - 50 mm entre sí.
Según otro aspecto de la presente invención los hilos multifilamento altamente retorcidos 6 presentan una relación de aspecto de menos de 2, prefentemente menos de 1.5.
Según otro aspecto de la presente invención las mechas 20', 32' de las capas de refuerzo 20, 32 son o bien fibras sintéticas o bien naturales, es decir, fibras como vidrio, carbono, aramida, basalto, cáñamo, yute, lino.
Según otro aspecto de la presente invención los hilos multifilamento altamente retorcidos están fabricados de filamentos de poliéster (por ejemplo, PET y PBT), poliamida (PA), co-poliamida o copoliéster (co-PET), en general polímeros sintéticos o naturales que presentan un módulo de menos de 10 GPa.
Según otro aspecto de la presente invención el primer y el segundo conjunto 26, 26', 28 de hilos multifilamento altamente retorcidos forman pasos de flujo 10' para la resina en los lados de los hilos multifilamento altamente retorcidos de los mismos, y facilitando de ese modo, cuando se empapa una pila de refuerzos 38 con resina, el flujo de resina en direcciones transversales a la dirección de las mechas unidireccionales 20', 32' Según otro aspecto de la presente invención los hilos no de refuerzo ¡presentan un módulo de menos de 20 GPa, prefentemente menos de 10 GPa, más prefentemente sustancialmente igual que el de la resina utilizada.
Según otro aspecto de la presente invención los multifilamentos de los hilos multifilamento altamente retorcidos se retuercen por lo menos 100 vueltas por metro, prefentemente más de 150 TPM, más prefentemente más de 200 TPM.
Resulta evidente que la invención no está limitada a los ejemplos mencionados anteriormente, sino que puede implementarse en muchas otras formas de realización diferentes dentro del alcance de la idea inventiva. También resulta evidente que las características en cada forma de realización descrita anteriormente pueden utilizarse en relación con las otras formas de realización siempre que sea factible.

Claims (14)

REIVINDICACIONES
1. Refuerzo multiaxial cosido para la fabricación de materiales compuestos reforzados con fibras mediante uno de entre un procedimiento de moldeo por transferencia de resina y un procedimiento de moldeo por infusión por vacío, comprendiendo el refuerzo (38) multiaxial cosido por lo menos
• una primera capa de refuerzo (20) de mechas unidireccionales continuas (20') con una primera dirección axial,
• una segunda capa de refuerzo (32) de mechas unidireccionales continuas (32') con una segunda dirección axial y
• un primer conjunto (26) de multifilamentos altamente retorcidos formado por un haz de filamentos unidos entre sí retorciendo los filamentos por lo menos 100 vueltas por metro o recubiertos con un encolado; • dejando la primera dirección axial y la segunda dirección axial un ángulo entre las mismas;
en el que
• el primer conjunto (26) de multifilamentos unidos está formado por unos hilos multifilamento altamente retorcidos posicionados sobre la primera capa de refuerzo (20) en un ángulo diferente de la primera dirección axial,
• un segundo conjunto (28) de hilos multifilamento altamente retorcidos está dispuesto entre la primera y la segunda capa de refuerzo (20, 32) en una segunda dirección transversal a una primera dirección del primer conjunto (26) de hilos multifilamento altamente retorcidos,
• los hilos multifilamento altamente retorcidos son hilos no de refuerzo que presentan un módulo de menos de 10 GPa, y
• la primera y la segunda capa de refuerzo (20, 32) y los hilos multifilamento altamente retorcidos del primer conjunto (26) y el segundo conjunto (28) están unidos entre sí por medio de un cosido (36) para formar un refuerzo cosido,
• en el que los hilos multifilamento altamente retorcidos forman unos pasos de flujo de resina en los lados de los mismos.
2. Refuerzo multiaxial cosido según la reivindicación 1, caracterizado por que el segundo conjunto (28) de hilos multifilamento altamente retorcidos está dispuesto entre la primera y la segunda capa de refuerzo (20, 32) en una misma dirección que el primer conjunto (26) de hilos multifilamento altamente retorcidos.
3. Refuerzo multiaxial cosido según la reivindicación 1 o 2, caracterizado por que el primer y el segundo conjunto (26, 28) de hilos multifilamento altamente retorcidos están dispuestos entre la primera y la segunda capa de refuerzo (20, 32).
4. Refuerzo multiaxial cosido según la reivindicación 1 o 2, caracterizado por que el refuerzo cosido comprende la primera y la segunda capas de refuerzo dispuestas una encima de otra y los conjuntos de hilos multifilamento altamente retorcidos sobre las superficies exteriores de las capas de refuerzo.
5. Refuerzo multiaxial cosido según la reivindicación 1 o 2, caracterizado por que el refuerzo cosido comprende, en una dirección en ángulos rectos con respecto al plano del refuerzo, un primer conjunto de hilos multifilamento altamente retorcidos, una primera capa de refuerzo, un segundo conjunto de hilos multifilamento altamente retorcidos y una segunda capa de refuerzo.
6. Refuerzo multiaxial cosido según la reivindicación 1, caracterizado por que los hilos multifilamento altamente retorcidos del primer conjunto (26) y los del segundo conjunto (28) son transversales a la dirección axial de las mechas de refuerzo que forman la capa de refuerzo (20, 32) más cercana.
7. Refuerzo multiaxial cosido según la reivindicación 1, caracterizado por que los hilos multifilamento altamente retorcidos del primer conjunto (26) y los del segundo conjunto (28) son paralelos a la dirección axial de las mechas de refuerzo que forman la capa de refuerzo (20, 32) más alejada.
8. Refuerzo multiaxial cosido según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que los hilos multifilamento altamente retorcidos del segundo conjunto (28) se extienden desde un borde del refuerzo (38) multiaxial cosido hasta el borde opuesto del mismo.
9. Refuerzo unidireccional o multiaxial cosido según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que los hilos multifilamento altamente retorcidos del primer y el segundo conjunto (26, 28) están dispuestos en un ángulo de 5 grados o más con respecto a la primera y la segunda direcciones axiales.
10. Refuerzo unidireccional o multiaxial cosido según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1, 2, 4 a 10, caracterizado por que la primera dirección y la segunda dirección están dispuestas en un ángulo de 5 grados o más entre sí.
11. Refuerzo multiaxial cosido según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que los hilos multifilamento altamente retorcidos (6) presentan un diámetro de 50 a 2000 μm, preferentemente entre 100 y 1000 μm y más preferentemente entre 150 y 900 μm.
12. Refuerzo multiaxial cosido según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que uno (26') de los conjuntos de hilos multifilamento altamente retorcidos presenta un diámetro distinto al del otro conjunto (28) de hilos multifilamento altamente retorcidos.
13. Refuerzo multiaxial cosido según la reivindicación 13, caracterizado por que uno (26') de los conjuntos de hilos multifilamento altamente retorcidos presenta un diámetro que varía entre 50 y 1000 μm, preferentemente entre 150 y 900 μm, más preferentemente entre 200 y 800 μm.
14. Refuerzo multiaxial cosido según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el refuerzo (38) multiaxial presenta una superficie superior y una superficie inferior, y un tercer conjunto de hilos multifilamento altamente retorcidos que está dispuesto sobre por lo menos una de la superficie superior y la superficie inferior del refuerzo (38) multiaxial.
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