ES2952237T3 - Aparato para fabricar compuestos de fibra termoplástica que tienen una carga de fibra de alto volumen - Google Patents

Aparato para fabricar compuestos de fibra termoplástica que tienen una carga de fibra de alto volumen Download PDF

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Abstract

Un aparato para formar un artículo termoplástico que tiene un refuerzo de fibra larga, en el que el aparato comprende (a) al menos un cuerpo de molde (20) que tiene al menos una primera sección de molde (22) configurada para definir una primera cavidad de molde (30), al menos una primera sección de molde que tiene una entrada (26) y una salida (28) y al menos una segunda sección de molde (24) que incluye dos o más superficies de ajuste (35) que se unen usando una o más segundas piezas de sección de molde (33) para definir una segunda cavidad de molde (36), teniendo la segunda sección de molde (24) una entrada (38), en donde la salida (28) de la primera sección de molde (22) está en comunicación con la entrada (38) de la segunda sección de molde (24) a través de al menos un puerto de flujo (40), y la segunda cavidad del molde (36) tiene una configuración para formar el artículo; (b) un pistón (34) configurado para poder entrar en la primera cavidad del molde (30); y (c) al menos una prensa (42) capaz de calentar y enfriar el cuerpo del molde (20) y las secciones del molde (22, 24). (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Aparato para fabricar compuestos de fibra termoplástica que tienen una carga de fibra de alto volumen Referencia cruzada a la solicitud relacionada
Antecedentes de la invención
Campo de la invención
La invención está relacionada con el campo de la formación de materiales compuestos termoplásticos/fibra, especí­ ficamente con la formación de tales materiales compuestos utilizando fibra larga en carga de fibra de alto volumen.
Descripción de la técnica relacionada
En la formación de artículos a partir de compuestos termoplásticos, normalmente, se forma una estructura preliminar tal como un pellet, preimpregnado (láminas, películas, cintas), material de varilla u otra estructura cargada de fibra, y a continuación esa estructura preliminar se somete a un proceso de formación adicional tal como moldeo por inyec­ ción, moldeo por compresión, estampado, laminado y otros similares para formar una estructura de compuesto termoplástico.
Pueden encontrarse ejemplos de la tecnología existente para formar artículos compuestos termoplásticos en la Pa­ tente US núm. 5.139.405 que muestra un proceso de estampación que utiliza estructuras laminadas apiladas preim­ pregnadas. La patente US núm. 7.081.219 describe varias técnicas de moldeo para el moldeo de materiales com­ puestos, incluyendo varias técnicas de moldeo por compresión, y enseña un aparato de moldeo por zonas con un asistente de vacío en el que varios actuadores de presión distribuyen la carga de presión a través de una sección superior del molde en la pieza a moldear. El proceso reivindica permitir que la resina fluya sobre la superficie de una pieza, con o sin el uso de un preimpregnado, y a continuación fuerza a la resina a través de la pieza en la dirección del grosor para permitir una carga de fibra de alto volumen (alrededor del 60%). La solicitud de patente US núm.
5198173 describe un proceso para preparar estructuras avanzadas de materiales compuestos. La solicitud de paten­ te US núm. 2004/224590 describe materiales compuestos termoplásticos/fibra, artículos compuestos/metálicos y procedimientos para fabricar artículos compuestos/metálicos.
En la mayoría de los casos de la técnica anterior, se encuentran dificultades cuando se intenta aplicar una elevada carga en un artículo moldeado (ya sea directamente o a partir de un preimpregnado) por medio de moldeo por in­ yección y compresión utilizando termoplásticos de ingeniería. Por lo general, los procesos de moldeo por inyección no admiten un gran volumen de carga de fibras para formar piezas compuestas uniformes. También pueden surgir dificultades a la hora de hacer fluir el material en presencia de una carga de fibras de gran volumen.
Aunque se ha intentado recubrir o forzar el paso de resina a través de preimpregnados que tienen un alto volumen de carga de fibras, tales intentos pueden dar lugar a bolsas de aire o huecos, dificultad para hacer fluir la resina a través del preimpregnado altamente cargado para conseguir una humectación adecuada, y problemas para conse­ guir un procedimiento que produzca de forma eficiente y uniforme piezas resistentes con una alta carga de fibras. En consecuencia, existe una necesidad en la técnica de un aparato para formar artículos de material compuesto termoplástico que tengan un refuerzo de fibra larga, por ejemplo, piezas compuestas termoplásticas, en las que los artículos tengan una carga de fibra de alto volumen en una matriz de resina termoplástica, de manera que se pro­ porcione artículos compuestos fuertes y uniformes formados de tales resinas y que tengan refuerzo de fibra larga disperso aleatoriamente en los artículos después del proceso de moldeo. También existe una necesidad de un apa­ rato de este tipo, en el que el aparato es eficiente y fácil de implementar en la fabricación, en particular en la fabrica­ ción de partes que tienen configuraciones con características detalladas.
Breve sumario de la invención
La divulgación incluye un procedimiento, que no se reivindica, para formar un artículo termoplástico que tiene un refuerzo de fibra larga, que comprende (a) proporcionar un primer material compuesto termoplástico que tiene al menos aproximadamente un 40 por ciento en volumen de al menos una fibra de refuerzo; (b) proporcionar al menos un molde, comprendiendo el molde al menos una primera sección de molde que tiene una entrada y una salida y que define una primera cavidad del molde y al menos una segunda sección de molde que tiene una entrada y una salida que define una segunda cavidad del molde, en la que la salida de la primera sección de molde está en comu­ nicación con la entrada de la segunda sección de molde; (c) introducir el primer material compuesto termoplástico en la primera cavidad del molde; (d) aplicar calor y presión al primer material compuesto termoplástico en la primera cavidad del molde hasta que la primera sección de molde alcance al menos una primera temperatura de proceso; (e) liberar la presión sobre el molde; y (f) volver a aplicar presión al molde mientras se enfría, en el que al menos una parte del primer material compuesto termoplástico fluye fuera de la al menos una salida de la primera sección de molde y dentro de la segunda cavidad del molde, en el que el citado enfriamiento solidifica el primer material com­ puesto termoplástico para formar un artículo moldeado que tiene la forma de la segunda cavidad del molde.
El primer material compuesto termoplástico puede comprender un termoplástico que sea una polisulfona, una poliimida, una poliamidaimida, una poliamida o un poliarileno éter seleccionado del grupo que consiste en poliéter cetonas, poliéteréter cetonas, poliétercetonas cetonas. El termoplástico también puede comprender preferentemente un fluoropolímero seleccionado del grupo formado por copolímeros de tetrafluoroetileno y al menos un éter de perfluoroalquilvinilo; copolímeros de tetrafluoroetileno y al menos otro alquileno perfluorado, policlorotrifluoroetileno, etilclorotrifluoroetileno, etiltrifluoroetileno, fluoruro de polivinilideno y fluoruro de polivinilo.
El material compuesto termoplástico que puede comprender un termoplástico se selecciona entre poliéteréter cetona, poliéter cetona, poliéter cetona cetona, copolímeros de tetrafluoroetileno y al menos un perfluoroalquilvinil éter, y copolímeros de tetrafluoroetileno y hexafluoropropileno.
Se prefiere que la al menos una fibra de refuerzo sea una fibra larga discontinua. La al menos una fibra de refuerzo puede comprender una fibra seleccionada del grupo formado por fibras inorgánicas, fibras cerámicas, fibras de vi­ drio, fibras de grafito, fibras de carbono, fibras termoplásticas y/o fibras termoendurecibles.
El paso (a) del procedimiento puede comprender además preparar el primer material compuesto termoplástico tro­ ceando o cortando un material compuesto continuo reforzado con fibra larga en una pluralidad de secciones que tienen fibra larga discontinua. El material compuesto continuo reforzado con fibra larga se puede proporcionar como una cinta continua reforzada con fibra larga, y la pluralidad de secciones que tienen fibra larga discontinua puede tener al menos dos longitudes diferentes medidas en la dimensión longitudinal de la sección, y quizás una variedad de longitudes.
El primer compuesto termoplástico tiene preferiblemente al menos un 50 por ciento en volumen de la al menos una fibra de refuerzo, y más preferiblemente al menos un 60 por ciento en volumen.
El procedimiento también puede comprender además colocar el molde en una prensa calentada, y presionar hacia abajo sobre el primer material compuesto termoplástico cuando está en la primera cavidad del molde utilizando un pistón insertado en la entrada de la primera sección del molde, en el que la prensa calentada impulsa el pistón den­ tro de la primera cavidad del molde.
El primer material compuesto termoplástico se calienta preferiblemente en el procedimiento calentando el molde bajo presión en el paso (d) de aproximadamente 93°C (200°F) a aproximadamente 482°C (900°F), más preferiblemente de aproximadamente 204°C (400°F) a aproximadamente 482°C (900°F), aún más preferiblemente de aproximada­ mente 399°C (750°F) a aproximadamente 482°C (900°F), y más preferiblemente de aproximadamente 441°C (825°F) a aproximadamente 468°C (875°F), hasta que se alcanza la primera temperatura de proceso. La primera temperatura de proceso es de aproximadamente 79°C (175°F) a aproximadamente 427°C (800°F), preferiblemente de aproximadamente 79°C (175°F) a aproximadamente 416°C (780°F), más preferiblemente de aproximadamente 121°C (250°F) a aproximadamente 416°C (780°F), y más preferiblemente de aproximadamente 399°C (750°F) a aproximadamente 416°C (780°F).
El procedimiento puede incluir además aplicar presión al primer material compuesto termoplástico en el paso (d) colocando el molde en una prensa calentada a una presión preferida de aproximadamente 6894 kPa (1,000 psi) a aproximadamente 68948 kPa (10,000 psi). La presión es más preferiblemente de aproximadamente 13789 kPa (2.000 psi) a aproximadamente 34474 kPa (5.000 psi). Después de liberar la presión sobre el molde en el paso (e), el procedimiento puede comprender además colocar el molde en una prensa de enfriamiento, y la prensa de enfria­ miento aplica presión al molde mientras se enfría en el paso (f), a una presión de aproximadamente 6894 kPa (1.000 psi) a aproximadamente 68948 kPa (10.000 psi), y más preferiblemente de aproximadamente 13789 kPa (2.000 psi) a aproximadamente 34474 kPa (5.000) psi.
La salida de la primera sección del molde está preferiblemente conectada a la entrada de la segunda sección del molde por al menos un puerto de flujo, y preferiblemente el molde tiene una pluralidad de puertos de flujo.
El paso (f) del procedimiento puede comprender además enfriar el primer material termoplástico en la segunda cavi­ dad del molde a una temperatura de manipulación, y retirar además el artículo moldeado de la segunda cavidad del molde.
Un artículo moldeado, no reivindicado, también puede ser formado por el proceso descrito en la presente memoria descriptiva. Tales artículos comprenden preferentemente un termoplástico de éter de poliarileno y fibra de carbono discontinua larga.
La invención incluye un aparato de acuerdo con la reivindicación 1.
La prensa calentada al abrirse es capaz de recibir el molde de manera que la prensa pueda aplicar calor y presión a un primer material compuesto termoplástico en la primera cavidad del molde presionando sobre el pistón cuando éste se inserta en la primera cavidad del molde. La salida de la primera sección del molde está conectada a la en­ trada de la segunda sección del molde por medio de al menos un puerto de flujo, y preferiblemente una pluralidad de puertos de flujo.
Breve descripción de las distintas vistas del dibujo o dibujos
El resumen anterior, así como la siguiente descripción detallada de las realizaciones preferidas de la invención, se entenderán mejor cuando se lean en conjunto con los dibujos que se acompañan. Con el fin de ilustrar la invención, se muestra en los dibujos realizaciones que son actualmente preferidas. Se debe entender, sin embargo, que la invención no se limita a las disposiciones precisas y los instrumentos mostrados sino que está definida por las reivindicaciones adjuntas.
En los dibujos:
las figuras 1 y 1a son representaciones esquemáticas de un material termoplástico reforzado con fibra larga continua y un material termoplástico reforzado con fibra larga discontinua fabricados a partir de las mismas, respectivamente, para su uso en el procedimiento descrito en la presente memoria descriptiva;
la figura 2 es una representación esquemática de un molde para uso en el procedimiento descrito en la pre­ sente memoria descriptiva que tiene un material compuesto termoplástico reforzado con fibra larga discon­ tinua en la primera cavidad del molde del mismo;
la figura 3 es una representación esquemática de un molde como el de la figura 2, colocado en una prensa calentada con un pistón que presiona el material compuesto en la primera cavidad del molde;
la figura 4 es una representación esquemática del molde de la figura 2 después de que el material com­ puesto haya entrado en la segunda cavidad del molde y se haya enfriado para proporcionar un artículo for­ mado;
la figura 5 es una representación esquemática del artículo moldeado en forma de pieza en bruto extraída de la segunda cavidad del molde;
la figura 6 es una representación esquemática del artículo moldeado después de retirar el material sobrante de la pieza en bruto de la figura 5.
la figura 7 es una fotografía de un molde ensamblado de acuerdo con una realización del aparato descrito en la presente memoria descriptiva y para su uso en el procedimiento descrito en la presente memoria des­ criptiva ;
la figura 8 es una vista en perspectiva en despiece del molde de la figura 7; y
las figuras 9a y 9b son fotografías de piezas moldeadas formadas a partir de un molde como el de la figura 7.
Descripción detallada de la invención
La invención en la presente memoria descriptiva proporciona un aparato para proporcionar artículos formados que son compuestos termoplásticos altamente rellenos, en los que el compuesto está relleno con al menos un refuerzo de fibra larga. Es posible cargar grandes volúmenes de fibra utilizando un proceso de moldeado sencillo para produ­ cir piezas compuestas resistentes con configuraciones simples o detalladas. Mientras que el moldeo por inyección tradicional de materiales compuestos reforzados con fibras largas se limita normalmente a una carga de volumen entre el 30% y el 40% en volumen debido a problemas de fluidez, la presente invención puede proporcionar este volumen y más, incluyendo hasta aproximadamente el 50%, el 60% o más.
El moldeo por inyección tradicional implica calentar el preimpregnado reforzado u otro material compuesto de fibra larga utilizado para formar un artículo moldeado a una temperatura de proceso (por ejemplo, alrededor de 404°C (760 °F)) para que sea fluido, y a continuación el material calentado se fuerza en un molde de formación calentado. El molde se calienta a una temperatura mucho más baja que la temperatura de fluidez del compuesto calentado, por ejemplo, en el molde tradicional de compuesto de poliéter cetona (PEEK), un molde de inyección puede calentarse a una temperatura de aproximadamente 149°C (300°F) a aproximadamente 204°C (400°F). La fluidez y el llenado del molde a medida que el volumen de fibra aumenta demasiado se vuelven difíciles, lo que limita la cantidad de refuer­ zo de fibra larga que se puede utilizar.
La presente invención incluye un aparato que tiene un o unos molde o moldes que utiliza un diseño único de molde de cavidad anidada conjuntamente, en el que las secciones de molde y las cavidades de molde respectivas están anidadas conjuntamente dentro del mismo molde para que el material compuesto que tiene fibra larga pueda conti­ nuar fluyendo a su temperatura de proceso óptima a medida que se moldea la cavidad del molde y durante todo el ciclo de la porción de enfriamiento. De este modo, se obtiene un artículo bien formado, resultado de la fácil transfor­ mación de materiales compuestos reforzados con fibras largas. El aparato en la presente memoria descriptiva tam­ bién puede ser utilizado para procesar otros materiales y compuestos de moldeado, pero es particularmente benefi­ cioso si es empleado para permitir el proceso de materiales compuestos termoplásticos reforzados con fibras largas.
En el procedimiento de la presente memoria descriptiva, los materiales de partida son preferentemente al menos un primer material compuesto termoplástico, que tiene al menos un cuarenta por ciento en volumen de al menos una fibra de refuerzo. Pueden utilizarse varios tipos de materiales compuestos, y se contempla la posibilidad de introducir simultáneamente más de un material compuesto en el molde descrito en la presente memoria descriptiva
Los termoplásticos preferidos para su uso en los materiales compuestos son preferiblemente plásticos poliméricos y resinas que pueden ser cargados o llenados con refuerzo, y que pueden fluir bajo la aplicación de calor. Los termoplásticos ejemplares incluyen poliolefinas (como polietileno, polibutileno, polipropileno), poli(acrilonitrilo-butadienoestireno) (ABS), poliestirenos, polibutadieno, poliacrilonitrilo (PAN), poli(butadieno-estireno) (PBS), poli(estirenoacrilonitrilo) (SAN), polibutilenos, resinas celulósicas (como la etilcelulosa, el acetato de celulosa, el butirato de ace­ tato de celulosa, el propionato de acetato de celulosa y el nitrato de celulosa), alcoholes vinílicos de polietileno (EVA), acetatos vinílicos de polietileno, fluoropolímeros tales como fluoroplásticos procesables por fusión (tales co­ mo copolímeros de tetrafluoroetileno (TFE) y al menos un éter perfluoroalquilvinílico (PAVE) (p Fa ), copolímeros de TFE y al menos otro alquileno perfluorado (tal como hexafluoropropileno) (FEP) poli(clorotrifluoroetileno), polietilclorotrifluoroetileno (ECTFE), polietiltrifluoroetileno (ETFE), fluoruro de polivinilo (PVF) y fluoruro de polivinilideno (PVDF)), ionómeros, polímero cristalino líquido (LCP), poliacetales, poliacrilatos, poliamidas (como NYLON 12, NY-LON 6), poliftalimidas, poliimidas, polieteramidas, poliamidaimidas, polifenoles, policarbonatos, poliésteres, poliuretanos, policloruros de vinilo (PVC), cloruros de polivinilideno, polivinilos, óxidos de polifenileno (PPO), éteres de polifenileno, ésteres de polifenileno, ésteres de polifenileno éter, sulfuros de polifenileno, polisulfonas, polimetilpentenos, policetonas, cetonas de poliarileno éter y cetonas de poliaril éter (como la polietercetona (PEK), la polietercetona (PEKK) y la polietercetona (PEEK), elastómeros termoplásticos (como los monómeros de etileno propileno dieno (EPDM), caucho de etileno propileno (EPR) y elastómeros de poliuretano), resinas epoxídicas, clorinatos de polietileno, biscitraconicimidas (BCI), bismaleimidas (BMI), resinas bismaleimida/triazina/epoxi, ésteres de cianato, resinas de cianato, resinas furánicas, resinas fenólicas, resinas de urea-formaldehído, resinas de melaminaformaldehído, resinas de ftalocianina, resinas de polibenzoxazol, resinas de poliimida terminadas en acetileno, siliconas, poltriazinas, polialquídicas y resinas de xileno.
También pueden utilizarse copolímeros (polímeros formados por dos o más especies monoméricas en forma aleato­ ria o de bloque, o copolímeros de injerto, cualquiera de los cuales puede tener múltiples componentes monoméricos o reactivos) de cada uno o de cualquiera de estos termoplásticos, ya sean conocidos o por desarrollar. Además, los citados termoplásticos, siempre que sigan siendo útiles para formar un artículo a partir de un compuesto de los mis­ mos, pueden ser derivados y/o incluir grupos funcionales (ya sean terminales y/o en la cadena), estructuras verte­ brales ramificadas y/o de cadena recta, ubicaciones adicionales de insaturación a lo largo de la cadena o grupos laterales, y similares. Los grupos funcionales que se pueden proporcionar incluyen arilos, cetonas, acetilenos, gru­ pos ácidos, hidroxilos, grupos que contienen azufre, sulfatos, sulfitos, mercapto, fosfato, carboxilo, ciano, fosfito, oxígeno/éter o ésteres (también pueden incorporarse dentro de las cadenas o cadenas laterales), ácido carboxílico, nítrico, amonio, amida, amidina, benzamidina, imidizol y similares. También se pueden utilizar sales de estos políme­ ros, tales como sales de potasio o de sodio. El polímero o polímeros seleccionados también pueden utilizarse en mezclas, combinaciones, aleaciones o copolimerizados unos con los otros o con otros monómeros para formar nue­ vos copolímeros aleatorios, de bloque o de injerto. También se pueden utilizar en la invención materiales termoendurecibles de baja humedad, como ciertos epóxidos y materiales termoendurecibles con propiedades higroscópicas similares a las de los termoplásticos. A efectos de comodidad y simplificación en la presente memoria descriptiva, los citados materiales se incluirán dentro de la amplia referencia a los termoplásticos, ya que pueden sustituirse en la presente invención en lugar del material termoplástico. Aunque se prefieren estos termoplásticos, la lista no debe considerarse exhaustiva, y un experto en la materia entendería, basándose en esta divulgación, que podrían utilizar­ se otros termoplásticos en la invención sin apartarse del alcance de la misma.
Los materiales preferidos de entre los que se han mencionado más arriba incluyen plásticos de ingeniería como polisulfonas, poliimidas, poliamidaimidas, poliamidas, óxidos y sulfuros de polifenileno, y los materiales de poliari­ leno, como PEEK, PEK y PEKK. Los fluoropolímeros también pueden utilizarse como materiales preferidos, siempre que sean fluidos a una temperatura de proceso.
Aunque se prefiere que al menos un primer material compuesto termoplástico tenga refuerzo de fibra larga, pueden utilizarse otros termoplásticos y/o compuestos termoplásticos (con las mismas o diferentes formas de refuerzo o relleno) además del primer material compuesto termoplástico preferido. los citados aditivos pueden ser proporciona­ dos al compuesto termoplástico preferentemente mediante mezcla con el material de la matriz termoplástica. Todos los materiales anteriores pueden incluir, además del material preferido indicado en la presente memoria descriptiva, otros rellenos y/o agentes de refuerzo. Los diversos aditivos utilizados como refuerzo incluyen, pigmentos, coloran­ tes, vidrio, cerámica, malla, panal, mica, arcilla, colorantes orgánicos, plastificantes, agentes tixotrópicos, retardado­ res de llama, absorbentes de UV, extensores, estabilizadores, dióxido de silicio, sílice, alúmina, talco, fibras de vi­ drio, sulfato de bario, esferas de vidrio, fibras cortas de PTFE, fibras cortas de copolímero de TFE, otras fibras de refuerzo de longitud variable, cintas o plaquetas, wollastonita, patillas de titanato, compatibilizadores, agentes reológicos o tixotrópicos, agentes antiestáticos (que también pueden incorporarse mediante el uso de grupos funcionales y/o copolímeros de injerto proporcionados a la matriz termoplástica), fibras de carbono troceadas y otros rellenos, aditivos tribológicos y agentes de refuerzo similares. Se prefiere que tales aditivos (además de la presencia del pri­ mer material compuesto termoplástico) estén presentes en una cantidad no superior a aproximadamente el 10% del material compuesto basado en el peso total del material compuesto; sin embargo, puede utilizarse una cantidad mayor o menor.
Además, el material de fibra puede ser un material mezclado, es decir, que se puede utilizar más de una fibra en combinación como material matriz para la impregnación previa a la adición del termoplástico o termoplásticos para formar los materiales compuestos que se utilizarán en la presente memoria descriptiva, incluyendo por ejemplo, sin limitación, mezclas de vidrio/carbono, vidrio/grafito/carbono, grafito/carbono, aramida/vidrio, cerámica/vidrio y PTFE o TFE copolímero de fibra/carbono. En las mezclas de fibras o en los refuerzos fibrosos combinados, se pueden aportar fibras adicionales en forma de hebras troceadas, filamentos o patillas a la matriz de fibras. Además, tales mezclas pueden incluir cualquier gama de posibles materiales fibrosos tejidos o mezclados, siempre que se conser­ ven la resistencia suficiente y otras propiedades deseadas.
La fibra de refuerzo utilizada en el primer material compuesto termoplástico es preferiblemente una fibra larga. Tales fibras pueden ser inorgánicas, cerámicas, de vidrio, grafito, carbono y/o plásticas (termoplásticas y termoestables) (como la fibra de aramida o Kevlar®). Las fibras continuas pueden ser fibras continuas unidireccionales o bidireccionales (preferiblemente las fibras bidireccionales tendrían aproximadamente el 50% de las fibras en la dirección para­ lela y aproximadamente el 50% de las fibras en la dirección perpendicular), fibras estiradas, fibras trenzadas y fibras continuas tejidas. Además, las fibras pueden ser trenzadas o entremezcladas. Los diámetros preferidos para las fibras largas incluyen aproximadamente 0,1 micras, entre 5 y 15 micras, y entre 7 y 10 micras.
Se prefiere que el refuerzo de fibra larga sea aproximadamente del 30% o más, preferiblemente el 40% o más, más preferiblemente el 50% o más, más preferiblemente aproximadamente el 60% a aproximadamente el 90% en volu­ men del primer compuesto termoplástico. Se prefiere que las fibras largas sean aproximadamente del 40% al 80% en volumen del primer compuesto termoplástico, y lo más preferido es que sean aproximadamente del 50% al 70% en volumen del compuesto termoplástico.
La fibra larga utilizada en los primeros materiales compuestos termoplásticos utilizados en la presente memoria descriptiva puede ser proporcionada por cualquier preimpregnado que contenga fibra larga u otra estructura com­ puesta impregnada. Se puede utilizar una estructura de fibra continua, como una cinta de fibra continua impregnada, un tejido o similar. Tal como se utilizan en la presente memoria descriptiva, las fibras continuas en dichas estructuras son aquellas que generalmente tienen una longitud superior a aproximadamente 0,5 pulgadas (1,27 cm). Dichas cintas u otros tejidos continuos, cintas, varillas y similares pueden cortarse o trocearse a diversas longitudes, pero preferentemente conservan estructuras de fibras largas, por ejemplo, estructuras que tienen fibras de refuerzo que tienen principalmente una relación longitud/diámetro superior a 100 aproximadamente. Al variar la longitud de la citada estructura de alimentación cortada, se puede encontrar una variedad de fibras largas dispersas aleatoriamen­ te dentro de los artículos moldeados formados de acuerdo con la presente memoria descriptiva, y los materiales compuestos cortados alimentados al molde tienden a separarse más fácilmente para ajustarse dentro de la primera cavidad del molde.
Tales primeros materiales compuestos termoplásticos, por ejemplo, tejido termoplástico reforzado con fibra continua troceada o cortada, cinta, varilla, etc., se introducen en un molde. Como se muestra esquemáticamente en las figu­ ras 1 y 1a, se puede utilizar una cinta termoplástica reforzada con fibra continua 10 para formar un primer material compuesto termoplástico 12. Al cortar en varios puntos 14, se forman varias secciones 16. Tales secciones 16 tie­ nen longitudes variadas h,l2 ,l3 , etc. como se muestra en la figura 1a. Las secciones resultantes 16 proporcionan un primer material termoplástico de alimentación para el procedimiento de la presente memoria descriptiva que se ha descrito. Las estructuras resultantes tienen un refuerzo discontinuo de fibras largas.
Como se muestra esquemáticamente en la figura 2, el molde 18 descrito en la presente memoria descriptiva tiene un cuerpo de molde 20 e incluye al menos dos cavidades anidadas conjuntamente. Se debe entender sobre la base de esta divulgación, sin embargo, que el aparato puede incluir más de un cuerpo de molde de este tipo, que los cuerpos de molde están incluidos en una prensa u otra estructura de calentamiento y / o enfriamiento capaz de aplicar pre­ sión ya sea situada cerca uno del otro lateralmente o en configuración apilada dependiendo del diseño de molde deseado para ser utilizado. Con referencia a la figura 2, el molde 18 tiene al menos una primera sección de molde 22 y al menos una segunda sección de molde 24. La primera sección 22 tiene una entrada 26 y una salida 28. La pri­ mera sección está configurada para definir una primera cavidad del molde 30 en su interior. La cavidad del molde 30 actúa como un depósito para calentar y hacer fluido el material de alimentación en forma de compuesto termoplásti­ co reforzado con fibras largas, preferiblemente con fibras discontinuas en su interior y más preferiblemente de diver­ sas longitudes. Se debe entender que se pueden incorporar múltiples secciones de molde 22 con entradas 26 para introducir material en las cavidades 30 dentro del alcance de la invención, de modo que se puedan proporcionar múltiples fuentes de alimentación de material compuesto para introducir material compuesto termoplástico en una única segunda cavidad del molde a través de múltiples puertos y/o de modo que se puedan proporcionar múltiples fuentes de alimentación de material compuesto para introducir material compuesto termoplástico en múltiples se­ gundas cavidades de molde a través de uno o más puertos simultáneamente.
Con referencia a la figura 3, se muestra el aparato 32 de acuerdo con la invención e incluye el molde 18 y la cavidad del molde 30. La entrada 26 de la primera sección 22 está configurada para alojar un pistón 34. El pistón está confi­ gurado para poder entrar en la primera cavidad del molde 30. Como se muestra, se puede hacer que un pistón enca­ je perfectamente pero deslizantemente dentro de la entrada 26 de la cavidad del molde para evitar el reflujo de termoplástico una vez calentado. Se utiliza un pistón a presión que impulsa el pistón dentro de la primera cavidad del molde. Si se utilizan múltiples secciones de moldes que tienen múltiples cavidades 30, se puede utilizar una sola herramienta que tenga múltiples estructuras de prensado alineadas con los citados moldes o se puede proporcionar más de una estructura de este tipo, como una varilla o pistón, para su uso sobre la entrada 26 de cada cavidad.
La al menos una segunda sección de molde 24 incluye dos o más superficies de ajuste 35 que se unen para definir una segunda cavidad de molde 36 usando una o más piezas de segunda sección de molde 33. Las superficies de ajuste pueden incluir diversas características para definir la forma de un artículo moldeado finalmente. Para los orifi­ cios y otras características únicas, se pueden utilizar varillas u otros accesorios de molde estándar. La entrada 38 a la segunda sección de molde 24 permite que el material compuesto termoplástico fluido entre en la cavidad 36 para formar un artículo conformado. La salida 28 de la primera sección de molde 22 está en comunicación con la entrada 38 de la segunda sección de molde 24, de modo que el compuesto termoplástico de la primera cavidad del molde 30 puede fluir a la segunda cavidad del molde 36 a través de un puerto de flujo 40. Se pueden formar uno o más puer­ tos de flujo para que el material compuesto termoplástico fluido se mueva desde una o más primera(s) cavidad(es) de molde 30 a una o más segunda(s) cavidad(es) de molde 36, lo que puede ser útil para una distribución diferente del compuesto polimérico en todo el interior de la cavidad del molde 36 o para su uso en la alimentación de múltiples segundas cavidades de molde.
Después de introducir el primer material termoplástico reforzado con fibra larga en la primera cavidad del molde, se aplican calor y presión al material compuesto. Como se ha hecho notar más arriba, esto se hace mediante una es­ tructura de presión tal como el pistón 34 como se ha señalado más arriba. Se puede utilizar una prensa calentada para aplicar fuerza hacia abajo sobre el pistón, así como para proporcionar calor a la al menos una primera sección del molde. Los moldes están configurados para que quepan dentro de las pletinas de calentamiento y/o enfriamiento de una prensa 42. El material compuesto termoplástico en la primera cavidad del molde se calienta a una primera temperatura de proceso. Esta temperatura de proceso variará en función del material compuesto termoplástico de alimentación. Para el PEEK, por ejemplo, la temperatura estaría comprendida entre unos 399°C (750°F) y unos 416°C (780°F), preferiblemente unos 404°C (760°F). Para alcanzar la primera temperatura de proceso, la primera sección del molde debe calentarse bajo presión a una temperatura suficiente para mantener una temperatura fluida para el material compuesto dentro de la primera cavidad del molde. Para un molde de PEEK, por ejemplo, el primer molde se calentaría a una temperatura tal que el PEEK alcanzara y permaneciera en la cavidad del primer molde a las temperaturas de proceso que se han indicado más arriba. Generalmente, la temperatura de proceso, como se ha indicado más arriba, puede variar en función del material, y los ejemplos de dichas temperaturas variarán en conse­ cuencia. Por ejemplo, la primera temperatura de proceso puede ser de unos 79°C (175°F) a unos 427°C (800°F), preferiblemente de unos 79°C (175°F) a unos 416°C (780°F), más preferiblemente de unos 121°C (250°F) a unos 416°C (780°F), y más preferiblemente de unos 399°C (750°F) a unos 416°C (780°F).
Preferiblemente, el molde se mantiene entre 93°C (200°F) y 482°C (900°F), preferiblemente entre 204°C (400°F) y 482°C (900°F), más preferiblemente entre 399°C (750°F) y 482°C (900°f ) y más preferiblemente entre 441°C (825°F) y 468°C (875°F) hasta que se alcanza la temperatura de proceso del termoplástico. Se puede aplicar presión mientras se calienta, y es preferible una presión de aproximadamente 6894 kPa (1.000 psi) a aproximadamente 68948 kPa (10.000 psi), dependiendo del volumen de carga de fibra y del material que se utilice. Las presiones pre­ feridas son de aproximadamente 13789 kPa (2.000 psi) a aproximadamente 34474 kPa (5.000 psi) para la mayoría de las aplicaciones.
Una vez alcanzada la temperatura de proceso del termoplástico, se libera la presión sobre el molde y éste se somete a una prensa de enfriamiento. La prensa de enfriamiento puede ser una prensa separada, que utilice una transferen­ cia de molde, o parte de una prensa única que tenga diferentes zonas para ciclos separados de calentamiento y enfriamiento. La misma presión utilizada para el calentamiento puede aplicarse durante el ciclo de enfriamiento, y en este punto, el termoplástico procesable calentado que ha sido presionado a través de la(s) primera(s) cavidad(es) del molde ha pasado a la(s) segunda(s) cavidad(es) del molde (véase la figura 4) y la(s) segunda(s) sección(es) del molde se enfría(n). El enfriamiento solidifica el primer compuesto termoplástico y forma un artículo 44 que se moldea dentro de la(s) segunda(s) cavidad(es) y al menos una porción del artículo se moldea para ajustarse a la configura­ ción de la segunda cavidad. Es preferible que el enfriamiento se produzca hasta que el molde o moldes puedan ser manipulados por un operario. A continuación, la(s) segunda(s) sección(es) del molde se abre(n) separando varias porciones que proporcionan las superficies de molde 35 para liberar el artículo 44 en su interior.
Como se muestra en las figuras 5 y 6 cuando el/los artículo(s) 44 formado(s) en la(s) segunda(s) cavidad(es) de molde es/son retirado(s) del molde, pueden quedar en el artículo salpicaduras o excesos de la zona de entrada de la segunda cavidad del molde o de los puntos de encuentro entre las superficies de conformación 35. Tales porciones en exceso 45 mostradas en la figura 5 se retiran para proporcionar una o más partes acabadas 46 como se muestra en la figura 6.
La figura 7 muestra un molde ensamblado 118 que tiene una abertura de entrada 126 en una primera cavidad del molde y piezas 133 que definen un área de conformación dentro del molde. El citado molde ensamblado después de ser utilizado en un proceso como el que se ha descrito más arriba proporciona una pieza acabada 146 como se muestra en las figuras 9a y 9b que tiene una forma que se ajusta al interior de la segunda cavidad del molde. La figura 8 proporciona una vista en perspectiva en despiece del molde de la figura 7 que muestra las porciones interio­ res del cuerpo del molde en la porción de formación de la segunda cavidad del molde para formar tales piezas. Basado en lo anterior, se puede ver que el procedimiento de moldeado descrito en la presente memoria descriptiva que tiene cavidades de molde anidadas conjuntamente en secciones de molde separadas, permite un procedimiento fácil y eficiente para formar un artículo compuesto termoplástico reforzado con fibra larga de alto volumen.
Podrá ser apreciado por los expertos en la técnica que podrían hacerse cambios a las realizaciones que se han descrito más arriba.
Se entiende, por lo tanto, que esta invención no se limita a las realizaciones particulares divulgadas, sino que se pretende cubrir modificaciones dentro del alcance de la presente invención como se define en las reivindicaciones adjuntas.

Claims (6)

REIVINDICACIONES
1. Un aparato para formar un artículo termoplástico que tiene un refuerzo de fibra larga, en el que el aparato com­ prende
(a) al menos un cuerpo de molde (20) que tiene
al menos una primera sección de molde (22) configurada para definir una primera cavidad del molde (30) y que actúa como depósito para calentar y hacer fluido el material de alimentación en forma de compuesto termoplástico reforzado con fibras largas, teniendo la al menos una primera sección de molde una entrada (26) y una salida (28) y
al menos una segunda sección de molde (24) que incluye dos o más superficies de ajuste (35) que se unen usando una o más piezas de la segunda sección de molde (33) para definir una segunda cavidad del molde (36), teniendo la segunda sección de molde (24) una entrada (38), en la que la salida (28) de la primera sección de molde (22) está en comunicación con la entrada (38) de la segunda sección de molde (24) a tra­ vés de al menos un puerto de flujo (40), y la segunda cavidad del molde (36) tiene una configuración para formar el artículo;
(b) un pistón (34) configurado para poder entrar en la primera cavidad de molde (30); y que se caracteriza por
(c) al menos una prensa (42) capaz de calentar y enfriar el cuerpo del molde (20) y las secciones del molde (22, 24) y la prensa calentada (42) al abrirse es capaz de recibir el cuerpo del molde (20) de modo que la prensa (42) puede aplicar calor y presión a un material compuesto termoplástico en la primera cavidad del molde (30) presionando sobre el pistón (34) cuando el pistón (34) se inserta en la primera cavidad del mol­ de (30).
2. El aparato de acuerdo con la reivindicación 1, que se caracteriza por que la al menos una prensa (42) es ca­ paz de aplicar una fuerza descendente sobre el pistón mientras proporciona calor a la al menos una primera sección del molde y el cuerpo del molde está configurado para encajar dentro de las platinas de la prensa (42) durante el calentamiento o enfriamiento.
3. El aparato de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, que se caracteriza por que el cuerpo del molde (20) tiene una pluralidad de puertos de flujo (40).
4. El aparato de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que se caracteriza por que las super­ ficies de ajuste (35) comprenden características para definir una forma para un artículo moldeado.
5. El aparato de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que se caracteriza por que la prensa (42) puede calentarse a temperaturas de 79°C a 482°C (175°F a 900°F).
6. El aparato de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que se caracteriza por que la prensa (42) es operable a presiones de 6894 kPa a 68948 kPa (1.000 psi a 10.000 psi) durante el calentamiento.
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