ES2955978T3 - Consolidación de compuesto blindado de presión lateral isostática - Google Patents

Consolidación de compuesto blindado de presión lateral isostática Download PDF

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Abstract

Un molde para usar en la producción de un artículo balístico a partir de un material laminado compuesto apilado en el que el molde tiene una sección de sellado deslizante que encaja con una sección de permiso exterior y una porción de base para proteger los lados del material laminado compuesto apilado de la aplicación isostática. presión aplicada en un autoclave. Al proteger los lados del material laminado compuesto apilado, el exceso de material de matriz de resina puede ser expulsado del material laminado compuesto apilado para proporcionar un artículo compuesto uniforme con peso y espesor reducidos. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

d e s c r ip c ió n
Consolidación de compuesto blindado de presión lateral isostática
Antecedentes
Durante muchos años la consolidación de materiales termoplásticos y termoestables para formar laminados de compuesto se ha logrado a través de la aplicación simultánea de presión y temperatura elevadas. Este proceso de consolidación generalmente se aplica en una prensa hidráulica con platinas reguladas térmicamente, o , en una autoclave con un gas presurizado y regulado térmicamente.
La consolidación de laminados dentro de una prensa hidráulica ajustada con platinas reguladas térmicamente, comúnmente conocida como 'prensado axial hidráulico', generalmente permite la aplicación de una alta magnitud de presión de consolidación dirigida a través de superficies rígidas opuestas. Esta alta magnitud de presión de consolidación se asocia comúnmente con la producción de laminados de compuesto de alto rendimiento. En algunos campos, como la producción de laminados de protección balística, el prensado axial hidráulico puede fabricar artículos de compuesto con una resistencia relativamente alta a la penetración. Sin embargo, el prensado axial hidráulico también tiene limitaciones, como una baja tasa de producción, herramientas costosas y una desviación estándar (SD) relativamente alta asociada con los resultados de las pruebas balísticas.
La consolidación de laminados dentro de una autoclave que contiene un gas presurizado y regulado térmicamente, comúnmente conocido como 'autoclave', generalmente permite la aplicación de una baja magnitud de presión de consolidación isostática. Este proceso de autoclave se emplea ampliamente en la industria y se asocia con la producción tanto de piezas grandes como de lotes de cantidades significativas de piezas. En algunos campos, como la producción de laminados de protección balística, la autoclave puede tener limitaciones, como la necesidad de una proporción relativamente alta de matriz (resina) para lograr la consolidación de laminados adecuada. Lo más significativo, es que la autoclave se asocia con la producción de artículos de compuesto que ofrecen una resistencia relativamente baja a la penetración.
Una adaptación del proceso de autoclave consiste en sustituir el fluido gaseoso por un fluido líquido y posteriormente la aplicación neumática de presión de consolidación por la aplicación hidráulica de presión de consolidación. En dicha aplicación, el volumen de procesamiento que contiene el fluido líquido presurizado se conoce como una hidroclave, y el proceso se conoce como 'hidroclavado'. Se emplea una forma de hidroclavado dentro de un proceso conocido de consolidación de compuesto, como se describe en la Patente de Estados Unidos US 8,979,523 B2. Este proceso combina las eficiencias de producción de la autoclave con la alta magnitud de presión de consolidación del prensado axial hidráulico.
El documento W02008/098771 describe un proceso para fabricar un artículo moldeado que utiliza procesos conocidos de presurización isostática para consolidar una pila de material laminado bajo condiciones muy específicas, que comprende colocar la pila de materiales laminados específicos y aglutinantes en un medio de presurización isostática y consolidar bajo presiones específicas y temperaturas elevadas.
Se ha descubierto que, para un laminado de protección balística, la aplicación de una alta magnitud de presión de consolidación isostática que actúa sobre un laminado de compuesto puede tener un efecto perjudicial en la resistencia resultante del laminado a la penetración.
El documento US 5,131,834 A describe una bolsa de presurización isostática de gel de silicona y su método de uso y fabricación.
Resumen de la invención
La terminología utilizada en la presente descripción tiene como objetivo describir sólo modalidades particulares y no pretende limitar la invención. Por ejemplo, como se utiliza en la presente descripción, las formas singulares "un", "una" y "el" pretenden también incluir las formas plurales, a menos que el contexto indique claramente de cualquier otra manera. Se entenderá además que los términos "comprende" y/o "que comprende", cuando se utilizan en esta descripción, especifican la presencia de características, etapas, operaciones, elementos, y/o componentes indicados, pero no excluyen la presencia o adición de una o más de otras características, etapas, operaciones, elementos, componentes, y/o grupos de la misma. Como se utiliza en la presente descripción, el término "e/o" incluye cualquiera y todas las combinaciones de uno o más de los elementos asociados enumerados y puede abreviarse como"/".
Términos relativos espacialmente, como "bajo", "más abajo", "inferior", "sobre", "superior" y similares, pueden utilizarse en la presente descripción para facilitar la descripción de la relación de un elemento o característica con otro(s) elemento(s) o característica(s) como se ilustra en las figuras. Se entenderá que los términos relativos espacialmente pretenden abarcar diferentes orientaciones del dispositivo en uso o funcionamiento en adición a la orientación representada en las figuras.
La presente invención se ha ideado específicamente para proporcionar un blindaje de presión de consolidación a las paredes laterales de un laminado de compuesto de material apilado, que puede o no ser material preimpregnado, siendo fibras sintéticas, como, pero no limitadas a, material de aramida como Kevlar®, material de polietileno de alto módulo (HMPE) como Ineggra®, polipropileno de alto módulo (HMPP), polietileno de ultra alto peso molecular (UHMWPE) como Dyneema® u otro material laminado balístico adecuado bajo consolidación mediante presión isostática. Las capas de compuesto de resina pueden ser capas en la pila si es necesario. Cuando las paredes laterales se protegen, la presión que actúa sobre las caras restantes del laminado proporciona una compresión que actúa para extruir el laminado en sus paredes laterales en una acción que posteriormente tensiona las fibras de refuerzo. El laminado resultante, mientras que mantiene el mismo volumen, es más delgado y ligeramente alargado en sus dimensiones principales. Esta tensión de las fibras de refuerzo tiene un efecto beneficioso en la resistencia resultante del laminado a la penetración, lo cual, junto con la desviación estándar (SD) relativamente baja asociada con los resultados de pruebas balísticas para laminados consolidados de forma isostática, produce un rendimiento excepcional.
Una consolidación de compuesto con blindaje de presión lateral isostática (ISPS), de acuerdo con una modalidad de la invención, comprende un dispositivo que protege las paredes laterales de un laminado de la presión mientras el laminado y el dispositivo se exponen juntos a presión isostática.
De preferencia, el dispositivo mencionado comprende una sección circunferencial de la pared lateral y que proporciona blindaje de presión de la pared lateral laminada, una sección perfilada de cierre que controla la curvatura del laminado y una sección de sello. La sección circunferencial de la pared lateral puede tener cualquier forma como sea necesario
De preferencia, la sección de sello mencionada contiene una abertura que permite la aplicación directa de presión isostática a todo excepto al perímetro de la superficie laminada con la que entra en contacto.
De preferencia, la sección perfilada de cierre mencionada y la sección de sello mencionada ambas entran en contacto con la sección circunferencial mencionada y las caras laminadas no laterales y forman un vacío sellado entre la sección circunferencial mencionada y las paredes laterales del laminado. La sección de sello mencionada y la sección perfilada de cierre mencionada pueden moverse una hacia la otra bajo presión y, de preferencia, sus caras opuestas son un desplazamiento del mismo perfil, dictado por el grosor laminado.
En varias modalidades de la invención, la sección circunferencial mencionada y la sección perfilada de cierre mencionada pueden combinarse, o , la sección circunferencial mencionada y la sección de sello mencionada pueden combinarse.
En funcionamiento, el laminado y el dispositivo mencionado se encierran típicamente en una membrana de silicona reutilizable y se sellan térmicamente en una bolsa de plástico desechable, fusionándose con el contenido y el entorno al vacío. La membrana de silicona mencionada puede estar compuesta por múltiples secciones separadas y se preforma idealmente para ajustarse con precisión al laminado y al dispositivo mencionado. La membrana de silicona mencionada es suficientemente suave para transferir la presión aplicada al laminado expuesto y a las superficies del dispositivo mencionadas sin una pérdida significativa de su naturaleza isostática. La bolsa de plástico desechable sellada térmicamente mencionada que contiene la membrana de silicona mencionada, el dispositivo mencionado y el laminado mencionados se someten a un ciclo a través de la aplicación simultánea y controlada de presión isostática elevada y temperatura para consolidar con ISPS el laminado, idealmente dentro del proceso de consolidación de compuesto de XTEK Limited's XTclave™. El laminado se extrae posteriormente de la bolsa de plástico desechable sellada térmicamente mencionada, la membrana de silicona mencionada y el dispositivo mencionado y se somete típicamente a procesos de acabado.
De preferencia, la sección circunferencial mencionada, la sección perfilada de cierre mencionada y la sección de sello mencionada se construyen a partir de materiales rígidos y resistentes, como metales, aleaciones metálicas o compuestos. De preferencia adicional, estos materiales deberían tener una conductividad térmica favorable. Varias modalidades exitosas de la invención han utilizado aleación de acero (AS 1444-1996-4140), aleación de aluminio (ASTM B 209 6061-T6) y matriz de resina epoxi reforzada con fibra de carbono (Compuestos de GMS EP-250) diseñadas para aplicaciones de herramientas de compuesto resistente a alta temperatura. Se ha encontrado ventajoso emplear un lubricante, como grasa de litio que contiene disulfuro de molibdeno, para ayudar al movimiento entre la sección de sello mencionada y la sección circunferencial mencionada.
De preferencia, la sección circunferencial de la pared lateral no es circular.
De preferencia, la aplicación de presión al dispositivo actúa para cerrar las interfaces entre la sección circunferencial mencionada y la sección de sello mencionada y la sección perfilada de cierre. De preferencia adicional, se diseña la sección de sello mencionada para deformarse elásticamente bajo presión para mantener contacto con la sección circunferencial mencionada. Aprovechar la presión aplicada para energizar las acciones de sello mejora la función y confiabilidad.
Sujeto a la fluidez del laminado sometido a la consolidación de compuesto con ISPS, puede ser ventajoso colocar una membrana entre la sección de sello mencionada y el laminado. De preferencia, esta membrana mencionada se extiende sobre toda la superficie del laminado. Esta membrana mencionada funciona para minimizar el marcado del laminado en el perímetro de su interfaz con la sección de sello mencionada. Varias modalidades exitosas de la invención han utilizado materiales delgados (0,2 mm) de latón (Aleación C26000,) y policarbonato (0,5 mm) para esta membrana mencionada. Lo más importante, es que esta membrana debe ser suficientemente suave para transferir la presión aplicada al laminado expuesto y sin una pérdida significativa de su naturaleza isostática.
En una forma adicional (que no forma parte de la invención) hay un molde para un artículo balístico mediante la consolidación de una pila laminada, el molde que incluye;
una sección de sello deslizante, y
una sección de perfil de base que tiene una pared lateral circunferencial que se extiende hacia arriba con una cara interna y una superficie de perfil de base;
la pared lateral circunferencial que se extiende hacia arriba que tiene una dimensión interna que es mayor que la dimensión externa de la pila laminada a consolidar;
en donde la sección de sello deslizante forma un ajuste deslizante con la cara interna de la pared lateral circunferencial que se extiende hacia arriba.
De preferencia, la sección de sello protege los lados laterales de la pila laminada de la presión externa.
De preferencia, la dimensión interna de la pared lateral circunferencial que se extiende hacia arriba de la sección de perfil de base está entre 0,001 mm y 25 mm mayor que la dimensión externa de la pila laminada a consolidar.
De preferencia, la sección de sello es un anillo o banda.
De preferencia, la sección de sello deslizante es un anillo o una banda que tiene un perfil en ángulo.
De preferencia, la sección de sello deslizante es un anillo o una banda que tiene un perfil biselado.
De preferencia, la sección de sello deslizante es un anillo o una banda que tiene un perfil en forma de "L".
De preferencia, la sección de sello es un aro o banda que tiene un perfil sustancialmente constante.
De preferencia, la sección de sello es deformable.
De preferencia, la sección de perfil de base es de dos piezas.
De preferencia, la sección de perfil de base es de dos piezas, que incluye una sección de perfil de base y una sección circunferencial de la pared lateral.
De preferencia, el molde es una herramienta de moldeo.
La presente invención proporciona un proceso para la preparación de un artículo moldeado de acuerdo con la reivindicación 1.
De preferencia, el artículo moldeado es un artículo balístico.
De preferencia, la sección de sello es deformable.
De preferencia, la pila de material laminado tiene una superficie superior, una superficie inferior y una superficie lateral. De preferencia se evita que se aplique la presión isostática a la superficie lateral del material laminado.
Breve descripción de los dibujos
Sólo a modo de ejemplo / ilustración, se describe una modalidad de la invención con referencia a las figuras acompañantes, en las que:
La Figura 1 es una vista en perspectiva de una primera modalidad de la invención;
La Figura 2 es una vista en perspectiva despiezada de la modalidad mostrada en la Figura 1;
La Figura 3A es una vista en perspectiva en sección transversal de la Figura 1 a lo largo de A-A, sin una pila laminada en su lugar;
La Figura 3B es una vista en perspectiva en sección transversal de la Figura 1 a lo largo de A-A, con una pila laminada en su lugar;
La Figura 4 es una vista seccionada parcial de una sección lateral de la presente invención con una pila laminada en su lugar;
La Figura 5 es una vista seccionada parcial de una segunda modalidad de la invención con una pila laminada en su lugar;
La Figura 6 es una vista seccionada parcial de una tercera modalidad de la invención con una pila laminada en su lugar;
La Figura 7 es una vista seccionada parcial de una cuarta modalidad de la invención con una pila laminada en su lugar.
Descripción
El término "pila laminada" como se utiliza en la presente descripción se refiere a una pila de material, como material balístico o láminas de laminado balístico apiladas una encima de la otra para formar un montón o pila.
El término "preimpregnado" como se utiliza en la presente descripción se refiere a un material de tela, como material balístico de láminas de laminado balístico, que se ha preimpregnado con un sistema o matriz de resina.
Con referencia a la Figura 1, se muestra un aparato o molde de consolidación de compuesto (100) de la presente invención cuando se ensambla, la sección circunferencial (1) se ajusta perfectamente sobre la superficie de perfil de base que se extiende hacia arriba (39), siendo un ajuste apretado entre las caras (40) y (36) de la sección circunferencial. A continuación, se coloca una pila laminada (4) dentro de la abertura (37), con el tamaño de la pila laminada (4) que es menor que la abertura de manera que hay entre 0 mm y 25 mm entre un lado lateral (41) de una pila laminada del material preimpregnado (4) y la superficie interna (36) de la sección circunferencial (1). La Figura 4, por ejemplo, muestra una separación de > 0 mm entre la cara interna (36) de la sección circunferencial (1) y la cara del lado lateral (41) de la pila laminada (4).
A continuación, la sección de sello (3) se ajusta perfectamente en la abertura (37) de la sección circunferencial (1), con un ajuste deslizante entre la cara externa (28) de la sección de sello (3) y la cara interna (36) de la sección circunferencial (1). Este ajuste cerrado entre la sección de sello (3) y la sección circunferencial (1) puede observarse en las Figuras 3 y 4.
Con referencia a la Figura 2, que es, el aparato de molde (100) incluye una sección de sello (3), una sección circunferencial (1) y una sección de perfil (sección de base) (2). La sección de sello (3) se conforma para formar un ajuste deslizante dentro de la sección circunferencial (1), la cual a su vez se conforma para encajar con una porción de la sección de perfil (sección de base) (2).
La sección de sello (3) tiene una superficie externa (28), una superficie interna (31), un borde superior (29), un borde inferior (30) y una abertura (34). La superficie interna (31) tiene caras inclinadas biseladas (32) y (33), para proporcionar un perfil sustancialmente constante alrededor del aro o banda, que en esta modalidad es un perfil biselado o en ángulo pero también puede ser un perfil en forma de "L" como se muestra en las Figuras 5 y 7. La superficie externa (28) se conforma para coincidir con una superficie interna (36) de la sección circunferencial (1) para proporcionar un ajuste deslizante apretado cuando la sección de sello (3) se inserta en la sección circunferencial (1). La sección de sello (3) puede fabricarse a partir de un material deformable, de manera que cualquier presión aplicada a la sección de sello (3) puede generar un sello energizado entre ella misma y la superficie interna (36) de la sección circunferencial (1).
La sección circunferencial (1) incluye una superficie externa (35) y una superficie interna (36), ambas que son paralelas entre s í. La abertura (37) tiene una forma coincidente con la superficie externa (28) de la sección de sello (3) para permitir que la sección de sello (3) se inserte en la misma.
La sección de perfil (sección de base) (2) tiene una sección de brida (38) alrededor de su perímetro de manera que la sección circunferencial (1) puede colocarse directamente sobre la superficie de brida (38) de manera que una porción de la cara interna (36) se apoya, o es contigua con, la cara (40) de la sección de perfil (2) con un ajuste apretado. La superficie (39) de la sección de perfil (sección de base) (2) lleva la forma de una cara del artículo balístico que va a producirse. La superficie (39) puede ser lisa o con patrón como sea necesario. Como se muestra en la Figura 5, la superficie (39) es ligeramente cóncava para crear un artículo balístico curvado. Se considera que otras formas caen dentro del alcance de la presente invención.
Se muestra una sección transversal del aparato o molde de consolidación de compuesto (100) en la Figura 3A, que se encuentra a lo largo de las líneas A-A de la Figura 1. El aparato o molde de consolidación de compuesto (100) en la Figura 3A no tiene ninguna pila laminada en su lugar y muestra la disposición de la sección circunferencial (1) con la sección de sello (3) insertada de forma deslizante de manera que se ajusta contra la superficie interna (36). La Figura 3B es la misma vista que la Figura 3A con una pila laminada (4) en su lugar. La pila laminada (4) tiene una superficie superior o superior (54), una superficie inferior (55) y superficies laterales (41). Cuando la sección circunferencial (1) y la sección de perfil (sección de base) (2) se colocan juntas la pila laminada (4) se coloca en la abertura (37) de la sección circunferencial (1) de manera que la cara inferior (55) de la pila laminada (4) descansa contra la superficie (39) de la sección de perfil (sección de base) (2).
A continuación, la sección de sello (3) se inserta en la abertura (37) de la sección circunferencial (1) y se deja expuesta una porción de la superficie superior (54) de la pila laminada (4). El diámetro interno de la abertura (37) de la sección circunferencial (1) es igual a o mayor que un diámetro externo de la pila laminada (4). Cuando el diámetro externo de la pila laminada (4) es menor que el diámetro interno de la abertura (37) de la sección circunferencial (1) se forma un vacío sellado (5).
El aparato o molde de consolidación de compuesto ensamblado (100) con la pila laminada (4) en su lugar a continuación se inserta en una membrana de silicona flexible (6), se sella al vacío y en una bolsa de plástico protectora (7) y a continuación se coloca en un aparato de consolidación adecuado como una autoclave de alta presión, la presión resultante aplicada a continuación puede ejercer presión isostática sobre la superficie superior (54) de la pila laminada (4) así como contra la superficie inclinada biselada (31) de la sección de sello (3) por lo tanto se proporciona un blindaje de presión lateral isostática a los lados (41) de la pila laminada (4). Como tal, bajo condiciones de consolidación (presión y calor) el exceso de material de matriz (resina) se fuerza hacia los lados (41) de la pila laminada (4) y hacia el vacío sellado (5) por lo tanto se evita que la presión isostática se aplique a los lados (41) de la pila laminada (4) mediante las condiciones de consolidación.
Con referencia a la Figura 4, esta muestra una vista seccionada parcial del aparato o molde de consolidación de compuesto isostático (100) de la presente invención, que muestra el dispositivo o aparato o molde de consolidación de compuesto, compuesto por la sección circunferencial (1), la sección perfilada de cierre (2) y la sección de sello (3), que contiene la pila laminada (4). El vacío sellado (5) es evidente. El dispositivo se contiene dentro de una membrana de silicona de dos partes (6) que se contiene dentro de una bolsa de plástico sellada (7). Esta forma de la invención es modular en el sentido de que permite emplear versiones alternativas de la sección perfilada de cierre (2); necesario cuando se consolidan pilas laminadas de grosores variados.
La Figura 5 es una vista seccionada parcial de una segunda modalidad de la invención, que muestra el dispositivo, compuesto por la sección circunferencial combinada con la sección perfilada de cierre (8) y la sección de sello (9), que contiene la pila laminada (10). El vacío sellado (11) es evidente. El dispositivo se contiene dentro de una membrana de silicona (12) que se contiene dentro de una bolsa de plástico sellada (13). Esta modalidad de la invención es compacta, aunque no modular; siendo específica para un grosor de pila laminada.
La Figura 6 es una vista seccionada parcial de una tercera modalidad de la invención, que muestra el dispositivo, compuesto por la sección circunferencial combinada con la sección de sello de perfil en forma de L (14) y la sección perfilada de cierre (15), que contiene la pila laminada (16). El vacío sellado (17) es evidente. Un anillo de sello adicional (18), fabricado a partir de un material de sello adecuado como goma u otro material deformable, se coloca en una cara trasera de la sección perfilada de cierre (15) para crear un sello firme entre la sección perfilada de cierre (15) y la sección de sello de perfil en forma de L (14). El dispositivo se contiene dentro de una membrana de silicona de dos partes (19) que se contiene dentro de una bolsa de plástico sellada (20). Esta forma de la invención es compacta y modular.
La Figura 7 es una vista seccionada parcial de una cuarta modalidad de la invención, que muestra el dispositivo, compuesto por la sección circunferencial combinada con la sección perfilada de cierre (2 l) y la sección de sello (22), que contiene la pila laminada (23). Una membrana de sello plana (24) se coloca entre la sección de sello (22) y la pila laminada (23) para crear un efecto de sello entre la sección de sello (22) y la pila laminada (23). La membrana de sello plana (24) puede utilizarse en conjunto con cualquiera de las formas de la presente invención como se describe para mejorar el efecto de sello mencionado entre la pila laminada y cualquier superficie de sello adyacente. El vacío sellado (25) es evidente. El dispositivo se contiene dentro de una membrana de silicona (26) que se contiene dentro de una bolsa de plástico sellada (27). Esta modalidad de la invención emplea una membrana adicional (24) para minimizar el marcado de la pila laminada (23) en el perímetro de su interfaz con la sección de sello (22).
Los artículos balísticos formados por la presente invención han demostrado tener una resistencia balística significativamente mejorada en comparación con artículos balísticos similares producidos mediante procesos y equipos conocidos de presión isostática al permitir que el exceso de material de matriz preimpregnado se expulse del cuerpo principal de la pila laminada. En adición, los artículos balísticos formados por la presente invención también son más delgados y más ligeros que aquellos producidos por otros procesos isostáticos, por lo tanto, se proporciona una mejora significativa respecto a lo que ya se conoce.

Claims (3)

REIVINDICACIONES
1. Un proceso para la preparación de un artículo moldeado que Incluye las etapas de:
formar una pila de material laminado;
proporcionar un medio de presurización isostática;
colocar la pila de material laminado en un molde (100), el molde (100) que tiene una sección de sello deslizante (3), y una sección de perfil de base (2) que tiene una pared lateral circunferencial que se extiende hacia arriba con una cara Interna (36) y una superficie de perfil de base (39); la pared lateral circunferencial que se extiende hacia arriba de la sección de perfil de base (2) que tiene una dimensión Interna que es mayor que una dimensión externa de la pila laminada a consolidar;
colocar el molde (100) en una membrana flexible;
colocar el molde (100) en una bolsa de plástico y sellar;
aplicar una presión Isostática a las superficies externas de la sección de sello deslizante (3);
en donde la sección de sello deslizante (3) forma un ajuste deslizante con la cara interna (36) de la pared lateral circunferencial que se extiende hacia arriba bajo la presión isostática.
2. El proceso de consolidación de compuesto isostático, de acuerdo con la reivindicación 1, en donde la sección de sello es deformable.
3. El proceso de consolidación de compuesto isostático, de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1-2, en donde la pila de material laminado tiene una superficie superior, una superficie inferior y una superficie lateral, y en donde se forma un vacío sellado entre la pared lateral circunferencial que se extiende hacia arriba de la sección de perfil de base (2) y la superficie lateral de la pila de material laminado.
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