ES2963948T3

ES2963948T3 - Procedimiento para producir un compuesto de moldeo reforzado con fibra de carbono

Info

Publication number: ES2963948T3
Application number: ES18839199T
Authority: ES
Inventors: Vii Johnston
Original assignee: Aerlyte Inc
Current assignee: Aerlyte Inc
Priority date: 2017-07-24
Filing date: 2018-05-22
Publication date: 2024-04-03
Anticipated expiration: 2038-05-22
Also published as: CN111497180B; US10576662B2; EP3638726C0; US10011048B1; EP4273195A2; EP3638726A4; US20190022897A1; US20190248044A1; PL3638726T3; EP4273195A3; MX2020000907A; US10011049B1; US20190022896A1; CN111497179B; EP3638726A1; CN111497180A; JP2020528845A; JP7156766B2; EP3638726B1; CN110997761A

Abstract

Compuestos de moldeo reforzados con fibras y métodos de formación y uso de los mismos. Un método puede incluir dosificar en una corriente fundida un material compuesto que incluye filamentos de refuerzo preimpregnados y un segundo material polimérico (que podría tener una segunda temperatura de fusión mayor que la del primer material polimérico). Otro método puede incluir dosificar en una corriente fundida un material compuesto que incluye filamentos de refuerzo de carbono preimpregnados con un material polimérico. Otro método más puede incluir la impregnación previa de filamentos de refuerzo de carbono con un material polimérico fuera de un proceso de extrusión para formar hebras preimpregnadas. Otro método puede incluir preimpregnar filamentos de refuerzo con un material polimérico fuera de un proceso de extrusión para formar una cinta preimpregnada. Un método adicional puede incluir formar escamas preimpregnadas de una o más formas predeterminadas que incluyen filamentos de refuerzo preimpregnados con un material polimérico. El material polimérico puede proteger al menos el 30% de los filamentos de refuerzo. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Procedimiento para producir un compuesto de moldeo reforzado con fibra de carbono

CAMPO TÉCNICO

[0001] La presente divulgación se refiere a un procedimiento para formar compuestos de moldeo reforzados con fibra.

ANTECEDENTES

[0002] Los compuestos reforzados con fibra incluyen generalmente dos componentes principales: un material polimérico que compone el material matriz y un material de refuerzo. El material polimérico puede ser una resina pura, una mezcla, un compuesto o una combinación de los mismos. El material polimérico puede incluir aditivos, cargas, estabilizantes, pigmentos y/u otros constituyentes. El material de refuerzo puede ser una fibra que puede incluir un agente de apresto.

[0003] Típicamente, el material polimérico y el material de refuerzo tienen diferentes propiedades, de modo que cuando se combinan se forma un material compuesto que tiene propiedades intermedias. Por ejemplo, el material polimérico puede tener una resistencia relativamente baja pero puede tener propiedades de alargamiento relativamente altas, mientras que el material de refuerzo puede ser muy fuerte pero relativamente quebradizo. Una pieza de plástico compuesto derivada de un material compuesto puede tener una resistencia que es mayor que la resistencia del material polimérico al tiempo que también es relativamente resistente en comparación con el material de refuerzo.

[0004] El moldeo por inyección es uno de los procedimientos más ampliamente utilizados para la producción de piezas de plástico compuesto. Un procedimiento común de moldeo por inyección utiliza pastillas de longitud finita, que se preparan de antemano y se dispensan en una máquina de moldeo por inyección. Dichas pastillas pueden ser materiales compuestos que incluyen fibras preimpregnadas donde una resina humedece o impregna sustancialmente cada fibra individual, también denominada filamento en esta solicitud. De forma alternativa, dichas pastillas pueden incluir constituyentes de un material compuesto dosificados juntos en forma de pastillas recubiertas con alambre, donde la resina encapsula el exterior de una masa de fibras de refuerzo sin impregnación o empapamiento sustancial, lo que requiere una mezcla significativa dentro de una extrusora para lograr un empapamiento e impregnación sustanciales. Las pastillas de fibra corta incluyen fibras mezcladas aleatoriamente en un material polimérico (por ejemplo, resina). Las pastillas de fibra larga pueden incluir fibras unidireccionales. La longitud de las pastillas puede limitarse típicamente a 25,4 mm (una (1) pulgada) o menos, debido a dificultades para transportar y dispensar pastillas de mayores longitudes. Las pastillas se alimentan a una extrusora de una máquina de moldeo por inyección. Al mismo tiempo, se pueden alimentar otros tipos de pastillas a la máquina de moldeo por inyección para introducir una funcionalización pertinente en el material compuesto resultante. Otros tipos de pastillas incluyen pastillas de resina pura, por ejemplo pastillas que solo incluyen polímeros principales identificados y, opcionalmente, pequeñas cantidades fraccionarias de estabilizadores y/o aditivos, y pastillas que contienen resina combinadas con aditivos y/o cargas. Las pastillas se introducen en la extrusora en un estado frío y sólido para evitar que las pastillas se peguen entre sí y/o bloqueen la alimentación en la extrusora. Después de dispensar las pastillas en la extrusora, las pastillas se someten a un cizallamiento considerable por parte de la extrusora para calentar y fundir la resina, ya que las pastillas también se mezclan y homogeneizan para formar un compuesto uniforme (por ejemplo mediante moldeo o extrusión). El cizallamiento, la interfase sólida-fundida y/o las fuerzas de fricción durante este procedimiento (plastificación) reducen significativamente la longitud de la fibra.

[0005] Una forma alternativa de moldeo por inyección incluye un procedimiento de composición en línea donde hileras secas de fibras de refuerzo de vidrio (por ejemplo, no empapadas por ningún polímero, salvo posiblemente un apresto) se exponen a resina y/o se introducen en un flujo fundido de resina que requiere una mezcla significativa dentro de una extrusora para lograr un empapamiento e impregnación sustanciales. En este procedimiento, la fibra se dispersa dentro y se humedece por la resina y se corta si es necesario, seguido de mezcla y/u homogeneización, formando un compuesto de densidad uniforme para su inyección en un molde para producir piezas moldeadas por inyección.

[0006] El moldeo por compresión es otro procedimiento utilizado para producir piezas de plástico, donde un compuesto de moldeo se coloca en una cavidad de molde abierta con temperatura controlada, evitando el sistema de canales de colada típicamente requerido por el moldeo por inyección y reduciendo la exposición al cizallamiento de las fibras. El molde se cierra y se aplica presión para empujar el compuesto de moldeo hacia todas las áreas de la cavidad del molde. Durante esta etapa, la temperatura y la presión se mantienen para curar un compuesto de moldeo termoendurecible o solidificar un compuesto de moldeo termoplástico. El moldeo por compresión se puede usar para moldear piezas reforzadas con fibra intrincada y de alta resistencia. Los materiales que comprenden el compuesto de moldeo se pueden cargar en el molde ya sea en forma de escamas termoplásticas (que deben fundirse dentro y posteriormente enfriarse mediante el molde), un extrudido de compuesto de moldeo termoendurecible o termoplástico a granel, láminas de compuesto de moldeo termoendurecible o termoplástico, o combinaciones de formatos.

[0007] Una forma alternativa de moldeo por compresión incluye una opción de composición en línea conocida en la industria como LFT-D (termoplástico de fibra larga - directo). Nuevamente, el compuesto de moldeo de plástico compuesto en forma de un extrudido se produce en línea, en el que hileras secas de fibras de refuerzo de vidrio se exponen a la resina y/o se introducen en un flujo fundido de resina que requiere una mezcla significativa dentro de una extrusora para lograr un empapamiento e impregnación sustanciales. La fibra se dispersa dentro y se humedece por la resina y se corta si es necesario, mezclándose y/u homogeneizándose en un compuesto uniforme que moldear. En LFT-D, el compuesto fundido se introduce directamente en el molde de compresión.

[0008] También se utilizan varios procedimientos de extrusión para producir directamente piezas de plástico. Dichos procedimientos se pueden usar para extrudir un producto conformado a partir de un compuesto de moldeo. La extrusión se utiliza para crear piezas con un perfil de sección transversal fijo. Un material compuesto o polimérico en forma de pastillas se alimenta a una extrusora que calienta y ablanda el material compuesto o polimérico. El compuesto de moldeo se expulsa a través de una boquilla, posiblemente en agua fría que solidifica el producto extrudido. La extrusión se puede utilizar para crear secciones transversales muy complejas que tienen excelentes acabados de superficie.

[0009] El moldeo por soplado es otro procedimiento utilizado para producir piezas de plástico. El moldeo por soplado se utiliza para fabricar piezas de plástico huecas. El procedimiento de moldeo por soplado comienza típicamente con la preparación de un compuesto de moldeo a partir de pastillas y su conformación en un parisón. El parisón es una pieza tubular de material fundido con un orificio en un extremo a través del cual puede pasar el aire comprimido. A continuación, el parisón se sujeta en un molde y se sopla aire en él. La presión del aire empuja el material fundido hacia afuera para que se adapte al molde. Una vez que el material fundido se ha enfriado y endurecido, el molde se abre y la pieza de plástico se expulsa.

El documento US 5879 602 A divulga un aparato para impregnar hebras fibrosas con material plástico como material matriz, que incluye: un núcleo de impregnación que tiene una superficie limitante exterior; una carcasa de impregnación que define una cavidad en la misma que tiene una superficie limitante interior, donde la carcasa de impregnación envuelve completamente el núcleo de impregnación y está dispuesta con respecto al núcleo de impregnación de tal manera que las superficies limitantes definen conjuntamente un canal de impregnación entre las mismas.

El documento US 6 419 864 BI se refiere a un procedimiento de preparación de termoplásticos cargados, modificados y reforzados con fibra que se distingue por el hecho de que el polímero como material matriz, junto con el polímero de mezcla, se alimenta a una extrusora de doble tornillo en un único procedimiento de fabricación, suministrándose la carga a través de un dispositivo alimentador después de la fusión. A continuación, mechas de fibra se alimentan y se cortan en secciones de fibra largas en una zona de incorporación de fibra.

El documento US 6221293 BI divulga un procedimiento para producir un compuesto a partir de un material plástico con incrustación de fibra fija usando una extrusora de tipo tornillo calentada en la que los filamentos se estiran mediante estirado automático, se cortan y se mezclan allí y posteriormente se retiran como un compuesto de fibra acabado.

El documento US 6238733 BI proporciona un procedimiento para producir composiciones poliméricas reforzadas con fibra y una extrusora de plastificación para llevar a cabo el procedimiento. El procedimiento incluye hacer pasar la hebra de fibra a lo largo de al menos una boquilla de recubrimiento en una abertura de alimentación; enrollar la hebra de fibra sobre y alrededor de al menos un árbol de extrusora; estirar la hebra de fibra en los orificios de cilindro de un cilindro roscado; aplicar un polímero líquido sobre un primer lado plano de la hebra de fibra desde la primera boquilla de recubrimiento; presionar un segundo lado de la hebra de fibra formando una película de polímero líquido que ya se aplicó en el árbol roscado; y alimentar la hebra de fibra impregnada de polímero en cilindros roscados en una zona de descarga y transporte.

RESUMEN

[0010] Se divulgan realizaciones dirigidas a un procedimiento de formación de un compuesto de moldeo reforzado con fibra. La invención se refiere a un procedimiento como se define en la reivindicación de patente 1. Se describe adicionalmente, y no según la invención, un procedimiento que puede incluir dosificar en un flujo fundido un material compuesto que incluye filamentos de refuerzo preimpregnados y un segundo material polimérico (que podría tener una segunda temperatura de fusión mayor que el primer material polimérico). Otro procedimiento descrito y no según la invención puede incluir dosificar en un flujo fundido un material compuesto que incluye filamentos de refuerzo de carbono preimpregnados con un material polimérico. Aún otro procedimiento descrito y no según la invención puede incluir preimpregnar filamentos de refuerzo de carbono con un material polimérico fuera de línea de un procedimiento de extrusión para formar hebras preimpregnadas. Otro procedimiento descrito y no según la invención puede incluir preimpregnar filamentos de refuerzo con un material polimérico fuera de línea de un procedimiento de extrusión para formar una cinta preimpregnada. Un procedimiento adicional descrito y no según la invención puede incluir la formación de escamas preimpregnadas de una o más conformaciones predeterminadas que incluyen filamentos de refuerzo preimpregnados con un material polimérico. El material polimérico protege al menos un 30 % de los filamentos de refuerzo.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

[0011] La figura 1 representa una vista esquemática de un sistema de extrusión para moldeo por compresión.

[0012] La figura 2A representa una vista superior de un material de cinta de hebra continua.

[0013] La figura 2B representa una vista lateral del material de cinta de hebra continua mostrado en la figura 2A.

[0014] La figura 3 representa una vista esquemática de un sistema de calentamiento.

[0015] La figura 4 representa una vista superior de una hebra preimpregnada dividida en escamas preimpregnadas.

[0016] La figura 5 representa una vista esquemática de un dispositivo de corte para dividir una hebra preimpregnada de un formato de cinta en escamas preimpregnadas.

[0017] Las figuras 6A, 6B y 6C representan vistas esquemáticas de diferentes esquemas para dividir la hebra preimpregnada de un formato de cinta en escamas.

[0018] La figura 7 representa una vista esquemática de un sistema de extrusión para moldeo por compresión.

[0019] La figura 8 representa un sistema de extrusión.

[0020] La figura 9A representa un sistema de extrusión.

[0021] Las figuras 9B, 9C, 9D y 9E representan ejemplos de secciones transversales de una hebra continua preimpregnada.

[0022] La figura 10 representa un sistema de extrusión.

DESCRIPCIÓN DETALLADA

[0023] Las realizaciones de la presente divulgación se describen en esta solicitud. Las figuras no están necesariamente a escala; algunas características podrían exagerarse o minimizarse para mostrar detalles de componentes particulares.

[0024] El término "aproximadamente" puede usarse en esta solicitud para describir realizaciones divulgadas o reivindicadas. El término "aproximadamente" puede modificar un valor divulgado o reivindicado en la presente divulgación. En tales casos, "aproximadamente" puede significar que el valor que modifica está dentro de ± un 0 %, un 0,1 %, un 0,5 %, un 1 %, un 2 %, un 3 %, un 4 %, un 5 % o un 10 % del valor.

[0025] Como se describió anteriormente, durante la composición de un material reforzado con fibras, las fibras pueden estar sujetas a acciones de cizallamiento y mezcla. Por ejemplo, cuando se usan pastillas preformadas, la interfase sólida-fundida durante la plastificación reduce significativamente la longitud de la fibra. Las pastillas que aún no se han fundido (por ejemplo, aún sólidas) pueden entrar en contacto con las fibras de la masa fundida, lo que puede causar daños y/o rotura de las fibras. Esta rotura puede reducir la longitud de las fibras de la masa fundida y, en última instancia, del producto final. En general, la longitud de las fibras en el producto final puede corresponder proporcionalmente a la calidad o las propiedades del producto final. Por ejemplo, si se incluye una fibra de alta resistencia (por ejemplo, resistencia a la tracción) en un material compuesto, la resistencia global del producto final es típicamente mayor cuanto mayor sea la longitud retenida de las fibras incluidas.

[0026] Si bien el daño en la fibra y la longitud de la fibra pueden ser factores importantes para todas las fibras de refuerzo, algunos tipos de fibras son más robustos que otros. Las fibras de carbono, aunque son fuertes y rígidas, también son, en general, bastante frágiles en comparación con, por ejemplo, las fibras de vidrio. Por lo tanto, las fibras de carbono pueden ser particularmente susceptibles al daño por cizallamiento debido a la mezcla o fricción entre las fibras secas y/o la interfase sólida-fundida para la composición de las pastillas. Cuando se introducen hileras secas o hileras encapsuladas en resina con una impregnación o empapamiento insignificante en un flujo fundido, tal como durante la composición en línea para el moldeo por inyección o compresión, la fricción entre las fibras secas, así como el trabajo requerido para dispersar y humedecer las fibras de carbono dentro del flujo fundido, a menudo da como resultado un daño grave en las fibras de carbono y una reducción grave de la longitud de las fibras. Como se describió anteriormente, este daño y rotura pueden reducir considerablemente el rendimiento mecánico de las piezas moldeadas. Además, la fricción entre fibras, así como el calentamiento por fricción a concentraciones de fibra más altas, pueden degradar térmicamente la resina o iniciar prematuramente el curado (resinas termoendurecibles). Las hileras de fibra de carbono sin ninguna preimpregnación muestran un daño significativo de la fibra de tan solo un 10 % de la fracción de volumen (Vf). Cuando la fracción de volumen aumenta de un 20 % a un 30 %, la resistencia a la tracción disminuye. Se ha demostrado que una fracción de volumen superior a un 40 % no es sostenible debido a la generación incontrolada de calor debido a la fricción que causa la degradación de la resina.

[0027] Por consiguiente, todavía se necesitan materiales, sistemas y procedimientos para reducir el daño en las fibras de refuerzo. En particular, enfoques que reducen el daño en la fibra de carbono y permiten longitudes de fibra más largas en la pieza de material compuesto terminada serían beneficiosos. En una o más realizaciones de esta solicitud, se proponen varios enfoques que usan material compuesto preimpregnado, que incluye fibras de refuerzo producidas fuera de línea a partir del procedimiento de extrusión y en condiciones de funcionamiento precisas y cuidadosas, que reducen el daño en la fibra y aumentan la longitud de la fibra, especialmente para la fibra de carbono. Se describe, pero no según la invención, que una hebra continua de material compuesto preimpregnado que incluye fibras de refuerzo puede usarse como una parte o la totalidad del compuesto de moldeo. En la invención, un material compuesto preimpregnado que tiene una relación muy alta entre el área y el grosor se puede usar como una porción o la totalidad del compuesto de moldeo como una escama, por ejemplo. En la invención, un material compuesto preimpregnado se introduce en un flujo fundido establecido. El flujo fundido puede incluir uno o más polímeros, aditivos, cargas y/u otros constituyentes. Estos enfoques se pueden combinar además para crear procedimientos adicionales que tengan los beneficios de cada enfoque o beneficios sinérgicos.

[0028] Con referencia a la figura 1, se muestra un esquema de un sistema de extrusión 10 para moldeo por compresión. El sistema 10 puede incluir una extrusora 12, que puede ser una extrusora de tornillo. La extrusora 12 puede incluir un solo tornillo 14 o puede ser una extrusora de doble tornillo. La extrusora 12 puede incluir un orificio de entrada 16 para recibir un material de partida, por ejemplo una hebra continua preimpregnada 18 no según la invención, en una porción o extremo trasero 20 de la extrusora 12. El/los tornillo(s) 14 puede(n) hacer avanzar la hebra continua preimpregnada 18 dentro de la extrusora y girar, cortar, mezclar, cizallar y/o calentar el material compuesto a medida que se desplaza para preparar un compuesto de moldeo 22 en el momento en que el material llega a una porción o extremo delantero 24 de la extrusora 12.

[0029] El extremo delantero 24 de la extrusora 12 puede incluir una boquilla 26, que puede definir una abertura en la misma. El compuesto de moldeo 22 puede empujarse a través de la boquilla 26 bajo la presión del/de los tornillo(s) 14. En el caso de un sistema de moldeo por compresión, como se muestra en la figura 1, la boquilla 26 puede formar el compuesto de moldeo 22 como preformas 28. Las preformas 28 pueden alimentarse a continuación a una prensa de compresión 30 que tiene un molde 32. Las preformas 28 se pueden transportar al molde 32 de cualquier manera adecuada, incluida la extrusión directa en el molde o mediante inyección desde una pistola de inyección. Las preformas 28 se pueden transportar desde la extrusora 12 a la prensa 30 a través de una cinta transportadora 34. A continuación, las preformas 28 pueden cargarse en el molde 32 usando cualquier manera adecuada, por ejemplo mediante un robot 36, como se muestra. Las preformas 28 pueden estar en un estado fundido y flexible cuando se cargan en el molde 32, de modo que cuando el molde 32 se cierra, la preforma 28 se adapta a la cavidad del molde 32 y adopta la conformación de la cavidad del molde correspondiente a una conformación de pieza deseada. Para los compuestos de moldeo termoplásticos, el molde 32 puede incluir canales de enfriamiento en el mismo para acelerar el enfriamiento de la pieza. Después de que la pieza se haya formado y enfriado lo suficiente para mantener su conformación, se puede expulsar del molde 32. Para los compuestos de moldeo termoendurecibles, el molde 32 puede incluir canales de calentamiento en el mismo para acelerar el curado químico del material, tras lo cual la pieza puede expulsarse del molde en un estado rígido.

[0030] La hebra continua preimpregnada 18 puede incluir un material polimérico y fibras de refuerzo. El material polimérico puede ser un material polimérico termoplástico o termoendurecible. El material polimérico se puede adaptar al procedimiento para producir la hebra continua preimpregnada 18. Por ejemplo, se pueden usar resinas de mayor flujo de fusión y menor viscosidad para facilitar el empapamiento e impregnación de las fibras.

[0031] Las fibras pueden ser cualquier material de refuerzo adecuado, tal como fibra de carbono, fibra de vidrio, fibras sintéticas (por ejemplo, aramida o polietileno de peso molecular ultraalto (UHMWPE)), fibras naturales o cualquier combinación de los mismos. El factor de forma de las fibras, tal como tamaño y número, puede depender del tipo de fibra. Por ejemplo, las fibras de carbono pueden agruparse, en general, en una hilera de fibras, que puede incluir miles de filamentos de carbono individuales (por ejemplo, 1k, 3k, 6k, 12k, 24k, 50k u otros tamaños, donde "k" representa 1000).

[0032] La hebra continua preimpregnada 18, no según la invención, puede estar en el formato de una cinta o cordón (por ejemplo, con una sección transversal circular o elíptica). Como se muestra en las figuras 2A y 2B, una cinta continua preimpregnada 46 incluye fibras continuas 42 dentro de un material polimérico 44. Como se usa en esta solicitud, las fibras continuas pueden ser aquellas que no se rompen a lo largo de una longitud o anchura de la cinta continua preimpregnada 46. Las fibras 42 pueden disponerse sustancialmente en una sola dirección, que puede ser paralela a la longitud de la cinta continua preimpregnada 46 (por ejemplo, como se muestra en la figura 2A). De forma alternativa, las fibras pueden tener una longitud finita o una combinación de longitud finita y fibras continuas. La longitud de la cinta continua preimpregnada 46 puede ser una cualquiera de los siguientes valores o estar dentro de un intervalo de dos cualesquiera de los siguientes valores: 0,01, 0,1, 1, 2, 3, 4, 5, 10, 50 o 100 kilómetros. Grandes longitudes de la hebra continua preimpregnada se pueden recoger en un rollo o carrete. Una porción de una cinta continua preimpregnada desenrollada 46 se muestra en una vista superior en la figura 2A y en una vista lateral en la figura 2B. La cinta continua preimpregnada 46 puede tener una anchura relativamente grande (W) (figura 2A) y un grosor relativamente pequeño (T) (figura 2B). W puede ser uno cualquiera de los siguientes valores o estar dentro de un intervalo de dos cualesquiera de los siguientes valores: 6, 60, 120, 180, 240, 300, 360, 420, 480, 540 y 600 milímetros. T puede ser uno cualquiera de los siguientes valores o estar dentro de un intervalo de dos cualesquiera de los siguientes valores: 0,05, 0,1, 0,2, 0,3, 0,4, 0,5 y 1,0 milímetros.

[0033] Las fibras 42 de la cinta continua preimpregnada 46 pueden humedecerse e impregnarse sustancialmente con el material polimérico 44. Como se usa en esta solicitud, sustancialmente empapado e impregnado puede describir un material en el que cada filamento está significativamente recubierto por un material polimérico o está protegido de otro filamento a través de aislamiento mediante un material polimérico. Sustancialmente empapado e impregnado puede significar que prácticamente todos los filamentos están significativamente recubiertos o protegidos por el material polimérico y/o que cada filamento está significativamente recubierto o rodeado por el material polimérico.

[0034] La microscopía es una técnica que puede ser útil para evaluar el empapamiento y la impregnación dentro de un material compuesto preimpregnado, por ejemplo una hebra continua. Se puede aplicar microscopía óptica, infrarroja y electrónica para identificar y contar los filamentos individuales dentro de una muestra que están protegidos por material polimérico, por ejemplo resina del posible contacto directo con otros filamentos durante un procesamiento posterior. El porcentaje de filamentos protegidos del número total de filamentos puede cuantificar el grado de empapamiento e impregnación. Por ejemplo, se pueden preparar secciones transversales de muestra para cada eje de fibra presente en un material compuesto preimpregnado. Cada sección transversal de muestra se puede ver con un aumento suficiente para identificar extremos de filamento individuales. Un filamento puede considerarse protegido si un material polimérico rodea el filamento formando completamente una barrera entre él y un filamento adyacente. Se permite el contacto puntual con otros filamentos siempre que el material polimérico esté presente en otra parte de la circunferencia del filamento. Se permiten huecos en el contacto con el filamento siempre que el material polimérico encapsule completamente el filamento y los huecos. Los huecos no adyacentes a los filamentos sino dispersados dentro del material polimérico no tienen efecto en la medición. Se recopilan y analizan datos de un tamaño de muestra estadísticamente significativo para llegar al porcentaje de filamentos empapados e impregnados frente a los filamentos totales.

[0035] Un empapamiento deficiente, tal como la exposición de las hileras de fibra a la resina con fines de dosificación sin tratar de acondicionar y extender adecuadamente las hileras y trabajar cuidadosamente el material polimérico en los haces de fibras antes de su introducción en la extrusora da como resultado una mayor fricción entre las fibras durante la mezcla dentro de la extrusora y puede requerir un diseño de tornillo que imparta más trabajo (cizallamiento) en el flujo fundido para abrir los haces de fibra restantes y lograr el empapamiento y la impregnación. Los resultados son una escasa retención de la longitud de la fibra en el compuesto de moldeo, típicamente por debajo de 2 mm de longitud media de la fibra en el caso de las fibras de carbono, pero más a menudo por debajo de 1 mm de longitud media de la fibra. En un material compuesto preimpregnado, por ejemplo una hebra continua, producido fuera de línea (por ejemplo, no dentro de una extrusora) en el que un acondicionamiento y manipulación adecuados de las hileras durante la impregnación bajo tensión pueden proporcionar una hebra sustancialmente empapada e impregnada, el número de filamentos empapados e impregnados frente a los filamentos totales es mayor que un 30 %, un 50 %, un 75 %, un 95 % o un 98 %. Los niveles más altos de preimpregnación dan como resultado un mayor rendimiento para la pieza moldeada a través de la retención de la longitud de fibra durante el procesamiento.

[0036] Lograr un empapamiento sustancial puede requerir un control preciso de múltiples parámetros en la creación de un material compuesto preimpregnado. Ciertos materiales compuestos pueden requerir mayores niveles de control que otros. Por ejemplo, una impregnación o empapamiento sustanciales de la fibra de carbono es típicamente mucho más difícil de lograr que para la mayoría de los otros tipos de fibra, como las fibras de vidrio, debido a sus propiedades físicas y al menor diámetro del filamento. Por ejemplo, las fibras de vidrio E comúnmente utilizadas como mechas continuas para ciertos procedimientos de composición en línea pueden presentar un diámetro de filamento de 14 a 24 micras y un alargamiento de cerca de un 4,5 % a un 4,9 % antes de que se produzca un fallo; sin embargo, la fibra de carbono tiene típicamente un diámetro de filamento de entre 5 y 10 micras y un alargamiento de menos de un 0,7 % para fibras de módulo más alto y de aproximadamente un 2,2 % para fibras de alta resistencia a pesar de que la rigidez y la resistencia de la fibra de carbono es muy superior a las de las fibras de vidrio. Un empapamiento sustancial de la fibra de carbono puede requerir un control preciso y cuidadoso de la tensión de la fibra, la extensión de las hileras para liberar los filamentos individuales de un contacto mutuo y aumentar el área superficial, el secado de las fibras para eliminar la humedad dentro del apresto (tratamiento químico de la superficie), el precalentamiento de las fibras cerca o por encima del punto de fusión del material polimérico, la aplicación precisa de la resina a las fibras y una manipulación cuidadosa y repetida de la fibra que minimice la flexión y el cizallamiento transversal o los períodos prolongados bajo calor y presión mientras se lleva a cabo el empapamiento y la impregnación de cada filamento. Esta precisión y control cuidadoso no se puede lograr dentro de la simplicidad de una línea de contacto de un par de rodillos de presión, ni a través del estiramiento de hileras de fibra de carbono a través de un canal o matriz en contacto con la resina donde los filamentos pueden romperse y acumularse y obstruir el estiramiento de hileras de fibra de carbono a través del canal o la matriz.

[0037] Los agentes de apresto son típicamente mezclas químicas complejas aplicadas a filamentos que contienen una variedad de constituyentes, por ejemplo, formadores de película, agentes de acoplamiento, resinas y/u otros compuestos. Los agentes de apresto se pueden aplicar típicamente como una dispersión o disolución usando un disolvente orgánico o como una disolución o dispersión de base acuosa. Las funciones no limitantes de un agente de apresto incluyen (1) proteger los filamentos contra la abrasión durante una manipulación posterior, tal como la tejedura, (2) controlar la electricidad estática y (3) favorecer el acoplamiento químico entre los filamentos y la resina aplicada durante un procesamiento posterior.

[0038] Los agentes de apresto difieren de los materiales matriz en que una función principal de un material matriz es facilitar la transferencia de carga entre las fibras y proteger la fibra contra fuerzas externas o daños ambientales. Además, un material matriz puede presentar una deformación hasta el fallo superior a la de la fibra de carbono y contribuir a la tenacidad del material compuesto. Una vez seco, el apresto tiende a mantener débilmente unidos los filamentos individuales.

[0039] Además de la dificultad relativa de humedecer sustancialmente las fibras, particularmente las fibras de carbono, de un material compuesto, la composición directa de materiales compuestos también tiene desafíos. Uno de esos desafíos, especialmente para la fibra de carbono, es el rendimiento. Una impregnación o empapamiento sustancial de la fibra puede requerir un alto nivel de control, como se describió anteriormente. Por consiguiente, la velocidad a la que se puede generar la hebra continua preimpregnada se puede limitar en un sistema de composición directa. En un ejemplo, si 50 hileras de fibra de carbono que tienen 24k filamentos cada una a 1000 tex (gramos por 1000 metros) se impregnan a 10 metros por minuto, se pueden producir aproximadamente 60 kg de hebra continua preimpregnada. Sin embargo, un procedimiento de moldeo o extrusión típico puede requerir una cantidad mucho mayor de material de partida, por ejemplo un orden de magnitud mayor o más.

[0040] Por consiguiente, la hebra continua preimpregnada 18 puede producirse completamente antes del procedimiento de extrusión (por ejemplo, un procedimiento fuera de línea). La hebra continua preimpregnada 18 puede ser un material de entrada o de partida completamente sólido, y puede formarse como un rollo o carrete. Por lo tanto, la formación de la hebra continua preimpregnada puede desvincularse completamente del procedimiento de extrusión. Esto puede permitir que cada procedimiento se lleve a cabo utilizando sus propias condiciones de funcionamiento, que pueden optimizarse para cada procedimiento. También puede permitir que se generen y suministren a la extrusora mayores cantidades de la hebra continua preimpregnada que las que podrían formar directamentein situ.

[0041] La hebra continua preimpregnada (por ejemplo, una cinta formada fuera de línea) puede comprender todo el material de partida para un procedimiento de extrusión, tal como un procedimiento realizado por el sistema 10. Por consiguiente, la composición de la hebra continua preimpregnada puede ser igual o muy similar a la composición objetivo de la pieza moldeada final.

[0042] Cuando la hebra continua preimpregnada (por ejemplo, cinta) no es todo el material de partida, se pueden añadir constituyentes adicionales a la extrusora y combinar con la hebra continua preimpregnada (por ejemplo, cinta). Los constituyentes adicionales pueden incluir polímeros/resinas (por ejemplo que sean puros), aditivos tales como estabilizantes o compatibilizantes de UV o térmicos, cargas, agentes de soplado, agentes colorantes u otros constituyentes. Si se añaden uno o más polímeros o resinas adicionales a la hebra continua preimpregnada (por ejemplo, cinta), pueden ser el mismo tipo de polímero o resina que se usa en la hebra continua preimpregnada o pueden ser diferentes (o una combinación de ambos, si se añaden múltiples polímeros).

[0043] Si el material polimérico añadido es el mismo que la hebra continua preimpregnada, entonces proporcionar material polimérico adicional puede reducir o diluir eficazmente la concentración de fibra del flujo fundido. Por consiguiente, la hebra continua preimpregnada (por ejemplo, cinta) puede formarse con una concentración de fibra que es más alta que la concentración objetivo deseada en la pieza moldeada y, a continuación, mezclarse en la extrusora con un polímero puro de la misma composición para reducir la concentración de fibra a la concentración objetivo. Si el material polimérico añadido es diferente de la hebra continua preimpregnada, entonces se puede formar una mezcla o aleación de polímeros durante la extrusión. Esto puede permitir que las propiedades del o de los polímeros en la pieza formada se ajusten o varíen en comparación con el material polimérico utilizado en la hebra continua preimpregnada.

[0044] Se ha descubierto que impregnar y empapar las fibras de la hebra continua preimpregnada (por ejemplo, cinta) puede proteger las fibras durante el procedimiento de extrusión. Como se describió anteriormente, el procedimiento de extrusión incluye acciones de cizallamiento y mezcla que pueden dañar las fibras en el material de partida, particularmente fibras más frágiles como las fibras de carbono. Este daño puede reducir las propiedades mecánicas del material compuesto y/o hacer que las fibras se rompan o fragmenten en longitudes más pequeñas (lo que también reduce las propiedades mecánicas). Sin embargo, se ha descubierto que fibras sustancialmente impregnadas y empapadas están mejor protegidas contra dicho daño durante el procedimiento de extrusión. Dado que los filamentos están en contacto total con el material polimérico, existe menos riesgo de que las fibras entren en contacto directo y se dañen.

[0045] Esta protección mejorada puede permitir el uso de aditivos, cargas u otros constituyentes que típicamente dañarían las fibras o inhibirían la impregnación. Por ejemplo, algunos polímeros pueden causar más daño que otros a las fibras durante la impregnación. Si bien los materiales compuestos se producen típicamente con una resina de menor peso molecular que proporciona una baja viscosidad o un mayor flujo fundido para facilitar un mejor empapamiento e impregnación, la resistencia de dichas resinas es menor que sus contrapartes de mayor peso molecular. Además, las cargas minerales que reducen el coste y/o mejoran el aspecto de la superficie pueden ser abrasivos para las fibras, causando un daño significativo. Pigmentos tales como el dióxido de titanio (por ejemplo, blanco) son particularmente abrasivos. La hebra continua preimpregnada puede incluir un material polimérico que sea menos agresivo para las fibras (por ejemplo, en función de los factores anteriores) y/o que empape e impregne fácilmente las fibras (puede depender del tipo de fibra). A continuación, la hebra continua preimpregnada se puede combinar con un material polimérico o constituyentes en la extrusora que sean más agresivos para las fibras que el material polimérico utilizado para impregnar y empapar la hebra continua. Las fibras completamente impregnadas se pueden proteger contra estos materiales más agresivos y se puede mitigar o eliminar el daño en las fibras y se puede aumentar la longitud de fibra final de la pieza moldeada.

[0046] Como se describió anteriormente, la hebra continua preimpregnada y la protección de las fibras proporcionada de este modo pueden permitir longitudes de fibra más largas en el procedimiento de extrusión. En al menos una realización, la longitud media final de las fibras (por ejemplo, la longitud de las fibras en el producto extrudido/moldeado) puede ser de al menos 2 milímetros para las fibras de carbono. En otra realización, la longitud media final de las fibras puede ser de al menos 5, 10, 15 o 20 milímetros para otros tipos de fibra. En otra realización, la longitud media final de las fibras puede ser de al menos 6,35 mm (0,25 pulgadas), 12,7 mm (0,5) pulgadas o 19,05 mm (0,75 pulgadas) para otros tipos de fibra. En comparación, las longitudes medias de fibra para los procedimientos que utilizan pastillas preimpregnadas o composición directa (por ejemplo, en línea dentro de una extrusora) con hileras de carbono secas o hileras poco empapadas e impregnadas son típicamente inferiores a 2 milímetros para la fibra de carbono y, a menudo, inferiores a 1 milímetro.

[0047] Con referencia a la figura 3, se puede incluir un sistema de calentamiento 50 en el sistema de extrusión 10. El sistema de calentamiento 50 puede incluir uno o más calentadores o elementos de calentamiento 52. Los elementos de calentamiento 52 pueden ser cualquier equipo o dispositivo de calentamiento adecuado, tal como calentadores de aire caliente, calentadores de llama, calentadores de infrarrojos (IR), calentadores de conducción, calentadores de inducción, láseres u otros, así como combinaciones de los mismos. Los elementos de calentamiento 52 pueden colocarse cerca del orificio de entrada 16 de modo que estén configurados para calentar la hebra continua preimpregnada 18 antes de que entre en el orificio de entrada 16 (por ejemplo, directamente antes de entrar en el orificio). La hebra continua preimpregnada 18 puede ser la cinta continua preimpregnada 46. El sistema de calentamiento 50 puede configurarse para calentar el material de partida de modo que se ablande, pero aún sea sólido (por ejemplo, por debajo de la temperatura de fusión del material polimérico). Esto puede reducir la cantidad de calor/energía adicional que debe añadir la extrusora para fundir el material polimérico. En otra realización, el sistema de calentamiento 50 puede configurarse para calentar el material de partida a o por encima de la temperatura de fusión del material polimérico, de modo que esté al menos parcial o completamente fundido. Esto puede incluso reducir aún más la energía que tiene que añadir la extrusora y puede facilitar el procedimiento de extrusión. El ablandamiento o fusión del material de partida también elimina o minimiza la interfase sólida-fundida en la que el material de partida no fundido daña la fibra durante el contacto dentro del flujo fundido. Un formato de cinta o escama impide aún más que se dañe la fibra por la conformidad inherente a su factor de forma y facilita la transferencia de calor.

[0048] Con referencia a las figuras 4 y 5, en al menos una realización, la hebra continua preimpregnada puede formarse como escamas 60. En una realización, las escamas 60 pueden formarse cortando, desmenuzando, troceando o dividiendo de otro modo la cinta continua preimpregnada 46 en una pluralidad de segmentos definidos. La introducción de escamas en la extrusora proporciona un mayor control sobre la longitud inicial de la fibra en relación con el corte de hileras secas o hebra continua preimpregnada dentro de una extrusora, donde el estiramiento y el cizallamiento de la fibra dentro de las hileras o hebra continua preimpregnada pueden provocar daños en las fibras y una distribución incontrolada de las longitudes de las fibras. La cinta continua preimpregnada 46 se puede cortar en una dirección perpendicular a su eje largo para formar una pluralidad de escamas rectangulares 60 (siempre que la cinta 46 sea rectangular). En una realización, las escamas 60 pueden cortarse de modo que las fibras en ellas tengan sustancialmente la misma longitud (por ejemplo, como se muestra en la figura 4). En otra realización, las escamas 60 se pueden cortar de manera que haya longitudes de fibra variables dentro de la escama 60. Por ejemplo, los cortes pueden realizarse en un patrón perpendicular y oblicuo alterno de modo que un lado de la escama sea perpendicular al eje largo de la cinta y el otro esté en un ángulo, creando así una longitud de fibra variable a través de la anchura de la escama. En una realización, los cortes perpendiculares se pueden usar para generar entradas de la misma longitud de una longitud inicial en la extrusora. En otra realización, los cortes perpendiculares se pueden utilizar para generar entradas de múltiples longitudes de esos tamaños específicos en función de la proporción relativa de cada corte. En una realización alternativa, el material de partida se puede cortar en un ángulo para proporcionar una distribución continua de longitudes de fibra entre una longitud de escama mínima y máxima.

[0049] Las figuras 6A, 6B y 6C representan otros ejemplos de cinta continua preimpregnada 70, 72, 74, respectivamente, dividida en escamas preimpregnadas que tienen una distribución predeterminada de longitudes de fibra. Cada cinta continua preimpregnada 70, 72, 74 incluye fibras de refuerzo continuas. Estas fibras de refuerzo se dividen de acuerdo con las líneas divisorias 76, 78, 80 que se muestran en la cinta continua preimpregnada 70, 72, 74, respectivamente. En la figura 6A, la cinta continua preimpregnada 70 se divide en escamas 82 mediante las líneas divisorias 76, y cada escama tiene una longitud igual A. En la figura 6B, la cinta continua preimpregnada 72 se divide en escamas 84 mediante las líneas divisorias 78, y cada escama tiene una longitud A o una longitud B. En un ejemplo, la longitud A puede ser de 5 milímetros y la longitud B puede ser de 10 milímetros. El esquema de división identificado en la figura 6B se puede usar para generar una distribución uniforme de escamas que tienen la mitad de las escamas con longitud A y la mitad de las escamas con longitud B. Este esquema de división se podría usar para dividir las escamas en tres o más longitudes predeterminadas diferentes en un patrón predeterminado para generar una distribución uniforme o no uniforme de las tres o más longitudes predeterminadas diferentes. En la figura 6C, la cinta continua preimpregnada 74 se divide en escamas 86 mediante las líneas divisorias 80. Cada escama es un cuadrilátero que tiene un lado con una longitud A y un lado opuesto con una longitud B. Estas escamas proporcionan una distribución uniforme de fibras que van desde la longitud A hasta la longitud B. En un ejemplo, la longitud A puede ser de 5 milímetros y la longitud B puede ser de 10 milímetros.

[0050] Como se usa en esta solicitud, el término escama puede referirse a una conformación que tiene una longitud y una anchura relativamente homogéneos y un grosor que es pequeño en relación con la longitud y la anchura. Si las escamas 60 se forman a partir de una cinta, tal como la cinta 46, entonces las escamas tendrán el mismo grosor y anchura que la cinta, pero tendrán una longitud finita. Las escamas 60 pueden tener fibras continuas dispuestas en las mismas, de manera similar a la cinta 46. Las fibras pueden extenderse sin romperse desde un lado de la escama al otro o pueden tener otros patrones, similares a los descritos anteriormente para la cinta 46.

[0051] Con referencia a la figura 5, las escamas 60 pueden formarse inmediatamente antes de introducirse en una extrusora. Se puede alimentar un material de partida continuo 62 a través de un dispositivo de corte 64 para cortar, desmenuzar o dividir de otro modo el material de partida continuo 62 en una pluralidad de escamas discretas [0052] 60. A continuación, las escamas 60 pueden caer por gravedad en un orificio de entrada 66 y alimentarse a la extrusora para su fusión y procesamiento. El material de partida continuo 62 puede ser una cinta, tal como la cinta 46 descrita anteriormente. El material de partida continuo 62 se puede alimentar al dispositivo de corte 64 utilizando cualquier medio adecuado, tales como rodillos o una cinta transportadora. El dispositivo de corte 64 puede incluir cualquier elemento o elementos de corte adecuados 68, tales como rodillos de corte, cuchillas para trocear, láseres, etc. En una realización, un sistema de calentamiento, tal como el que se muestra y describe con respecto a la figura 3, se puede incluir y configurar para calentar las escamas 60 a medida que caen al orificio de entrada 66.

[0053] En otra realización, las escamas 60 se pueden generar y recoger antes de introducirse en la extrusora. Por ejemplo, en lugar de caer en un orificio de entrada 66 en la figura 5, las escamas 60 pueden caer en un colector, tal como un recipiente o contenedor. A continuación, las escamas 60 se pueden almacenar a granel hasta que se realice una operación de extrusión y moldeo. Cuando se necesitan las escamas, se pueden alimentar a la extrusora de una manera similar a la forma en que se introducen pastillas convencionales, tal como a través de una tolva.

[0054] En ciertas aplicaciones, las escamas pueden fundirse más rápido que las pastillas, especialmente cuando se introducen en un flujo fundido existente debido a su gran área de superficie y su pequeño grosor. Además, las escamas no son rígidas como las pastillas y pueden adaptarse más fácilmente sin romperse cuando se someten a cizallamiento antes de fundirse por completo.

[0055] Con referencia a la figura 7, se muestra un esquema de un sistema de extrusión 100 para moldeo por compresión. El sistema 100 puede ser similar al sistema 10, con componentes similares que comparten los mismos números. A continuación se describen las diferencias en los dos sistemas. El sistema 100 puede incluir una extrusora 12. La extrusora 12 puede incluir un orificio de entrada 102 para recibir uno o más materiales de partida 104 en una porción o extremo trasero 20 de la extrusora 12. El/los tornillo(s) 14 puede(n) hacer avanzar el material de partida 102 dentro de la extrusora y girar, mezclar, cizallar y/o calentar el material a medida que se desplaza para formar un flujo fundido 22 en el momento en que el material llega a una porción o extremo frontal 24 de la extrusora 12.

[0056] En al menos una realización, el/los material(es) de partida 104 puede(n) incluir al menos un material polimérico. Los materiales poliméricos pueden formarse como pastillas, partículas o cualquier otro factor de forma conocido en la técnica. Los materiales poliméricos se pueden introducir en un orificio de entrada 102 desde una tolva. En una realización, los materiales poliméricos alimentados al orificio de entrada 102 pueden ser resinas puras que no tienen fibras de refuerzo en su interior. En tales casos, la concentración de fibra del material polimérico es cero (0). Los materiales poliméricos pueden incluir aditivos, tales como cargas, agentes de soplado, agentes colorantes y/u otros constituyentes. Por lo tanto, el material o constituyentes poliméricos pueden introducirse cerca de la parte trasera de la extrusora y pueden comenzar a mezclarse y cizallarse a medida que se transportan hacia el extremo delantero.

[0057] La extrusora 12 puede incluir un segundo orificio de entrada 106, que puede estar cerca del orificio de entrada 102 o puede estar aguas abajo del orificio de entrada 102 (hacia la parte delantera de la extrusora). En al menos una realización, el segundo orificio de entrada 106 puede estar aguas abajo del orificio de entrada 102, tal como se muestra en la figura 6. En estas realizaciones, el/los material(es) de partida 104 puede(n) fundirse, al menos parcialmente, en el momento en que llegan a la región de la extrusora donde se encuentra el segundo orificio de entrada 106. De forma alternativa, dicha composición de los materiales poliméricos con otros constituyentes puede realizarse dentro de una extrusora separada e introducirse como un flujo fundido en una segunda extrusora en la que se introduce el material de partida reforzado con fibra. En una realización, el/los material(es) de partida 104 puede(n) fundirse completamente cuando llegan a la región del segundo orificio de entrada 106.

[0058] Se puede introducir un material de partida reforzado con fibra 108 en la extrusora 12 a través del segundo orificio de entrada 106. Como se describió anteriormente, el segundo orificio de entrada 106 puede estar ubicado en una región en la extrusora donde el/los material(es) de partida 104 está(n) parcial o completamente fundido(s). Por consiguiente, el material de partida reforzado con fibra 108 se introduce en un flujo fundido existente. En una realización, el material de partida reforzado con fibra 108 es un material de partida de fibra preimpregnado, tal como cualquiera de los descritos en esta solicitud. No según la invención, el material de partida preimpregnado puede ser un material de partida preimpregnado continuo, tal como una cinta (por ejemplo, cinta 46), y según la invención puede ser un material de partida preimpregnado en escamas, tales como las escamas 60. Estos materiales de partida preimpregnados pueden estar sustancialmente impregnados o empapados. Sin embargo, también se pueden usar otros materiales reforzados con fibra como material de partida reforzado con fibra 108, tales como pastillas.

[0059] El material de partida reforzado con fibra 108 puede incluir el/los tipo(s) de fibra y/o materiales poliméricos descritos anteriormente para la hebra continua preimpregnada 18. Por ejemplo, el material de partida reforzado con fibra 108 puede incluir fibras tales como fibra de carbono, fibra de vidrio, fibras de aramida u otras, o una combinación de las mismas. El material de partida reforzado con fibra 108 puede incluir materiales poliméricos termoplásticos o termoendurecibles como material matriz.

[0060] En una realización, el material matriz del material de partida reforzado con fibra 108 puede ser el mismo que al menos uno de los materiales de partida 104. Por consiguiente, si el material de partida 104 es un polímero puro (sin fibras) o tiene una concentración de fibra por debajo del material de partida reforzado con fibra 108, la introducción aguas abajo del material de partida reforzado con fibra 108 puede crear un material reforzado con fibra que tiene una concentración de fibra intermedia entre el material de partida 104 y el material de partida reforzado con fibra 108. Por lo tanto, el material de partida 104 se puede usar para cortar o reducir la concentración de fibra del flujo fundido final y la pieza moldeada.

[0061] En otra realización, el material matriz del material de partida reforzado con fibra 108 puede ser diferente de al menos uno de los materiales de partida 104, o de todos los materiales de partida 104. Por consiguiente, la introducción del material de partida reforzado con fibra 108 puede generar una mezcla o aleación de polímeros con el material de partida 104. La composición de la mezcla dependerá de las cantidades relativas del material de partida 104 y el material de partida reforzado con fibra 108. De manera similar a lo anterior, si el material de partida 104 es un polímero puro (sin fibras) o tiene una concentración de fibra por debajo del material de partida reforzado con fibra 108, la introducción aguas abajo del material de partida reforzado con fibra 108 puede crear un material reforzado con fibra que tiene una concentración de fibra intermedia entre el material de partida 104 y el material de partida reforzado con fibra 108. El material de partida reforzado con fibra 108 tiene fibras ya recubiertas con una resina, protegiéndolas así del flujo fundido aguas arriba producido por el material 104, que puede tener una resina o composición de matriz diferente que no es compatible con el procedimiento de impregnación debido a una mayor viscosidad, cargas abrasivas, etc.

[0062] La figura 8 representa un sistema de extrusión 200. El sistema de extrusión 200 incluye un orificio aguas arriba 202, un orificio aguas abajo 204 y un orificio de salida 206. Se puede dosificar un material de partida (por ejemplo, usando un procedimiento de alimentación gravimétrica) en el orificio aguas arriba 202. El material de partida se puede suministrar como pastillas sólidas o pastillas que tienen fibras unidireccionales preimpregnadas con resina o con alambre dispuesto alrededor de la circunferencia de un núcleo de fibras de modo que la longitud inicial de la fibra esté fijada por la longitud de las pastillas. Estas pastillas se pueden dosificar con otras pastillas hechas de resina pura o compuestos que incluyen aditivos, cargas, agentes de soplado u otra funcionalización requerida por el procedimiento o pieza. Cada tipo de pastilla se dosifica de manera controlada en el orificio aguas arriba 202 y experimenta un cizallamiento significativo a medida que las pastillas se combinan, transportan, calientan y mezclan en un flujo fundido dentro de la región de flujo fundido 205, que se extiende entre el orificio aguas arriba 202 y el orificio aguas abajo 204.

[0063] En una realización, un material compuesto se dosifica en el orificio aguas abajo 204 después de que se haya establecido el flujo fundido a partir del material de partida del orificio aguas arriba 202. El material compuesto del orificio aguas abajo 204 puede ser fibras de refuerzo preimpregnadas por un material matriz. El material compuesto se puede dosificar como pastillas o escamas, por ejemplo. En una realización, la concentración de fibra del material compuesto puede ser mayor que la concentración de fibra del compuesto de moldeo y el material de partida. Al dosificar el material compuesto en el flujo fundido, se puede lograr una fusión más rápida del material compuesto que los procedimientos convencionales. Esta fusión se produce en la región de composición 208, que está situada entre el orificio aguas abajo 204 y el orificio de salida 206. La región de composición 208 puede incluir una zona de corte 210, que puede dividir un material compuesto dosificado como una hebra que contiene fibra continua. Además del rápido calentamiento del material compuesto, el flujo fundido ayuda a lubricar el material compuesto a medida que se combina con el flujo fundido, minimizando así el cizallamiento del material compuesto a medida que se funde. El rápido calentamiento en combinación con la fusión del material compuesto combinado con una reducción en el cizallamiento durante la fase de calentamiento facilita la retención de la longitud de las fibras en el flujo fundido a partir del cual se producirá una pieza. El compuesto de moldeo sale del sistema de extrusión 200 en el orificio de salida 206 configurado adecuadamente para el procedimiento previsto y se puede usar para producir una pieza compuesta usando cualquier procedimiento de moldeo adecuado, por ejemplo moldeo por compresión, extrusión, moldeo por inyección o moldeo por soplado.

[0064] De forma alternativa, el material compuesto puede incluir un material polimérico que tenga una temperatura de fusión superior a la temperatura de fusión del material de partida. En una realización de este tipo, el material compuesto se puede dosificar en un flujo fundido a una temperatura inferior a la temperatura de fusión del material compuesto, lo que hace que el material compuesto retenga la integridad de su formato original a medida que se mezcla y se dispersa dentro del flujo fundido. La temperatura del flujo fundido puede mantenerse por debajo de la temperatura de fusión del material compuesto durante todo el tiempo que el compuesto de moldeo permanece dentro de la extrusora, o la temperatura del flujo fundido puede elevarse en algún momento después de la dosificación por encima de la temperatura de fusión del material compuesto. Una realización de este tipo puede tener una o más ventajas. Esta realización puede mantener las fibras en una alineación preferencial (por ejemplo, paralelas entre sí) durante la mayor parte o la totalidad del procedimiento de extrusión, lo que permite que haya una mayor concentración de fibras en el compuesto. Como ejemplo de otro beneficio, las fibras dentro del material compuesto no fundido se refuerzan conjuntamente entre sí con la contribución de la resina matriz para resistir el pandeo a medida que el material compuesto se mezcla dentro del flujo fundido y se expone al cizallamiento. El pandeo puede ser una causa importante de daño en las fibras cuando éstas se exponen a cizallamiento dentro de la extrusora o durante el procedimiento de moldeo. Otro beneficio es que la retención de las fibras dentro de una alineación preferencial puede mejorar las propiedades de resistencia de la pieza final con respecto a fibras totalmente dispersas y aleatorias, especialmente en caso de impacto. Además, la dispersión completa de las fibras mediante la fusión completa del material compuesto puede aumentar la viscosidad del compuesto de moldeo, especialmente en fracciones de mayor volumen de fibra, causando daños adicionales en la fibra y retardando el flujo dentro del molde, mientras que la retención del formato original del material compuesto, tal como las escamas, puede permitir que el flujo fundido lubrique las escamas individuales para mejorar el flujo. Se pueden utilizar combinaciones de resinas compatibles, tales como PA66, con una temperatura de fusión más alta para el material compuesto, y PA6 con una temperatura de fusión más baja puede formar la base del material de partida. En tal caso, cada resina posee una temperatura de fusión distinta, pero la PA6 posee un intervalo de procesamiento que también se extiende por encima de la temperatura de fusión de la PA66. Por lo tanto, se pueden usar resinas de una misma familia o, de forma alternativa, se pueden usar resinas compatibilizadas de diferentes familias de resinas.

[0065] En la mayoría de los casos, tanto el material de partida del orificio aguas arriba 202 como el material compuesto del orificio aguas abajo 204 pueden incluir una o más resinas. En un ejemplo, una resina de la misma familia usada para producir el material compuesto se puede utilizar en el material de partida. Ejemplos no limitantes de familias de resinas incluyen polipropileno, poliamida y tereftalato de polietileno. La resina en el material de partida puede tener un mayor peso molecular o viscosidad, que de otro modo serían inadecuados para la impregnación inicial de las fibras del material compuesto, pero mejoran la tenacidad o procesabilidad del compuesto de moldeo que sale del sistema de extrusión 200 en el orificio de salida 206. En otro ejemplo, el material de partida puede incluir un material polimérico que incluya una resina de la misma familia utilizada para producir el material compuesto, pero que también incluya aditivos, cargas y/o micropartículas que puedan ser abrasivas para las fibras secas, elevar la viscosidad por encima de lo que es factible para admitir la impregnación de fibras, o presentar alguna otra incompatibilidad con el procedimiento de impregnación de fibras. Sin embargo, al usar dicha resina o material polimérico solo en el flujo fundido y, a continuación, al combinarlo con el material compuesto, el compuesto de moldeo resultante puede tener una menor densidad, propiedades mecánicas o físicas mejoradas, un menor coste, una mayor fluidez y/u otros atributos pertinentes para la producción de la pieza final. En otro ejemplo más, el material de partida puede incluir una resina diferente que no pertenece a la misma familia utilizada en el material compuesto para crear una mezcla o aleación con propiedades y rendimiento mejorados en relación con la aplicación de la pieza final. La resina en el material de partida se puede usar para diluir la concentración de fibra del material compuesto.

[0066] La figura 9A representa un sistema de extrusión 300. El sistema de extrusión 300 incluye un orificio de entrada 302 y un orificio de salida 312. Una hebra continua preimpregnada de material compuesto 304 en cualquier forma divulgada en esta solicitud, que incluye una cinta continua preimpregnada, se puede dosificar en el orificio 302. La hebra continua preimpregnada puede tener una sección transversal sustancialmente uniforme, por ejemplo que no se desvíe más de ± un 0 %, un 0,1 %, un 0,5 %, un 1 %, un 2 %, un 3 %, un 4 %, un 5 % o un 10 % del área de sección transversal en cualquier sección transversal a lo largo de la longitud de la hebra continua. Ejemplos no limitantes de conformaciones de sección transversal incluyen una conformación elíptica (figura 9B), oblonga (figura 9C), rectangular (figura 9D) o cinta (figura 9E). En el orificio de entrada 302 se pueden introducir secuencialmente o al mismo tiempo una o más hebras continuas preimpregnadas en forma de sección transversal para garantizar un rendimiento de material suficiente. Por ejemplo, en el orificio de entrada 302 se puede introducir al mismo tiempo una hebra en forma de cinta de 200 mm de ancho o 2 hebras en forma de cinta de 100 mm de ancho o 10 hebras de forma circular para garantizar un rendimiento de material suficiente.

[0067] El material compuesto 304 se puede suministrar desde una bobina 306 de material compuesto. El material compuesto puede contener longitudes de fibra continuas, discontinuas o una combinación de longitudes de fibra, dependiendo de la aplicación. La concentración de fibra en el material compuesto puede ser aproximadamente igual a la concentración de fibras destinada a la aplicación de la pieza final. Opcionalmente, el material compuesto 304 puede calentarse mediante un dispositivo de calentamiento 308, que puede usar conducción, inducción, convección, radiación (por ejemplo, infrarroja) o una combinación de las mismas. El sistema de extrusión 300 puede incluir una zona de corte 310 para dividir el material compuesto 304 formado a partir de hebras que contienen fibra continua. Dentro del sistema de extrusión 300 se forma un flujo de composición fundido. El flujo de composición sale del sistema de extrusión 300 en el orificio de salida 312 configurado adecuadamente para el procedimiento previsto y se puede usar para producir una pieza compuesta usando cualquier procedimiento de moldeo adecuado, por ejemplo moldeo por compresión, extrusión, moldeo por inyección o moldeo por soplado.

[0068] El material compuesto 304 puede ser una hebra continua preimpregnada usada como material intermedio dosificado al sistema de extrusión 300 si no es conforme a la invención. La hebra continua preimpregnada puede incluir fibra de carbono. La hebra continua preimpregnada se produce fuera de línea del sistema de extrusión 300 para evitar posibles inconvenientes de la composición en línea de hileras secas o poco impregnadas. Por ejemplo, mientras que los procedimientos que componen en línea hileras secas o poco impregnadas de fibras de vidrio con resina pueden retener longitudes de fibra de 20 milímetros o más, los mismos procedimientos cuando se aplican hileras secas de fibras de carbono no pueden retener 2 milímetros de media debido a la fragilidad y estructura de la fibra. La retención de la longitud de la fibra es fundamental para maximizar el valor del compuesto de moldeo resultante. Por consiguiente, una realización de la presente divulgación incluye desacoplar la impregnación de la fibra y producir la hebra continua preimpregnada por separado en sus propias condiciones óptimas de procedimiento y, posteriormente, tomar la hebra continua preimpregnada y alimentarla a una velocidad mucho mayor pertinente para el procedimiento que convierte la hebra en una pieza compuesta.

[0069] La figura 10 representa un sistema de extrusión 400 según otra realización de la presente divulgación. El sistema de extrusión 400 incluye un orificio de entrada 402 y un orificio de salida 404. Como se muestra en la figura 10, una cinta continua preimpregnada 406 de material compuesto se alimenta a un elemento de corte 408. La cinta continua preimpregnada 406 puede incluir longitudes de fibra continuas, discontinuas o una combinación de longitudes de fibra formuladas para una aplicación prevista. La cinta continua preimpregnada 406 se puede suministrar desde una bobina 410 del material compuesto. El elemento de corte 408 divide la cinta continua preimpregnada 406 en escamas 412. En lo que antecede se han divulgado ejemplos de factores de forma para las escamas. Antes de que la cinta continua preimpregnada 406 se divida en escamas 412, se puede usar un calentador 414 para calentar la cinta continua preimpregnada 406 o, de forma alternativa, las escamas preimpregnadas 412. Las escamas 412 se introducen en el orificio de entrada 402 a una velocidad predeterminada. Para el moldeo por inyección de piezas relativamente pequeñas, la velocidad se puede seleccionar a partir de cualquier valor o intervalo de dos valores siguientes: 1,26 g/s (10 lb/hora), 2,52 g/s (20 lb/hora), 3,78 g/s (30 lb/hora), 5,04 g/s (40 lb/hora) o 6,3 g/s (50 lb/hora). Para el moldeo por compresión de piezas más grandes, la velocidad se puede seleccionar de cualquier valor o intervalo de dos valores siguientes: 12,6 g/s (100 lb/hora), 25,2 g/s (200 lb/hora), 37,8 g/s (300 lb/hora), 50,4 g/s (400 lb/hora), 63 g/s (500 lb/hora), 75,6 g/s (600 lb/hora), 88,2 g/s (700 lb/hora), 100,8 g/s (800 lb/hora), 113,4 g/s (900 lb/hora) o 126 g/s (1.000 lb/hora). Para el moldeo por soplado de piezas muy grandes, la velocidad se puede seleccionar de cualquier valor o intervalo de dos valores siguientes: 63 g/s (500 lb/hora), 126 g/s (1.000 lb/hora), 189 g/s (1.500 lb/hora), 252 g/s (2.000 lb/hora) o 315 g/s (2.500 lb/hora). Para los procedimientos de extrusión continua, la velocidad se puede seleccionar de cualquier valor o intervalo de dos valores siguientes: 126 g/s (1.000 lb/hora), 252 g/s (2.000 lb/hora), 378 g/s (3.000 lb/hora), 504 g/s (4.000 lb/hora) o 630 g/s (5.000 lb/hora). En una realización alternativa al corte en línea descrito anteriormente en este párrafo, las escamas pueden cortarse previamente a partir de cinta continua preimpregnada fuera de línea, almacenarse a granel y dosificarse directamente en el orificio de entrada 402. Dentro del sistema de extrusión 400 se forma un flujo fundido. El compuesto de moldeo sale del sistema de extrusión 400 en el orificio de salida 404 configurado adecuadamente para el procedimiento previsto y se puede usar para producir una pieza compuesta usando cualquier procedimiento de moldeo adecuado, por ejemplo moldeo por compresión, extrusión, moldeo por inyección o moldeo por soplado.

[0070] Una pieza hecha a partir de un procedimiento de moldeo puede tener un contenido de fibra que varía típicamente de un 10 % a un 60 % de fracción en peso. En una realización, la cinta continua preimpregnada 406 puede tener un contenido de fibra similar o aproximadamente el mismo que la pieza. Como beneficio de una o más realizaciones, si no se requiere ninguna funcionalidad adicional, entonces producir la cinta preimpregnada 406 con aproximadamente el mismo contenido de fibra de la pieza elimina cualquier cizallamiento requerido para la mezcla. Además, la cinta preimpregnada 406 puede representar la totalidad del material utilizado para producir la pieza. Esto no es el caso en enfoques anteriores, donde hebras poco impregnadas producidas en línea se introducen nuevamente en un flujo fundido del mismo material polimérico, diluyendo así la concentración de fibra y requiriendo una mezcla adicional.

[0071] Siguiendo el procedimiento representado en la figura 10, se pueden producir escamas a partir de una cinta o lámina delgada y dosificarlas en una extrusora. Dicho procedimiento mejora el control sobre las longitudes de fibra iniciales, ya que las escamas se pueden preparar con un tamaño específico o combinación de tamaños. Además, si el tamaño inicial excede lo que se puede transportar o dosificar fácilmente de forma gravimétrica, entonces dicha cinta o láminas se pueden introducir en línea a una velocidad controlada, por lo que la cinta o lámina se desmenuza o corta de manera que se dosifiquen las escamas con un tamaño designado directamente en una extrusora. De forma alternativa, si las geometrías de la escama se pueden transportar y dosificar, entonces la escama se puede preparar por adelantado a partir de la cinta o lámina y suministrase a granel. Dado que las escamas son más flexibles que las pastillas, cuando las escamas se encuentran inicialmente con el tornillo de la extrusora y comienza la fase de fusión, es menos probable que causen daños a las escamas adyacentes. Como otro beneficio, las escamas tienen una relación de aspecto preferencial en términos de área/unidad de masa y, por lo tanto, las escamas absorberán el calor de manera más rápida y uniforme que las pastillas, lo que hace que las escamas sean menos propensas, a medida que se funden, a dañar la fibra dentro del flujo fundido en desarrollo.

[0072] Los procedimientos, procedimientos o algoritmos divulgados en esta solicitud pueden suministrarse a/implementarse por un dispositivo de procesamiento, controlador u ordenador, que puede incluir cualquier unidad de control electrónico programable o unidad de control electrónico dedicada existentes. De manera similar, los procedimientos, procedimientos o algoritmos pueden almacenarse como datos e instrucciones ejecutables por un controlador u ordenador de muchas formas, que incluyen, pero sin limitarse a, información almacenada permanentemente en medios de almacenamiento no grabables, tales como dispositivos ROM, e información almacenada de forma alterable en medios de almacenamiento grabables, tales como disquetes, cintas magnéticas, CD, dispositivos RAM y otros medios magnéticos y ópticos. Los procedimientos, procedimientos o algoritmos también se pueden implementar en un objeto ejecutable de software. De forma alternativa, los procedimientos, procedimientos o algoritmos pueden realizarse en su totalidad o en parte utilizando componentes de hardware adecuados, tales como circuitos integrados específicos de la aplicación (ASIC), matrices de puertas programablesin situ(FPGA), máquinas de estados, controladores u otros componentes o dispositivos de hardware, o una combinación de componentes de hardware, software y firmware.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un procedimiento, que comprende:

establecer un flujo fundido de un material de partida (62, 104) en una extrusora (12);

dosificar un material compuesto (304) en el flujo fundido, incluyendo el material compuesto (304)

fibras de refuerzo de carbono (42) que comprenden filamentos de refuerzo de carbono preimpregnados por un material polimérico (44), teniendo el material compuesto (304) al menos un 30 % de los filamentos de refuerzo protegidos por el material polimérico (44) de modo que el material polimérico (44) rodea cada filamento formando completamente una barrera entre él y un filamento adyacente en el al menos un 30 % de los filamentos; formar un compuesto de moldeo (22) a partir del material de partida (62, 104) y el material compuesto (304); dispensar el compuesto de moldeo (22) desde la extrusora (12); y

usar el compuesto de moldeo (22) para producir una pieza, donde el material compuesto (304) está en forma de pastillas y/o escamas.

2. El procedimiento según la reivindicación 1, donde la etapa de dosificación incluye dosificar el material compuesto (304) en forma sólida en el flujo fundido y donde el flujo fundido funde, al menos parcialmente, el material compuesto (304).

3. El procedimiento según la reivindicación 1, que comprende además:

introducir el material de partida (62, 104) en una zona de alimentación aguas arriba de la extrusora (12); y donde la etapa de establecimiento incluye establecer el flujo fundido del material de partida (62, 104) entre la zona de alimentación aguas arriba y una zona de alimentación aguas abajo,

la etapa de dosificación incluye dosificar el material compuesto (304) en el flujo fundido en la zona de alimentación aguas abajo de la extrusora (12), y

la etapa de formación incluye mezclar el material de partida (62, 104) y el material compuesto (304) para formar un compuesto de moldeo (22).

4. El procedimiento según la reivindicación 1, donde la etapa de dosificación incluye lubricar el material compuesto (304) con el flujo fundido del material de partida (62, 104).

5. El procedimiento según la reivindicación 1, donde la etapa de dosificación se lleva a cabo utilizando un alimentador lateral.

6. El procedimiento según la reivindicación 1, que comprende además calentar el material compuesto (304) antes de la etapa de dosificación.

7. El procedimiento según la reivindicación 1, donde el material de partida (62, 104) incluye un material polimérico, y los materiales poliméricos del material de partida (62, 104) y el material compuesto (304) incluyen un material polimérico termoplástico.

8. El procedimiento según la reivindicación 1, donde el material compuesto (304) tiene al menos un 50 % de los filamentos protegidos por el material polimérico (44) de modo que el material polimérico (44) rodea cada filamento formando completamente una barrera entre él y un filamento adyacente en el al menos un 50 % de los filamentos.

9. El procedimiento según la reivindicación 1, donde la etapa de establecimiento incluye establecer el flujo fundido en una primera extrusora y la etapa de dosificación incluye combinar el flujo fundido con el material compuesto (304) en una segunda extrusora.

10. El procedimiento según la reivindicación 1, donde los filamentos de refuerzo preimpregnados se preimpregnan fuera de línea con el material polimérico (44).