WO2012085299A1

WO2012085299A1 - Metodo para la fabricación de una barra de material compuesto y barra de carga fabricada en material compuesto

Info

Publication number: WO2012085299A1
Application number: PCT/ES2010/070869
Authority: WO
Inventors: Helder Emanuel BARROS ABREU; Enrique SANCHEZ MARTIN
Original assignee: Internacional De Composites, Sa.
Priority date: 2010-12-23
Filing date: 2010-12-23
Publication date: 2012-06-28
Also published as: ES2695040T3; EP2657550A1; EP2657550B1; EP2657550A4

Abstract

Proceso para la fabricación de una barra de carga fabricada con resina reforzada con fibras proporcionando un mandrino (1) formado por un núcleo de espuma (2) y dos terminales (5) metálicos, laminando un conjunto de telas de fibra seca (10) estrechamente adheridas al mandrino de forma que mantengan un espesor controlado al conjunto pre formado, bobinando con alta tensión una capa de filamento de fibras de alta resistencia de forma que compriman las telas secas en unas ranuras (7) mecanizadsas en los terminales (5) metálicos que actúan como trampas para fibra, transfiriendo una resina líquida y polimerizando dicha resina para consolidar la pieza en un conjunto cerrado de molde y contramolde.

Description

METODO PARA LA FABRICACIÓN DE UNA BARRA DE MATERIAL COMPUESTO Y BARRA DE CARGA FABRICADA EN MATERIAL COMPUESTO

TRASFONDO

(a) Campo de la invención

La presente invención se enmarca entre las tecnologías para la fabricación de estructuras de resina reforzada con fibras y, de forma más particular, en los métodos de fabricación de barras de carga con resina reforzada con fibras.

(b) Tecnologías relacionadas

En los últimos años el uso de las estructuras fabricadas con materiales compuestos de resina reforzada con fibras se ha incrementado en la fabricación de estructuras ligeras debido a su extraordinaria combinación de baja densidad, elevada resistencia mecánica y resistencia a la corrosión. El uso de estos materiales se ve limitado por consideraciones de diseño como la dificultad en la unión entre estructuras metálicas y estructuras de material compuesto.

Se conocen varios procesos en el estado de la técnica para la fabricación de barras de carga de materiales compuestos y estructuras tubulares en general como los descritos en las patentes US 4,704,918 y US 6,202,505. Los procesos más utilizados para la fabricación de artículos tubulares con resina reforzada con fibras son "Braiding" (proceso de automatizado de trenzado de haces de fibras sobre un mandrino) y "Filament Winding" (bobinado de haces de fibras sobre un mandrino). Estos procesos carecen de la posibilidad de disponer las fibras de refuerzo en la dirección longitudinal de la barra (dirección 0^o) que es la orientación preferida debido a las condiciones de carga de estos elementos. Otra limitación de los procesos del tipo "braiding" es la dificultad para unir un elemento terminal metálico al tubo de compuesto, que es el método preferido para el montaje posterior de la barra de carga.

El procedimiento preferente en la técnica para la unión de un terminal metálico a una barra de material compuesto es el uso de trampas de fibra tal y como describen las patentes US 5,160,392 y posteriormente se refinan en las patentes US 6,379,763 y US 6,676,169. Las trampas de fibra son ranuras mecanizadas en la superficie externa de un terminal. Sobre esta se disponen al menos dos capas de fibras, una primera capa en una dirección próxima a la axial de fibras con baja tensión que puentean las ranuras seguida de una segunda capa de fibras transversales con una tensión alta que fuerza las fibras de la primera capa dentro de las trampas de fibra proporcionando una unión de alta resistencia. Ambas capas de fibras se aplican mediante procesos de bobinado (los conocidos como filament winding).

Es conocido en el estado de la técnica el uso de procesos como RTM (moldeado por transferencia de resina), VARTM (moldeado por transferencia de resina con ayuda por vacío), LRI (infusión de resina liquida) y otros consistentes en la impregnación de fibras secas y posterior polimerización para la consolidación de la pieza. Estos procesos y más particularmente el RTM tienen la capacidad de producir piezas de mejor calidad y tolerancia. La solicitud de patente US 2009/148700 describe un proceso para la fabricación de una barra de fibra reforzada con resina con una variación del proceso de RTM que incorpora capas de tejido pre-curado en la preforma.

El proceso de RTM no es el preferido para la fabricación de productos tubulares en el estado de la técnica. El principal inconveniente de este proceso es la dificultad para obtener una preforma dimensionalmente controlada que se ajuste a las caras del molde y el contramolde requeridos en el proceso de RTM. Cuando la preforma tenga un diámetro mayor que el diámetro de la cavidad del molde se forman arrugas en la dirección longitudinal. Cuando el diámetro de la preforma es menor que el diámetro de la cavidad del molde, el hueco se rellena con un exceso de resina. En ambos casos las piezas fabricadas se rechazan por ser defectuosas.

Existe en consecuencia la necesidad de un método mejorado de moldeo de barras de carga en los proceso de moldeo por transferencia de resina (RTM). Además, son necesarias barras de carga fabricadas con resina reforzada con fibras capaces de cumplir con los requisitos de calidad asociados con estructuras ligeras. De igual manera es necesario un método que permita integrar terminales metálicos a barras de carga fabricadas con resina reforzada con fibras fabricadas por procesos de moldeo por transferencia de resina. DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

La presente invención provee una solución para las necesidades identificadas anteriormente. Se consigue un proceso capaz de producir consistentemente barras de resina reforzada de fibras de alta calidad y adecuadas tolerancias dimensionales con los terminales integrados.

De acuerdo a un aspecto del método de la presente invención, una barra de carga fabricada con resina reforzada con fibras es fabricada proporcionando un mandrino formado por un núcleo de espuma y dos terminales metálicos, laminando un conjunto de telas de fibra seca estrechamente adheridas al mandrino de forma que mantengan un espesor controlado al conjunto pre formado, bobinando con alta tensión una capa de filamento de fibras de alta resistencia de forma que compriman las telas secas en trampas para fibra mecanizadas en dichos terminales, transfiriendo resina y polimerizando la resina para consolidar la pieza en el molde. En otro aspecto de la presente invención, el conjunto de telas de material seco comprende al menos una tela compuesta de fibras mayormente unidireccionales en la dirección axial y al menos una tela de material tejido con fibras ortogonales. Las telas podrían estar compuestas de haces de fibras largas de carbono entrelazadas en direcciones perpendiculares con una proporción que varían desde balanceadas 50/50 hasta mayormente unidireccionales 95/5.

En otro aspecto de la presente invención, en el proceso de moldear las telas secas sobre el mandrino se introduce el mandrino entre al menos dos rodillos precalentados que aplican presión y calor sobre las capas de fibras secas para obtener una menor tolerancia y mayor repetitividad en el espesor de la preforma.

En un aspecto de la presente invención, los terminales de la barra se fabrican de acero, con una ranura que actúa como trampa de fibra, siendo dicha ranura de forma angular y siguiendo un camino helicoidal a lo largo de la superficie externa del terminal. Breve descripción de los dibujos

La invención será descrita con mayor detalle haciendo referencia a los dibujos adjuntos, en donde las figuras 1-5 son un conjunto de vistas mostrando los pasos en la fabricación de una barra de resina reforzada con fibras de acuerdo con la presente invención.

La figura 1 muestra en una vista explotada un mandrino de acuerdo con la presente invención compuesto de un núcleo tubular de espuma y dos terminales en ambos extremos del tubo. La figura 2 muestra en una vista en planta los patrones de corte de las telas de fibra de acuerdo con la presente invención.

La figura 3 muestra en una vista isométrica esquemática el proceso de estiramiento de las telas de fibra seca sobre el mandrino empleando un útil compuesto de rodillos precalentados.

La figura 4 muestra en una vista isométrica esquemática la configuración del molde y contramolde para el proceso de transferencia de resina de acuerdo a la presente invención.

La figura 5 muestra en una vista isométrica la barra de carga fabricada de resina reforzada con fibras de acuerdo a la presente invención después de los procesos de recanteado y acabado.

La figura 6 muestra un terminal alternativo que incorpora una ranura helicoidal que actuará como trampa de fibras de acuerdo con uno de los aspectos de la presente invención.

DESCRIPCION DETALLADA DE LA INVENCIÓN

Las figuras de 1-5 muestran la secuencia de los pasos de fabricación de un ejemplo de barra carga fabricada con resina reforzada con fibras de acuerdo a la presente invención. En este ejemplo la barra de carga es fabricada con telas de fibras secas de carbono en las cuales se infusiona una resina epoxídica termoestable. Se debe entender sin embargo que el método aquí descrito podría llevarse a cabo con otros tipos de fibras como vidrio, boro, kevlar y fibras naturales de alta resistencia así como con otras resinas como fenólicas, bismaleimidas, poliéster y otras tanto termoplásticas como termoestables. Más aún, se debe entender que la barra de resina reforzada con fibras descrita en la presente invención, podría ser fabricada con otra configuración de terminales por ejemplo terminales que incorporan rótulas, casquillos u otros elementos de unión.

La figura 1 muestra los pasos para configurar el mandrino (1). De acuerdo al método del ejemplo de la invención la preparación del mandrino (1) comprende un primer paso de mecanizado con una tolerancia estrecha de un núcleo de espuma (2) en general de forma tubular, con extremos achaflanados (3) y agujeros (4), el proceso continúa con un estabilizado del material de espuma mediante un recocido durante al menos 36 horas; si bien como es conocido en el estado del arte el ciclo del proceso de estabilización dependerá del tipo de espuma escogida. En un segundo paso dos terminales (5) de acero son mecanizados incluyendo en una extremo una barra de unión (6) dimensionada para cooperar con el agujero (4) mecanizado en el núcleo de espuma (2), un agujero roscado (8) en el otro extremo y unas ranuras (7). Finalmente un tercer paso incluye proporcionar unos tapones (9) de nylon o cualquier otro material para proteger el agujero roscado frente a la ingestión de resina durante las estapas del proceso posteriores. La figura 2 muestra patrones de tela cortados en un segundo paso de acuerdo con el método descrito en la presente solicitud. En un ejemplo del método de acuerdo a la presente invención, una tela de fibras unidireccionales secas largas de carbono con un ratio de al menos un 90% de fibras en la dirección principal y un 10% en la dirección de cogida, compuesto de haces de 6K (seis mil) fibras en la dirección principal y haces de 1K (mil) fibras en la dirección de cogida se corta con el patrón (11). De igual manera, se corta al menos un patrón (12) de telas de tejido plano de fibras de carbono, con un ratio de un 50% de las fibras en la dirección principal y un 50% de fibras en la dirección de cogida compuesta de haces de 3K (tres mil) fibras. En un ejemplo del método de la presente invención, el patrón (11) se corta con la dimensión requerida para cubrir el mandrino con cuatro capas de material, y a su vez se corta una capa de la tela de fibras planas con el patrón (12) para cubrir el mandrino con una única capa de material. La figura 3 muestra el proceso de laminado de una pre forma de telas de fibra seca sobre el mandrino. En un ejemplo del método de acuerdo a la presente invención, el mandrino (1) es envuelto con cada una de las telas de fibras de carbono (10). Tres cilindros calentados (13) provistos de soportes elásticos proporcionan presión sobre el mandrino. Dichos cilindros incluyen medios mecánicos para rotar solidariamente con el mandrino (1) enrollando la tela de fibras secas sobre el mandrino (1). Se podría entender que una configuración alternativa de cilindros podría ser utilizada para obtener la configuración de geometría deseada sobre el mandrino. Mas aun, podría entenderse la utilización de otros medios para el laminado de las telas sobre el mandrino, como por ejemplo una plancha manual con una superficie capaz de girar solidariamente con el mandrino (1) y que aplique presión y calor sobre la tela de fibras secas. Posteriormente, un haz de fibras de carbono es aplicado por medio de una maquina de bobinado de filamentos (filament winding machine) en dirección tangencial próxima a los 90° con la dirección axial forzando a las telas de fibra seca de carbono a penetrar en las ranuras (7) de los terminales (5) actuando así dichas ranuras (7) como una trampa de fibra proporcionando una unión de alta resistencia entre las telas de fibra de carbono y el terminal metálico.

La figura 4 muestra el paso de transferencia de resina liquida a la preforma (14) de telas secas de fibra de carbono en un conjunto de molde y contramolde. En un ejemplo del método de la presente invención dicho molde (20) esta compuesto de un molde base (15) con un tapa superior (16), que al cerrar proporciona un ajustado cierre entre ambos. Dicho molde (20) esta provisto con una cavidad de molde (17) dimensionada para ajustar con la pre forma de las telas de fibra seca (14). Como se ha explicado con anterioridad, es de crítica importancia obtener una preforma de fibras secas (14) de tolerancias estrechas con el fin de ajustarse a la cavidad del molde (17) y poder obtener una pieza sin defectos de fabricación.

En un ejemplo del método de la presente invención, una resina epoxídica liquida es calentada y mezclada en un recipiente de vacío (no mostrado). Posteriormente se calienta y se aplica vacío dentro del recipiente y si fuera necesario la resina se deja desgasificar durante al menos 45 minutos. Después de que la resina ha sido desgasificada, las líneas de alimentación y el molde son calentados y la resina es transferida al molde aplicando una presión de 3 bares al recipiente de la resina y aplicando vacío en el interior del molde. La preforma (14) de fibras secas es impregnada con la resina inyectada. Posteriormente se aplica calor al molde hasta 180°C durante 90 minutos para polimerizar la resina epoxídica y consolidar la pieza. La figura 5 muestra una barra terminada (21) de resina reforzada con fibras fabricada de acuerdo con el método desarrollado en la presente invención, tras retirar los tapones (9) y recantear las caras exteriores de los terminales de la barra. En una realización preferida en la presente invención como muestra la figura 6 se emplea un terminal (22) alternativo para la barra. Con el fin de mejorar la resistencia frente a cargas de torsión aplicadas en el terminal (22) de la barra, y mejorar la conformabilidad de las fibras secas sobre el terminal de la barra, una ranura helicoidal (23) es mecanizada sobre el diámetro exterior del terminal de la barra.

Claims

1 Se reivindica

1. Un método de fabricación de barras de carga fabricadas con resina reforzada con fibras por un proceso de transferencia de resina que se compone de los siguientes pasos:

- Corte de patrones de telas de fibra seca

- Mecanizado de un núcleo de baja densidad con una tolerancia reducida y pegado con

adhesivo de dos terminales metálicos para formar un mandrino

- Laminado de una preforma de fibras secas sobre el mandrino con presión y temperatura consiguiendo un ajuste estrecho sobre el mandrino

- Bobinado de un filamento de fibras de alta resistencia con alta tensión comprimiendo las fibras secas en trampas para fibra mecanizadas en los terminales

- Insertar la preforma en el molde

- Transferir la resina aplicando presión y/o calor en condiciones de vacío

- Consolidación de la resina

2. El método de fabricación de barras de carga fabricadas con resina reforzada con fibras de la reivindicación 1, en donde la presión y calor durante el laminado de la preforma es aplicado sobre la superficie de la telas con un movimiento de giro sobre el mandrino usando una plancha manual.

3. El método de fabricación de barras de carga fabricadas con resina reforzada con fibras de la reivindicación 1, en donde la presión y calor durante el laminado de la preforma es aplicado sobre la superficie de la telas con un útil que comprende al menos dos cilindros que proporcionan presión sobre la superficie de laminado del mandrino mediante medios elásticos, y proporcionan calor y a su vez al menos uno de ellos provee el movimiento de rotación al conjunto.

4. Una barra de carga fabricada en material compuesto que comprende un núcleo de espuma mecanizado, al menos un terminal y un cuerpo de resina reforzada con fibras fabricada de acuerdo al método descrito en las reivindicaciones 2 o 3.

5. La barra de carga fabricada en material compuesto de la reivindicación 4 donde dicho cuerpo tubular de resina reforzada con fibras comprende al menos una tela de fibras unidireccionales alineadas en la dirección longitudinal de la barra.

6. La barra de carga fabricada en material compuesto de la reivindicación 5 donde dichos terminales integrados comprenden una ranura de perfil angular siguiendo una trayectoria helicoidal a lo largo de la superficie cilindrica del terminal.

7. La barra de carga fabricada en material compuesto de la reivindicación 6 donde dicho terminal es de un material metálico seleccionado del grupo acero, aluminio o titanio, y la fibra del cuerpo de la barra es seleccionada del grupo de carbono, vidrio, boro, kevlar o UHMWPE.