ES2228385T3 - Procedimiento para la produccion de un componente de material compuesto de fibras, asi como dispositivo para la produccion de este. - Google Patents

Abstract

Procedimiento para la producción de un componente de material compuesto de fibras que presenta al menos un punto de cruzamiento o de nudo, caracterizado porque una pieza previa en bruto, de fibras, integral, o una preforma, con un espesor de material y un contenido volumétrico de fibras esencialmente iguales en el al menos un punto de cruzamiento o de nudo y las secciones adyacentes de la pieza previa en bruto, de fibras, se introduce en un molde por medio del cual se predetermina la geometría final del componente, y porque la pieza previa en bruto, de fibras, se dota de un monómero o polímero antes o después de la introducción en el molde y se endurece después.

Description

Procedimiento para la producción de un componente de material compuesto de fibras, así como dispositivo para la producción de éste.

La invención se refiere a un procedimiento para la producción de un componente de material compuesto de fibras que presenta al menos un punto de cruzamiento o un nudo. Además, la invención se refiere a un dispositivo para la producción de un componente compuesto por un material compuesto de fibras, que comprende los moldes superior e inferior de una herramienta para moldeo por presión, así como, dado el caso, una fuente de calor mediante la cual puede calentarse el material compuesto de fibras durante la aplicación de presión por medio de la herramienta para moldeo por presión, con lo que uno de los moldes presenta cavidades de moldeo y el otro molde una geometría que sigue el desarrollo de las cavidades de moldeo.

En la construcción de hornos o de instalaciones de alta temperatura, en la técnica del temple, técnica de sinterización, se utilizan preferiblemente platos que presentan una estructura reticulada, que son resistentes a las altas temperaturas y deben presentar una elevada estabilidad mecánica. En este sentido han probado su eficacia las rejillas de CFC (carbono reforzado con fibras de carbono). Éstas se componen según el estado de la técnica de tiras o se producen a partir de material laminado mediante, por ejemplo, corte por chorro de agua. También se conocen rejillas de aleaciones metálicas de alta temperatura en técnica de fundición.

En el caso del uso de material en tiras de CFC, éste debe recortarse en la zona de los puntos de cruzamiento para asegurar que la superficie de apoyo de la red discurre en un plano, es decir, en la zona de los puntos de cruzamiento no debe existir un acrecentamiento de espesor del material.

Los trabajos correspondientes son complejos y por tanto costosos. Lo mismo es válido para el caso en el que se recortan redes de un material laminado, puesto que en este caso el desperdicio de material es indeseablemente alto. Por consiguiente, las rejillas conocidas, compuestas por materiales de CFC, presentan desventajas en cuanto a los costes de preparación y producción, así como en cuanto a la unión en el caso de sistemas encajados.

Posiblemente, las desventajas correspondientes no se producen para las rejillas producidas en técnica de fundición. Sin embargo, éstas presentan una capacidad calorífica indeseablemente alta y pueden estirarse en el caso de temperaturas que varían frecuentemente. Las temperaturas de uso también están limitadas. Como otras desventajas deben mencionarse la tendencia a la fluencia, así como grandes espesores de pared.

A partir del documento WO 92/11126, se conoce un material compuesto en forma de material textil con fibras de refuerzo, en el que los puntos de cruzamiento o de nudo presentan un espesor mayor que las zonas adyacentes.

Para producir una red compuesta por fibras de refuerzo que presenta una elasticidad que difiere en diferentes direcciones, según el documento WO 92/11126, los primeros haces de fibras presentan una cantidad diferente de fibras que los segundos haces de fibras. En lo anterior, después de la producción de la red, la sección transversal de la red en la zona de los puntos de nudo puede adaptarse a la de las zonas adyacentes ejerciendo presión.

A partir del documento EP 0 603 812 A1, se conoce un elemento laminar nervado de plástico reforzado con fibras, así como un procedimiento y un dispositivo para su producción según la parte introductoria de las reivindicaciones 1 y 12. El elemento laminar está compuesto por una placa y nervios dispuestos sobre ésta, que se cortan en el punto de nudo. Para la formación de una red que forma los nervios se introduce un producto laminar en una herramienta de moldeo para desplazar las mechas de fibras del producto laminar originalmente homogéneo, esencialmente en dirección tangencial. Para la estabilización, en los puntos de cruzamiento pueden insertarse elementos en forma de cruz.

El documento US-A-4 357 292 se refiere a una herramienta de moldeo para la formación de una red reforzada con fibras de vidrio. Para ello, en una matriz están previstas ranuras que se ensanchan hacia la abertura en forma cónica, en las que encajan resaltes correspondientemente adaptados de una matriz complementaria al formar la red.

La presente invención se basa en el problema de perfeccionar un procedimiento y un dispositivo del tipo mencionado al comienzo de manera que pueda producirse un componente sin estiraje, que pueda manejarse fácil y simplemente, con al menos un punto de cruzamiento, especialmente una rejilla, que presente una estabilidad de forma y pueda producirse de manera económica.

Esencialmente, el problema se soluciona según el procedimiento introduciendo una pieza previa en bruto, de fibras, integral, o una preforma, con un espesor de material esencialmente igual y/o un contenido volumétrico de fibras igual o esencialmente igual en el al menos un punto de cruzamiento y las secciones adyacentes del componente, en un molde que predetermina o predetermina esencialmente su geometría final, dotándolo de un monómero, tal como resina o polímero, antes o después de la introducción en el molde y endureciéndolo después. Especialmente se prevé pirolizar la pieza previa en bruto, de fibras, o pieza en verde endurecida. En lo anterior, el endurecimiento de la pieza previa en bruto, de fibras, tiene lugar en el molde y la pirólisis, como la carbonización y/o grafitización, fuera del molde.

Especialmente se utiliza una pieza previa en bruto, de fibras, que presenta como fibras mechas de roving o bandas de fibras de fibras naturales, de vidrio, de aramida, de carbono y/o cerámicas. Como resina misma se utiliza especialmente una resina procedente del fenol, tal como especialmente resol.

Incluso cuando la preforma se impregna o empapa ventajosamente con resina, debiéndose destacar una resina procedente de fenol, también existe la posibilidad de utilizar, además de las fibras de refuerzo, fibras poliméricas que forman las matrices, como, por ejemplo, fibras termoplásticas, tales como fibras de PEEK, fibras de PPS, fibras de PA, fibras de PE o fibras de PP.

Además hay que señalar que la enseñanza según la invención también está determinada para la producción de componentes que están compuestos de material plástico reforzado con fibras. La preforma utilizada puede someterse a un endurecimiento en frío o en caliente. Además, los componentes correspondientes, compuestos de plástico reforzado con fibras, pueden al menos carbonizarse, pero también carbonizarse y someterse a grafitización, de manera que se dispone de componentes de carbono o grafito reforzados con fibras. Como fibras de refuerzo preferidas deben mencionarse fibras cerámicas, tales como fibras de SiC, o fibras de carbono.

En otras palabras, con la enseñanza según la invención pueden producirse tanto componentes de plástico reforzados con fibras como también componentes de carbono reforzados con fibras, que se distinguen especialmente por su resistencia a altas temperaturas.

Las piezas previas en bruto, de fibras, se producen especialmente según la tecnología de colocación de fibras adaptada (tecnología TFP, Tailored Fiber Placement). En lo anterior, un material de fibras desenrollado de una bobina se coloca y se une con hilos de coser de tal manera que se disponga de una preforma de geometría deseada, con lo que mediante el cosido superpuesto reiterado son posibles diferentes espesores de material.

Las preformas producidas en tecnología TFP y que presentan puntos de cruzamiento como nudos, muestran la ventaja de que el volumen de fibras es igual o esencialmente igual a lo largo de toda la preforma, siempre que se utilicen fibras continuas como fibras de refuerzo. En otras palabras, el volumen en el punto de cruzamiento o nudo es aproximadamente igual al de los nervios que unen los puntos de cruzamiento o nudos. En ello debe verse una ventaja frente a los componentes de fibras continuas producidas según el estado de la técnica, en los que en los puntos de cruzamiento o de nudo se encuentra un volumen de fibras claramente aumentado, normalmente del doble.

Como las propias fibras de refuerzo son especialmente adecuadas las fibras cotejidas (cowoven), fibras tejidas por puntos (sitewoven), fibras comezcladas (comingled), fibras entremezcladas (intermingled), hebras de fibras cortas mezcladas, fibras hiladas enrolladas y otras fibras continuas conocidas de manera suficiente.

También existe la posibilidad de producir las preformas en un procedimiento de colocación del haz de filamentos (Tow Placement) con técnica de acabado por prensado adaptada o en técnica de moldeo por transferencia de resina (técnica RTM, Resin Transfer Molding).

Por medio de los procedimientos de producción en sí conocidos resulta una preforma que puede presentar una forma reticular, con lo que debido a la colocación de las fibras de refuerzo y su cosido en los puntos de cruzamiento puede conseguirse un espesor de material, que corresponde al espesor entre los puntos de cruzamiento. Una preforma producida de esta manera se impregna después con resina y se introduce en un molde de una herramienta para moldeo por presión, que a su vez presenta cavidades de moldeo que se corresponden con la geometría de la preforma y con ello de la forma final. Las cavidades mismas están delimitadas con elementos flexibles, de manera que sin tener en cuenta el encogimiento durante el endurecimiento, es posible separar la preforma (pieza en verde) endurecida ejerciendo presión sobre los elementos flexibles. Durante el endurecimiento, sobre la preforma actúa otro molde que se corresponde con la forma negativa de las cavidades que alojan a la preforma. En lo anterior, preferiblemente se trata de un molde compuesto por metal, tal como acero.

La pieza en verde así endurecida se carboniza después a una temperatura T_{1} con 500ºC \leqT_{1} \leq 1450ºC, especialmente 900ºC \leqT_{1} \leq 1200ºC o se somete a grafitización a una temperatura T_{2} con 1500ºC \leqT_{2} \leq 3000ºC, especialmente 1800ºC \leqT_{2} \leq 2500ºC.

Un dispositivo para la producción de un componente compuesto por un material compuesto de fibras del tipo mencionado al comienzo se distingue especialmente porque las cavidades de moldeo para alojar el material compuesto de fibras, en forma de una pieza previa en bruto, de fibras, o una preforma, están delimitadas por elementos flexibles, que acompañan el encogimiento del material compuesto de fibras al calentar. Se prevé especialmente que las cavidades estén formadas por medio de alojamientos para el material compuesto de fibras, que se cruzan y que están delimitados por los elementos flexibles que presentan respectivamente una geometría en forma de paralelepípedo. En este caso, el otro molde que encaja en las cavidades o está orientado a éstas presenta una geometría en forma reticular. El molde mismo está compuesto preferiblemente por metal, tal como acero.

Otros detalles, ventajas y características de la invención resultan no sólo de las reivindicaciones, de las características que se desprenden de éstas (en sí mismas y/o en combinación), sino también de los ejemplos de realización preferidos que se desprenden de la descripción subsiguiente del dibujo.

Muestran:

la figura 1 una pieza previa en bruto, de fibras, en forma reticular,

la figura 2 una red producida a partir de la pieza previa en bruto, de fibras, según la figura 1 y

la figura 3 elementos de una herramienta para el moldeo por presión para la producción de una pieza en verde a partir de la pieza previa en bruto, de fibras, según la figura 1.

En los ejemplos de realización descritos a continuación se explica un componente de material compuesto de fibras en forma de una red 10, sin que por medio de ello deba tener lugar una limitación de la enseñanza según la invención. Más bien, esto se extiende a todos los casos de aplicación de un componente de material compuesto de fibras que va a producirse con el procedimiento según la invención, determinado especialmente para el uso en la construcción de hornos e instalaciones de alta temperatura, técnica de temple, técnica de sinterización, como platos de columnas para reactores químicos, material de núcleo para estructuras sándwich o sistemas de soporte de cargas.

Para proporcionar un componente 10 correspondiente, incluso en sus puntos 12 de cruzamiento, con un espesor que no difiera del de la zona adyacente, es decir los nervios 14, 16, se utiliza una pieza previa en bruto, de fibras, una denominada preforma 18 que puede producirse según la tecnología de colocación de fibras adaptada (tecnología TFP) o un procedimiento correspondiente. Para ello se colocan y se cosen fibras de refuerzo, tales como mechas de roving y/o fibras o bandas de fibras de fibras naturales, de vidrio, de aramida, poliméricas, de carbono o cerámicas de manera correspondiente a la geometría deseada, con lo que las fibras se colocan en los puntos 12 de cruzamiento de manera que resulte un espesor o una sección transversal que se corresponda con el o la de las secciones 14, 16 adyacentes.

También existe la posibilidad de producir las preformas en el procedimiento de colocación del haz de filamentos con técnica de acabado por prensado adaptada o en técnica de moldeo por transferencia de resina (técnica RTM).

Independientemente del procedimiento utilizado, la preforma 18 presenta un espesor que se mantiene esencialmente invariable a lo largo de toda el área en que ésta se extiende. Después, la preforma 18 producida de esta manera se coloca en un molde 20 inferior de una herramienta para moldeo por presión, y concretamente en cavidades 22, que se forman por medio de alojamientos que se cruzan y presentan un desarrollo geométrico que se corresponde con el de la preforma 18. Los alojamientos 22 están delimitados por elementos 26 flexibles, que presentan una geometría en forma de paralelepípedo. Para ello, los elementos 26 flexibles en forma de paralelepípedo parten de una placa 24 de base compuesta por metal, estando éstos dispuestos y distanciados entre sí de manera que resulta una geometría de cavidades que se corresponde con la preforma 18 y, con ello, aproximadamente con la geometría final del componente 10 de material compuesto de fibras.

Antes de introducir la preforma 18 en el molde 20 inferior, se empapa o impregna la preforma 18 con resina, especialmente una resina procedente de fenol. Alternativamente o de manera complementaria, además de las fibras de refuerzo pueden utilizarse fibras poliméricas que forman las matrices, es decir, que ejercen la función de la resina. Como fibras poliméricas se consideran, por ejemplo, fibras termoplásticas, tales como fibras de PEEK, fibras de PPS, fibras de PA, fibras de PE o fibras de PP.

Una vez introducida la preforma 18 en el molde inferior, debido a la geometría del ejemplo de realización se orienta un molde 28 superior que se corresponde con una red sobre los alojamientos 22 y después se cierran el molde 20 inferior y el molde 28 superior, para aplicar la presión requerida sobre la preforma 18. Simultáneamente tiene lugar un tratamiento térmico de manera que tenga lugar el endurecimiento de la preforma 18 impregnada con resina o la fusión de las fibras termoplásticas. Puesto que durante el endurecimiento es posible un encogimiento de la preforma, los nervios 14, 16 rodean los elementos 26 del molde 20 inferior sujetándolos. Sin embargo, puesto que los elementos 26 están configurados de manera flexible, para retirar la preforma 18 endurecida, es decir, la pieza en verde, éstos deben comprimirse sólo en la medida requerida para retirar la pieza en verde del molde 20 inferior.

Después tiene lugar la carbonización o grafitización de la pieza en verde en la medida deseada para obtener un componente 10 de material compuesto de fibras según la representación de la figura 2. En lo anterior, cada punto 12 de cruzamiento presenta, según se ha mencionado, un espesor que se corresponde con el de los nervios 14, 16. Esto significa a su vez que la red 10 se extiende en un área con superficie plana, de manera que es posible el uso deseado, especialmente como plato.

Claims (14)

1. Procedimiento para la producción de un componente de material compuesto de fibras que presenta al menos un punto de cruzamiento o de nudo, caracterizado porque una pieza previa en bruto, de fibras, integral, o una preforma, con un espesor de material y un contenido volumétrico de fibras esencialmente iguales en el al menos un punto de cruzamiento o de nudo y las secciones adyacentes de la pieza previa en bruto, de fibras, se introduce en un molde por medio del cual se predetermina la geometría final del componente, y porque la pieza previa en bruto, de fibras, se dota de un monómero o polímero antes o después de la introducción en el molde y se endurece después.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque se piroliza la pieza previa en bruto, de fibras, o pieza en verde, dotada con un monómero o polímero y endurecida.

3. Procedimiento según la reivindicación 1 o 2, caracterizado porque la pieza previa en bruto, de fibras, impregnada o empapada especialmente con una resina y/o dotada con al menos una fibra polimérica como matriz, se somete a un proceso térmico para el endurecimiento.

4. Procedimiento según al menos una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la pieza previa en bruto, de fibras, se dota y se impregna con monómeros, tal como resina, o polímeros, antes de la introducción en el molde, y/o se somete a un proceso térmico en el molde.

5. Procedimiento según al menos una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la preforma impregnada con resina está dispuesta durante el tratamiento térmico entre un molde inferior y un molde superior de una herramienta para moldeo por presión, con lo que uno de los moldes presenta cavidades de moldeo delimitadas por elementos flexibles que predeterminan la geometría perimetral final de la preforma (pieza en verde) tratada con calor, que se deforman especialmente para retirar la pieza en verde de las cavidades de moldeo.

6. Procedimiento según al menos una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la pieza previa en bruto, de fibras, está compuesta por fibras de refuerzo, tales como mechas de roving y/o fibras o bandas de fibras de fibras naturales, de vidrio, de aramida, poliméricas, de carbono y/o cerámicas y/o como resina se utiliza una resina procedente del fenol.

7. Procedimiento según al menos una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque las fibras que forman la pieza previa en bruto, de fibras, se cosen para conseguir una forma deseada que presente el al menos un punto de cruzamiento.

8. Procedimiento según al menos una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la pieza en verde se carboniza a una temperatura T_{1} con 500ºC \leqT_{1} \leq 1450ºC, especialmente 900ºC \leqT_{1} \leq 1200ºC y/o la pieza en verde se somete a grafitización a una temperatura T_{2} con 1500ºC \leqT_{2} \leq 3000ºC, especialmente 1800ºC \leqT_{2} \leq 2500ºC.

9. Procedimiento según al menos una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque como fibras de refuerzo de la pieza previa en bruto, de fibras, se utilizan fibras continuas o fibras cotejidas (cowoven), fibras tejidas por puntos (sitewoven), fibras comezcladas (comingled), fibras entremezcladas (intermingled), hebras de fibras cortas mezcladas, fibras hiladas enrolladas.

10. Procedimiento según al menos una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque a las fibras de refuerzo se añaden fibras poliméricas como matrices, con lo que como fibras poliméricas se utilizan especialmente fibras termoplásticas, tales como fibras de PEEK, fibras de PPS, fibras de PA, fibras de PE o fibras de PP.

11. Procedimiento según al menos una de las reivindicaciones anteriores para la producción de una red integral de altura invariable como componente, para la producción de un componente de carbono reforzado con fibras o para la producción de un componente de material plástico reforzado con fibras, con lo que una pieza en verde compuesta por material plástico reforzado con fibras preferiblemente se carboniza y/o se somete a grafitización.

12. Dispositivo para la producción de un componente (10) compuesto por un material compuesto de fibras, que comprende los moldes (20, 28) inferior y superior de una herramienta para moldeo por presión, así como, dado el caso, una fuente de calor mediante la cual puede calentarse el material compuesto de fibras durante la aplicación de presión en la herramienta para moldeo por presión, con lo que uno de los moldes (10) presenta cavidades (22) de moldeo y el otro molde (28) una geometría que sigue el desarrollo de las cavidades de moldeo, caracterizado porque las cavidades (22) de moldeo para alojar el material (18) compuesto de fibras en forma de una pieza previa en bruto, de fibras, o una preforma, están delimitadas por elementos (26) flexibles que acompañan un encogimiento del material compuesto de fibras en la medida necesaria.

13. Dispositivo según la reivindicación 12, caracterizado porque las cavidades (22) están formadas por alojamientos, para el material compuesto de fibras o la preforma (18), que se cruzan, entre los cuales están dispuestos los elementos (26) flexibles que presentan respectivamente una geometría en forma de paralelepípedo, con lo que el molde (28), que puede orientarse sobre las cavidades (22) que se cruzan, presenta una geometría en forma reticular y está compuesto especialmente por metal, tal como acero.

14. Componente producido según un procedimiento según al menos una de las reivindicaciones anteriores.