ES2907966T3 - Producto multiaxial con como mínimo 2 capas a 0º - Google Patents

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Abstract

Producto con como mínimo tres capas de hilos, en donde cada una de las capas de hilos está formada por tejidos de refuerzo multifilamento situados paralelos y unos junto a otros en el interior de las capas de hilos, en donde como mínimo dos capas de hilos están situadas en el interior del producto multiaxial de manera que definen una dirección a 0º en el interior del producto multiaxial y en donde la como mínimo otra capa de hilos está situada en un ángulo de más de ±10º en relación con la dirección de 0º en el interior del producto multiaxial, en donde las como mínimo dos capas de hilos se siguen directamente una a otra en la dirección de 0º por referencia a la disposición de las como mínimo tres capas de hilos, en el interior del producto multiaxial sin otra capa de tejidos de refuerzo multifilamento.

Description

DESCRIPCIÓN
Producto multiaxial con como mínimo 2 capas a 0°
La invención se refiere a un producto multiaxial con como mínimo tres capas de hilos
Los productos multiaxiales son conocidos desde hace tiempo.
Los documentos EP 2547816 o EP 2547510, por ejemplo, describen productos multiaxiales que presentan numerosas capas, con diferentes ángulos de unas respecto a otras, en el interior del producto multiaxial.
Desventaja de los productos multiaxiales conocidos es en concreto, que las propiedades mecánicas de los productos multiaxiales solo son regulables en un rango limitado. Por ejemplo, la compresión del producto multiaxial en la dirección de 0° depende en gran medida del peso por unidad de superficie de la capa de hilos en la dirección 0°. El aumento del peso por unidad de superficie ocasionaría consecuentemente una mejora de las propiedades mecánicas. Pero ciertamente el peso por unidad de superficie no puede ser aumentado sin problemas. Un peso por unidad de superficie elevado lleva a menudo a la desviación o formación de haces de fibras en el interior de la capa (la llamada ondulación) con lo que la capa de hilos o sus capas vecinas reciben una ondulación. La ondulación, de nuevo, disminuye las propiedades mecánicas de la capa de hilos.
Por el escrito EP 3023241 se conoce un material reforzado con fibras que puede ser construido de material de cinta y cuyas diversas capas son colocadas en ángulo entre ellas. Según este escrito las cintas son previstas colocadas con distancia entre las mismas (forman canales de separación). Esto influye en las propiedades mecánicas del material, puesto que se producen zonas libres de tejido.
La misión de la presente invención es por tanto preparar un producto multiaxial que pueda ser adaptado mejor a las propiedades mecánicas.
Esta misión será resuelta por un producto multiaxial con como mínimo tres capas de hilos, en donde cada una de las capas de hilos está formada por tejidos de refuerzo multifilamento dispuestos paralelos uno a otro y adyacentes uno al lado de otro en el interior de la capa de hilos, en donde al menos dos capas de hilos están situadas en el interior del producto multiaxial de manera que definen una dirección 0° en el interior del producto multiaxial y donde la como mínimo otra capa de hilos restante está situada en un ángulo de más de ±10° en relación con la dirección de 0° en el interior del producto multiaxial, en donde las como mínimo dos capas de hilos se suceden inmediatamente una a otra en la dirección de 0° respecto a la disposición de las como mínimo tres capas de hilos en el interior del producto multiaxial sin otra capa de tejidos con multifilamentos de refuerzo entre ellas.
Utilizando como mínimo dos capas de hilos en dirección 0° que se suceden una a otra en el interior del producto multiaxial (sin ninguna otra capa de tejidos multifilamento de refuerzo como capa de hilos intermedia) se puede influir ventajosamente en las propiedades mecánicas del producto multiaxial. Por ejemplo, las como mínimo dos capas de hilos en dirección 0° pueden ser construidas con diferentes tejidos de refuerzo multifilamento, en donde los diferentes tipos de tejidos pueden tener poca o ninguna influencia negativa, puesto que no se encuentran en el interior de una capa.
La al menos una capa de hilos restante con un ángulo de más de ± 10° respecto de la dirección 0° en el interior del producto multiaxial tiene preferentemente un ángulo de ±30°, ±45°, ±60° y/o 90° respecto de la dirección de 0° en el interior del producto multiaxial. Sin embargo, la como mínimo otra capa de hilos en un ángulo de más de ±10° respecto de la dirección de 0° no es ninguna capa de hilos que propiamente debería ser tendida en dirección de 0° y solamente por inexactitudes fue tendida en un ángulo desviado muy poco de la dirección de 0°. La por lo menos otra capa de hilos en un ángulo de más de ±10° respecto de la dirección de 0° será denominada en lo que sigue solamente como mínimo otra capa de hilos restante.
Para aclaración, el producto multiaxial puede presentar una pluralidad de capas de hilos de tejidos de refuerzo multifilamento. Sin embargo, según la invención, entre las al menos dos capas de hilos que forman las capas de 0°, no hay capas (es decir, tampoco otras capas de hilos) de tejidos de refuerzo multifilamento con un ángulo de al menos ±10° respecto de la capa de 0°. Entre las capas de hilos en la dirección de 0° pueden encontrarse, por consiguiente, solamente las llamadas capas intermedias, por ejemplo capas de vellón. Cada capa que presente fibras con una resistencia inferior a 2000 MPa y/o una disposición de fibras predominantemente no paralela dentro de la capa (por ejemplo, telas no tejidas, capas de fibras aleatorias) debe considerarse una capa intermedia.
Las capas de hilos se componen preferentemente por tejidos de refuerzo multifilamento ensanchados, que también pueden denominarse cintas. Las cintas tienen preferentemente una anchura de 80 hasta 800 mm, más preferentemente las cintas tienen una anchura de entre 250 a 360 mm y totalmente preferidas en especial de 600 a 700 mm. Para la fabricación de las capas de hilos los tejidos de refuerzo multifilamento ensanchados se colocan de manera que esencialmente no haya huecos (zonas sin tejido) dentro de la capa de hilos. Por lo tanto, los tejidos de refuerzo multifilamento se apoyan unos contra otros sin dejar huecos. En otra forma de realización preferida, las al menos tres capas de hilos comprenden cada una un tejido unidireccional. En el tejido unidireccional, los tejidos de refuerzo multifilamento se encuentran igualmente ensanchados paralelos entre sí y apoyados unos a otros, pero se tejen con hilos auxiliares para aumentar la estabilidad de las capas.
Por ejemplo, como hilos auxiliares se pueden utilizar tejidos de fusión adhesivos bicomponentes con un título de 200 dtex.
Preferentemente, en el producto multiaxial las por lo menos dos capas de hilos en dirección 0° están en contacto directo entre sí en la dirección 0°. Bajo un "contacto directo" debe entenderse que las al menos dos capas de hilos en la dirección 0° en el producto multiaxial se encuentran una encima de la otra sin ninguna otra capa intermedia (incluso sin vellón) entre las al menos dos capas de hilos en la dirección 0°.
Preferiblemente, las al menos dos capas de hilos en la dirección 0° presentan cada una un peso por unidad de superficie de al menos 100 g/m2, más preferiblemente de al menos 150 g/m2 y particularmente preferible de al menos 180 g/m2. En una forma de realización preferida, todas las capas de hilos en dirección 0° presentan el mismo peso por unidad de superficie en la dirección 0°. También puede pensarse, sin embargo, que las al menos dos capas de hilos en dirección 0° presenten diferentes pesos por unidad de superficie. Puesto que para el producto multiaxial se utilizan al menos dos capas de hilos en la dirección 0°, se pueden conseguir ventajosamente altos pesos por unidad de superficie en la dirección 0°, de manera que, por ejemplo, se aumenta la resistencia a la presión en la dirección 0°. En comparación con el uso de una sola capa con un alto peso por unidad de superficie, se obtiene sin embargo, la ventaja de que, por ejemplo, una ondulación de los hilos no produce o sólo se produce en muy pequeña medida en las capas de hilos individuales en la dirección 0° o en sus capas vecinas.
Preferiblemente, la al menos otra capa de hilos presenta un peso por unidad de superficie de al menos 100 g/m2, particularmente preferible de al menos 120 g/m2. Cuando se utiliza una pluralidad de estas otras capas de hilos, todas las capas de hilos pueden tener el mismo peso por unidad de superficie o tener diferentes pesos por unidad de superficie.
Preferentemente, las como mínimo tres capas de hilos presentan, como tejido de refuerzo multifilamento, tejidos de fibra de carbono, tejidos de fibra de vidrio, tejidos de aramida y/o tejido de polietileno UHMW altamente ensanchado o mezclas de dichos hilos. Con particular preferencia las al menos tres capas de hilos se componen en como mínimo un 90% de las mencionadas fibras o bien por tejidos o mezclas de las mencionadas fibras o tejidos.
En una forma de realización preferida, las al menos dos capas de hilos en la dirección 0° tienen los mismos tipos de fibras o tipo de tejido que la al menos una capa de hilo restante. Las diferentes capas de hilos pueden ser iguales o diferentes con respecto al título del tejido utilizado.
Preferentemente, los tejidos de refuerzo multifilamento son tejidos de fibra de carbono que tienen una resistencia de al menos 5000 MPa medida según JIS-R- 7608 y un módulo de tracción de al menos 260 GPa medido según JIS-R-7608. En relación con este tejido de fibra de carbono utilizado, se hace referencia a la solicitud japonesa aún no publicada con número de expediente JP 2017-231749. También preferidos son los tejidos de refuerzo multifilamento hilos de fibra de carbono con una resistencia de al menos 4500 MPa, medida según JIS-R- 7608 y un módulo de tracción de al menos 240 GPa, medido según JIS-R- 7608.
Preferiblemente, el producto multiaxial presenta al menos una capa de vellón. Preferiblemente, al menos un vellón está dispuesto sobre, bajo y/o entre las por lo menos tres capas de hilos. De manera particularmente preferente, se dispone un vellón entre cada capa de hilo y/o el producto multiaxial presenta en la cara superior y/o en la cara inferior otro vellón. Debe quedar claro que entre dos capas de hilos en la dirección 0°, que se suceden directamente en relación con la disposición de las al menos tres capas de hilos consecutivas entre sí (en el producto multiaxial) puede estar situado un vellón (excepto en el ejemplo de realización, en el que las capas de hilos están en contacto directo entre sí en la dirección 0°). Además, preferentemente, el producto multiaxial comprende un aglutinante de polvo. Por ejemplo, un vellón puede presentar un aglutinante de polvo. Preferiblemente, el al menos un vellón presenta un peso por unidad de superficie de 3 a 25 g/mR. En una forma de realización con más de un vellón, todas las capas de vellón utilizadas pueden presentar el mismo peso por unidad de superficie o diferentes pesos por unidad de superficie. Una construcción particularmente preferida del producto multiaxial es la siguiente:
- al menos otra capa de hilos
- vellón
- al menos otra capa de hilos
- vellón
- capa de hilos en dirección 0°
- vellón
- capa de hilos en dirección 0°
- vellón con aglutinante de polvo.
En una forma de realización, el producto multiaxial presenta una rejilla metálica. Preferiblemente, la rejilla metálica está dispuesta sobre y/o debajo de las al menos tres capas de hilos. Preferiblemente, la rejilla metálica forma una capa más externa del producto multiaxial. De manera particularmente preferente, la rejilla metálica tiene un peso por unidad de superficie de 50 a 250 g/m2, más preferentemente de 70 a 175 g/m2 y muy particularmente de 90 a 139 g/m2. La malla metálica está unida preferentemente con una o varias capas de hilos, por ejemplo mediante cosido o mediante un sistema de hilo de punto, que mantiene unido el producto multiaxial. Ventajosamente, mediante la rejilla metálica se puede mejorar la conductividad del producto multiaxial, lo que es particularmente ventajoso para aplicaciones de viajes aeroespaciales. Preferiblemente, la rejilla metálica es una rejilla de cobre.
Preferentemente, el al menos un vellón se compone de al menos un primer y un segundo componente polímero termoplástico, en el que el primer y el segundo componente polímero presentan diferentes temperaturas de fusión.
Preferentemente, el componente polímero con una temperatura de fusión más baja presenta una temperatura de fusión en el rango entre 80 y 135°C y/o el componente polímero con una temperatura de fusión más alta presenta una temperatura de fusión en el rango entre 140 y 250°C.
Preferentemente, el primer componente polímero es soluble en resinas matrices de resinas epoxi, resinas matrices de éster de cianato o resinas matrices de benzoxazina o en mezclas de éstas resinas matrices y el segundo componente polímero es insoluble en resinas matrices de epoxi, resinas matrices de éster de cianato o resinas matrices de benzoxazina o en mezclas de estas resinas matrices.
En una forma de realización, el primer componente polímero es una poliamida y/o el vellón presenta una resina epoxídica. De manera especialmente preferente, la resina epoxídica se presenta en forma de aglutinante de polvo que se ha extendido sobre el vellón y fue unido térmicamente a él.
Cuando se utiliza un material aglutinante en forma de partícula en cualquier forma de realización, el tamaño de partícula preferido está en un rango de 50 - 160 gm, particularmente preferido entre 80 - 140 gm.
Para todas las formas de realización con vellón, es válido que si se utiliza más de una capa de vellón, se pueden utilizar diferentes vellones o los mismos vellones para el producto multiaxial. Cuando se utilizan diferentes capas de vellón, las capas de vellón pueden diferir en cuanto a su peso por unidad de superficie, su material y/o su construcción.
En comparación con los productos multiaxiales conocidos hasta ahora, el producto multiaxial propuesto tiene la ventaja de tener un patrón de hilos uniforme con un porcentaje de volumen de fibra simultáneamente alto ya que se reduce el riesgo de ondulación. Esto puede aumentar en especial la resistencia a la presión del producto multiaxial. El producto multiaxial propuesto también es más fácil de drapear en comparación con los productos multiaxiales con un peso por unidad de superficie comparable pero con menos capas de hilos, así como por el uso de capas a 0° ya fijadas (por ejemplo, como cintas UD, prefijadas mediante hilo de trama, aglutinante de polvo o una rejilla termoplástica).
Otro objeto de la presente invención se refiere a un método para producir un producto multiaxial como el descrito anteriormente.
Para la fabricación del producto multiaxial, se extienden al menos tres capas de hilos, en donde cada una de las capas de hilos está formada por tejidos de refuerzo multifilamento dispuestos en paralelo y adyacentes entre sí en el interior de las capas de hilos, en donde en la fabricación del producto multiaxial se extienden al menos dos capas de hilos en una dirección 0°, en donde sobre y/o debajo de todas las como mínimo dos capas de hilos en dirección 0° se extiende al menos otra capa de hilos en un ángulo de más de ±10° respecto a la dirección 0° dentro del producto multiaxial.
Las al menos tres capas de hilos para la fabricación del producto multiaxial pueden formarse primeramente durante la fabricación del producto multiaxial (en línea) o pueden depositarse ya como producto prefabricado (por ejemplo, cinta) para la fabricación del producto multiaxial en el proceso de fabricación como capa acabada (fuera de línea).
Las al menos dos capas de hilos en la dirección 0° se colocan una encima de la otra sin que haya otra capa de hilos (con tejidos de refuerzo multifilamento dispuestos en un ángulo de más de ±10° con respecto a la dirección 0°) entre ellas. Por lo tanto, la al menos otra capa de hilos puede colocarse encima o debajo de las al menos dos capas de hilos en la dirección 0°. Si se utiliza más de otra capa de hilos, las capas de hilos se sitúan sobre y/o debajo de las capas de hilos en la dirección 0°, pero nunca entre ellas. En el caso de utilización de más de una capa de hilo, el producto multiaxial producido de esta manera puede presentar una construcción simétrica alrededor de las al menos dos capas de hilos en la dirección 0°. Una construcción simétrica respecto a la dirección 0° se da, por ejemplo, en un producto multiaxial con la siguiente construcción:
+4570707-45°.
Preferiblemente, durante la fabricación del producto multiaxial se extiende al menos una capa de vellón entre una de las capas de hilos. Preferiblemente, capas de vellón se extienden entre todas las capas de hilos y/o como última capa en uno o ambos lados sobre las capas de hilos exteriores. En cuanto a los vellones utilizados como capas de vellón, hay que remitirse a las realizaciones ya descritas para los vellones del producto multiaxial.
En un ejemplo de realización, también se puede depositar una rejilla metálica sobre un lado exterior del producto multiaxial. Para el diseño de la rejilla metálica, se hace referencia a lo ya escrito sobre la rejilla metálica del producto multiaxial.
En una forma de realización preferida, cada una de las al menos dos capas de hilos depositadas en la dirección 0° es depositada por un dispositivo de depósito propio. Por consiguiente, cuando se utilizan capas de hilos ya prefabricadas, para cada capa de hilos en la dirección 0° se utiliza un dispositivo de depósito con capa de hilos devanada.
En una otra forma de realización, las al menos dos capas de hilos se depositan en la dirección 0° cada una mediante un cerramiento de hilos estáticos en la fabricación del producto multiaxial cuando está previsto una alimentación online.
En otra forma de realización, las como mínimo dos capas de hilos en la dirección 0° se depositan como un denominado tejido unidireccional durante la fabricación del producto multiaxial. Durante la fabricación, cada tejido unidireccional se deposita durante el proceso de fabricación como una capa de hilos en la dirección 0°, preferiblemente mediante un dispositivo de depósito propio.
Otro objeto de la presente invención se refiere a un composite reforzado con fibras que comprende al menos un producto multiaxial según el anteriormente descrito. Preferiblemente, el composite presenta numerosas capas de hilos compuestas de tejidos de refuerzo multifilamento y capas de vellón entre ellas. De manera particularmente preferente, el composite presenta otro material matriz adicional con el que se impregnan las capas de hilos y las capas de vellón.
Por lo tanto, otro objeto de la presente invención es también un procedimiento para fabricar el composite por medio de un material matriz adicional. Preferiblemente, para este fin, numerosos productos multiaxiales del tipo mencionado anteriormente se apilan en capas unos sobre otros y se consolidan mediante calor y presión y un material de matriz adicional para formar un componente (composite). Un composite como este puede utilizarse por ejemplo, como componente en el sector aeroespacial o en el sector del automóvil.

Claims (15)

REIVINDICACIONES
1. Producto con como mínimo tres capas de hilos, en donde cada una de las capas de hilos está formada por tejidos de refuerzo multifilamento situados paralelos y unos junto a otros en el interior de las capas de hilos, en donde como mínimo dos capas de hilos están situadas en el interior del producto multiaxial de manera que definen una dirección a 0° en el interior del producto multiaxial y en donde la como mínimo otra capa de hilos está situada en un ángulo de más de ±10° en relación con la dirección de 0° en el interior del producto multiaxial, en donde las como mínimo dos capas de hilos se siguen directamente una a otra en la dirección de 0° por referencia a la disposición de las como mínimo tres capas de hilos, en el interior del producto multiaxial sin otra capa de tejidos de refuerzo multifilamento.
2. Producto multiaxial según la reivindicación 1, en donde las como mínimo dos capas de hilos en la dirección a 0° están en un contacto directo una con la otra en el producto multiaxial.
3. Producto multiaxial según la reivindicación 1 o 2, en donde las como mínimo dos capas de hilos en la dirección 0° presentan cada una un peso por unidad de superficie de como mínimo 150 g/m2, con preferencia de como mínimo 180 g/m2 y/o la al menos otra capa de hilos colocada en un ángulo de más de ±10° en la dirección de 0° en el interior del producto multiaxial presenta respectivamente un peso por unidad de superficie , respectivamente de como mínimo 100 g/m2, con preferencia de como mínimo 120 g/m2.
4. Producto multiaxial según una de las reivindicaciones precedentes, en donde los tejidos de refuerzo multifilamento son tejidos de fibra de carbono, tejidos de fibra de vidrio o tejidos de aramida o tejidos de polietileno UHMW altamente extendidos.
5. Producto multiaxial según una de las reivindicaciones precedentes, en donde los tejidos de refuerzo multifilamento son tejidos de fibra de carbono con una resistencia de como mínimo 5000 MPa medida según JIS-R-7608 y un módulo de tracción de como mínimo 260 GPa, medido según JIS-R-7608 y/o tejidos de fibras de carbono con una resistencia de como mínimo 4500 MPa medida según JIS-R-7608 y un módulo de tracción de como mínimo 240 GPa, medido según JIS-R-7608.
6. Producto multiaxial según una de las reivindicaciones precedentes, en donde sobre, bajo y/o entre las como mínimo tres capas de hilos está situado por lo menos un vellón y/o al menos una rejilla metálica está situada sobre y/o bajo las como mínimo tres capas de hilos.
7. Producto multiaxial según la reivindicación 6, en donde el como mínimo un vellón presenta un peso por unidad de superficie en el rango de 3 y 25 g/m2 y/o la rejilla metálica presenta un peso por unidad de superficie de 60 -200 g/m2.
8. Producto multiaxial según la reivindicación 6 o 7, en donde el como mínimo un vellón está compuesto por como mínimo un primer y un segundo componente polímero termoplástico, en donde el primer y el segundo componente polímero presentan temperaturas de fusión diferentes.
9. Producto multiaxial según la reivindicación 8, en donde el componente polímero con una temperatura de fusión más baja presenta una temperatura de fusión en el rango entre 80 y 135°C y/o el componente polímero con una temperatura de fusión más elevada presenta una temperatura de fusión en el rango entre 140 y 250°C y/o en donde el primer compuesto polímero es una poliamida y/o el vellón presenta una resina epoxídica.
10. Producto multiaxial según la reivindicación 9, en donde el primer componente polímero es soluble en resinas matriz epoxi o resinas matriz de éster de cianato o resinas matriz de benzoxazina o en mezclas de esas resinas matriz, y el segundo componente polímero es insoluble en resinas matriz epoxídicas o resinas matriz de éster de cianato o resinas matriz de benzoxazina o en mezclas de esas resinas matriz.
11. Producto multiaxial según al menos una de las reivindicaciones precedentes, en donde el como mínimo un vellón presente un material aglutinante en forma de partícula en donde el tamaño de partícula del material aglutinante está entre 50 - 160 gm.
12. Composite reforzador de fibras, en donde el composite presenta como mínimo un producto multiaxial según al menos una de las reivindicaciones 1 a 11.
13. Procedimiento para la fabricación de un producto multiaxial según la reivindicación 1 a partir de como mínimo tres capas de hilos, en donde cada una de las capas de hilos está formada por tejidos de refuerzo multifilamentos situados en el interior de las capas de hilos paralelos entre sí y juntos unos a otros apoyados unos en otros, en donde en la fabricación del producto multiaxial por lo menos dos capas de hilos son extendidas en una dirección de 0°, en donde sobre o bajo todas las por lo menos dos capas de hilos en dirección de 0° como mínimo otra capa de hilo es extendida en un ángulo de más de ±10° respecto de la dirección 0° en el interior del producto multiaxial.
14. Procedimiento según la reivindicación 13, en donde sobre, bajo y/o entre las como mínimo tres capas de hilos esta extendido un vellón por lo menos, y/o en donde cada una de las por lo menos dos capas de hilos extendidas en dirección de 0° es extendida cada una mediante un dispositivo para extender.
15. Procedimiento para la fabricación del composite según la reivindicación 12, en donde se utilizan al menos un producto multiaxial según al menos una de las reivindicaciones 1 a 11 y un material matriz adicional.
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