WO2014140389A1

WO2014140389A1 - Elemento con rigidez variable controlada por presión negativa

Info

Publication number: WO2014140389A1
Application number: PCT/ES2013/070177
Authority: WO
Inventors: Maxime Bureau; Thierry Keller; Jan F. VENEMAN; Carolina VERA MARTÍN
Original assignee: Textia Innovative Solutions, S.L.
Priority date: 2013-03-15
Filing date: 2013-03-15
Publication date: 2014-09-18
Also published as: MX2015013019A; CA2905655A1; KR102135863B1; EP2796114A1; EP2796114B1; US20150369325A1; BR112015023746A2; CN104302254A; KR20160005691A; ES2574603T3; CN104302254B; BR112015023746B1; CA2905655C; JP2016510613A

Abstract

Elemento con rigidez variable controlada por presión negativa. Elemento (1) con rigidez variable controlada por presión negativa, comprendiendo el elemento: - una envoltura (10) hermética; - una pluralidad de capas (30, 30a, 30b, 30c, 30d, 30e) flexibles en la envoltura, teniendo cada capa (30, 30a, 30b, 30c 30d, 30e) una primera superficie (31, 41) y una segunda superficie (32, 42); y, - una válvula (20) adaptada para evacuar el interior de la envoltura (10); caracterizado por que: - las primera y segunda superficies (31, 41, 32, 42) de dos capas adyacentes tienen un coeficiente de rozamiento entre sí que es superior a 0,5; - las primera y segunda superficies (31, 41, 32, 42) de dos capas adyacentes tienen propiedades de adhesión tales que es necesaria una fuerza normal por unidad de área por debajo de 0,07 N/mm² para separarlas y/o la energía por unidad de área requerida para separarlas en la dirección normal es inferior a 6,7 J/m².

Description

Elemento con rigidez variable controlada por presión negativa

CAMPO TÉCNICO

La invención se refiere a un elemento con rigidez variable controlada a través de presión negativa, tal como aspiración o vacío. La presente invención es aplicable:

a ciertos dispositivos médicos (tales como yesos, escayolas, ortesis funcionales, plantillas y dispositivos médicos de emergencia, tales como férulas para extremidades y elementos de prestación de primeros auxilios para todo el cuerpo),

a artículos deportivos (como patines, botas de esquí, tablas de surf y equipos de protección para deportes, tales como cascos o rodilleras y protectores pectorales),

a elementos de seguridad que se endurecen en caso de un choque o accidente, a elementos constructivos, por ejemplo, a utilizarse para la fabricación de mobiliario de acampada reconfigurable o de juguetes,

a elementos de molde para la producción de materiales compuestos,

- a elementos de embalaje, o

a elementos de seguridad que se endurecen en caso de un choque o accidente, por ejemplo, en el campo de la automoción.

ESTADO DE LA TÉCNICA

Se conoce la utilización de presión negativa, tal como aspiración o vacío, para proporcionar una forma de convertir un elemento de un estado flexible, en el que el elemento se forma y puede adaptarse fácilmente para ajustarse a una forma específica deseada (tal como una parte del cuerpo humano), a un estado rígido, en el que el elemento es rígido y proporciona soporte, protección y/o estabilización, y viceversa. La estructura básica de los dispositivos que utilizan presión negativa comprende generalmente cargas internas que son partículas normalmente móviles y una fina cubierta externa flexible, impermeable al aire. La estructura permite normalmente que el dispositivo se instale fácil y rápidamente alrededor del cuerpo y de las extremidades afectadas. Cuando el dispositivo se vuelve de la forma deseada en la posición deseada, se somete a presión negativa y la presión atmosférica comprime entonces la cubierta exterior flexible y aplica una presión sustancial a la totalidad de la masa de partículas. La fuerza de rozamiento entre las partículas y la cubierta resiste el movimiento relativo entre las mismas, proporcionando de este modo rigidez. Por lo general, se incluye una válvula para cerrar herméticamente la cubierta cuando se evacúa para mantener la rigidez del dispositivo. A partir del estado rígido el estado flexible se obtiene normalmente abriendo de la válvula y soplando.

Se han publicado varias patentes sobre dispositivos ortopédicos que emplean presión negativa. El documento de Patente US 2005/0137513 desvela una estructura para mantener un espesor homogéneo en los dispositivos para soportar y estabilizar una persona o partes del cuerpo con lesiones. El dispositivo tiene una región interior envuelta por dos películas flexibles y la región interior se divide en dos cuerpos de inserción que están formados, respectivamente, con dos tiras de material flexible, permeables al aire. Cada cuerpo de inserción está dividido en cámaras que contienen partículas sueltas, a modo de costuras que se cruzan formadas entre las tiras de material. Las costuras en ambos cuerpos de inserción están escalonadas entre sí en ambas direcciones, de tal manera que las partículas se combinan para formar una capa de partículas gruesa de forma sustancialmente homogénea. Sin embargo, una estructura de este tipo compuesta de gránulos o partículas tiene el problema de ser demasiado gruesa, lo que conduce a limitaciones prácticas, tales como el tamaño de transporte, y un alto volumen que conduce a problemas tales como un largo tiempo de evacuación para alcanzar el nivel deseado de presión negativa.

Con el fin de resolver el problema del espesor y volumen indeseados, el elemento de ajuste corporal a con rigidez controlada descrito en el documento de patente WO 201 1/07985 está fabricado de una envoltura hermética a gases que encierra una pluralidad de capas y que tiene una válvula adaptada para evacuar el interior de la envoltura. Cada capa se fabrica de un núcleo fabricado de un material con un módulo de Young y flexibilidad elevados, revestido por ambas caras con una capa de recubrimiento o revestimiento fabricada de un material con un alto coeficiente de rozamiento. Sin embargo, este tipo de elemento de ajuste corporal presenta los siguientes problemas: - Una vez que se ha aplicado vacío y el elemento de ajuste corporal está en su estado rígido, cuando la válvula se abre para pasar al estado flexible, las capas pueden quedarse pegadas una a la otra debido a su pegajosidad, y por tanto el estado flexible no se recupera apropiadamente.

En el estado rígido, cuando está bajo una tensión de flexión, las capas pueden deslaminarse (desconectándose el revestimiento del núcleo).

El elemento de ajuste corporal que se describe en el documento WO 201 1 /07985 incluye algunas tiras de un material con bajo coeficiente de rozamiento, con el fin de recuperar correctamente el estado flexible a presión atmosférica. Sin embargo, estas tiras reducen las superficies de rozamiento eficaces, lo que reduce consecuentemente la rigidez del elemento en estado rígido y afecta, por lo tanto, a su correcto funcionamiento. En resumen, es necesario un elemento con rigidez controlable, que resuelva de forma eficiente tanto los problemas de pegajosidad como de deslaminación, en el escenario descrito anteriormente. DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere a un elemento de rigidez variable controlada por presión negativa según la reivindicación 1 . Realizaciones preferidas del elemento se definen en las reivindicaciones dependientes.

Es un objeto de la presente invención proporcionar un elemento de rigidez variable controlable por presión negativa que supere los problemas de pegajosidad y deslaminación que tienen los elementos de rigidez controlable existentes. Con el fin de hacerlo, el elemento con rigidez variable controlable por presión negativa de la presente invención es totalmente reversible entre los estados flexible y rígido, a la vez que se mantiene o incluso se mejora, la relación de rigidez entre el estado rígido y el flexible en comparación con esta relación de rigidez de las soluciones actuales.

El elemento de rigidez variable controlada por presión negativa de la presente invención comprende:

una envoltura impermeable a gases;

una pluralidad de capas flexibles dentro de la envoltura, teniendo cada capa una primera superficie y una segunda superficie; y,

una válvula adaptada para evacuar el interior de la envoltura.

De acuerdo con un primer aspecto de la invención, las superficies primera y segunda de dos capas adyacentes:

tienen un coeficiente de rozamiento entre sí que es superior a 0,5; y

- tienen unas determinadas propiedades de adhesión, tales que se requiere una fuerza normal por unidad de área de no más de 0,07 N/mm² para separarlas y/o la energía por unidad de área requerida para separarlas en la dirección normal está por debajo de 6,7 J/m².

Por lo tanto, el elemento de la presente invención tiene una estructura laminar que comprende varias capas y que tiene las siguientes propiedades:

alto coeficiente de rozamiento entre las capas debido a la selección de los materiales utilizados y al hecho de que toda la superficie de las capas soporta rozamiento; y,

baja adhesión entre capas, especialmente cuando no hay fuerza normal alguna. De esta manera las superficies primera y segunda pueden deslizar una con respecto a la otra a presión atmosférica.

Una ventaja adicional de la presente invención es que las capas pueden ser más delgadas que las capas de elementos de la técnica anterior (que incluían capas con un núcleo y un revestimiento), debido al hecho de que las capas pueden estar fabricadas de un único material o material compuesto que tenga las propiedades necesarias de alto coeficiente de rozamiento y de baja adhesión, eliminando de este modo la necesidad de tener tanto revestimiento como núcleo, y la capa adhesiva correspondiente entre los mismos.

Con esta configuración específica del elemento de la invención, se mejora la relación de rigidez del elemento entre sus estados flexible y rígido:

en primer lugar, debido a que las capas no se pegan entre sí a presión atmosférica, lo que hace que el elemento sea más flexible y más fácil de conformar en su estado flexible; y

- en segundo lugar, dado que no hay necesidad de tiras de bajo rozamiento o de costuras, se aumenta la superficie de rozamiento lo que hace que el elemento sea más rígido en su estado rígido.

Dependiendo de las aplicaciones del elemento, las capas pueden estar fabricadas de un único material, o pueden fabricarse de una matriz reforzada con una pluralidad de fibras. En ambos casos, las capas se pueden fabricar de una lámina continua u homogénea, o la capa se puede fabricar de una estructura tejida de tiras o cintas.

Cuando las capas se fabrican de una matriz reforzada con fibras, las fibras pueden ser unidireccionales, bidireccionales o multidireccionales. Sólo los materiales compuestos que tienen fibras unidireccionales son adecuados para la estructura tejida con cintas.

Las fibras se seleccionan preferiblemente de fibras de vidrio, de carbono, de aramida o de poliéster. Y la matriz se fabrica preferiblemente de un polímero termoestable o de un polímero termoplástico.

De acuerdo con otra realización preferida, las capas pueden comprender un núcleo revestido por al menos un recubrimiento en un lado del núcleo. Preferiblemente el núcleo se reviste por respectivos primer y un segundo recubrimientos, un recubrimiento en cada lado del núcleo.

Tales revestimientos se fabrican preferiblemente de un elastómero de poliuretano termoplástico. Las propiedades de adhesión de las capas se miden preferiblemente mediante una versión adaptada de un método normalizado, tal como el ASTM D2979-01 , "Método de ensayo normalizado para pegajosidad sensible a presión de adhesivos utilizando una máquina de sonda invertida" {"Standard test method for pressure-sensitive tack of adhesives using an ¡nverted probé machine"). Preferiblemente, las propiedades de adhesión se miden utilizando un ensayo de pegajosidad por sonda con una pre-carga equivalente a la presión atmosférica y un tiempo de pre-carga de espera de 100 s.

El coeficiente de rozamiento se mide preferiblemente usando un procedimiento estandarizado tal como el ASTM D 1894 "Método de ensayo normalizado para coeficientes de rozamiento estáticos y cinéticos de película y láminas de plástico" (" Standard test method for static and kinetic coefficients of friction of plástic film and sheeting").

En el caso de las capas fabricadas de cintas tejidas, las propiedades de adhesión y de fricción se pueden medir utilizando el ensayo adaptado de pegajosidad por sonda sobre un número específico de cintas colocadas de forma adyacente entre sí sobre una superficie plana, de tal manera que la anchura resultante es mayor que el mínimo valor fijado por la norma.

Las propiedades de adhesión de las capas se miden sobre capas a medida que están en sus condiciones de uso, es decir, aunque la norma indica que las capas se deben limpiar antes de que se realice medición alguna, para medir las propiedades de adhesión de las capas del elemento en la presente invención no es necesario limpiar las capas previamente; sus propiedades de adhesión y fricción se deben medir en las mismas condiciones que cuando están en uso en el interior del elemento.

Otras ventajas y características de la invención serán evidentes a partir de la siguiente descripción detallada y se señalan particularmente en las reivindicaciones adjuntas.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

Para completar la descripción y con el fin de proporcionar una mejor comprensión de la invención, se proporciona un conjunto de dibujos. Dichos dibujos forman parte integral de la descripción e ilustran una realización de la invención, que no debe interpretarse como restrictiva del alcance de la invención, sino sólo como un ejemplo de cómo puede llevarse a cabo la invención. Los dibujos comprenden las siguientes figuras:

La Figura 1 muestra una vista en sección de un elemento de rigidez variable de acuerdo con la invención. La Figura 2 es una vista en perspectiva de una primera realización de las capas en el interior del elemento.

Las Figuras 3, 4, 5, 6 y 7 muestran vistas en perspectiva de otras realizaciones posibles de las capas en el interior del elemento.

La Figura 8 es una vista en perspectiva de una sección de un elemento de acuerdo con la invención destinado a aplicaciones médicas.

La Figura 9 es una vista superior de una estructura de tejido de cintas de las capas de acuerdo con otra realización del elemento.

La Figura 10 muestra esquemáticamente el método adaptado utilizado en el presente caso para medir la adhesión de las capas.

DESCRIPCIÓN DE UNA REALIZACIÓN PREFERIDA

La siguiente descripción no debe ser tomada en un sentido limitativo sino que se proporciona únicamente con el propósito de describir los principios generales de la invención. Las siguientes realizaciones de la invención se describirán a modo de ejemplo, con referencia a los dibujos mencionados anteriormente que muestran los elementos y los resultados de acuerdo con la invención.

La Figura 1 muestra una realización preferida de un elemento 1 con rigidez variable de acuerdo con la invención. El elemento 1 comprende una envoltura 10 hermética estirable que encierra una pluralidad de capas flexibles 30 y una válvula 20 adaptada para evacuar el interior de la envoltura. La envoltura 10 estanca a gases es apta para ser sometida a una presión controlada, y tiene una válvula 20 adaptada para evacuar el interior de la envoltura.

De una manera conocida, cuando el interior de la envoltura 10 está a presión atmosférica, las capas 30 están descomprimidas. Cuando se aplica vacío, las capas flexibles 30 se comprimen entre sí aumentando el rozamiento entre las mismas, lo que a su vez aumenta la rigidez del elemento 1 en su conjunto. De esta manera, el elemento 1 tiene posibilidades de estado variables, de un estado blando, flexible a la presión atmosférica a un estado rígido cuando se despresuriza.

La novedad del presente elemento 1 reside en la estructura específica y en el material de las capas 30, como se muestra en la Figura 2; cada capa 30 se fabrica de un único material o material compuesto con una primera superficie 31 en un lado y una segunda superficie 32 en el otro lado.

Con el fin de que el elemento 1 funcione correctamente y que su estado flexible o blando se recupere adecuadamente una vez que el vacío se aplica y se libera posteriormente, es importante que las superficies primera y segunda 31 , 32 de las capas se fabriquen de materiales, grosor y acabado superficial tales que resulten tanto en un alto coeficiente de rozamiento como en una conexión de baja adhesión.

Las capas son tales que el coeficiente de rozamiento entre la primera superficie 31 y la segunda superficie 32 de dos capas adyacentes 30 es mayor que el de los materiales utilizados normalmente para lubricar. El coeficiente de rozamiento entre las superficies está por encima de 0,6. Más preferiblemente el coeficiente de rozamiento es superior a 1 .

Con el fin de medir el coeficiente de rozamiento se puede utilizar un procedimiento normalizado, tal como el ASTM D 1894 "Método de ensayo normalizado para coeficientes de rozamiento estáticos y cinéticos de película y láminas de plástico".

Un requisito esencial de las capas es que tengan propiedades de baja adhesión. Por baja adhesión se entiende que la fuerza de adhesión tangencial entre las primera y segunda superficies 31 , 32 de dos capas adyacentes 30 sea tal que las capas 30 deslicen una en relación con la otra cuando no existe una fuerza normal. De hecho, las primera y segunda superficies de las capas tienen propiedades de baja adhesión, de tal manera que se requiere una fuerza normal por unidad de área por debajo de 0,07 N/mm² para separarlas (es decir, una fuerza de compresión normal de -0,07 N/mm²), y/o la energía por unidad de área requerida para separarlas en la dirección normal está por debajo de 6,7 J/m².

Esta es una característica importante para evitar que las diferentes capas permanezcan pegadas entre sí una vez que ya no se aplica vacío y el elemento 1 recupera su estado flexible.

Se debe considerar que las propiedades de rozamiento y pegajosidad de las capas no sólo están influenciadas por el material de la capa, sino también por el espesor y el acabado superficial (rugosidad Ra) de la capa. Esto es por lo que, para caracterizar la interfaz entre las superficies primera y segunda 31 , 32 de dos capas adyacentes 30, los ensayos de rozamiento y pegajosidad se hacen en dos capas flexibles 30 para tener en cuenta el efecto de los procesos de fabricación.

Las propiedades de adhesión se han medido por medio de un ensayo adaptado de pegajosidad por sonda con una pre-carga equivalente a la presión atmosférica y un tiempo de pre-carga de espera de 100 s, que es la escala de tiempo máxima mencionada en la norma para que se establezcan las propiedades adhesivas.

Un método normalizado para medir la adhesión de los adhesivos se describe en ASTM D2979-01 , "Método de ensayo normalizado para la pegajosidad sensible a presión de adhesivos utilizando una máquina de sonda invertida". En el presente caso, se ha utilizado una versión adaptada de este método. El método normalizado tuvo que ser modificado puesto que se está midiendo la adhesión entre capas que no son adhesivas; estas capas tienen una fuerza de adhesión inferior, y en las mismas la adhesión depende del material, espesor y rugosidad de las capas. Las capas se pueden limpiar con alcohol (o cualquier otro medio) antes de la medición, como se indica en la norma. Sin embargo, es posible tomar las medidas sin limpiar previamente la superficie de las capas, con el fin de no alterar las propiedades de adhesión de las capas en sus condiciones de uso.

Lo que es importante es que el método adaptado se repita varias veces, a fin de tener un número estadísticamente significativo de mediciones, de tal manera que sea posible ignorar los valores atípicos.

El método de medición se muestra esquemáticamente en la Figura 10, en la que la fuerza (F) se representa con respecto al desplazamiento (δ) entre las capas. El método de medición de adhesión es el siguiente:

a-c) Las superficies de las capas se acercan a una velocidad constante, y en algún punto entran en contacto entre sí y se comprimen hasta que se alcanza la fuerza de compresión F_max.

c-f) Las superficies de las capas se separan a una velocidad constante de 5 mm/min. (La norma establece una velocidad de 10 mm/s, pero se ha utilizado una velocidad de 5 mm/min para proporcionar mayor precisión).

Más específicamente:

a-b) Las superficies se mueven una hacia la otra a una velocidad constante, no existiendo contacto entre las mismas.

b-c) Una vez que hay contacto entre las superficies, se desarrolla una fuerza de compresión por el movimiento, hasta que alcanza su valor pico de F_max. Después, el movimiento entre las capas se detiene, y la fuerza se mantiene al nivel constante F_max. c-d) Las superficies salen una de la otra a una velocidad constante. Inicialmente se elimina la fuerza de compresión, hasta un punto en el que se desarrolla una fuerza de adhesión entre las capas hasta que se alcanza un valor máximo F_adh. Esta fuerza de adhesión tiene una dirección opuesta a la fuerza de compresión inicial.

d-e) La fuerza de adhesión entre las capas desaparece a través de la desconexión de superficies.

e-f) Las superficies se separan una de otra sin contacto, a una velocidad constante.

Las adaptaciones específicas al ensayo normalizado son:

- Se utiliza una superficie de contacto circular de 50 mm en lugar de la sonda de 5 mm de la norma, debido a que las fuerzas de adhesión son inferiores. En el caso de la realización que comprende cintas, se deben poner un número determinado de cintas una junto a la otra, de modo que al alinearse juntas cubren las superficies circulares de 50 mm.

- Se utiliza una máquina de sonda vertical normal en lugar de una máquina de sonda invertida, debido a las fuerzas adhesivas más bajas.

El ensayo de adhesión se realiza entre las capas reales del elemento, en vez de realizar el ensayo entre una sonda de acero inoxidable y el adhesivo.

El movimiento de aproximación a velocidad constante se detiene cuando se alcanza el valor F_max; en este punto, la máquina de sonda se programa para mantener la carga estática constante en F_max. El valor de F_max utilizado es 200 N, lo que corresponde a una carga de compresión del orden de magnitud de la presión atmosférica en la superficie.

La sonda se eleva verticalmente hacia arriba desde una superficie de reposo durante las etapas c-f.

La carga estática se mantiene durante 100 s (en lugar de 1 s).

Se utilizan capas reales en el ensayo, en lugar del espesor de la capa superficial de adhesivo especificado en la norma.

Los valores se promedian con al menos cinco mediciones de la misma muestra, sin limpiar la superficie entre mediciones.

La adhesión se caracteriza por:

- F_adh A_SUper_f¡_c¡e, en donde F_adh es la fuerza máxima medida mientras se desconectan las superficies y A_superflcie es el área de la superficie de contacto, y

- Por w_adh A_SUpe_rf¡_c¡e, en donde oo_adh es la energía requerida para desconectar las dos capas.

La siguiente Tabla 1 muestra ejemplos de las capas, cuyas propiedades de adhesión se han medido con el ensayo de pegajosidad por sonda adaptado que se acaba de explicar. Los valores de tensión máxima de pegajosidad y de energía de pegajosidad en la tabla son los valores máximos de la fuerza normal y de la energía (por unidad de superficie) requeridos para separar dos capas. Si se requiere un valor superior, bien de la fuerza normal o de la energía, para separar las dos capas, entonces esas capas no son válidas para el elemento de la presente invención. Tabla 1

Una realización preferida del elemento 1 de la invención, ejemplo I, que tiene las capas 30 flexibles de la Figura 2, incluye treinta y siete capas 30, teniendo cada capa un espesor de 80 μηι. Cada capa se fabrica de poliuretano termoplástico, en este caso, de Epurex® 4201 AU (suministrado por Epurex Films GmbH). El elemento resultante permite la conmutación entre un estado rígido con un módulo de Young de 167 MPa (obtenido a una presión negativa de -0,86 bar) y un estado flexible con un módulo de Young de 22 MPa (medido a presión atmosférica). El módulo de Young se ha obtenido para una deformación de 0,2%-0,4%.

Para ciertas aplicaciones, es necesario que el elemento de la invención tenga un cierto grado de rigidez. Con el fin de obtener tal rigidez las capas del elemento se pueden mejorar, como se muestra en cualquiera de las Figuras 3-7.

La Figura 3 muestra otra posible realización de la capa 30a. En este caso, la capa 30a comprende un núcleo 40 revestido por un primer revestimiento 41 en un lado y un segundo revestimiento 42, constituyendo estos primer y segundo revestimientos las superficies primera y segunda de la capa. Por lo general, los revestimientos primero y segundo 41 , 42 se pegan a los lados respectivos del núcleo 40.

El núcleo 40 es esencialmente una lámina continua de un material flexible que tiene un módulo de Young elevado. Tener un módulo de Young elevado significa que el módulo de Young del núcleo es mayor que el módulo de Young de los materiales utilizados debido a su elasticidad (por ejemplo, cauchos). Además, el módulo de Young del material que constituye el núcleo 40 es mayor que el módulo de Young del material de los revestimientos 41 , 42. El material que forma el núcleo 40 tiene preferiblemente un módulo de Young superior a 0,2 GPa, tal como polietileno de baja densidad, LDPE, lo que le proporciona al elemento la rigidez válida para ciertas aplicaciones.

Preferiblemente, el módulo de Young del material del núcleo 40 es mayor que 0,8 GPa.

El núcleo se puede fabricar de cualquiera de los siguientes materiales:

Termoplásticos tales como ABS, PEEK, PP, PEHD o PVC.

Metales tales como aluminio, latón o hierro.

- Madera, papel.

Es posible que los primer y segundo revestimientos 41 , 42 a cada lado del núcleo 40 se fabriquen del mismo material, incluyendo un espesor de capa y un acabado superficial específicos, resultando en propiedades de alto coeficiente de rozamiento y de baja adhesión, como es el caso de la capa que se muestra en la Figura 3. También es posible que se fabriquen de diferentes materiales, incluyendo un espesor de capa y acabado superficial específicos, de forma que, cuando están en contacto mutuo, cada una de las capas tiene las correspondientes propiedades de alto rozamiento y de baja adhesión.

La Figura 4 muestra otra posible capa 30b para el elemento de la invención. En este caso, la capa 30b comprende un núcleo 40 y un primer revestimiento 41 sólo en un lado del núcleo 40. El núcleo 40 se fabrica de un material que tiene un módulo de Young elevado, y el revestimiento 41 se fabrica de un material con un módulo de Young menor. El espesor del núcleo 40 es mayor que el espesor del primera revestimiento 41 . Asimismo, con el fin de lograr completamente las propiedades de baja adhesión y de alto rozamiento entre las capas 30b en esta realización, el revestimiento 41 tiene un acabado superficial liso, mientras que el acabado superficial del núcleo 40 es rugoso.

Adicionalmente, en la realización de la capa 30a que se muestra en la Figura 3, es importante que la fuerza de adhesión tangencial entre la capas 30a, es decir, la fuerza de adhesión tangencial entre los revestimientos 41 , 42 de dos capas adyacentes (que son las superficies en contacto), sea menor que la fuerza de adhesión tangencial máxima debido al encolado entre los revestimientos 41 , 42 y el núcleo 40 en cada capa 30a. Esto es también una característica importante, ya que de lo contrario puede ocurrir la deslaminación de las capas durante la flexión.

Del mismo modo, en la realización de la capa 30b de la Figura 4, es importante que la fuerza de adhesión tangencial entre las capas 30b, es decir, la fuerza de adhesión tangencial entre el núcleo 40 de una capa 30b y el revestimiento 41 de la capa 30b adyacente (que son las superficies en contacto), sea menor que la fuerza de adhesión tangencial máxima debido al encolado entre el revestimiento 41 y el núcleo 40 en cada capa 30b.

Materiales adecuados para los revestimientos son: algunos poliuretanos termoplásticos, resina Acronal/Styrofan (40% de Acronal® 12 DE con 60% de Styrofan® D422, de BASF), resina de poliurea, silicona, caucho, caucho de silicona, látex.

Para mejorar aún más las propiedades de rigidez del elemento 1 para aquellas aplicaciones que lo requieran (tales como elementos de construcción), las capas pueden comprender una matriz reforzada con fibras.

Como se muestra en la Figura 5, la capa 30c comprende una pluralidad de fibras 301 incrustadas en una matriz 302.

La Figura 6 muestra otra capa 30d. Esta capa 30d es similar a las capas 30c mostradas en la Figura 5. La diferencia es que la matriz 302 en la capa 30d tiene dos porciones 303 que no tienen fibras de refuerzo; estas dos porciones 303 sólo se fabrican del material de la matriz.

El material de la matriz en el caso de las Figuras 5 y 6 tiene las correspondientes propiedades de alto rozamiento y de baja adhesión.

Una realización preferida del elemento 1 de la invención, ejemplo II, que tiene las capas 30c o 30d flexibles de las Figuras 5 o 6 incluye seis capas, teniendo cada capa un espesor de 250 μηι. Cada capa se fabrica de poliuretano termoplástico (de Epurex® 4201 AU) reforzado con tejido de fibra de vidrio (FG) de 204 g/mm². La proporción de fibras es del 73%. El elemento resultante permite conmutar entre un estado rígido con un módulo de Young de 2876 MPa (obtenido a una presión negativa de -0,86 bar) y un estado flexible con un módulo de Young de 84 MPa (medido a presión atmosférica). El módulo de Young se obtuvo para una deformación del 0,2%-0,4%.

La Figura 7 muestra otra posible realización adicional de las capas que constituyen la estructura laminar del elemento.

La capa 30e en la Figura 7 es similar a la de las Figuras 5 o 6, pero en este caso la matriz 302 reforzada con una pluralidad de fibras 301 unidireccionales no tejidas forma un núcleo, que se reviste adicionalmente por los revestimientos 41 , 42 ambos fabricados de un mismo material con un rozamiento alto y baja adhesión.

Las fibras en las capas de las Figuras 5-7 son fibras unidireccionales no tejidas. Pero también es posible que las fibras sean multidireccionales o que las fibras formen parte de una tela tejida.

La fibras 301 en las realizaciones que se muestran las Figuras 5-7 pueden ser cualquiera de las siguientes: fibras de vidrio, fibras de carbono, fibras de aramida o fibras de poliéster. El material de la matriz 302 puede ser un polímero termoestable, tal como resinas epoxi, de poliéster, de poliuria, de viniléster, fenólicas, de poliimida, de poliamida, o un polímero termoplástico, tal como ABS, PP, PEHD, PEEK, PVC, PU, etc. En los siguientes ejemplos, se ha determinado el coeficiente de rozamiento entre superficies fabricadas de una resina PUR (poliol) con un endurecedor PUR (isocianato) con un trineo de bloque de metal de 60x54 mm, con un peso 268 g, y una pre-carga de 0,2 N. El resto de las condiciones utilizadas durante el ensayo de los materiales son las descritas en la norma ASTM 1894:

^* Poliurea (resina RAKU-TOOL® PC-341 1 con Isocianato RAKU-TOOL® PH-391 1 de RAMPF®), reforzada con tejido de fibra de carbono bidireccional (200 g/m²). Su coeficiente de rozamiento medido era de 2,25.

^* Poliurea (resina RAKU-TOOL® PC-341 1 con Isocianato RAKU-TOOL® PH-391 1 de RAMPF®), reforzada con tejido de fibra de vidrio bidireccional (204 g/m²). Su coeficiente de rozamiento medido era 2de ,20.

Estos dos ejemplos se utilizan para medir el coeficiente de rozamiento de las poliureas en la capa 30c en la que las superficies se fabrican con el mismo material que la matriz 302 reforzada con fibras 301 (Figura 5).

Cuando se utiliza el elemento 1 como un dispositivo ortopédico, es capaz de adaptarse a la forma individual de la extremidad del paciente. En su estado flexible, el elemento 1 se adapta a la forma de la extremidad, y cuando se aplica vacío al elemento 1 se bloquea en su estado rígido para proporcionar soporte y estabilización. Para este fin, es importante tener una alta relación de rigidez entre los estados flexible y rígido, además de que cada capa esté fabricada preferiblemente de un material con un módulo de Young elevado. En un caso ideal, las capas 30, cuando están en el estado rígido, están completamente pegadas entre sí a través de la presión negativa aplicada, la rigidez del elemento es n² veces mayor que en el estado flexible bajo condiciones atmosféricas, siendo n el número de capas en el elemento. En el caso real, este factor de aumento de rigidez de n² se aproxima, en función del coeficiente real de rozamiento que todavía puede permitir algún deslizamiento entre las capas. Por ejemplo, un elemento que tiene un espesor de 2,4 mm, fabricado de 6 capas de 0,4 mm cada una, tiene una relación de rigidez entre los estados rígido y flexible de 36 (= 6²). La relación de rigidez a alcanzarse por el elemento depende del tipo de aplicación. Por ejemplo, una proporción de 4 no es suficiente en el caso de ajuste de ortesis. Para el ajuste de ortesis, un elemento con doce capas finas -y, por lo tanto, una relación de 144- funciona. Pero también es posible doblar el espesor de las capas, incluir sólo seis capas, y el elemento resultante es lo suficientemente flexible y es capaz de alcanzar una rigidez similar adecuada para aplicaciones de ortesis.

Con el fin de aplicar una fuerza homogénea durante la compresión de las diferentes capas, como se muestra en la Figura 8, el elemento 10 comprende además una capa 50 permeable al aire, tal como una estructura reticulada, insertada en paralelo con las capas 30a en el interior de la envoltura flexible 10. La capa 50 permeable al aire permite que el vacío se distribuya uniformemente. Por ejemplo, una malla de plástico fabricada con fibra de 100 μηι de diámetro y celdas abiertas de aproximadamente 3x3 mm, proporciona una distribución uniforme de la presión.

La válvula 20 se inserta en la envoltura 10 en el lado próximo a la capa 50 permeable al aire. Esto evita el bloqueo del flujo de aire por una capa 30a que se pega al orificio de la válvula. Adicionalmente, la capa 50 permeable al aire impide que la capa exterior se adhiera a la envoltura, lo que podría conducir a la pérdida de flexibilidad en el estado flexible.

Como se ha indicado anteriormente, es deseable que las capas se fabriquen de un material con un módulo de Young elevado para fabricar un elemento con un estado de rigidez elevado, pero los materiales que tienen un módulo de Young elevado tienen, por lo general, baja extensibilidad. Debido a que no son extensibles, no se pueden adaptar a cualquier forma 3D. Con el fin de adaptarse a cualquier conformación o forma 3D, especialmente aquellas que tienen superficies irregulares, en otra realización posible de la invención (como se muestra en la Figura 9), la capa 30f se proporciona en la forma de cintas o tiras tejidas para añadir grados de libertad a la capa. Para mantener esta estructura organizada tras usos repetidos y evitar el solapamiento y la pérdida de las cintas, los bordes de cualquier patrón 2D se pueden coser y cortar, teniendo cuidado para asegurar que se hayan cosido ambos extremos de cada cinta en el patrón.

Con el fin de fabricar las cintas -las cintas de urdimbre 60 y trama 65- que forman la capa 30f, cualquiera de las capas 30, 30a, 30b, 30c, 30d o 30e flexibles de las realizaciones anteriores se corta en cintas o tiras de anchura deseada, que se tejen después.

En los casos en los que la capa es un material compuesto fabricado de una matriz de polímero reforzado con fibras, tal como las capas 30c, 30d o 30e, de las figuras 5-7, también es posible fabricar directamente el material compuesto con la anchura específica.

Fabricar el tejido más pequeño, es decir, con cintas de menor anchura, permite un mejor ajuste. Para el ajuste del cuerpo humano, el tejido de sarga 3x1 fabricado con una cinta o tira con una anchura de 4 mm y con una separación de 1 mm entre las cintas/tiras proporciona un buen resultado. Pero cualquier anchura de cinta se puede utilizar dependiendo de la finalidad. Las cintas o tiras se pueden fabricar con una mecha de fibra de vidrio de 600tex (de PPG) aplanada con una anchura de 4 mm. Las mechas de fibra se impregnan después con poliuretano termoplástico (tal como Elastollan® 890 A10 de BASF), respetando una relación de volumen de matriz/fibra de aproximadamente 30/70. En este caso, la rugosidad superficial debe ser aproximadamente 1 ,27 para lograr las propiedades de rozamiento y de pegajosidad correctas de las superficies primera y segunda.

También es posible fabricar un tejido más pequeño utilizando una mecha de fibra de vidrio de 300tex (de PPG) aplanada a una anchura de 2,5 mm.

Una realización preferida del elemento 1 de la invención, ejemplo III, que tiene las capas flexibles 30f que se muestran en la Figura 9, incluye seis capas, teniendo cada capa un espesor total de 450 μηι. Cada capa se fabrica de cintas o tiras con un espesor de 160 μηι, tejidas en un tejido de sarga 3x1 . Las cintas se fabrican con una matriz de poliuretano termoplástico de Epurex® 4201 AU reforzada con mechas de fibra de vidrio (FG) de 600tex que se incrustan en una matriz. La relación de fibras, en este caso, es del 60%. El elemento resultante permite conmutar entre un estado rígido con un módulo de Young de 546 MPa (obtenido a una presión negativa de -0,86 bar) y un estado flexible con un módulo de Young de 24 MPa (medido a presión atmosférica). El módulo de Young se obtuvo para una deformación del 0,2%-0,4%.

En cuanto a los tejidos, muchas soluciones son posibles: lizo normal, de cinco puntos, lizo de 16 puntos, sarga 2x2 o sarga 3x1 .

El tejido de sarga tiene la ventaja de ser más flexible y drapear más que el tejido normal. El tejido de lizo es también una buena opción en cuanto a capacidad de caída.

En cualquier caso, independientemente del tejido utilizado (normal, sarga, lizo,...) en la realización preferida existe una separación -de 1 mm aproximadamente- entre cada cinta tanto en las direcciones de urdimbre como de trama, con el fin de permitir cierto grado de libertad entre cintas separadas y obtener de este modo suficiente capacidad de caída para encajar el cuerpo humano.

La siguiente Tabla 2 resume las características principales de los tres ejemplos I, II, III proporcionadas anteriormente para las capas en el interior del elemento, y sus propiedades. En los tres ejemplos, las capas del elemento se encierran en una bolsa hermética de PP/HDPE. El elemento contiene además una malla de nylon para el reparto del vacío, añadiendo un total de 0,6 mm en el espesor del elemento. Tabla 2

^* U=unidireccional

En este texto, el término "comprende" y sus derivaciones (tales como "comprendiendo/que comprende", etc.) no debe entenderse en un sentido excluyente, es decir, estos términos no deben interpretarse como que excluyen la posibilidad que lo que se describe y define pueda incluir elementos, etapas, etc. adicionales.

En el contexto de la presente invención, el término "aproximadamente" y los términos de su familia (como "aproximado", etc.) deben entenderse como que indican valores muy cercanos a aquellos que acompañan al término mencionado anteriormente. Es decir, una desviación dentro de los límites razonables con respecto a un valor exacto debería ser aceptada, ya que un experto en la materia entenderá que tal desviación de los valores indicados es inevitable debido a las inexactitudes de medición, etc. Lo mismo se aplica a los términos "sobre" y "alrededor" y "sustancialmente".

Claims

REIVINDICACIONES

1 . Elemento (1 ) con rigidez variable controlada por presión negativa, comprendiendo el elemento:

- una envoltura (10) hermética;

una pluralidad de capas (30, 30a, 30b, 30c, 30d, 30e) flexibles en la envoltura, teniendo cada capa (30, 30a, 30b, 30c 30d, 30e) una primera superficie (31 , 41 ) y una segunda superficie (32, 42); y,

una válvula (20) adaptada para evacuar el interior de la envoltura (10);

caracterizado por que:

las primera y segunda superficies (31 , 41 , 32, 42) de dos capas adyacentes tienen un coeficiente de rozamiento entre sí que es superior a 0,5;

las primera y segunda superficies (31 , 41 , 32, 42) de dos capas adyacentes tienen propiedades de adhesión tales que es necesaria una fuerza normal por unidad de área por debajo de 0,07 N/mm² para separarlas y/o la energía por unidad de área requerida para separarlas en la dirección normal es inferior a 6,7 J/m².

2. Elemento (1 ) según la reivindicación 1 , en el que las capas (30, 30f) están fabricadas de un solo material.

3. Elemento (1 ) según la reivindicación 1 , en el que las capas (30c, 30d, 30e, 30f) están fabricadas de una matriz (302) reforzadas por una pluralidad de fibras (301 ).

4. Elemento (1 ) según la reivindicación 3, en el que las fibras (301 ) son unidireccionales.

5. Elemento (1 ) según la reivindicación 3, en el que las fibras (301 ) son bidireccionales o multidireccionales.

6. Elemento (1 ) según cualquiera de las reivindicaciones 3-5, en el que las fibras (301 ) son seleccionadas a partir de fibras de fibra de vidrio, de carbono, de aramida o de poliéster.

7. Elemento (1 ) según cualquiera de las reivindicaciones 3-6, en el que la matriz (302) es fabricada de un polímero termoestable o un polímero termoplástico.

8. Elemento (1 ) según cualquiera de las reivindicaciones 1 -7, en el que cada capa (30a, 30b, 30d) comprende además un núcleo (40) revestido por al menos un revestimiento (41 , 42) en un lado del núcleo (40).

9. Elemento (1 ) según cualquiera de las reivindicaciones 1 -7, en el que cada capa (30a, 30d) comprende además un núcleo (40) revestido por unos primer y segundo revestimientos (41 , 42) respectivos, un revestimiento a cada lado del núcleo (40).

10. Elemento (1 ) según cualquiera de las reivindicaciones 8-9, en el que los revestimientos (41 , 42) están fabricados de un elastómero de poliuretano termoplástico.

1 1 . Elemento (1 ) según cualquiera de las reivindicaciones 1 -10, en el que las capas (30a, 30b, 30c, 30d, 30e) están fabricadas en una lámina continua.

12. Elemento (1 ) según cualquiera de las reivindicaciones 1 -4 y 6-10 cuando dependen de la reivindicación 4, en el que la capa (30f) está fabricada de una estructura tejida de cintas (60, 65).

13. Elemento (1 ) según cualquier reivindicación anterior, en el que las propiedades de adhesión de las capas son medidas utilizando un ensayo adaptado de pegajosidad por sonda con una pre-carga equivalente a la presión atmosférica y un tiempo de pre-carga de espera de 100 s.

14. Elemento (1 ) según la reivindicación 12, en el que las propiedades de adhesión de las capas son medidas utilizando un ensayo adaptado de pegajosidad por sonda con una pre-carga equivalente a la presión atmosférica y un tiempo de pre-carga de espera de 100 s, realizándose tales mediciones sobre un número determinado de cintas (60, 65) colocadas adyacentes entre sí sobre una superficie plana.

15. Elemento (1 ) según cualquier reivindicación anterior, en el que las propiedades de adhesión de las capas se miden sobre capas en sus condiciones de uso.