ES2236271T3

ES2236271T3 - Tejido unidireccional de material compuesto.

Info

Publication number: ES2236271T3
Application number: ES01954063T
Authority: ES
Inventors: Jean Guevel; Guy Bontemps
Original assignee: Schappe SA
Current assignee: Schappe SA
Priority date: 2000-07-13
Filing date: 2001-07-09
Publication date: 2005-07-16
Anticipated expiration: 2021-07-09
Also published as: US7387828B2; ATE289258T1; FR2811688A1; FR2811688B1; EP1299226A1; JP2004504502A; PT1299226E; DE60108961D1; US20040109991A1; WO2002006036A1; DK1299226T3; DE60108961T2; EP1299226B1

Abstract

Tejido Unidireccional de material compuesto, caracterizado porque comprende una mezcla intima de cintas mezcladas de fibras largas de refuerzo (14) discontinuas obtenidas por craqueo y de fibras largas de matriz termoplástica (15), siendo estas diferentes fibras paralelas en la mezcla.

Description

Tejido unidireccional de material compuesto.

La presente invención tiene por objeto un tejido unidireccional de material compuesto.

Tal tejido está destinado a realizar unas piezas industriales de forma compleja, comprendiendo especialmente unas zonas repujadas, y pudiendo utilizarse en diferentes campos, tales como el campo de la aeronáutica o el campo del automóvil.

Los materiales compuestos tienen un precio de coste elevado y son generalmente reservados para aplicaciones muy técnicas. Los productos compuestos se presentan a menudo en forma de telas, trenzados, o punto. Con el fin de limitar el coste, se ha imaginado ya utilizar tejidos unidireccionales de filamentos.

De manera ya conocida, los filamentos están yuxtapuestos y mantenidos paralelos limitando su superposición.

Se procede a un espolvoramiento termoplástico, seguido de un calandrado por paso en unos cilindros lisos para obtener un tejido rigidificado. Según una alternativa, es posible hacer pasar los filamentos paralelos en un baño de polímero fundido, antes de exprimir el exceso de polímero.

El inconveniente de tal tejido, además de su precio de coste elevado, es proporcionar una red continua de filamentos en el sentido longitudinal, que se presta mal a deformaciones tendiendo a la realización de piezas de forma compleja, y especialmente de repujados profundos.

Se conoce también por el documento EP 0 466 618, o el documento FR-A-2 634 790, realizar unos hilos híbridos obtenidos mezclando fibras discontinuas de carbono y fibras matrices termoplásticas, con vistas a la obtención de preformas diversas a partir de telas, trenzados, punto o tejidos unidireccionales.

Tales tejidos unidireccionales se realizan pues a partir de hilos de sección circular, que deben urdirse, después unirse transversalmente a partir de un hilo polímero. Este hilo polímero debe ser de misma naturaleza que el que constituye la fracción fusible contenida en el hilo. El paso de los hilos constituyendo la cadena debe ser suficiente para permitir una extensión de las fibras después de la fusión de la matriz, evitando a la vez los vacíos intersticiales. Este tejido, por el hecho de que la red de hilos debe ser abierta es poco manejable y frágil. Se presta poco al corte de preformas para la realización ulterior de piezas consolidadas. Además, la fabricación del hilo, después del tejido unidireccional son costosos y hacen el producto mal adaptado a las presiones económicas para diferentes ramos de la industria.

El objetivo de la invención es proporcionar un tejido unidireccional de material compuesto comprendiendo al menos un tipo de fibras de refuerzo, obtenido de modo económico, y destinado a la fabricación de piezas complejas con eventualmente repujados profundos, permitiendo a la vez un tiempo de puesta en práctica y de realización muy corto.

A tal efecto, el tejido unidireccional al que se refiere, comprende una mezcla intima de cintas mezcladas de fibras largas de refuerzo discontinuas obtenidas por craqueo y de fibras largas de matriz termoplástica, estando estas diferentes fibras paralelas en la mezcla.

La tecnología del craqueo de las fibras continuas ofrece la posibilidad de obtener unas cintas de fibras discontinuas, de longitudes variables, para las fibras de alto modulo y alta resistencia, tales como de carbono, vidrio o paraamida. De la misma manera, las fibras poliméricas termoplásticas pueden sufrir la misma transformación o pueden obtenerse por corte mecánico de longitudes variables y transformarse por vía tradicional de cardado, peinado y estirado.

Según una característica de este tejido, la altura media de las fibras de refuerzo es del orden de 80 mm con una divergencia de las alturas inferiores o igual a 35% con relación a esta altura media.

En lo que se refiere a las alturas de las fibras termoplásticas, están comprendidas en un intervalo que varia entre 40 y 180 mm.

Según otra característica de la invención, el número de trazas T de fibras de refuerzo en la mezcla final es superior a 300. Esto permite obtener una excelente intimidad de la mezcla de fibras para la obtención de un tejido preconsolidado en un intervalo de tiempo más corto posible.

Según una característica de este tejido, las fibras de refuerzo constitutivas de un tejido están elegidas en al menos una de las familias de materiales siguientes:

- carbono, procedente de precursores PAN, BRAI o rayón con el criterio: 190GPa < E < 700 GPa (siendo E el modulo de tracción),

- vidrio de tipo E, R, S, D,

- paraamida con el criterio: 60 GPa < e < 140 GPA (siendo E el modulo de tracción),

- polibenzimidazola (PBO) de tipo AS-H-M con el criterio E > 190 GPa (siendo E el modulo de tracción).

Según una posibilidad, las fibras matrices constitutivas de un tejido están elegidas en al menos una de las familias de materiales termoestables siguientes: Polifenileno Sulfuro (PPS), Poliéter Imido (PEI), Poliéter Sulfona (PES), Poliéter Eter Cetona (PEEK), Poliéter Cetona (PEK).

Según otra posibilidad, las fibras matrices constitutivas de un tejido están elegidas en al menos una de las familias de materiales termoplásticos estándares siguientes: Poliétertereftalato (PET), Poliamida (Pa), Polipropileno (PP), Policarbonato (PC), Polibutadieno Tereftalato (PBT), Polietileno (PE).

A fin de asegurar una mejor cohesión al tejido, éste comprende una cinta o hilo de composición idéntica a las cintas mezcladas formando la dirección longitudinal, dispuesto en una dirección sensiblemente perpendicular a las fibras de refuerzo y, por ejemplo, dispuesto en zigzags sobre el tejido.

Un procedimiento de fabricación de este tejido consiste:

- en realizar unas cintas de fibras de refuerzo que han sufrido una operación de craqueo y unas cintas de fibras matrices termoplásticas que han sufrido una operación de craqueo o de corte,

- en realizar la mezcla intima de cintas de estos dos componentes con n_{1} cintas de fibras de refuerzo y n'_{1} cintas de fibras matrices, ejerciendo una tracción sobre las diferentes cintas paralelas y haciéndolas pasar en un sistema de agujas para paralelizar las fibras mezclándolas a la vez.

- en realizar sucesivamente esta misma operación a partir de cintas multicomponentes resultando cada vez de la operación precedente,

- en traer un conjunto de cintas paralelas constituido de una mezcla intima de fibras de refuerzo y de fibras matrices obtenida en el transcurso de las operaciones precedentes, y de manera continua en un recinto calentado a una temperatura superior a varias decenas de ºC a la temperatura de fusión de la materia constitutiva de la matriz termoplástica,

- en hacer pasar el tejido entre unos cilindros enfriados, que bajan la temperatura del tejido debajo de la temperatura de solidificación del polímero, y que ejercen una presión sobre el tejido para asegurar la formación de una preforma constituida de fibras de refuerzo paralelas unas a otras, sumergidas en una matriz sólida de polímero termoplástico.

Ventajosamente, antes de introducción del tejido en el recinto calentado, este procedimiento consiste en depositar sobre éste en continuo una cinta o un hilo de composición idéntica a las cintas mezcladas formando la dirección longitudinal formando, por ejemplo, unos zigzags en una dirección perpendicular a la dirección de las fibras de refuerzo.

De todas maneras, la invención se entenderá mejor con la descripción a continuación, haciendo referencia al dibujo esquemático anexo que representa a título de ejemplo no limitativo, una forma de ejecución de un dispositivo para la obtención de este tejido, así como ilustraciones de la masa fibrosa:

- Figura 1 es una vista de lado de una máquina de mezcla;

- Figura 2 es una vista parcial en planta de dicha máquina;

- Figura 3 es una vista de lado de una máquina de preconsolidación del tejido;

- Figura 4 y 5 son dos vistas de la mezcla de las fibras constitutivas del tejido en curso de fabricación de este tejido y pre-preconsolidación respectivamente.

En la práctica, cintas de fibras de refuerzo y cintas de fibras matrices se obtienen por una operación de craqueo y de mezcla de las fibras, para las fibras de refuerzo, y por una operación de craqueo o una operación de corte para las fibras matrices.

Las diferentes cintas de fibras de refuerzo y de fibras matrices termoplásticas están depositadas en recipientes 2, 3 respectivamente dispuestos debajo de una mesa 4. Las cintas saliendo de los recipientes atraviesan unas aberturas 5 practicadas en la mesa, estando las aberturas 5 de los diferentes recipientes desplazadas transversalmente unas con relación a otras, y ciertos recipientes están desplazados longitudinalmente unos con relación a otros. Cada cinta, después de haber atravesado la mesa 4, pasa sobre un rodillo motorizado 6 y está arrastrada longitudinalmente a la mesa, estando todas las cintas paralelas unas a otras. Las diferentes cintas pasan entre dos cilindros de arrastre 7 antes de entrar en una cabeza de estirado 8. Esta cabeza de estirado 8 comprende dos peines 9 frente a frente, animados de un movimiento de desplazamiento cuadrado, es decir un movimiento de adelanto en el cual los dedos de los peines están introducidos en las cintas y se desplazan en el mismo sentido que éstas, seguido de un movimiento de apartamiento de los peines y de vuelta de éstos en posición trasera a distancia de las cintas, antes de penetrar de nuevo en éstas. A la salida de la cabeza de estirado 8 están dispuestos unos cilindros de llamada 10 que giran más a prisa que los cilindros de arrastre 7 y procuran un movimiento superior al movimiento de traslación de los peines 9. El conjunto de los componentes permiten ejercer una paralelización de las fibras unas relativamente a otras, así como una mezcla de fibras de refuerzo y fibras de matrices. Una cinta mezclada 12 está recogida en un recipiente de recepción 13. Se procede sucesivamente a varias mezclas de este tipo, cogiendo para cada mezcla, siguiendo la primera, una serie de cintas mezcladas obtenidas al fin de la mezcla inmediatamente precedente.

Es así que si:

- la primera máquina realiza la mezcla de n_{1} cintas de fibras de refuerzo y de n'_{1} cintas de fibras matrices,

- la segunda máquina realiza la mezcla de n_{2} cintas bicomponentes proviniendo de la máquina nº1,

- la tercera máquina realiza la mezcla de n_{3} cintas bicomponentes proviniendo de la máquina 2,

- y así sucesivamente hasta la mº máquina, que realiza la mezcla de nm cintas bicomponentes proviniendo de la máquina nº m_{-1}.

: La mezcla está considerada como valida si el producto n x n_{2} x n_{3} x......nm > 300 = T (T: número de trazas)

: con la condición

n = n_{1} \ si \ n_{1}< n'

n = n'_{1} \ si \ n'_{1} < n_{1}

La intimidad de la mezcla es una condición esencial para la obtención de un tejido preconsolidado en un intervalo de tiempo lo más corto posible.

Las figuras 4 y 5 representan dos vistas esquemáticas en sección transversal de la masa fibrosa respectivamente después de mezcla, es decir al final de la operación que se acaba de describir y después de liberación de las fibras termoplásticas. En estas figuras, y especialmente a la figura 4, las fibras de refuerzo están designadas por la referencia 14 y las fibras matrices por la referencia 15. A la figura 5, las fibras matrices ya no están materializadas puesto que han fundido.

La buena repartición de las fibras de refuerzo y de fibras matrices permite la obtención de un tejido preconsolidado en un tiempo muy corto.

En efecto, el tiempo de impregnación se da por la ley de Darcy

T_{i} =\frac{\eta \cdot x^{2} (l-vf)}{K(pe - px)}

T_{i}: tiempo de impregnación (segundo)

\eta: Viscosidad dinámica del polímero fundido (Pa.s)

x: Distancia medio entre fibras matriz (m)

vf: Volumen de matriz en fracción decimal

k: Permeabilidad de la mezcla binaria fibrosa (m^{2})

Pe: Presión exterior aplicada sobre la preforma (Pa)

Pc: Presión capilar (Pa)

Se puede observar la fuerte dependencia del tiempo de impregnación t_{i} con relación a la distancia media x de las fibras matrices.

Esta distancia x varia en función inversa del número de trazas T, alcanzando sin embargo un valor mínimo incompresible.

La figura 3 representa una máquina de preconsolidación en continuo de un tejido unidireccional. Esta máquina presenta la misma estructura general que la máquina representada a las figuras 1 y 2, de tal manera que los mismos elementos están designados por las mismas referencias que anteriormente. En esta máquina, todos los recipientes 2, 3 contienen unas cintas mezcladas obtenidas al final de la última operación de mezcla. Después de haber pasado entre dos cilindros de arrastre de acero inoxidable, el tejido penetra en un recinto 16 calentado a una temperatura superior a la temperatura de fusión del polímero, este aumento de temperatura puede ser del orden de 60ºC. El calentamiento puede realizarse por infrarrojo, de longitudes de ondas medias, para asegurar la absorción máxima de energía en la masa fibrosa. El recinto calentado 16 está cerrado y reflectante. Un transportador 17 de acero inoxidable perforado sostiene el tejido durante la operación de calentamiento-fusión del polímero. La velocidad de adelantamiento del tejido es idéntica a la velocidad de adelantamiento del tejido sobre la mesa de alimentación.

A la salida del recinto 16 están dispuestas dos series 18 de cilindros de calandrado, que comprimen el tejido bajando la temperatura debajo del punto de solidificación del polímero. Estos cilindros metálicos 18 están revestidos de politretafluoretileno para los de la parte inferior y provistos de caucho silicona o fluorado para los de la parte superior. Los diferentes cilindros están enfriados, por ejemplo, por una red de circulación de agua modulable en caudal. La presión ejercitada por los rodillos sobre la preforma debe ser superior a 10 bars (1 bar = 101 300 Pa).

El tejido preconsolidado está después enrollado sobre un dispositivo de recepción 19 cuando los espesores de tejido son inferiores o iguales a 0,5 mm, o cortados en paneles de una longitud, por ejemplo, de 2 m por unos espesores superiores a 0,5 mm.

Los tejidos así obtenidos están constituidos de fibras de refuerzo paralelas unas a otras sumergidas en una matriz sólida de polímero termoplástico.

Después es posible a un industrial recortar directamente flancos con vistas a realizar unas operaciones de termoconformado. La orientación de las fibras puede ser elegida en función de la dirección de las solicitaciones por superposición de varios flancos recortados. Un producto terminado puede obtenerse como sigue:

- recorte de los flancos de tejido unidireccional

- calentamiento con infrarrojo,

- depósito en un molde frío,

- estampado

- evacuación.

La discontinuidad de las fibras de refuerzo induce un grado de libertad que permite la obtención de piezas repujadas sobre grandes profundidades sin rotura de la red de fibras, con un tiempo de ciclo de producción corto comprendido entre 1 y 3 mn por ejemplo.

Se da a continuación un ejemplo de realización de un tejido unidireccional compuesto según la invención:

- composición:

-: 69% de fibras de carbono craqueadas con una altura media de 80 mm y una resistencia comprendida entre 190 y 700 GPa.

-: 31% de fibras poliamida 12 cortadas de altura media de 80 mm

- Primera máquina de mezcla

-: 23 cintas de carbono

-: 6 cintas de poliamida

- Segunda máquina de mezcla

-: 12 cintas de mezcla carbono + poliamida

- Tercera máquina de mezcla y consolidación

-: 30 cintas de mezcla carbono + poliamida

- condiciones de mezcla óptima

n = n_{1} = 6

\hskip1cm

n_{1} < n_{2}

\hskip1cm

con n_{2} = 23

: T = 6 x 12 x 30 = 2 160 > 300

- Masa superficial del tejido unidireccional antes y después de preconsolidación:

-: anchura 0,6 m

-: masa lineica de las cintas: 14 g/m

-: masa superficial:

: \frac{14 \ x \ 30}{0,6} = 700 g/m^{2}

- Espesor después de consolidación:

-: masa volumínica del compuesto =

: 0,44 x 1,01 + 0,56 x 1,78 = 1,45 g/cm^{3}

: \frac{700}{1,45 \ x \ 10^{4}} = 0,045 cm

- Temperatura de calentamiento:

-: Temperatura de fusión del poliamida = 78ºC

-: Temperatura horno = 178 + 60 = 238ºC

Como resulta de lo que antecede, la invención aporta una gran mejora a la técnica existente proporcionando un tejido unidireccional compuesto, de estructura sencilla y de puesta en práctica económica y rápida, permitiendo su utilización en numerosas aplicaciones industriales.

Evidentemente la invención no se limita a la sola forma de ejecución de este tejido, descrito arriba a título de ejemplo, abarca al contrario todas las variantes. Es así como especialmente las fibras de refuerzo pueden ser de varias naturalezas diferentes sin que se salga por esto del marco de la invención.

Claims

1. Tejido unidireccional de material compuesto, caracterizado porque comprende una mezcla intima de cintas mezcladas de fibras largas de refuerzo (14) discontinuas obtenidas por craqueo y de fibras largas de matriz termoplástica (15), siendo estas diferentes fibras paralelas en la mezcla.

2. Tejido unidireccional según la reivindicación 1, caracterizado porque la altura media de las fibras de refuerzo es del orden de 80 mm con una divergencia de las alturas inferior o igual a 35% con relación a esta altura media.

3. Tejido unidireccional según una de las reivindicación 1 y 2, caracterizado porque el número de trazas T de fibras de refuerzo en la mezcla final es superior a 300.

4. Tejido unidireccional según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque las fibras de refuerzo constitutivas de un tejido están elegidas en al menos una de las familias de materiales siguientes:

- carbono, procedente de precursores PAN, BRAI o rayón con el criterio: 190 GPa < E < 700 GPa (siendo E el modulo de tracción),

- vidrio de tipo E, R, S, D,

5. Tejido unidireccional según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque las fibras matrices constitutivas de un tejido están elegidas en al menos una de las familias de materiales termoestables siguientes: Polifenileno Sulfuro (PPS), poliéter Imido (PEI), Poliéter Sulfona (PES), Poliéter Eter Cetona (PEEK), Poliéter Cetona (PEK).

6. Tejido unidireccional según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque las fibras matrices constitutivas de un tejido están elegidas en al menos una de las familias de materiales termoplásticos estándares siguientes: Poliétertereftalato (PET), Poliamida (Pa), Polipropileno (PP), Policarbonato (PC), Polibutadieno Tereftalato (PBT), Polietileno (PE).

7. Tejido unidireccional según una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque la altura media de las fibras matrices cortadas o craqueadas está comprendida entre 40 y 180 mm.

8. Tejido unidireccional según una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque comprende una cinta o un hilo de composición idéntica a las cintas mezcladas formando la dirección longitudinal, dispuesto en una dirección sensiblemente perpendicular a las fibras de refuerzo y, por ejemplo, estando dispuesto en zigzags sobre el tejido.

9. Procedimiento de fabricación de un tejido unidireccional de material compuesto según una de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque consiste:

- en realizar la mezcla intima de cintas de estos dos componentes con n_{1} cintas de fibras de refuerzo y n'_{1} cintas de fibras matrices ejerciendo una tracción sobre las diferentes cintas paralelas y haciéndolas pasar en un sistema (7-10) de agujas para paralelizar las fibras mezclándolas a la vez,

- en realizar sucesivamente esta misma operación a partir de cintas multicompuestos (12) resultando cada vez de la operación precedente,

- en traer un conjunto de cintas paralelas constituidas por una mezcla intima de fibras de refuerzo y de fibras matrices obtenida en el transcurso de las operaciones precedentes, y de modo continuo en un recinto calentado (16) a una temperatura superior de varias decenas de ºC a la temperatura de fusión de la materia constitutiva de la matriz termoplástica,

- en hacer pasar el tejido entre unos cilindros (18) enfriados, que bajan la temperatura del tejido debajo de la temperatura de solidificación del polímero, y que ejercen una presión sobre el tejido para asegurar la formación de una preforma constituida de fibras de refuerzo paralelas unas a otras, sumergidas en una matriz sólida de polímero termoplástico.

10. Procedimiento según la reivindicación 9, caracterizado porque antes de introducción del tejido en el recinto calentado, consiste en depositar sobre éste en continuo una cinta o un hilo de composición idéntica a las cintas mezcladas que forman la dirección longitudinal formando, por ejemplo, unos zigzags, en una dirección perpendicular a la dirección de las fibras de refuerzo.