ES2236982T3

ES2236982T3 - Procedimiento para la fabricacion de piezas de plastico parcialmente reforzadas.

Info

Publication number: ES2236982T3
Application number: ES99106988T
Authority: ES
Inventors: Jurgen Deinert; Maximilian Segl; Regina Bendlin
Original assignee: Otto Bock Healthcare GmbH
Current assignee: Otto Bock Healthcare GmbH
Priority date: 1998-06-20
Filing date: 1999-04-09
Publication date: 2005-07-16
Anticipated expiration: 2019-04-09
Also published as: JP2000006234A; DE19827550B4; DE19827550A1; UA66350C2; EP0965435A3; CN1242291A; EP0965435A2; EP0965435B1; DE59911786D1; RU2228265C2; CN1100659C

Abstract

LA INVENCION SE REFIERE A UN PROCEDIMIENTO PARA LA FABRICACION DE PIEZAS DE MATERIAL TERMOPLASTICO PARCIALMENTE REFORZADO, MEDIANTE CONFORMADO EN FRIO. PARA REDUCIR LOS COSTES DE FABRICACION, EN PARTICULAR CUANDO SE TRATA DE CANTIDADES DE PRODUCCION PEQUEÑAS, SE PROPONE CONFORME A LA INVENCION QUE PARA FORMAR LAS ZONAS DE LOS COMPONENTES PARCIALMENTE REFORZADAS SE UTILICEN MATERIALES DE REFUERZO DE CONFORMADO EN CALIENTE QUE CONTENGAN UNAS FIBRAS CON UNA LONGITUD > 1 MM, QUE POR APORTACION DE CALOR SE PASEN A UN ESTADO ELASTICO BLANDO Y A CONTINUACION SE APLIQUEN SOBRE UN MOLDE DE EMBUTICION POSITIVO (6) EN PUNTOS DEFINIDOS Y CON UNA ORIENTACION DEFINIDA, REVISTIENDO A CONTINUACION EL MOLDE RECUBIERTO CON EL MATERIAL DE REFUERZO CON UNA PLANCHA DE PLASTICO (3) PREVIAMENTE PLASTIFICADA, APRETANDOLA MEDIANTE LA APLICACION DE VACIO CONTRA EL MOLDE POR EFECTO DE LA PRESION ATMOSFERICA, CONTRA LA SUPERFICIE DEL MOLDE Y EL MATERIAL DE REFUERZO DE MANERA QUE EL CALOR EXISTENTE EN EL MATERIAL DE REFUERZO PROVOQUE SU SOLDADURA CON LA PLACA DE PLASTICO.

Description

Procedimiento para la fabricación de piezas de plástico parcialmente reforzadas.

La invención se refiere a un procedimiento para la fabricación de piezas de plástico termoplásticas, parcialmente reforzadas, mediante conformación en caliente.

Es usual por ejemplo la unión mecánica o pegado de piezas conformadas en caliente con un refuerzo metálico. Entonces resulta un inconveniente el elevado peso específico de los metales, así como los altos costes de fabricación.

Un refuerzo parcial de piezas fabricadas mediante conformación en caliente se logra según el estado de la técnica también introduciendo rebordes. No obstante, de esta manera puede lograrse sólo un efecto de refuerzo muy limitado.

Se conoce además la práctica de colocar el material de refuerzo como pieza intercalada en un molde de fundición por inyección o de prensado, introducir a continuación la masa de prensado o de fundición por inyección en el molde y desmoldear así la pieza. Como material para las piezas intercaladas se utilizan predominantemente metales, pero también plásticos reforzados con fibras. No obstante, estos procedimientos son adecuados sobre todo para grandes series, pero son antieconómicos para piezas con bajas cantidades de producción, debido a los elevados costes de las herramientas.

Por la US 5,219,364 se conoce un procedimiento para fabricar piezas de plástico termoplásticas, eventualmente reforzadas parcialmente, mediante conformación en caliente, conformándose una placa de plástico previamente plastificada en un molde positivo de embutición profunda, aplicando el vacío.

Por la GB 1 363 305 se conocen piezas de implante ortopédicas compuestas por un plástico de silicona reforzado con fibras. Estas piezas pueden estar envueltas en una capa exterior, es decir, estar configuradas en varias capas. La fabricación tiene lugar con la técnica de inyección usual, introduciéndose las fibras de grafito utilizadas secas en el molde y pudiendo ser inyectado a continuación el plástico en el molde, endureciéndose a continuación en el molde.

En el conformado en caliente de tejidos impregnados termoplásticamente (organochapas), queda compensada la economicidad del procedimiento por el elevado precio del material. Además, con tales materiales sólo es posible un refuerzo completo, pero no un refuerzo parcial de las piezas.

La invención tiene como tarea básica desarrollar un procedimiento con el que puedan fabricarse piezas de plástico termoplásticas, parcialmente reforzadas, incluso con pequeñas cantidades de producción, con reducidos costes de fabricación.

Esta tarea se resuelve en el marco de la invención utilizando para la formación de las zonas de la pieza parcialmente reforzadas materiales de refuerzo conformables en caliente, que contienen fibras con una longitud > 1 mm, se trasladan mediante la transmisión del calor al estado maleable y a continuación se drapean en un molde positivo de embutición profunda en puntos definidos y en una orientación definida, a continuación de lo cual una lámina de plástico previamente plastificada es colocada sobre el molde drapeado con el material de refuerzo y mediante la aplicación del vacío al molde, bajo la acción de la presión atmosférica, se oprime contra la superficie del molde y el material de refuerzo de tal manera que la cantidad de calor existente del material de refuerzo da lugar a que se suelde con la placa de plástico.

El material de refuerzo conformable en caliente debe ser llevado al estado maleable, para poder reproducir el contorno del molde. Puesto que la estructura del material de refuerzo (geometría, longitud de las fibras, orientación de las fibras) debe mantenerse, puede aplicarse solamente una transmisión de calor, pero no un cizallamiento o similar. Como fuentes de calor pueden utilizarse por ejemplo radiadores de infrarrojos, armario térmico o aire caliente
fluyente.

En la fabricación de piezas con geometría sencilla, puede emplearse como material de refuerzo un roving impregnado termoplásticamente. Puesto que el material de refuerzo, contrariamente al tratamiento de fundición de inyección o de prensado, no puede ser sometido a una consolidación posterior, sólo pueden emplearse materiales con un 100% de grado de impregnación. Los materiales con un grado de impregnación inferior, fallan con las solicitaciones dinámicas, debido al rozamiento de las fibras entre sí.

Para piezas con geometría compleja y el entonces necesario drapeado, costoso en cuanto a tiempo, del material de refuerzo en el molde, no son adecuados los rovings simples impregnados termoplásticamente, debido a su baja capacidad térmica.

Para asegurar la unión por soldadura entre el material de refuerzo y la placa de plástico, debe disponer el material de refuerzo de la suficiente cantidad de calor. No obstante, con el drapeado del molde, costoso en el tiempo, desciende la temperatura del material de refuerzo llevado al estado maleable por debajo de la temperatura de elaboración necesaria. Al respecto, el consumo de tiempo para drapear los materiales de refuerzo en el molde es, en función de la geometría y de la cantidad de materiales de refuerzo necesarios, de entre unos 10 y 120 segundos. Si entonces presenta el material de refuerzo una cantidad de calor demasiado baja y/o una conductividad térmica demasiado alta, entonces debe transmitir la placa de plástico plastificada una suficiente cantidad de calor al material de refuerzo. Al respecto, puede partirse de que esta transmisión de calor sólo puede realizarse desde una capa límite de aprox. 1 mm de espesor de la placa de plástico.

Para aumentar la capacidad térmica del material de refuerzo, puede también aumentarse el espesor de su capa. Para ello es conveniente utilizar como material de refuerzo un material compuesto en capas, que presenta al menos una capa de refuerzo que contiene fibras y una capa que sirve como acumulador de calor de un material plástico sin reforzar. Un compuesto en capas así resulta, en comparación con materiales de refuerzo homogéneos, ventajoso en cuanto a peso y a efecto aislante, en particular en comparación con un molde frío.

Las fibras pueden estar orientadas unidireccionalmente en el material de refuerzo; en este caso se aprovecha por completo el efecto de refuerzo de las fibras. Cuando la distribución de las fibras en el material de refuerzo es multidireccional, el efecto de refuerzo es menos acusado; no obstante, es ventajosa al respecto la elevada seguridad frente a la deslaminación.

Todas las variantes del material de refuerzo permiten sin problemas una fabricación individual de piezas de plástico parcialmente reforzadas. De esta manera es posible una concepción básicamente nueva de las piezas, que por ejemplo pueden utilizarse como prótesis u ortesis para el abastecimiento individual de pacientes.

Pueden elaborarse materiales de refuerzo cuyas fibras presenten una longitud superior a 25 mm. Tales materiales de refuerzo presentan una elevada resistencia a la fatiga por vibración, así como una resistencia a la flexión ajustable mediante variación del tipo de fibra, concentración de fibras y espesor de capa. Las piezas de plástico fabricadas según el procedimiento correspondiente a la invención, pueden integrarse por lo tanto también como elementos elásticos en piezas (p.e. como elementos elásticos en una prótesis dinámica de pie).

Además, puede pensarse en sistemas en los que el material de refuerzo permita, bajo una aplicación definida de la fuerza, un ángulo de doblado tal que se realice la función de articulación. A la vez funciona el material de refuerzo como elemento elástico, con lo que se realiza una función de recuperación tan pronto como la fuerza necesaria para el doblado ya no actúe sobre la pieza.

Para la preparación de la placa de plástico a elaborar en el marco de la invención, es conveniente que la placa de plástico a plastificar esté sujeta a un marco y sea calentada hasta que alcance un estado maleable, se combe en el marco y resulte así preestirada. No obstante, es también posible preestirar la placa de plástico plastificada mediante aire a presión.

El molde positivo de embutición profunda puede estar compuesto por metal, madera, plástico de forma consistente frente al calor o bien de espuma de plástico, yeso o similares. La superficie debe ser cerrada y lisa, para evitar un arrastre de forma entre el molde y el termoplástico que se solidifica. En moldes de yeso y materiales similares porosos, es conveniente que la superficie del molde positivo de embutición profunda tenga un recubrimiento o bien esté revestida de un tejido con forma resistente al calor o una correspondiente lámina. Al respecto hay que tener en cuenta que el tejido o el recubrimiento no incurra en soldadura alguna con el termoplástico y pueda aplicarse sin pliegues.

Para series reducidas y fabricación individual o bien con tiempos de ciclo correspondientemente largos, no es necesario ajustar el molde positivo de embutición profunda a una determinada temperatura. No obstante, es ventajoso que, en particular cuando se trata de fabricación en serie, con el correspondiente tiempo de ciclo corto que ello implica, se regule la temperatura del molde.

El procedimiento correspondiente a la invención puede realizarse como sigue:

Primeramente se calienta el material de refuerzo hasta que se encuentre en el estado maleable. A continuación, se drapea el material de refuerzo en los puntos deseados sobre el molde positivo de embutición profunda. Simultáneamente se sujeta una placa de plástico en un marco y se calienta hasta que se encuentre en el estado maleable. Debido a su propio peso, se comba a partir de una determinada temperatura y se preestira así. Cuando se alcanza la temperatura deseada o bien el grado de preestiraje deseado, se inserta el marco con la placa de plástico sobre el molde con los materiales de refuerzo que se encuentran sobre el mismo. Aplicando el vacío, se prensa entonces el plástico maleable bajo la acción de la presión atmosférica contra la superficie del molde, así como contra el material de refuerzo y de esta manera se configura la pieza moldeada. El material de refuerzo debe encontrarse en ese momento todavía en el estado maleable, o bien debe poder transmitir la placa de plástico una cantidad de calor suficiente para el ablandamiento del material de refuerzo. Bajo estas condiciones resulta entonces una soldadura entre la placa de plástico y el material de refuerzo.

Ha de considerarse una ventaja esencial del procedimiento correspondiente a la invención el que sólo se alojen refuerzos en las posiciones de una pieza de embutición profunda en las que ello es ventajoso para el funcionamiento, mientras en otros lugares puede admitirse en la pieza una mayor flexibilidad.

La transmisión de calor necesaria para la citada soldadura, puede deducirse por ejemplo de los siguientes parámetros de proceso:

a): Molde positivo de embutición profunda:

Se utiliza un modelo de yeso no atemperado, que se recubre con tejido de nylon.

\vskip1.000000\baselineskip

Material de refuerzo

- Composición:: 60% en peso de fibra de vidrio unidireccional, 40% en peso de polipropileno

- Dimensiones:: 0,05 x 0,5 x 20 cm = 1 cm^{3}

- Propiedades térmicas:: capacidad calorífica Cp = 1,54 J/g K

\quad: conductividad térmica \lambda = 0,42 W/m K

- Temperatura:: 25ºC (¡se enfría tras el drapeado hasta la temperatura ambiente!)

- Cantidad de calor {}\hskip0,2cm necesaria:: \\[2.1mm]{}\hskip0,6cm 160 J (Calentamiento de 25ºC a 165ºC) por cada banda de refuerzo.

\vskip1.000000\baselineskip

Placa de plástico

- Composición:: 100% polipropileno

- Volumen capa límite:: 0,1 x 0,5 x 20 cm = 2 cm^{3}

- Propiedades térmicas:: capacidad calorífica Cp = 1,9 J/g K

\quad: conductividad térmica \lambda = 0,17 W/m K

- Temperatura:: 250ºC

- Cantidad de calor que {}\hskip0,2cm puede transmitirse:: \\[2.1mm]{}\hskip0,1cm 270 J (enfriamiento de 250ºC a 170ºC) por cada banda de refuerzo.

b): Se realiza otro tipo de gestión térmica totalmente diferente cuando el material de refuerzo posee una cantidad de calor tan alta que el material no se enfría por debajo de la temperatura necesaria para la soldadura. Tales condiciones se dan cuando el material de refuerzo presenta suficiente masa y temperatura. La transmisión del calor del material de refuerzo al molde puede minimizarse mediante un gran espesor de pared, así como mediante una baja conductividad del material de refuerzo.

c): Bajo los siguientes parámetros de proceso pudo evitarse un enfriamiento del material de refuerzo compuesto por un conjunto de capas por debajo de la temperatura de soldadura:

Molde:: Modelo de yeso no atemperado, con tejido de nylon recubierto.

\vskip1.000000\baselineskip

Material de refuerzo

- Composición capa de refuerzo:: 60% en peso de fibra de vidrio unidireccional, 40% en peso de polipropileno

- Dimensiones capa de refuerzo:: 0,05 x 2,5 x 20 cm = 2,5 cm^{3} (= 3,73 g)

- Composición capa acumuladora de {}\hskip0,3cmcalor y de aislamiento:: \\[2.1mm]100% polipropileno

- Dimensiones capa acumuladora de {}\hskip0,3cmcalor y de aislamiento:: \\[2.1mm]0,1 x 2,5 x 20 cm = 5,0 cm^{3} (= 4,5 g)

- Propiedades térmicas:: capacidad calorífica Cp = 1,74 J/g K

\quad: conductividad térmica \lambda = 0,25 W/m K

- Temperatura:: 250ºC (¡se enfría tras el drapeado hasta T > 170ºC!)

- Pérdida de calor máxima admisible:: 1120 J por cada banda de refuerzo.

Se ha comprobado que la cantidad de calor de 1120 J no puede cederse dentro de 120 s por parte del material de refuerzo. Por lo tanto, queda asegurada la soldadura.

El material de refuerzo calentado y por lo tanto maleable, tiende a la adherencia sobre el molde positivo de embutición. Por ello es suficiente para la fijación del material de refuerzo sobre el molde en muchos casos la sencilla colocación. En superficies verticales puede fijarse el material de refuerzo con unas pequeñas espigas.

El procedimiento correspondiente a la invención permite la fabricación de una nueva pieza de plástico termoplástica, parcialmente reforzada, conformada en caliente en su parte interior en un molde positivo, con una placa conformada mediante conformación en caliente y una parte de refuerzo aplicada en la parte interior de la placa, compuesta por un material de refuerzo que contiene fibras con una longitud > 1 mm, que en su cara interior está conformada en el molde positivo y que en su cara exterior está soldada con la placa, que mediante colocación sobre el molde positivo está conformada juntamente con la parte de refuerzo conformada.

La pieza de plástico fabricada según la invención está parcialmente reforzada de manera fiable y, tal como se ha indicado, puede fabricarse sencillamente también en fabricación individual.

De manera preferente se utilizan las piezas de plástico fabricadas según la invención como elemento elástico, como prótesis de articulación con un sistema de recuperación elástico o partes de una prótesis u ortesis.

En el esquema se representan esquemáticamente algunas formas constructivas que sirven como ejemplos de la invención. Se muestra en:

Figura 1: las distintas etapas del proceso para la fabricación de una ortesis de pie,

figura 2: las distintas etapas del proceso para la fabricación de una articulación de tobillo como articulación con un sistema de recuperación elástico y

figura 3: una pieza de plástico fabricada según la invención en forma de un corsé Chéneau-Boston-Wiesbaden.

En la figura 1 se representa bajo a) esquemáticamente un horno de calentamiento 1, en el que una placa de polipropileno 3 montada en un marco de sujeción 2 se calienta hasta 250º conjuntamente con un material de refuerzo 4 compuesto por una capa de refuerzo de polipropileno/fibra de vidrio y acumulador de calor/capa de aislamiento de polipropileno. A continuación se drapea el material de refuerzo 4 sobre un molde de yeso 6 dotado de una conexión de vacío 5 de un pie de paciente (1b). Tras 120 s a lo más tardar, se tiende la placa de polipropileno 3 sobre el molde positivo de embutición profunda 6 (1c). Mediante aplicación del vacío, se prensa el material de la placa contra el molde 6, así como contra el material de refuerzo 4 (1d). Tras el enfriamiento puede retirarse del molde la pieza y trabajarse con arranque de viruta (1e).

Para esta fabricación de la ortesis de pie pueden ajustarse las siguientes condiciones:

Molde:: Modelo de yeso, recubierto con nylon, temperatura ambiente (no atemperado)

\vskip1.000000\baselineskip

Material de refuerzo

Material compuesto en capas

- 0,05 x 2,5 x 20 cm, 60% en peso de fibra de vidrio unidireccional, 40% en peso de polipropileno con

- 0,3 x 2,5 x 20 cm, 100% en peso de polipropileno como capa acumuladora de calor y de aislamiento.

- Temperatura de precalentamiento:: 250ºC

\vskip1.000000\baselineskip

Placa de plástico

- Composición:: 100% polipropileno

- Dimensiones:: 0,3 x 70 x 50 cm

-Temperatura de precalentamiento:: 250ºC

En la figura 2 se representa esquemáticamente la fabricación de una articulación del tobillo como articulación con sistema de recuperación elástico según el procedimiento correspondiente a la invención.

Sobre un molde de aluminio 7 en dos partes recubierto con PTFE, se drapean dos elementos de refuerzo 8, compuestos cada uno por un 50% en peso de fibras de carbono dispuestas unidireccionalmente y un 50% en peso de PA 12.
Sobre el molde de aluminio 7 con los elementos de refuerzo 8 drapeados, con forma de banda, se extiende a continuación una placa PA 12 3 plastificada (a). Tras el enfriamiento se extrae la articulación del molde y se mecaniza con arranque de viruta (b). Finalmente, se incluyen (c) manguitos de racor 9. La figura (d) muestra la articulación terminada cuando está doblada.

La figura 3 muestra un corsé Chéneau-Boston-Wiesbaden 10, fabricado según el procedimiento correspondiente a la invención. En esta pieza están dispuestos en su cara posterior, paralelamente a la abertura posterior, dos elementos de refuerzo 11. En la cara anterior de la pieza se encuentra otro elemento de refuerzo 12 a la altura del pecho, acodado en unos 40º.

Claims

1. Procedimiento para la fabricación de piezas de plástico termoplásticas, parcialmente reforzadas, mediante conformación en caliente, en el que para la formación de las zonas de la pieza parcialmente reforzadas se utilizan materiales de refuerzo conformables térmicamente, que contienen fibras con una longitud > 1 mm, se pasan al estado maleable mediante transmisión de calor y a continuación se drapean sobre un molde positivo de embutición profunda en lugares definidos y en una orientación definida, a continuación de lo cual se coloca una lámina de plástico previamente plastificada sobre el molde drapeado con el material de refuerzo y mediante la aplicación de vacío al molde, bajo la acción de la presión atmosférica, se oprime contra la superficie del molde y el material de refuerzo de tal manera que la cantidad de calor existente en el material de refuerzo da lugar a su soldadura con la placa de plástico.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que para lograr una unión por soldadura se transmite la cantidad de calor necesaria desde la placa de plástico plastificada al material de refuerzo.

3. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2, en el que las fibras se disponen uni o multidireccionalmente en el material de refuerzo.

4. Procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes en el que las fibras se distribuyen homogéneamente en el material de refuerzo.

5. Procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes, en el que como material de refuerzo se utilizan tramos de un haz de fibras impregnado con matrices termoplásticas.

6. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2, en el que como material de refuerzo se utiliza un material compuesto en capas, que presenta al menos una capa de refuerzo que contiene fibras y una capa que sirve como acumulador de calor de plástico sin reforzar.

7. Procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes, en el que la placa de plástico a plastificar se sujeta en un marco y se calienta hasta que alcanza un estado maleable, se comba en el marco y con ello se preestira.

8. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 6, en el que la placa de plástico plastificada se estira mediante aire a presión.

9. Procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes, en el que la superficie del molde positivo de embutición profunda se recubre con una capa o bien se reviste con un tejido estable térmicamente en cuanto a forma o la correspondiente lámina.