ES2257367T3 - Modulo funcional electromecanico. - Google Patents

Modulo funcional electromecanico.

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ES2257367T3 ES01120532T ES01120532T ES2257367T3 ES 2257367 T3 ES2257367 T3 ES 2257367T3 ES 01120532 T ES01120532 T ES 01120532T ES 01120532 T ES01120532 T ES 01120532T ES 2257367 T3 ES2257367 T3 ES 2257367T3
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Abstract

Módulo funcional electromecánico (1) con al menos un convertidor, con varias capas intermedias de fibra (4) con entalladuras (7) para alojar el convertidor, y con capas de cubierta de fibras (3) sobre la capa intermedia de fibras superior e inferior (4), estando compuestas las capas intermedias de fibras (4) y las capas de cubierta de fibras (3) por material de fibras no conductor y estando laminadas conjuntamente, caracterizado porque las vías eléctricas de contacto (6) elásticas tejidas están unidas integralmente con las capas de cubierta de fibras (3) para la toma de contacto de los convertidores, cubriendo casi por completo las vías de contacto (6) para un convertidor los electrodos del correspondiente convertidor.

Description

Módulo funcional electromecánico.
La invención se refiere a un módulo funcional electromecánico con al menos un convertidor, con varias capas intermedias de fibras con entalladuras para alojar los convertidores, y con capas de cubierta de fibras sobre la capa intermedia superior e inferior, estando compuestas las capas intermedias de fibras y las capas de cubierta de fibras por material de fibras no conductor y estando laminadas conjuntamente.
Tales módulos funcionales se utilizan por ejemplo en forma de elementos convertidores piezoeléctricos, sobre todo en sistemas de estructuras que pueden adaptarse con mecanismos de autorregulación a condiciones variables del entorno y que se denominan estructuras adaptivas o bien estructuras inteligentes (smart). En tales estructuras adaptivas están integrados en la estructura sensores y actuadores juntamente con reguladores adecuados. Con ello una estructura como la indicada está en condiciones de detectar variaciones exteriores y reaccionar correspondientemente a las mismas. Los componentes adaptivos, a diferencia de las estructuras convencionales, son parte integrante de la estructura con elementos elásticos o de amortiguamiento. Las perturbaciones que se presenten, como por ejemplo deformaciones o vibraciones indeseadas, pueden ser atacadas directamente en el lugar donde aparecen.
Puesto que las estructuras reúnen en sí funciones de soporte, así como funciones de actuadores y sensóricas, se ofrece para la construcción ligera y las aplicaciones unidas a la misma en la técnica de viajes aéreos y espaciales un gran potencial. Pero además, resultan para otros sectores industriales múltiples posibilidades de aplicación, por ejemplo para la reducción del ruido y las vibraciones, para la deformación del perímetro y para la estabilización (shape-control) y para el posicionado fino.
Como actuadores y sensores que se integran en la estructura, pueden utilizarse ventajosamente materiales piezocerámicos utilizando el efecto piezoeléctrico o bien el efecto inverso piezoeléctrico. Desde luego, los mismos son, debido a su constitución, extremadamente frágiles y se rompen por lo tanto muy fácilmente. Este inconveniente se hace especialmente patente cuando se utilizan piezocerámicas o bien piezoláminas delgadas, con forma de disco, con un espesor de aprox. 0,2 mm. Por lo tanto, antes de montar una piezolámina se envuelve ésta de la forma tradicional y con ello se dota de características marginales definidas mecánicas y eléctricas. De esta manera se simplifica considerablemente el manejo de las piezoláminas. En tales módulos funcionales electromecánicos el contacto eléctrico de los electrodos del convertidor piezocerámico y las conexiones eléctricas para el convertidor están embutidos en el módulo funcional.
Tales módulos funcionales electrónicos pueden integrarse en cualesquiera estructuras o bien aplicarse sobre las mismas como actuadores o bien sensores de dilatación o de flexión. Además, pueden fabricarse como geometrías complejas.
La utilización de convertidores piezoeléctricos tanto como actuador como también como sensor, se conoce por ejemplo por la US-PS 5,347,870.
En la US-PS 4,849,668 se describe la integración directa de piezocerámicas en estructuras multicapa, como por ejemplo laminado de fibra de carbono. Las capas interiores de las estructuras tienen entalladuras para alojar las piezocerámicas. Entre las piezocerámicas están previstas capas aislantes. Es un inconveniente que los actuadores o bien sensores piezoeléctricos deban conectarse y fabricarse durante la fabricación de la estructura. Además, resultan problemas mecánicos, en particular en cuanto a la resistencia a largo plazo de los contactos eléctricos, el aislamiento eléctrico de los componentes que conducen corriente y debido al peligro de rotura de la frágil piezocerámica durante la fabricación.
Por la US-PS 5,485,053 se conoce una estructura de tres capas atenuadora de las vibraciones y del sonido, en la que una capa atenuadora viscosoelástica está dispuesta entre dos capas piezoeléctricas. Una capa piezoeléctrica sirve como sensor de vibraciones, mientras que la otra capa piezoeléctrica se utiliza como actuador para la compensación de las vibraciones.
Por la US-PS 5,378,974 se conoce la utilización de actuadores piezocerámicos que funcionan en contraposición para un sistema amortiguador de vibraciones. Un sistema correspondiente se describe también en la US-PS 5,315,203, aplicándose el campo eléctrico de un elemento piezoeléctrico en sentido contrario sobre un segundo elemento piezoeléctrico. De esta manera se provoca una deformación contrapuesta, sin que sean necesarios otros mecanismos de regulación.
Además, se conocen módulos funcionales piezoeléctricos que pueden alojarse como elementos compactos prefabricados en estructuras compuestas.
Así, se conoce por la US-PS 4,876,776 la inclusión de elementos piezoeléctricos en una estructura compuesta, teniendo la estructura compuesta escotaduras para alojar los elementos piezoeléctricos y estando prefabricadas antes de alojar los elementos piezoeléctricos.
En la US-PS 5,305,507 se describe el montaje de un actuador o sensor piezoeléctrico en un material de fibra compuesto no conductor, como por ejemplo fibra de vidrio o epoxi. Aquí se cablean primeramente los elementos piezocerámicos y sólo entonces se laminan.
Por la US-PS 5,687,462 y 5,657,882, así como por la WO 95/20827, se conoce un módulo funcional piezoeléctrico, en el que está adherida una piezocerámica, preferentemente en una lámina de poliimida. Los electrodos toman contacto a través de vías conductoras delgadas tendidas de lámina de cobre, que igualmente se adhieren entre las láminas de poliimida. La conexión eléctrica de los convertidores piezoeléctricos se realiza mediante conectores, que se embornan en las láminas de poliimida.
Por la WO 95/20827, pág. 9, líneas 26 y siguientes, se conoce además la utilización de elementos de marco entre las láminas de poliimida para alojar las piezocerámicas, que también sirven como distanciadores durante la fabricación. Los elementos de marco están fabricados por un material que puede comprimirse de forma relativamente fuerte, como por ejemplo a partir de un polímero no ligado transversalmente y tienen un bajo módulo de elasticidad.
En los módulos funcionales piezoeléctricos conocidos es en particular problemática la toma de contacto. Tras largos tiempos de funcionamiento se observa en las vías conductoras formadas por lámina de cobre delgada, en la transición entre el convertidor piezoeléctrico y la envoltura que lo rodea, una formación de grietas. Debido a la toma de contacto de una lámina de cobre, el electrodo de la piezocerámica tampoco está cubierto por completo, con lo que cuando se produce una rotura en la piezocerámica se genera una pérdida de potencia activa.
En la integración de los módulos funcionales piezoeléctricos tradicionales en estructuras de compuestos de fibras, deben además cortarse relativamente muchas fibras para realizar la conexión eléctrica hacia fuera, lo cual es un inconveniente. Esto perjudica directamente la resistencia de la estructura del compuesto de fibras.
Además, la adherencia de la lámina de poliimida en la estructura del compuesto de fibras es relativamente mala, con lo que las superficies deben ser mecanizadas con elevados costes. Las láminas de poliimida absorben también relativamente mucha humedad, con lo que existe el peligro de descargas eléctricas cuando el funcionamiento del módulo funcional piezoeléctrico tiene lugar en un entorno húmedo.
Por lo tanto, era tarea de la invención lograr un módulo funcional piezoeléctrico mejorado.
La tarea se resuelve mediante el módulo piezoeléctrico con las particularidades de la reivindicación 1, estando unidas integralmente vías de contacto elásticas eléctricas tejidas con las capas de cubierta de fibras para la toma de contacto de los convertidores, cubriendo casi por completo las vías de contacto para un convertidor los electrodos del correspondiente convertidor.
Debido a la utilización de material de cubierta de fibras, resulta una buena unión del módulo funcional con la estructura compuesta en la que se aloja el módulo funcional. Las vías de contacto eléctricas tejidas elásticas, que están unidas integralmente con la capa de cubierta de fibras, aseguran un contacto duradero fiable con el convertidor, por ejemplo con una piezocerámica. Las vías eléctricas de contacto son conducidas a través de la capa de cubierta de fibras hacia fuera. De esta manera no tiene lugar una separación de las fibras y una perturbación de la estructura compuesta de fibras que traería como consecuencia una pérdida de resistencia.
Mediante la utilización de varias capas intermedias de fibras, que son laminadas juntamente con las capas de cubierta de fibras, se forma una estructura integral, en la que el convertidor está encapsulado por completo. Mediante la elección del material de fibras, del sistema de resinas y mediante la orientación de las fibras, puede influirse sobre la rigidez del módulo funcional en cuanto a una transmisión de las dilataciones entre el módulo funcional electromecánico y la estructura compuesta que rodea al mismo.
Las vías de contacto son, ventajosamente, fibras de carbono o hilos metálicos tejidos y entremezclados en las capas de cubierta de fibras. Mediante un contacto elástico como el indicado de los electrodos de los convertidores, mejoran las propiedades de resistencia duradera. Los convertidores pueden funcionar por ejemplo piezocerámica o electroestrictivamente.
Las capas de cubierta de fibras y las capas intermedias de fibras están formadas ventajosamente por velo de poliéster.
Para una fabricación racional e insensible a perturbaciones de los módulos funcionales electromecánicos antes descritos, se proponen los siguientes pasos:
a)
laminado de las vías de contacto sobre las capas de cubierta de fibras con una resina epoxi con propiedades termoplásticas;
b)
ensamblaje de las piezas del módulo funcional;
c)
inyección de una matriz de resina en el módulo funcional.
La inyección sigue a continuación ventajosamente bajo vacío, por ejemplo según el procedimiento de moldeo de transferencia de resina de presión diferencial (Differential-Pressure-Resin-Transfer-Moulding). Esto tiene la ventaja de que puede lograrse un elevado contenido volumétrico en fibras sin oclusiones de aire.
La invención se describirá más en detalle a continuación en base a los dibujos adjuntos. Se muestra en:
figura 1 - una vista en perspectiva de un módulo funcional electromecánico correspondiente a la invención;
figura 2 - una representación en explosión en perspectiva de un grupo de módulos funcionales electromecánicos;
figura 3 - una representación en explosión en perspectiva de un módulo funcional piezoeléctrico tradicional;
figura 4 - vista en planta sobre módulos funcionales electromecánicos con distintas posibilidades eléctricas de conexión;
figura 5 - vista en perspectiva de formas constructivas complejas de módulos funcionales electromecánicos correspondientes a la invención.
En la figura 1 puede verse un módulo funcional electromecánico 1 piezoeléctrico en vista en perspectiva. El módulo funcional piezoeléctrico 1 como convertidor tiene una piezocerámica 2 conocida o piezolámina, que está rodeada por una envoltura eléctricamente aislante. Esta envoltura está formada por capas de cubierta de fibras 3 no conductoras sobre la parte superior e inferior de la piezocerámica 2, así como por varias capas intermedias de fibras 4 no conductoras. Las conexiones eléctricas para los electrodos de la piezocerámica 2 son llevadas hacia fuera desde las capas de cubierta de fibras 3 en forma de puntos de contacto 5.
En la figura 2 puede verse la estructura de un grupo de módulos funcionales 1 piezoeléctricos en detalle, en representación en explosión. En las capas de cubierta de fibras 3 están tejidas vías eléctricas de contacto 6 elásticas, por ejemplo en forma de tejidos de fibra de carbono o de tejidos de hilo metálico delgado. Las vías eléctricas de contacto 6 están unidas como tejido integralmente con las capas de cubierta de fibras 3 y cubren la superficie de la piezocerámica 2 casi por completo. Las mismas están laminadas por ejemplo con una resina epoxi con propiedades termoplásticas sobre las capas de cubierta de fibras 3. Mediante el contacto en una gran superficie de los electrodos de la piezocerámica 2 a ambos lados, se reduce la tolerancia a los daños en el caso de puntos de rotura en la piezocerámica. Queda también asegurado entonces que la superficie de los electrodos permanece casi por completo en contacto eléctrico. Mediante la utilización de tejido como vías de contacto 6, queda asegurado que el módulo funcional sigue siendo elástico y tiene una elevada duración.
Entre las capas de cubierta de las fibras 3 están previstas varias capas intermedias de fibras 4, que tienen entalladuras 7 para alojar las piezocerámicas 2, es decir, los convertidores piezoeléctricos. Adaptando el número de capas intermedias de fibras 4 pueden fabricarse módulos funcionales 1 de diferente espesor y ajustarse la presión sobre la piezocerámica 2 frágil susceptible de rotura durante el proceso de compresión mientras tiene lugar la fabricación. Las capas intermedias de fibras 4 sirven así como distanciadores para la piezocerámica 2. Con ayuda de las entalladuras 7 en las capas intermedias de fibras 4 son mantenidas las piezocerámicas 2 durante la fabricación en su posición, con lo que ya no pueden deslizarse.
Las capas de cubierta de fibras 3 y las capas intermedias de fibras 4 se laminan conjuntamente mediante procedimientos adecuados, como por ejemplo el procedimiento de inyección de moldeo de transferencia de resina de presión diferencial (Differential-Pressure-Resin-Transfer-Moulding, DP-RTM) bajo vacío. La tensión previa mecánica de presión de los módulos funcionales piezoeléctricos 1 puede ajustarse mediante una elección adecuada de los sistemas de resina y de los ciclos de endurecimiento para el laminado. Al respecto han de tenerse en cuenta los distintos coeficientes de dilatación térmica de las capas intermedias de fibras 4 y de las capas de cubierta de fibras 3, así como de las piezocerámicas 2. Mediante la elección del sistema de resina puede no obstante influirse también sobre las propiedades elásticas de la envoltura del módulo funcional y con ello sobre la transmisión de dilataciones entre el módulo funcional y una estructura compuesta exterior.
En la figura 2 puede verse un plano de disposición con cuatro módulos funcionales. De la placa de compuesto de fibras representada pueden cortarse las unidades deseadas con uno o varios módulos funcionales 1. La fabricación por grupos de los módulos funcionales es muy racional y ventajosa en cuanto a técnica de fabricación.
En la figura 3 puede verse un módulo funcional piezoeléctrico 8 tradicional en representación en explosión. Aquí la piezocerámica 2 está adherida en una cubierta de láminas soporte superior e inferior 9. Sobre la cara interior de la lámina soporte 9 están adheridas vías conductoras 10 para la toma de contacto eléctrico de la piezocerámica 2. Las láminas soporte 9 tienen respectivas banderitas de conexión 11 para la conexión de circuitos eléctricos externos, las cuales son llevadas hacia fuera de la estructura de fibras compuesta en la que se aloja el módulo funcional piezoeléctrico 8. La conexión eléctrica de las vías conductoras 18 se realiza ventajosamente mediante conectores. Como láminas soporte 9 se utilizan láminas de poliimida, que tienen una capacidad relativamente elevada de absorción de humedad. Debido a esto existe el peligro de descargas eléctricas cuando el servicio del módulo funcional 8 tiene lugar en un entorno húmedo. Además, se observa una insuficiente adherencia de la lámina de poliimida en las estructuras compuestas de fibras, con lo que las superficies de las estructuras compuestas de fibras deben ser mecanizadas con elevados costes. Debido a que la conexión eléctrica del módulo funcional 8 es relativamente ancha, deben separarse relativamente muchas fibras en la integración del módulo funcional 8 en las estructuras compuestas de fibras, para llevar la conexión eléctrica hacia fuera. Esto da lugar a una pérdida de resistencia. Además, cuando los tiempos de funcionamiento son relativamente largos, se observa en las vías conductoras 10 en la lámina de cobre relativamente delgada en la transición entre la piezocerámica 2 y la lámina de soporte 9 una formación de fisuras.
A diferencia de este módulo funcional 8 tradicional, se prevén en el marco de la invención, tal como se muestran en las figuras 1 y 2, capas intermedias de fibras 4, con las cuales las vías eléctricas de contacto 6 elásticas tejidas están unidas integralmente. Las capas intermedias de fibras 4 sirven entonces como distanciadores para un encapsulado óptimo de las piezocerámicas 2. Debido a que se utiliza usualmente material de fibras, pueden laminarse conjuntamente las capas de cubierta de fibras 3 y las capas intermedias de fibras 4, pudiendo ajustarse los parámetros mecánicos de la envoltura que así se forma.
Los módulos funcionales 1 se conectan mediante las conexiones eléctricas dibujadas a modo de ejemplo en la figura 4 a circuitos externos. Las vías eléctricas de contacto 6 pueden entonces llevarse hacia fuera del sistema compuesto de fibras mediante una banderita de conexión con un conector 12. No obstante, pueden estar llevadas también líneas 13 individuales hacia fuera del módulo funcional. Especialmente ventajosa es la utilización de puntos de soldadura 14 en las capas de cubierta de fibras 3. Esta variante de conexión permite el posterior apilamiento y disposición de varios módulos funcionales 1 para formar paquetes de módulos. Al respecto, se disponen los módulos funcionales 1 de tal manera que los puntos de soldadura 14 se encuentran uno sobre otro con contacto entre sí. Pueden realizarse convertidores de flexión colocando los módulos de tal manera uno sobre otro que sus puntos de soldadura 14 se unan en cada caso con polaridad contrapuesta.
En la figura 5 pueden verse módulos funcionales 1 en forma de dibujos complejos. Puede alojarse por ejemplo una piezolámina curvada 15 en una envoltura 16 correspondientemente curvada. Además, pueden alojarse las piezoláminas también como segmentos circulares 17 en un dibujo con forma de plato 18, pudiendo controlarse cada cuarto segmento circular por separado. Otras formas complejas de cualquier tipo son también imaginables.

Claims (9)

1. Módulo funcional electromecánico (1) con al menos un convertidor, con varias capas intermedias de fibra (4) con entalladuras (7) para alojar el convertidor, y con capas de cubierta de fibras (3) sobre la capa intermedia de fibras superior e inferior (4), estando compuestas las capas intermedias de fibras (4) y las capas de cubierta de fibras (3) por material de fibras no conductor y estando laminadas conjuntamente,
caracterizado porque las vías eléctricas de contacto (6) elásticas tejidas están unidas integralmente con las capas de cubierta de fibras (3) para la toma de contacto de los convertidores, cubriendo casi por completo las vías de contacto (6) para un convertidor los electrodos del correspondiente convertidor.
2. Módulo funcional electromecánico (1) según la reivindicación 1,
caracterizado porque las vías de contacto (6) son fibras de carbono tejidas.
3. Módulo funcional electromecánico (1) según la reivindicación 1,
caracterizado porque las vías de contacto (6) son hilos metálicos tejidos.
4. Módulo funcional electromecánico (1) según una de las reivindicaciones precedentes,
caracterizado porque las capas intermedias de fibras (4) y las capas de cubierta de fibras (3) están laminadas conjuntamente con un sistema de resina y forman un compuesto de fibras eléctrico.
5. Módulo funcional electromecánico (1) según una de las reivindicaciones precedentes,
caracterizado porque los convertidores son piezocerámicos.
6. Módulo funcional electromecánico (1) según una de las reivindicaciones precedentes,
caracterizado porque los convertidores son electroestrictivos.
7. Módulo funcional electromecánico (1) según una de las reivindicaciones precedentes,
caracterizado porque las capas de cubierta de fibras (3) y las capas intermedias de fibras (4) están formadas por velo de poliéster.
8. Procedimiento para la fabricación de un módulo funcional electromecánico (1) según una de las reivindicaciones 1 a 7,
caracterizado por las etapas:
a)
laminado de las vías de contacto (6) sobre las capas de cubierta de fibras (3) con una resina epoxi con propiedades termoplásticas;
b)
ensamblaje de las piezas del módulo funcional (1);
c)
inyección de una matriz de resina en el módulo funcional (1).
9. Procedimiento según la reivindicación 8,
caracterizado porque la inyección se realiza en la etapa c) bajo vacío.
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