ES2284690T3 - Procedimiento para la fabricacion de discos de freno ceramico en bmc. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento para la elaboración de discos (1) de freno de cerámica de BMC, que comprende las siguientes etapas de procedimiento: a) Elaboración de un compuesto (2) de BMC con una matriz de resina fenólica y con fibras de refuerzo de carbono, quedando la longitud de las fibras de carbono entre 6 mm y 50 mm, b) Elaboración de un comprimido en crudo del disco de freno de cerámica de compuesto (2) de BMC por procedimiento de moldeado por extrusión o bien de estampado por inyección, c) Pirolización del comprimido en crudo para elaborar un cuerpo moldeado poroso, y d) Infiltración por fusión del cuerpo moldeado poroso con una masa fundida, preferiblemente una masa fundida de silicio, para elaborar un cuerpo moldeado con fibras aglutinadas por reacción.
Description
Procedimiento para la fabricación de discos de
freno cerámico en BMC.
El invento se refiere a un procedimiento para
elaborar discos de freno de cerámica.
La utilización de carbono reforzado con fibras
de carbono (materiales de CFC) en discos de freno está limitada a
unos 500ºC a causa de la sensibilidad a la oxidación de las fibras
de carbono. Se realiza una aplicación, por ejemplo, a los vehículos
de la Fórmula 1. Se requiere una adaptación exacta de la calidad de
los discos de CFC según con las condiciones meteorológicas
reinantes. La durabilidad se extiende solamente a lo largo de una
carrera. El material no es apropiado para el uso en vehículos de
serie. Resulta desventajoso el alto precio, el elevado desgaste y
el coeficiente de fricción, que depende del clima y la
temperatura.
Con cuerpos cerámicos reforzados con fibras de
carbono cortas (Ceramic Matrix Composites = Compuestos de Matriz
Cerámica (CMC)) se puede alcanzar una resistencia mayor a elevadas
temperaturas. Aunque no se consigue, con frecuencia, suficiente
tolerancia a daños para utilizaciones de alto rendimiento como, por
ejemplo, se exige para discos de freno. La elaboración de un
material semejante con refuerzo de fibras cortas tiene lugar según
el llamado procedimiento de granulación de conformación, como en el
documento DE 197 11 829 C1.
El estado actual de la técnica, para elevar la
tolerancia de daños, es introducir un refuerzo de fibras largas con
tejido de fibras de carbono. El proceso es muy costoso e intensivo
en costes en cuanto a la preparación de recortes a medida, cantidad
de recortes sobrantes y los costes de los semiproductos de fibras de
carbono.
La elaboración de discos de freno a partir de
Ceramic Advanced SMC (SMC cerámicamente avanzado) con refuerzo de
fibras cortas y largas según los documentos PCT/EP00/00253 y DE 199
01 215 A1 es una alternativa más económica con mayor tolerancia de
daños que el refuerzo con tejido de fibras de carbono. La
preparación de los recortes a medida para el prensado de los discos
de freno es, sin embargo, aún demasiado intensivo en costes a causa
de los gastos.
Para la elaboración en grandes series de discos
de freno, se requiere una tecnología de procesos moderna y racional
orientada al futuro.
Se propone, por ello, un procedimiento para la
elaboración de discos de freno de cerámica de BMC, que comprenda
las siguientes etapas:
- a)
- Elaboración de un compuesto (2) de BMC con una matriz de resina fenólica y con fibras de refuerzo de carbono, quedando la longitud de las fibras de carbono entre 6 mm y 50 mm,
- b)
- Elaboración de un comprimido en crudo de los discos de freno de cerámica a partir del compuesto (2) de BMC con el procedimiento de moldeo por extrusión o de estampado por inyección,
- d)
- Pirolizado del comprimido en crudo para elaborar un cuerpo moldeado poroso, e
- e)
- Infiltración por fusión del cuerpo moldeado poroso con una masa fundida, preferiblemente con una masa fundida de silicio, para elaborar un cuerpo moldeado con fibras aglutinadas por reacción.
Masas moldeadas de BMC y su composición se han
descrito, por ejemplo, en el Manual de Materiales, de Wibrand
Woecken, Edición 10, Duroplaste, Editorial Hanser, 1988, páginas 312
a 323.
Características del presente invento:
- \bullet
- Elaboración de un BMC con matriz cerámica y refuerzo de fibras de carbono.
- \bullet
- Fabricación sin problemas de mayores producciones a gran escala. En comparación con el proceso de elaboración de SMC, el BMC puede fabricarse racionalmente con la tecnología de proceso de CMC (Continuos Molding Compound = Compuesto de Moldeo Continuo) con el molde de semiproducto apropiado para el procedimiento de moldeo por transferencia o de moldeo por extrusión. Estas tecnologías de proceso son más racionales, menos intensivas en costes y mano de obra que la preparación con SMC en procedimiento por prensado. Se pueden producir sin problemas mayores fabricaciones a gran escala.
- \bullet
- Producción de la estructura de fibras necesaria para el disco de freno con el tratamiento del compuesto para discos de freno.
Según el invento, se utiliza como compuesto un
BMC con matriz de resina fenólica y un refuerzo de fibras de
carbono. La longitud de las fibras de refuerzo puede quedar entre 6
mm y 50 mm. Para optimizar las propiedades cerámicas, se puede
trabajar en un compuesto con diversas longitudes de fibra.
\newpage
La elaboración del BMC tiene lugar en una
instalación de trabajo continuo (Continuos Impregnated Compound =
Compuesto Inyectado Continuamente). El compuesto elaborado con esta
tecnología de proceso sólo presenta un ligero dañado de las fibras
de carbono y se prefiere por ello. La fabricación del BMC cerámico,
sin embargo, es asimismo posible en las amasadoras habituales para
la elaboración de BMC.
El tratamiento del BMC avanzado cerámicamente
según el invento tiene lugar en procedimiento de moldeo por
extrusión o de estampado por inyección. Las ventajas de esta
tecnología de proceso residen en el tratamiento más racional con
menos gastos manuales que en el procedimiento de prensado con SMC
con el costoso suministro de recortes a medida. Para la adaptación
de las propiedades del material a la aplicación a discos de freno,
se puede producir la estructura de fibras al introducir el compuesto
en la herramienta de moldeo. Utilizando la técnica de moldeo por
transferencia, se pueden introducir simultáneamente en la
herramienta de moldeo varios compuestos de diferentes longitudes de
fibra y se pueden producir estructuras de fibras en consonancia.
Se puede practicar preferiblemente el
procedimiento de moldeo por extrusión. El procedimiento de moldeo
por extrusión es la combinación de la técnica de prensado con un
cilindro de inyección en el centro de la herramienta. Por medio de
un cilindro central y un pistón, en el cual se ha introducido la
cantidad necesaria de compuesto, se inyecta la masa de moldeo en la
herramienta cerrada o ligeramente abierta. El cilindro puede ser
llenado también por medio de una máquina para moldear por inyección
o una extrusora.
El procedimiento de estampación por inyección es
una posibilidad adicional para elaborar los discos de freno según
el invento o de su comprimido en crudo para ello. El BMC
cerámicamente avanzado se inyecta en una máquina para moldear por
inyección, que se adaptó en el ajuste de presión y de temperatura a
la matriz cerámica, en la herramienta cerrada o ligeramente
abierta. Tras la introducción de la cantidad de compuesto en la
herramienta calentada, se cierra la herramienta y se distribuye el
compuesto en el molde.
En una configuración ventajosa del invento, los
cuerpos moldeados o bien los discos de freno elaborados según el
invento presentan nervios de ventilación en el diámetro interior a
ambos lados del disco de freno de cerámica. Gracias a ello, se
mejora el enfriamiento por el aire ambiente.
Adicionalmente, se disponen, por conveniencia,
en la superficie a ambos lados del disco de freno de cerámica
canales de ventilación pasantes en disposición recta, circular o de
forma evolvente para la evacuación del calor.
La sección transversal de los canales de
ventilación queda convenientemente en forma poligonal o redonda y
anchuras entre 1 mm y 10 mm.
El presenta invento describe en detalle:
- \bullet
- BMC con matriz cerámica y refuerzo de fibras de carbono para disco de freno de cerámica.
- \bullet
- Longitudes de fibra de refuerzo de 6 mm a 50 mm.
- \bullet
- Una o varias longitudes de fibra en un compuesto.
- \bullet
- Proporción de fibras del 10% en volumen al 60% en volumen.
- \bullet
- Extrusión del BMC en porciones moldeadas cilíndricamente o extrusión en sacos de plástico para el revestimiento sencillo en máquinas de moldeo por inyección.
- \bullet
- Preparación del BMC cerámico en máquinas de moldeo por inyección en procedimiento de estampación por inyección o en prensas apropiadas para el procedimiento de moldeo por extrusión.
- \bullet
- Producción de la disposición de las fibras por corriente de esponjamiento del BMC cerámico al introducir la masa moldeada en la herramienta del disco de freno o bien en la prensa.
- \bullet
- Producción de la orientación de las fibras en dirección perimetral del disco de freno de cerámica.
- \bullet
- Variando la apertura de la herramienta al introducir el BMC cerámico, se puede influenciar la orientación de las fibras en la dirección perimetral. Escalonado y orientación en la segunda y tercera dimensiones tienen lugar al cerrar la herramienta.
- \bullet
- Diseño de disco con nervios de ventilación en el diámetro interior a ambos lados del disco de freno de cerámica.
- \bullet
- Canales de ventilación pasantes en disposición recta, circular o en forma de evolvente a ambos lados del disco de freno de cerámica para la evacuación de calor en la superficie del disco de freno.
- \bullet
- Sección transversal de los canales de ventilación en forma poligonal o redonda y anchuras de 1 mm a 10 mm.
Otras características del invento se obtienen de
las figuras, que se describen a continuación. Las figuras
muestran:
Figuras 1a - 1c el estampado por inyección del
comprimido en crudo para discos de freno de cerámica,
Figuras 2a - 2d el prensado por inyección del
comprimido en crudo para discos de freno de cerámica,
Figura 3 la orientación de las fibras por una
inyección central,
Figura 4 un disco de freno de cerámica con un
diseño de nervios especial, y
Figuras 5 y 6 un disco de freno de cerámica con
canales de ventilación especiales, en cada caso.
Las figuras 1a a 1c muestran el estampado por
inyección del comprimido en crudo de discos de freno de cerámica en
una máquina de moldeado por transferencia, que se compone de un
pieza 9 superior y una pieza 10 inferior. A través de una tobera 11
central, dispuesta en la pieza 9 superior, con dos canales 12 de
inyección en el caso mostrado, se inyecta la cantidad necesaria de
compuesto 2 de BMC en la herramienta 6 cerrada o ligeramente
abierta. Inmediatamente después, se cierra la herramienta 6, es
decir, se empuja la pieza 9 superior en dirección hacia la pieza 10
inferior y, al mismo tiempo, se prensa o se estampa el compuesto 2
de la forma deseada. La pieza 10 inferior y la pieza 9 superior
tienen una forma, que corresponde al diseño del disco de freno de
cerámica deseado.
La figura 1a muestra la herramienta 6 en estado
abierto antes de inyectar el compuesto. La figura 1b muestra la
herramienta 6 en estado ligeramente abierto, es decir, la pieza 9
superior está ligeramente elevada por encima de la pieza 10
inferior. En este estado, se inyecta el compuesto 2 a través de la
tobera 11 con los canales 12 de inyección. La temperatura de la
herramienta 6 y la presión se adecuan a los requerimientos del
compuesto 2.
La figura 1c muestra el verdadero prensado o
bien estampado, es decir, la pieza 9 superior es conducida en
dirección hacia la pieza 10 inferior y así se prensa o bien se
estampa el comprimido en crudo. Inmediatamente después, se abre la
herramienta 6, se saca el comprimido en crudo y se envía al
tratamiento ulterior como pirolización e infiltración de masa
fundida.
Las figuras 2a a 2d muestran el moldeado por
extrusión del comprimido en crudo para discos de freno de
cerámica.
La figura 2a muestra la herramienta 4 en estado
ampliamente abierto, es decir, la pieza 9 superior se ha elevado
lejos de la pieza 10 inferior. En el centro de la herramienta 4, es
decir, de la pieza 10 inferior, se ha dispuesto un cilindro 3 de
inyección, que contiene un pistón 5 desplazable.
La figura 2b muestra la herramienta 4 en estado
parcialmente cerrado, habiéndose dispuesto en el cilindro 3 de
inyección sobre el pistón 5 la cantidad de compuesto 2 requerida.
Dicha cantidad se rellena o bien también se inyecta de la forma
habitual. El pistón 5 se ha mostrado en esta figura en estado
insertado.
La figura 2c muestra la herramienta 4 poco antes
de la posición de acabado del comprimido en crudo. El pistón 5 se
encuentra en posición casi salida y el compuesto 2 ya llena casi
todo el molde.
La figura 2d muestra la herramienta 4 tras el
proceso de moldeado por extrusión. La herramienta 4 está ahora
completamente cerrada y el pistón 5 se encuentra en su posición
final. El comprimido en crudo está moldeada y puede ser extraído
tras la apertura de la herramienta 4.
La figura 3 muestra la orientación 15 de las
fibras en una sección a través del comprimido 13 en crudo. Se
realiza una preorientación de las fibras por la inyección central a
través de la tobera 14. Al cerrar la herramienta, como se ha
descrito arriba, tiene lugar seguidamente una orientación adicional
de las fibras de refuerzo en dirección radial.
La figura 4 muestra un disco 1 de freno de
cerámica acabado con diseño de nervios a ambos lados para el
enfriamiento de la superficie del disco. Para ello, se han
dispuesto nervios 7 de ventilación en el diámetro interior. En este
caso especial, los nervios 7 de ventilación se extienden en
dirección radial. Los nervios 7 de ventilación se han dispuesto
repartidos regularmente en dirección perimetral.
Las figuras 5 y 6 muestran canales 8 de
ventilación a ambos lados del disco 1 de freno de cerámica. En la
figura 5, dichos canales de ventilación discurren en extensión
radial respecto de la superficie del disco de freno, y en la figura
6 se extienden en forma evolvente. Estos canales 8 de ventilación se
han creado por medio de escotaduras en forma de ranuras
directamente al moldear por extrusión o bien al estampar por
inyección el comprimido en crudo.
Claims (9)
1. Procedimiento para la elaboración de discos
(1) de freno de cerámica de BMC, que comprende las siguientes
etapas de procedimiento:
- a)
- Elaboración de un compuesto (2) de BMC con una matriz de resina fenólica y con fibras de refuerzo de carbono, quedando la longitud de las fibras de carbono entre 6 mm y 50 mm,
- b)
- Elaboración de un comprimido en crudo del disco de freno de cerámica de compuesto (2) de BMC por procedimiento de moldeado por extrusión o bien de estampado por inyección,
- c)
- Pirolización del comprimido en crudo para elaborar un cuerpo moldeado poroso, y
- d)
- Infiltración por fusión del cuerpo moldeado poroso con una masa fundida, preferiblemente una masa fundida de silicio, para elaborar un cuerpo moldeado con fibras aglutinadas por reacción.
2. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque en el compuesto (2) de BMC se encuentran
diversas longitudes de fibra.
3. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2,
caracterizado porque la proporción de fibras en el compuesto
(2) queda entre el 10% en volumen y el 60% en volumen.
4. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque se pueden
introducir, al mismo tiempo, varios compuestos (2) con longitudes
de fibra diferentes en la herramienta de moldeado por extrusión o
bien de estampado por inyección.
5. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque se ha dispuesto,
en el procedimiento de moldeado por extrusión, un cilindro (3) de
inyección en el centro de la herramienta (4), en cuyo cilindro (3)
se introduce la cantidad de compuesto (2) requerida y se inyecta en
la herramienta (4) abierta por movimiento de elevación del pistón
(5) en el cilindro (3) de inyección.
6. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque el procedimiento
de estampado por inyección tiene lugar en una máquina de moldeado
por transferencia, que fue adecuada en el ajuste de presión y de
temperatura al compuesto (2) de BMC, y el compuesto (2) se inyectó
en la herramienta (6) cerrada o ligeramente abierta e
inmediatamente después se cerró la herramienta (6) y, con ello, se
prensó o se estampó el compuesto (2) de la forma deseada.
7. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque los discos (1)
de freno de cerámica presentan nervios (7) de ventilación en el
diámetro interior a ambos lados del disco (1) de freno de
cerámica.
8. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque, a ambos lados
del disco (1) de freno de cerámica, se han dispuesto en la
superficie del disco de freno unos canales (8) de ventilación
continuos en disposición recta, circular o de forma evolvente para
la evacuación del calor.
9. Procedimiento según la reivindicación 8,
caracterizado porque la sección transversal de los canales
(8) de ventilación es de forma poligonal o redonda y la anchura
queda entre 1 mm y 10 mm.
Applications Claiming Priority (4)
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