ES2309590T3

ES2309590T3 - Dispositivo de proteccion corporal.

Info

Publication number: ES2309590T3
Application number: ES04805969T
Authority: ES
Inventors: Peter Sajic
Original assignee: Lloyd Scotland Ltd
Current assignee: Lloyd Scotland Ltd
Priority date: 2003-12-20
Filing date: 2004-12-07
Publication date: 2008-12-16
Anticipated expiration: 2024-12-07
Also published as: EP1762150B1; EP1762150A3; RU2010105087A; EP1762150A2; AU2004304701B2; EP1694152A2; DE602004014638D1; ATE519391T1; JP2011137282A; US8082599B2; EP1694152B1; JP2007515568A; RU2006126156A; RU2390288C2; BRPI0417869A; CA2552415C; CA2552415A1; MXPA06006800A; WO2005060778A3; ATE398940T1

Abstract

Un dispositivo de protección corporal (10) para que un usuario lo lleve puesto, que comprende: una superficie externa (26) y una superficie interna (24); y un conjunto de celdas absorbentes de energía, en el que cada celda comprende un tubo (22), y en el que cada tubo (22) posee sustancialmente una pared lateral que está conectada con la pared lateral de al menos otro tubo (22) sustancialmente a lo largo del tubo (22), caracterizado porque: cada tubo (22) posee sustancialmente un eje que se extiende desde la superficie externa (26) hacia la superficie interna (24), de tal forma que la orientación de cada tubo (22) se mantenga sustancialmente al aplicar una carga sobre la superficie externa (26).

Description

Dispositivo de protección corporal.

La presente invención se refiere a dispositivos de protección corporal. En particular, pero no exclusivamente, la invención se refiere a materiales absorbentes de energía usados en dispositivos que poseen una curvatura relativamente acusada, tales como cascos de protección, coderas, rodilleras, hombreras y similares, y a procedimientos de formación de tales materiales.

Muchos dispositivos de protección corporal poseen una curvatura acusada, \kappa, que se define como el inverso del radio de curvatura, \rho, para el dispositivo. El dispositivo, tal como un casco de protección, puede requerir una forma permanentemente curva. Puede que otros dispositivos, tales como coderas, rodilleras y hombreras, tengan que ser lo suficientemente flexibles para adoptar elásticamente dicha forma curva con arreglo a los movimientos del cuerpo. Para estos dispositivos, se deben usar materiales y procedimientos de formación adecuados.

Los cascos protectores comprenden convencionalmente un revestimiento externo sustancialmente esferoidal de material plástico resistente y un revestimiento interno de un material elástico, tal como una espuma rígida. El revestimiento externo rígido transmite una carga de impacto más uniformemente al revestimiento interno, que absorbe la energía transmitida por la carga de impacto. Los cascos se forman en un molde hembra, o alrededor de un molde macho, y los materiales deben someterse a una curvatura considerable para formar la forma esferoidal. Además, los revestimientos externo e interno deben introducirse en el molde por separado. De lo contrario, durante el doblado, la unión entre los dos materiales impediría el necesario deslizamiento del revestimiento externo (que se estira) con respecto al revestimiento interno (que se comprime), o, en caso de no ser así, se producirían grandes esfuerzos planos en las superficies interna y externa.

Puede ser deseable disminuir la masa total del casco. Además, los procedimientos de formación de los cascos, que incluyen típicamente el moldeo por contacto, tienden a ser muy complejos y caros. Resultaría ventajoso el poder introducir el revestimiento interno y el externo como un material de una sola pieza dentro del molde.

Durante algún tiempo, se han usado columnas cargadas axialmente con secciones transversales de diversas formas para mejorar la seguridad estructural ante los choques de vehículos, mobiliario vial y similares. Típicamente, las columnas de cada uno de estos sistemas conocidos no están conectadas y funcionan de forma independiente. Independientemente del material con el cual se forman las columnas, se debe evitar un modo de fallo por pandeo global (o un fallo local que dé lugar a un fallo de toda la columna), ya que este no absorbe la energía del impacto eficientemente.

Es deseable que las columnas de metal presenten un modo de fallo de pandeo y plegamiento múltiple y local que sea eficiente en la absorción de la energía del impacto. Las columnas de plástico y de materiales compuestos poseen varios modos de fallo que resultan eficientes para absorber la energía del impacto pero en todos los modos se produce la rotura por aplastamiento de un extremo de la columna.

El comportamiento y el modo de fallo de las columnas de plástico y de materiales compuestos depende de una compleja interacción de varios parámetros diferentes, entre los que se incluyen: el material usado, la geometría (forma y espesor), alineamiento de fibras en los materiales compuestos, el uso de disparadores y las condiciones de carga. Sin embargo, una cuidada selección de estos parámetros puede dar lugar a un dispositivo de seguridad cuyo comportamiento supere al de su equivalente metálico.

Independientemente del material usado, generalmente se ha comprobado que las columnas independientes dispuestas en paralelo a la carga aumentan la capacidad de absorción de energía y mejoran la estabilidad del dispositivo de seguridad. Las columnas tienden a producir un nivel relativamente constante de absorción de energía a medida que la columna se pandea o aplasta progresivamente. Se ha comprobado que los conos cargados axialmente producen una tasa de absorción de energía que aumenta de forma más lineal, lo cual puede ser a menudo más deseable en situaciones de choques. Sin embargo, como las columnas son independientes, una carga localizada puede provocar un fallo global no deseable de las columnas que tengan su eje descentrado con respecto al eje de la carga aplicada. Además, como las columnas son independientes, las columnas se forman relativamente gruesas para evitar la inestabilidad durante la carga.

En muchas aplicaciones, como elementos de construcción y paneles estructurales para vehículos de transporte por carretera y aeronaves, se han usado paneles de tipo sándwich, consistentes en dos revestimientos externos resistentes separados por un material del núcleo que posee una baja rigidez. Un núcleo popular consiste en una estructura de panal, que es un conjunto de celdas, en el que cada celda tiene una sección transversal hexagonal. Sin embargo, estas celdas, o celdas de otras secciones transversales, no se pueden considerar columnas conectadas, ya que cada pared lateral se comparte con las celdas contiguas. Si una celda sufre un fallo local o inestabilidad, este afectará a las celdas contiguas.

El eje de cada elemento longitudinal es normal al plano de los revestimientos interno y externo y cada extremo de cada elemento longitudinal está unido típicamente al respectivo revestimiento. Por lo tanto, la estructura de panal representa un conjunto de celdas dispuestas en paralelo a una carga que impacta en el plano de uno de los revestimientos exteriores.

En el documento WO94/00031, se describe un casco de seguridad que incluye una estructura de sándwich en panal. Generalmente, se usa un procedimiento de moldeo por contacto. En el documento EP 0881064, se describe un elemento protector que también posee una estructura de sándwich en panal. El documento sostiene que el elemento se puede incorporar en una amplia gama de ropa de protección, incluidos cascos.

En el documento US3877076, se describe un casco que posee un conjunto de tubos. Cada uno de los tubos está separado y es independiente de los otros.

En el documento US 4534068, también se describe un conjunto de tubos que están separados. Se describe un fallo de abarquillamiento local.

En el documento US 3829900, se describe un revestimiento absorbente para cascos de seguridad.

Las estructuras en panal resultan adecuadas para aplicaciones en las que se emplean paneles o estructuras planas sólo con una curvatura relativamente pequeña. Sin embargo, surgen problemas cuando el material se usa en elementos que poseen una curvatura acusada.

Cada celda hexagonal de la estructura en panal posee un ángulo de simetría de rotación de n\cdot60º (múltiplos de 60º). Por lo tanto, la celda no posee simetría de rotación alrededor de un ángulo de 90º. Por lo tanto, la celda no es ortótropa, es decir, tiene una respuesta diferente ante una carga aplicada a un primer ángulo que a una carga aplicada a un segundo ángulo que se aplica a 90º del primer ángulo. Cuando se forma un casco, el material se dobla alrededor de un molde y alrededor de dos ejes ortogonales para formar la forma esferoidal. Por lo tanto, una estructura hexagonal puede causar dificultades cuando se intenta lograr la curvatura deseada.

Además, una estructura hexagonal es por naturaleza anticlástica, ya que una curvatura positiva alrededor de un eje produce una curvatura negativa alrededor de un eje ortogonal (la forma de una silla de montar ilustra este fenómeno). De nuevo, esto ocasiona dificultades en el procedimiento de formación.

Además, existen desventajas en el uso de una estructura en panal para dispositivos tales como las almohadillas protectoras, que deben deformarse elásticamente hasta adoptar una curvatura acusada. Entre estas desventajas se encuentra la naturaleza relativamente rígida de la estructura. Un elemento hexagonal se puede considerar como si se tratara de seis placas planas, cada una de las cuales está fijada rígidamente a cada borde longitudinal. Se sabe teórica y empíricamente que tales elementos, y estructuras producidas a partir de estos elementos, son relativamente inflexibles. Una almohadilla producida a partir de tal material puede tender a provocar una sensación de rigidez y a resultar menos cómoda. Es deseable que se mejore la comodidad sin sacrificar la capacidad de absorción de energía del dispositivo.

De acuerdo con la presente invención, se proporciona un dispositivo de protección corporal para que lo vista el usuario, que comprende:

una superficie externa (26) y una superficie interna; y un conjunto de celdas absorbentes de energía,

en el que cada celda comprende un tubo,

y en el que cada tubo posee sustancialmente una pared lateral que está conectada con la pared lateral de al menos otro tubo sustancialmente a lo largo del tubo,

caracterizado porque:

cada tubo posee sustancialmente un eje que se extiende desde la superficie externa hacia la superficie interna, de tal forma que la orientación de cada tubo se mantenga sustancialmente al aplicar una carga sobre la superficie externa.

El término "tubo" se usa para indicar una estructura hueca que posee cualquier geometría regular o irregular. Preferentemente, el tubo posee una estructura cilíndrica o cónica; más preferentemente, una estructura cilíndrica circular o cónica circular. El conjunto tubular circular da lugar a un material que es sustancialmente isótropo y sustancialmente no anticlástico.

Preferentemente, el dispositivo de protección corporal comprende un casco de seguridad. Según otra posibilidad, el dispositivo de protección corporal comprende una almohadilla protectora.

Preferentemente, cada tubo posee sustancialmente una pared lateral que está conectada con la pared lateral de al menos otro tubo mediante un adhesivo. Según otra posibilidad, cada tubo posee sustancialmente una pared lateral que está soldada o fundida con la pared lateral de al menos otro tubo.

Se pueden formar uno o más tubos a partir de un núcleo interno que comprende un primer material y un núcleo externo que comprende un segundo material. Preferentemente, el primer y el segundo material son ambos un polímero. Preferentemente, el segundo material posee un punto de fusión más bajo que el primer material. Preferentemente, el primer material comprende polieterimida. Preferentemente, el segundo material comprende una mezcla de polieterimida y tereftalato de polietileno.

Preferentemente, cada tubo está sustancialmente próximo o es adyacente a al menos otros tres tubos. Preferentemente, cada tubo está sustancialmente próximo o es adyacente a otros seis tubos.

Preferentemente, cada tubo posee un diámetro de entre 2 y 8 mm. Preferentemente, cada tubo posee un diámetro de aproximadamente 6 mm.

Preferentemente, el espesor de la pared lateral de cada tubo es inferior a 0,5 mm. Preferentemente, el espesor de la pared lateral de cada tubo está entre 0,1 y 0,3 mm.

Preferentemente, la longitud de cada tubo es inferior a 50 mm. Preferentemente, la longitud de cada tubo está entre 30 y 40 mm.

Preferentemente, el conjunto de celdas absorbentes de energía se proporciona como un material integral. Preferentemente, el material integral posee una curvatura acusada, o puede deformarse hasta adquirirla.

Preferentemente, el material integral comprende policarbonato, polipropileno, polieterimida, polietersulfona o polifenilsulfona. Preferentemente, el material comprende Tubus Honeycombs®.

Ahora se describirá una forma de realización de la presente invención, únicamente a modo de ejemplo, haciendo referencia a los dibujos adjuntos, en los que:

la fig. 1 es una vista en perspectiva de un casco de seguridad de acuerdo con la presente invención;

la fig. 2 es una vista lateral del panel de tipo sándwich usado para formar el casco de la fig. 1;

la fig. 3 es una vista lateral del panel de tipo sándwich de la fig. 2 en un estado curvado;

la fig. 4 es una vista en planta de una disposición conocida de celdas usadas para el núcleo de un panel de tipo sándwich;

la fig. 5 es una vista en planta de un conjunto tubular de celdas usadas en el panel de tipo sándwich de la fig. 2;

la fig. 6 es una vista lateral en sección del conjunto tubular de la fig. 5 en un estado curvado;

las figs. 7a, 7b y 7c son unas vistas en planta exageradas de las posiciones del conjunto tubular de la fig. 6, que son: comprimida, neutra y extendida, respectivamente;

la fig. 8 es una vista lateral del procedimiento de calentamiento usado para el panel de tipo sándwich de la fig. 2;

la fig. 9 es una vista lateral en sección transversal de un molde usado junto con el panel de tipo sándwich de la fig. 2; y

la fig. 10 es el panel de tipo sándwich de la fig. 2 en un estado moldeado.

En referencia a las figs. 1 a 3, se muestra un dispositivo de protección corporal en la forma de un casco de seguridad 10. El casco 10 se forma usando un panel 12 que comprende un primer material o núcleo 20 que está contenido entre un segundo material o revestimiento externo 30 y un tercer material o revestimiento interno 50. Ambos revestimientos, externo 30 e interno 50, se unen al núcleo usando un adhesivo 40.

En la fig. 3, se muestra el panel de tipo sándwich 12 en un estado curvado. En tal estado, el material varía linealmente entre un estado de ausencia de esfuerzos (con respecto a los planos principales del panel 12) en el eje neutro 14, un estado de máximo esfuerzo de tracción en la cara exterior del revestimiento externo 30 y un estado de máximo esfuerzo de compresión en la cara interior del revestimiento interno 50. Estos esfuerzos de tracción y compresión provocan deformaciones de tracción y de compresión, respectivamente. Por lo tanto, se produce un deslizamiento entre el revestimiento externo 30 y el núcleo 20, y entre el revestimiento interno 50 y el núcleo 20, a menos que este deslizamiento se evite mediante el adhesivo 40.

Una estructura de núcleo conocida es la disposición de panal o hexagonal que se muestra en la fig. 4. Cada celda hexagonal posee un ángulo de simetría de rotación 62, 64 de 60º, 120º, y así sucesivamente, o dicho de otro modo, de n\cdot60º, en el que n es un número entero. Por lo tanto, la celda no posee un ángulo de simetría de rotación de 90º, y por ello el material en general no es ortótropo. Además, el material será anticlástico.

Además, las celdas 60 del panal no se pueden considerar como columnas conectadas, ya que cada una de las seis paredes laterales de cada celda 60 se comparte con las celdas contiguas.

En la fig. 5, se muestra un conjunto de celdas para el material del núcleo 20 de acuerdo con la invención. Cada celda comprende un tubo 22. Los tubos 22 están dispuestos en un conjunto estrechamente empaquetado, de tal forma que se minimiza el hueco entre tubos contiguos. Cada tubo posee un diámetro de 6 mm, un espesor de entre 0,1 y 0,3 mm, y una longitud de aproximadamente 35 mm. Esto da lugar a una relación de esbeltez (la relación entre la longitud y el diámetro) de entre 100 y 350, y una relación de aspecto (la relación entre el diámetro y el espesor) de entre 20 y 60. Se debe apreciar que estos valores son uno o dos órdenes de magnitud más grandes que los de las disposiciones de la técnica anterior.

El uso de estos valores geométricos, particularmente el bajo espesor usado, da lugar a la obtención de un modo de fallo deseable de pandeo progresivo, incluso si se usa un material polimérico para los tubos. La inestabilidad, que podría dar lugar a un modo de fallo de pandeo global, se evita debido a que los tubos están conectados con, y sostenidos por, los tubos contiguos. La conexión con otros seis tubos proporciona dicho soporte en cualquier dirección normal al eje del tubo. Por lo tanto, la orientación de cada tubo (típicamente paralela al eje de una carga aplicada) se mantiene sustancialmente durante el pandeo local progresivo causado por la carga aplicada.

Los tubos pueden unirse entre sí usando un adhesivo. Otro procedimiento adecuado consiste en formar los tubos a partir de un núcleo interno de un primer material y un núcleo externo de un segundo material, y coextrudiendo los tubos. El segundo material se puede seleccionar para que tenga un punto de fusión más bajo que el del primer material. Se puede usar típicamente una diferencia de entre 15 y 20 grados Celsius. Durante la formación, los tubos se pueden calentar hasta una temperatura entre los puntos de fusión del primer y el segundo material. Esto hace que las paredes laterales de los tubos se suelden o fusionen entre sí. Este procedimiento permite formar más fácilmente las formas y ofrece una mayor uniformidad durante la formación.

Se sabe empíricamente que un aparato de acuerdo con la invención puede proporcionar una eficiencia de absorción de energía superior al 80%, lo cual supone una mejora considerable con respecto a los dispositivos de la técnica anterior.

Debido a que cada tubo 22 posee un ángulo de simetría de rotación infinito, el conjunto tubular global da lugar a un material que es sustancialmente isótropo y no anticlástico. No obstante, los tubos pueden tener otras secciones transversales distintas a la circular y aún así proporcionar una absorción de energía superior, siempre que cada tubo tenga una pared lateral que esté próxima a la pared lateral de otros tubos.

En la fig. 6, se muestra el conjunto tubular en un estado curvado. Tal como se describe anteriormente, el esfuerzo y tensión planos en el eje neutro 14 es cero y, de este modo, cada tubo 22 conserva su forma circular, tal como se muestra en la fig. 7a. En la superficie interna 24, los tubos 22 se comprimirán en la dirección de la curvatura, y el perfil de los tubos en esta posición se muestra de forma exagerada en la fig. 7b. En la superficie externa 26, los tubos se alargarán en la dirección de la curvatura y el perfil de los tubos en esta posición se muestra en la fig. 7c.

Cabe señalar que, a pesar de la compresión y extensión de los tubos 22, el perfil de los tubos 2, haciendo un promedio a través del espesor del material 20, será el mismo que el hallado en el eje neutro 14. Además, si existe una curvatura alrededor de un eje ortogonal, esto tenderá a causar compresión y extensión en una dirección ortogonal, lo que tiende a hacer que el perfil de los tubos 22, en cualquier punto a través del espesor, sea el hallado en el eje neutro 14, aunque el diámetro de los tubos 22 se reducirá en la superficie interna 24 y se agrandará en la superficie externa 26. El tubo será, en efecto, un cono, lo cual puede incluso mejorar la capacidad de absorción de energía de la estructura.

El casco se forma usando un procedimiento de termoformado adecuado. Tal como se muestra en la fig. 8, el panel de tipo sándwich 12 se calienta usando calefactores 70 hasta una temperatura de entre 155ºC y 160ºC, que está por encima del punto de fusión del adhesivo 40.

El panel de tipo sándwich 12 se traslada después a un molde, tal como se muestra en la fig. 9. La parte macho 72 del molde posee típicamente una cara de contacto de caucho y la parte hembra 74 está construida típicamente de aluminio. El molde se encuentra a temperatura ambiente y el traslado del panel 12 debe efectuarse rápidamente, preferentemente en menos de 6 segundos, para minimizar el enfriamiento del panel 12. La parte macho 72 se lleva entonces hacia la parte hembra 74, de forma que el panel 12 adopte la forma del molde.

Debido a que el panel 12 se ha calentado por encima del punto de fusión del adhesivo, se puede producir un deslizamiento entre el revestimiento externo 30 y el núcleo 20, y entre el revestimiento interno 50 y el núcleo 20. El enfriamiento del panel 12 hasta una temperatura inferior a 50ºC garantiza que el panel haya adoptado el perfil curvo, y el adhesivo une nuevamente cada uno de los revestimientos 30, 50 con el núcleo 20. Ahora se pueden separar las dos partes del molde. El panel curvo 12 se muestra en la fig. 10.

Se pueden realizar diversas modificaciones y mejoras sin alejarse del alcance de la presente invención. Por ejemplo, los tubos del conjunto pueden ser cónicos y poseer un ángulo de conicidad cualquiera.

Claims

1. Un dispositivo de protección corporal (10) para que un usuario lo lleve puesto, que comprende:

una superficie externa (26) y una superficie interna (24); y

un conjunto de celdas absorbentes de energía,

en el que cada celda comprende un tubo (22),

y en el que cada tubo (22) posee sustancialmente una pared lateral que está conectada con la pared lateral de al menos otro tubo (22) sustancialmente a lo largo del tubo (22),

caracterizado porque:

cada tubo (22) posee sustancialmente un eje que se extiende desde la superficie externa (26) hacia la superficie interna (24),

de tal forma que la orientación de cada tubo (22) se mantenga sustancialmente al aplicar una carga sobre la superficie externa (26).

2. Un dispositivo de protección corporal (10) según la reivindicación 1, en el que el tubo (22) posee una estructura cilíndrica o cónica.

3. Un dispositivo de protección corporal (10) según la reivindicación 1 ó 2, en el que el dispositivo de protección corporal (10) comprende un casco de seguridad.

4. Un dispositivo de protección corporal (10) según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que cada tubo (22) posee sustancialmente una pared lateral que está conectada con la pared lateral de al menos otro tubo (22) mediante un adhesivo.

5. Un dispositivo de protección corporal (10) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que cada tubo (22) posee sustancialmente una pared lateral que está soldada o fundida con la pared lateral de al menos otro tubo (22).

6. Un dispositivo de protección corporal (10) según la reivindicación 5, en el que se forman uno o más tubos (22) a partir de un núcleo interno que comprende un primer material y un núcleo externo que comprende un segundo material.

7. Un dispositivo de protección corporal (10) según la reivindicación 6, en el que el segundo material posee un punto de fusión más bajo que el primer material.

8. Un dispositivo de protección corporal (10) según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que cada tubo (22) está sustancialmente conectado con al menos otros tres tubos (22).

9. Un dispositivo de protección corporal (10) según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que cada tubo (22) está sustancialmente conectado con al menos otros seis tubos (22).

10. Un dispositivo de protección corporal (10) según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que cada tubo (22) posee un diámetro de entre 2 y 8 mm.

11. Un dispositivo de protección corporal (10) según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que cada tubo (22) posee un diámetro de aproximadamente 6 mm.

12. Un dispositivo de protección corporal (10) según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el espesor de la pared lateral de cada tubo (22) es inferior a 0,5 mm.

13. Un dispositivo de protección corporal (10) según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el espesor de la pared lateral de cada tubo (22) está entre 0,1 y 0,3 mm.

14. Un dispositivo de protección corporal (10) según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que la longitud de cada tubo (22) es inferior a 50 mm.

15. Un dispositivo de protección corporal (10) según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que la longitud de cada tubo (22) está entre 30 y 40 mm.

16. Un dispositivo de protección corporal (10) según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el conjunto de celdas absorbentes de energía se proporciona como un material integral.