ES2320680T3 - Procedimiento para fabricar semiproductos de material compuesto fibroso por medio de una tecnica de trenzado circular. - Google Patents

Abstract

Procedimiento para fabricar semiproductos de material compuesto fibroso por medio de una técnica de trenzado circular, en el que se trenza un núcleo de trenzado (1) con hilos de trenzado (4a, 4b) que se desenrollan por medio de husillos (5a, 5b) que giran concéntricamente en dirección diferente alrededor del núcleo de trenzado (1), los husillos (5a) de una dirección de giro están equipados con hilos de refuerzo (4a) y los husillos (5b) de la dirección de giro contraria están equipados al menos parcialmente con hilos de soporte (4b), y los hilos de soporte (4b) consisten al menos parcialmente en hilos de termoplasto cuya temperatura de fusión está en el rango de la temperatura de infiltración, de modo que los hilos de soporte (4b) se funden al menos parcialmente al infiltrar la estructura trenzada con un sistema de matriz.

Description

Procedimiento para fabricar semiproductos de material compuesto fibroso por medio de una técnica de trenzado circular.

La presente invención concierne a un procedimiento para fabricar semiproductos de material compuesto fibroso por medio de una técnica de trenzado circular según el preámbulo de la reivindicación 1. En la reivindicación 8 se indica un semiproducto de material compuesto fibroso fabricado de conformidad con la invención.

Se conocen por el estado de la técnica diferentes procedimientos para fabricar estructuras trenzadas tubulares (documento DE-A-42 34 979) o tridimensionales (documento US-5630349). Debido al hecho de que se arrollan fibras de trenzado sobre un núcleo de trenzado, tales estructuras trenzadas circulares poseen, naturalmente, un llamado ligamento tafetán o ligamento sarga. Esto tiene como consecuencia una ondulación de las fibras de trenzado, lo que conduce a que no se puedan aprovechar óptimamente las propiedades positivas de las fibras, concretamente una alta rigidez a la tracción y a la compresión o una alta resistencia a la tracción y a la compresión, en un material compuesto fibroso fabricado con una técnica de trenzado convencional.

Además, los procedimientos conocidos adolecen del inconveniente de que las fibras de trenzado son dañadas y debilitadas por las fuerzas de cizalladura actuantes sobre ellas durante el trenzado o por el rozamiento en sitios de cruce correspondientes, lo que puede reducirse, por ejemplo, por medio de una máquina trenzadora con dos anillos de trenzado que ejecuten movimientos de carrera periódicos (documento DE-C-101 15 935). No obstante, sigue existiendo también en esta disposición el problema de la ondulación de las fibras.

Se conoce por el documento EP 0 628 401 A1 un procedimiento para fabricar un producto, especialmente un aparato de deporte constituido por resina termoplástica reforzada con fibras, así como un componente correspondiente en el que se tejen o trenzan fibras formadoras de matriz y fibras de refuerzo.

En el documento WO 92/15740 A1 se describe un trenzado asimétrico para mejorar productos reforzados con fibras.

Se conocen por el documento EP 0 628 401 A1 un material llamado prepreg (preimpregnado), así como un procedimiento y un artículo de deporte fabricado con dicho material.

Se conoce por el documento WO 92/15740 un procedimiento de trenzado asimétrico para productos mejorados reforzados con fibras.

Por tanto, la presente invención se basa en el problema de crear un procedimiento para fabricar productos de material compuesto fibroso trenzado en el que se reduzca el daño ocasionado a las fibras y tales semiproductos se puedan fabricar con una ondulación netamente reducida de las fibras y unas propiedades mejoradas del material.

Este problema se resuelve según la invención por medio de las características de las reivindicaciones 1 y 8.

En las reivindicaciones subordinadas se indican perfeccionamientos ventajosos de la invención.

La invención se basa en la técnica de trenzado circular en la que se trenza un núcleo de trenzado con hilos de trenzado que se desenrollan por medio de husillos que giran concéntricamente en dirección diferente alrededor del núcleo de trenzado, y se caracteriza porque los husillos de una dirección de giro están equipados con hilos de refuerzos y los husillos de la dirección de giro contraria están equipados al menos en parte con hilos de soporte, consistiendo los hilos de soporte, al menos parcialmente, en hilos de termoplasto.

Debido al trenzado de hilos de termoplasto que, como es sabido, consisten en plásticos (poliamidas, poliestirenos, polietilenos, poliésteres, etc.) y se funden al calentarlos por encima del punto de reblandecimiento, se pueden deformar en caliente y se solidifican nuevamente después del enfriamiento y, además, presentan buenas propiedades de deslizamiento, se reduce por de pronto el rozamiento de los hilos de trenzado que se cruzan al trenzarlos, ya que los hilos de refuerzo se deslizan con rozamiento aminorado sobre los hilos de termoplasto. Esto tiene como consecuencia una neta reducción del daño ocasionado a las fibras y, por consiguiente, una mejora de las propiedades del material de la estructura trenzada.

Convenientemente, los hilos de soporte consistentes al menos parcialmente en hilos de termoplasto mantienen en posición a los hilos de refuerzo depositados sobre el núcleo fibroso, de modo que se garantiza al mismo tiempo la flexibilidad del proceso de trenzado con respecto a la geometría del núcleo de trenzado. Los hilos de termoplasto elásticos se ciñen entonces tan estrechamente entre los hilos de refuerzo que éstos vienen a quedar situados paralelos uno a otro prácticamente sin un espacio intermedio y, por tanto, se pueden depositar casi sin ondulaciones. Debido a la reducida ondulación concomitante de las fibras se pueden aprovechar óptimamente las propiedades positivas de los hilos de refuerzo, de modo que se mejoran fuertemente las propiedades del material de semiproductos de material compuesto fibroso fabricados de conformidad con la invención.

\newpage

Convenientemente, el núcleo de trenzado se trenza varias veces sucesivamente, depositándose cada vez capas individuales unidireccionales de fibras de refuerzo sobre el núcleo de trenzado. El término "unidireccional" expresa aquí que se trata de capas individuales planas no onduladas. Esto tiene a su vez la ventaja de que se mejora la capacidad para calcular la constitución fibrosa de estructuras trenzadas fabricadas de conformidad con la invención, ya que se pueden aplicar los modelos matemáticos para estructuras planas unidireccionales no tejidas. Además, el espesor de tales capas individuales se reduce a aproximadamente a la mitad en comparación con una estructura trenzada fabricada por medio de una técnica de trenzado convencional, es decir que todos los husillos están ocupados con hilos de refuerzo.

Otra ventaja consiste en que, en caso de un trenzado estratificado del núcleo de trenzado, se puede inmovilizar, antes de la deposición de otra capa individual, la capa individual previamente depositada por fusión de los hilos de termoplasto. Se impide así de manera sencilla y efectiva un resbalamiento o desplazamiento. La fusión puede realizarse, por ejemplo, mediante calentamiento local o mediante aplicación de un tubo flexible de vacío con calentamiento subsiguiente. En el último procedimiento se compacta de manera correspondiente la capa individual depositada, lo que reduce aún más la ondulación de la estructura trenzada.

Convenientemente, es posible una ocupación asimétrica de los husillos en la que el número de husillos que giran en una dirección sea distinto del número de husillos que giran en la dirección contraria, lo que garantiza un alto grado de variación. Si, por ejemplo, se ocupan tres cuartos de los husillos que giran en una dirección con hilos de refuerzo y un cuarto de los husillos que giran en la dirección contraria con hilos de termoplasto, se puede manipular en una capa individual un número de hilos de refuerzo vez y media mayor, de modo que se consigue una anchura de deposición incrementada en un 50%. El perímetro trenzable del núcleo aumenta en la misma medida. Esto tiene la ventaja de que se pueden emplear máquinas correspondientemente más pequeñas y, por tanto, más baratas.

Típicamente, los hilos de refuerzo consisten en fibras de carbón, de vidrio, de aramida y/o de Kevlar, las cuales se caracterizan por una alta rigidez a la tracción y a la compresión, así como por una alta resistencia a la tracción y a la compresión.

Según la invención, los hilos de soporte se disuelven en su totalidad o al menos parcialmente a temperaturas a las que se infiltra usualmente la estructura trenzada. Según el caso de aplicación, los hilos de soporte consisten en su totalidad o al menos parcialmente en hilos de Grilon® u otros hilos de termaplasto con temperaturas de fusión en el rango de temperatura de infiltración. Además, los hilos de soporte pueden consistir también en materiales que únicamente sean en parte fusibles.

Los semiproductos de material compuesto fibroso trenzado de conformidad con la invención se caracterizan porque constan de un gran número de capas individuales unidireccionales depositadas de forma estratificada, presentando cada capa individual hilos de soporte trenzados consistentes al menos parcialmente en hilos de termoplasto. Es ventajoso aquí el hecho de que, debido a una elección adecuada de los hilos de soporte, se pueden satisfacer exigencias especiales de una manera sencilla, de modo que los hilos de soporte estén total o parcialmente disueltos en la estructura trenzada infiltrada.

A continuación, se explica la invención con más detalle ayudándose del dibujo. Muestran:

La figura 1, una representación esquemática del guiado de los hilos en el núcleo de trenzado, en alzado lateral,

La figura 2, una representación esquemática del guiado de los hilos en el núcleo de trenzado, en alzado frontal, y

La figura 3, una ocupación esquemática de la máquina trenzadora para la deposición de hilos de refuerzo e hilos de soporte en la relación de 3:1.

\vskip1.000000\baselineskip

Como es sabido, en el proceso de trenzado se tiene que unos husillos, es decir, portabobinas, que reciben bobinas de hilo de trenzado, se mueven uno con relación a otro sobre trayectorias de guía, de modo que se originan cruces de hilos que forman una estructura trenzada. En el trenzado circular las trayectorias de guía son dos trayectorias circulares concéntricas de sentidos contrarios alrededor de un núcleo de trenzado que se ha de trenzar. Se consigue de esta manera que los hilos de trenzado de los husillos en la dirección de giro positiva se crucen con los de la dirección de giro negativa, con lo que se obtiene una estructura trenzada al trenzar alrededor de un núcleo de trenzado tridimensional.

La figura 1 muestra en una representación simplifica en alzado lateral el guiado de los hilos en el procedimiento según la invención. Durante el trenzado se mueve el núcleo de trenzado 1 de manera conocida, por ejemplo con un robot (no representado), en la dirección de la flecha de movimiento 3 con relación al chasis estacionario 2 de la máquina trenzadora, desenrollándose los hilos de trenzado 4a, 4b desde los husillos 5a y 5b, respectivamente, y depositándose estos hilos sobre el núcleo de trenzado 1, después de una desviación en el anillo de trenzado 6, por medio de un cruce correspondiente en los puntos de trenzado. Los husillos 5a y 5b presentan aquí direcciones de giro diferentes alrededor del núcleo fibroso 1. Por motivos de simplificación del dibujo, en la figura 1 se han representado solamente dos de los muchos hilos de trenzado 4a, 4b y husillos 5a, 5b adicionales.

Como se representa esquemáticamente en la figura 1, los husillos 5a están equipados con hilos de refuerzo 4a constituidos por fibras de carbón, de vidrio, de aramida y/o de Kevlar, y los husillos 5b que giran en dirección contraria están ocupados con hilos de soporte 4b que consisten al menos parcialmente en hilos de termoplasto (por ejemplo, hilos de Grilon® o de poliéster). Para lograr una mejor diferenciación, en la figura 1 se representan los hilos de refuerzo 4a con líneas continuas y se han dibujado los hilos de soporte 4b con líneas de trazos. Debido a las buenas propiedades de deslizamiento de los hilos de termoplasto, se reduce el rozamiento durante la desviación en el anillo de trenzado 6 y en los puntos de cruce de hilos de refuerzo 4a e hilos de soporte 4b, lo que tiene como consecuencia una neta disminución de los daños ocasionados a las fibras. Además, los hilos de refuerzo 4a se depositan sin ondulaciones, manteniéndose estos hilos en posición por medio de los hilos de soporte 4b, de modo que, al igual que en las técnicas de trenzado convencionales, se conserva la flexibilidad del proceso de trenzado con respecto a la geometría del núcleo. Los hilos de soporte 4b, que contienen hilos elásticos fusibles de termoplasto, se ciñen aquí tan estrechamente entre las fibras de refuerzo 4a que éstas vienen a quedar situadas paralelas una a otra prácticamente sin espacio intermedio entre ellas. De esta manera, se depositan capas individuales planas no onduladas (las llamadas capas unidireccionales) sobre el núcleo de trenzado 1, lo que mejora la capacidad para calcular matemáticamente la constitución fibrosa de tales estructuras trenzadas, puesto que se puede recurrir a modelos teóricos existentes para estructuras planas unidireccionales no tejidas.

Para elaborar un semiproducto de material compuesto fibroso se trenza varias veces sucesivamente el núcleo de trenzado 1 por medio de un movimiento de vaivén correspondiente del núcleo de trenzado 1 en la dirección de la flecha de movimiento 3, depositándose cada vez capas individuales unidireccionales. Se ofrece aquí el recurso de realizar el proceso de trenzado tanto durante el movimiento de ida como durante el movimiento de vuelta para evitar un arranque renovado de los hilos de trenzado. Por supuesto, el proceso de trenzado puede efectuarse también solamente en una dirección de movimiento, pudiendo evitarse un arranque renovado de los hilos de trenzado, por ejemplo, retirando dichos hilos de trenzado en la dirección longitudinal del núcleo de trenzado 1.

Como alternativa, antes de la deposición de otra capa individual, se puede fijar previamente la capa individual depositada con anterioridad mediante la fusión de los hilos de termoplasto trenzados. Esto puede realizarse por calentamiento local o por aplicación de un tubo flexible de vacío con calentamiento subsiguiente. Esto último tiene la ventaja de que se reduce aún más la ondulación.

La figura 2 muestra esquemáticamente el guiado de los hilos en el núcleo de trenzado 1, en un alzado frontal y con una ocupación asimétrica de los husillos. Por motivos de una mayor claridad, no se representan los husillos en la figura 2. En el ejemplo de disposición según la figura 2 tres cuartos de los husillos giran alrededor del núcleo de trenzado 1 en dirección contraria a la de las agujas del reloj y están ocupados con hilos de refuerzo 4a. Los husillos restantes, que giran alrededor del núcleo de trenzado 1 en la dirección de las agujas del reloj, están ocupados con hilos de soporte 4b (representados con líneas de trazos). De esta manera, se puede manipular en una capa individual unidireccional un número de hilos de refuerzo 4a vez y media mayor, lo que hace posible una anchura de deposición incrementada en un 50%. Como consecuencia, con esta ocupación de tres cuartos/un cuarto una máquina de 144 husillos se comportaría como una máquina de funcionamiento convencional con 216 husillos, con lo que se podría emplear una máquina correspondientemente más pequeña y, por tanto, más barata.

Además, la figura 3 muestra en representación esquemática la ocupación de la máquina trenzadora para la deposición de hilos de refuerzo e hilos de soporte en la relación de 3:1. Cada fila de la figura 3 muestra la posición de los husillos después de un cuarto de rotación. Los rectángulos marcados en gris representan husillos que giran alrededor del núcleo de trenzado en sentido contrario al de las agujas del reloj. Los rectángulos con las cruces representan husillos que giran en el sentido de las aguas del reloj, y los rectángulos blancos representan espacios vacíos.

Por supuesto, se pueden elegir también otras relaciones de ocupación de los husillos, y las figuras 2 y 3 sirven únicamente para fines de explicación a modo de ejemplo.

En consecuencia, los semiproductos de material compuesto fibroso trenzado de conformidad con la invención consisten en un gran número de capas individuales unidireccionales depositadas en forma estratificada, presentando cada capa individual hilos de soporte trenzados que consisten al menos parcialmente en hilos de termoplasto. Si se emplean como hilos de soporte, por ejemplo, hilos de Grilon®, que tienen una temperatura de fusión de aproximadamente 85ºC, éstos se disuelven en el sistema de matriz al infiltrar la estructura trenzada. Además, se pueden emplear también hilos de soporte o composiciones de hilos de soporte que se disuelvan tan sólo parcialmente al infiltrar la estructura trenzada.

Claims (9)

1. Procedimiento para fabricar semiproductos de material compuesto fibroso por medio de una técnica de trenzado circular, en el que

se trenza un núcleo de trenzado (1) con hilos de trenzado (4a, 4b) que se desenrollan por medio de husillos (5a, 5b) que giran concéntricamente en dirección diferente alrededor del núcleo de trenzado (1),

los husillos (5a) de una dirección de giro están equipados con hilos de refuerzo (4a) y los husillos (5b) de la dirección de giro contraria están equipados al menos parcialmente con hilos de soporte (4b), y

los hilos de soporte (4b) consisten al menos parcialmente en hilos de termoplasto cuya temperatura de fusión está en el rango de la temperatura de infiltración, de modo que los hilos de soporte (4b) se funden al menos parcialmente al infiltrar la estructura trenzada con un sistema de matriz.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque los hilos de refuerzo (4a) se mantienen en posición por medio de los hilos de soporte (4b).

3. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 ó 2, caracterizado porque el núcleo de trenzado (1) se trenza varias veces, depositándose cada vez capas individuales unidireccionales sobre el núcleo de trenzado (1).

4. Procedimiento según la reivindicación 3, caracterizado porque, antes de la deposición de otra capa individual, se fija la capa individual previamente depositada por fusión de los hilos de termoplasto.

5. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque el número de husillos que giran en una dirección es distinto del número de husillos que giran en dirección contraria.

6. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque se emplean como hilos de refuerzo (4a) fibras de carbón, de vidrio, de aramida y/o de Kevlar.

7. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los hilos de soporte (4b) consisten al menos parcialmente en hilos de Grilon®.

8. Semiproducto de material compuesto fibroso trenzado fabricado con un procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 7 y constituido por un gran número de capas individuales unidireccionales depositadas de forma estratificada, presentando cada capa individual hilos de refuerzo (4a) e hilos de soporte trenzados (4b) consistentes al menos parcialmente en hilos de termoplasto, y pudiendo fundirse los hilos de soporte (4b) al menos parcialmente en un material de matriz al infiltrar la estructura trenzada.

9. Semiproducto de material compuesto fibroso trenzado según la reivindicación 8, caracterizado porque los hilos de soporte (4b) consisten al menos parcialmente en hilos de Grilon®.