ES2352521T5 - Método para obtener materiales compuestos conformados - Google Patents
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Description
Método para obtener materiales compuestos conformados
CAMPO TÉCNICO
Campo de la Descripción
Esta descripción se refiere generalmente a métodos para formar materiales compuestos conformados.
Descripción de la Técnica Relacionada
Los materiales compuestos se han utilizado desde hace tiempo en diversas aplicaciones. En particular, los materiales compuestos se han utilizado recientemente como cojinetes. Generalmente, los cojinetes son dispositivos mecánicos usados para mitigar las fuerzas de fricción. Los cojinetes generalmente pertenecen a dos categorías amplias, cojinetes lineales o radiales, diseñados como tales basándose en la naturaleza de las fuerzas de fricción que mitigan. Los cojinetes lineales o de empuje se usan en aplicaciones que tienen un movimiento a lo largo de una línea recta, tal como el movimiento de un cajón hacia dentro y hacia fuera. Los cojinetes radiales o giratorios se usan en aplicaciones que implican el movimiento alrededor de un eje central, tal como una rueda en un eje. Adicionalmente, algunos cojinetes se diseñan para manejar tanto cargas de empuje como radiales.
Se han utilizado diversos tipos de materiales dependiendo del tipo de cojinete necesario para reducir apropiadamente la fricción. De hecho, dependiendo de los requisitos y cargas esperadas en la aplicación, el material del cojinete puede oscilar desde plástico, metales, hasta incluso cerámico. Los avances recientes han proporcionado un nuevo género de cojinetes denominados cojinetes autolubricantes, que se pueden usar en entornos más exigentes, tales como las altas temperaturas de un automóvil. El tipo de material usado facilita las propiedades autolubricantes de estos cojinetes. Algunos materiales autolubricantes habituales incluyen diversos polímeros, grafito o Graphalloy®, una aleación de grafito/metal, y disulfuro de molibdeno (MoS2). Los cojinetes autolubricantes requieren poco o ningún aceite, y típicamente no se deterioran con el desgaste tan rápidamente como los cojinetes tradicionales que se basan en la lubricación suplementaria tradicional.
Los procedimientos usados para formar cojinetes varían dependiendo de la complejidad de la forma del cojinete y del material formado, pero generalmente implican técnicas tales como operaciones de moldeo, colada, o estampación. Los cojinetes que tienen estructuras más complejas se forman generalmente mediante procedimientos de moldeo o colada. Los cojinetes que tienen estructuras menos complejas, utilizan típicamente procedimientos de formación tales como operaciones de estampación, que producen rápidamente la forma deseada a partir de una gran lámina de material. Sin embargo, estos procedimientos pueden ser antieconómicos a la luz del coste del producto final.
En consecuencia, la industria continúa necesitando mejoras para producir materiales compuestos de altas prestaciones, tales como los usados en aplicaciones de cojinetes, y, como tal, la industria también desea procedimientos para formar materiales compuestos de altas prestaciones que utilicen un procesamiento con un coste más eficaz y eficiente.
Descripción de la Técnica Relacionada
El documento DE-C-120753 describe un procedimiento como se define en el preámbulo de la reivindicación 1.
SUMARIO DE LA INVENCIÓN
La materia objeto de la presente invención es un procedimiento que incluye las etapas de proporcionar una cinta de material compuesto hecha de un sustrato sustancialmente rígido que tiene una superficie principal y un polímero que descansa sobre la superficie principal del sustrato sustancialmente rígido, y conformar la cinta de material compuesto con un mandril. A la cinta de material compuesto se le da una forma para formar una pieza de material compuesto conformada que tiene una forma sustancialmente definida por la forma del mandril, de forma que, durante la etapa de conformado, la superficie principal de la cinta de material compuesto se mantiene en un plano.
También se describe una arandela de material compuesto que incluye un material compuesto formado por un sustrato sustancialmente rígido y un laminado polimérico que se coloca sobre el sustrato sustancialmente rígido. El material compuesto tiene una estructura anular abierta, con un diámetro externo no mayor de alrededor de 5,1 cm y un umbral de formación no mayor de alrededor de 1,5.
También se describe una arandela de material compuesto que incluye un material compuesto hecho de un metal y un laminado polimérico que se coloca sobre el metal. El material compuesto tiene una estructura anular abierta que tiene un diámetro exterior mayor que alrededor de 5,1 cm y un umbral de formación no mayor que alrededor de 1,25.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
La presente descripción se puede comprender mejor, y sus numerosas ventajas y características serán manifiestas para los expertos en la técnica haciendo referencia a los dibujos que se acompañan.
La FIG. 1 es un diagrama de flujo que ilustra un procedimiento según una realización particular.
La FIG. 2 es una ilustración de una arandela hendida de material compuesto preparada según una realización particular del procedimiento inventivo.
El uso de los mismos símbolos de referencia en diferentes dibujos indica artículos similares o idénticos.
MODOS PARA LLEVAR A CABO LA INVENCIÓN
La materia objeto de la invención es un procedimiento que incluye las etapas de proporcionar una cinta de material compuesto hecha de un sustrato sustancialmente rígido que tiene una superficie principal y un polímero que descansa sobre la superficie principal del sustrato sustancialmente rígido. El procedimiento también incluye la etapa de conformar la cinta de material compuesto con un mandril para formar una pieza de material compuesto conformada que tiene una forma sustancialmente definida por la forma del mandril, de forma que, durante la etapa de conformación, la superficie principal de la cinta de material compuesto se mantiene en un plano.
Haciendo referencia a la FIG. 1, se proporciona un diagrama de flujo que ilustra etapas de una técnica de formación sin residuos o casi sin residuos para conformar un material compuesto según una realización. Según la FIG. 1, el procedimiento se inicia proporcionando una cinta de material compuesto que incluye un sustrato sustancialmente rígido y una capa de polímero que descansa sobre el mismo. En una realización, el sustrato sustancialmente rígido incluye un metal, una aleación metálica, o una combinación de los mismos. Los metales adecuados para el sustrato sustancialmente rígido incluyen metales apilables, por ejemplo aluminio, hierro, cobre, otros metales de transición, o sus aleaciones. Todavía, según una realización particular, el sustrato sustancialmente rígido está hecho de una malla metálica tejida.
En referencia adicional al material compuesto, el sustrato sustancialmente rígido se puede formar generalmente como una cinta que tiene una superficie principal. Según una realización, la cinta de material compuesto tiene una relación de aspecto no menor que alrededor de 5:1. Según otra realización, la relación de aspecto puede ser mayor, tal como no menor que alrededor de 6:1 o alrededor de 8:1. Todavía, según una realización particular, la relación de aspecto de la cinta de material compuesto no es menor que alrededor de 10:1. Como se usa aquí, la expresión “relación de aspecto” se define como la relación entre la dimensión más larga del sustrato (la longitud) y la segunda dimensión más larga (la anchura). La superficie principal del sustrato es el plano definido por las dimensiones de la longitud y la anchura. Como tal, la dimensión más corta de la cinta del sustrato es el grosor, y, según una realización, el grosor de la cinta de material compuesto no es mayor que alrededor de 5,0 mm, tal como no mayor que alrededor de 4,0 mm, o incluso no mayor que alrededor de 3,0 mm. El grosor total de la cinta de material compuesto depende en parte del grosor del sustrato sustancialmente rígido, que según una realización no es mayor que alrededor de 3,0 mm, tal como no mayor que alrededor de 1,0 mm, o incluso no mayor que alrededor de 0,5 mm.
Según otra realización, la etapa de proporcionar un material compuesto incluye cortar una cinta de material compuesto de dimensiones discretas a partir de una pieza más grande de material compuesto. Para la mayoría de las aplicaciones, la longitud de la cinta de material compuesto típicamente no es mayor que alrededor de 100 cm. Según una realización, la longitud de la cinta de material compuesto no es mayor que alrededor de 75 cm, o alrededor de 50 cm. Todavía, la longitud de la cinta de material compuesto puede ser menor, tal como no mayor que alrededor de 25 cm, o incluso alrededor de 10 cm. En una realización particular, la longitud de la cinta de material compuesto está entre alrededor de 75 cm y alrededor de 5 cm. El corte de la cinta de material compuesto se puede lograr usando dispositivos manuales o automáticos. Adicionalmente, el corte de la cinta de material compuesto también puede incluir cortar los extremos de la cinta de material compuesto con un ángulo con respecto al eje lateral, de forma que los extremos de la cinta de material compuesto se estrechen. El estrechamiento de los extremos de la cinta de material compuesto hace una longitud de un lado de la cinta de material compuesto más corta que una longitud del lado opuesto de la cinta de material compuesto. Esto ayuda a la formación de una forma del material compuesto que tiene un espacio, tal como una arandela hendida de material compuesto como se describe en una realización subsiguiente.
La etapa de proporcionar el sustrato también puede incluir cortar un sustrato de una anchura discreta a partir de una pieza más grande de material compuesto. Según una realización, la anchura del sustrato no es mayor que alrededor de 5,0 cm, tal como no mayor que alrededor de 4,0 cm, o incluso no mayor que alrededor de 3,0 cm. Como tal, la anchura del sustrato puede ser más pequeña, dependiendo de las dimensiones deseadas de la pieza final, y no puede ser mayor que alrededor de 2,0 cm.
Con referencia al material compuesto, el sustrato sustancialmente rígido incluye una capa de polímero superpuesta, de forma que la capa de polímero es un laminado y descansa sustancialmente sobre la superficie principal del sustrato. El laminado polimérico se puede obtener a partir de una lámina de material que se ha pulido o afeitado para producir una lámina polimérica que tiene un grosor fino, tal como menos de alrededor de 1,0 mm de grosor. El sustrato se puede laminar con la lámina de polímero, de forma que el polímero descansa al menos sobre una superficie principal del sustrato sustancialmente rígido como una lámina de material. Opcionalmente, se puede introducir una capa de malla rígida adicional, tal como una capa de malla metálica de bronce, entre el sustrato sustancialmente rígido y la capa de laminado polimérico. La formación del material compuesto incluye típicamente un tratamiento térmico y de presión, así como un adhesivo, tal como etileno tetrafluoroetileno (ETFE), para unir el laminado polimérico al sustrato
sustancialmente rígido. Adicionalmente, se puede fijar una capa soporte rígida, tal como una capa soporte metálica, al material compuesto, para una durabilidad y conformabilidad mejoradas. El soporte metálico puede descansar sobre el sustrato o una capa de laminado polimérico. En una realización, la capa de polímero puede descansar sustancialmente sobre una mayoría de las superficies del sustrato, tal como la superficie principal del sustrato y los lados adyacentes a la superficie principal del sustrato. Todavía, la capa de polímero puede ser una capa de laminado que descansa sustancialmente sobre la superficie principal del sustrato, la superficie principal opuesta del sustrato, y los lados adyacentes del sustrato. Generalmente, la capa de polímero es apilable y adecuada para la conformación con el metal. Según una realización, el polímero puede ser un fluoropolímero, tal como politetrafluoroetileno (PTFE), cuya adición es adecuada para uso en aplicaciones de cojinetes autolubricantes. Además, la capa de polímero puede incluir cargas tales como cerámica, fibras cerámicas o compuestos que contienen carbono. En una realización particular, el material compuesto es el material compuesto NORGLIDE®, comercialmente disponible de Saint-Gobain Performance Plastics Corporation, 150 Dey Road, Wayne, New Jersey.
Haciendo referencia nuevamente a la FIG. 1, después de proporcionar la cinta 101 de material compuesto, la cinta de material compuesto se puede acoplar en un canal 103. Según una realización, la cinta de material compuesto se puede alimentar mediante una máquina al canal, o se puede alimentar manualmente al canal. El canal puede tener dimensiones sustancialmente similares a las dimensiones de la cinta de material compuesto, de forma que al menos una porción de la cinta de material compuesto se asegure en el canal durante la formación.
En una realización ejemplar, después de que la cinta de material compuesto se acopla en el canal 103, la cinta de material compuesto se acopla a un mandril 105. Generalmente, la cinta de material compuesto se puede acoplar al mandril poniendo en contacto una porción de la cinta con la superficie del mandril. El acoplamiento al mandril puede incluir además asegurar una porción de la cinta de material compuesto contra el mandril. Según diversas realizaciones aquí, la cinta de material compuesto se puede asegurar generalmente en el canal y se puede acoplar al mandril de forma que la superficie principal de la cinta de material compuesto no esté en contacto con la superficie del mandril, sino que un borde de la cinta de material compuesto definido por el grosor de la cinta de material compuesto puede estar en contacto con la superficie del mandril durante la formación.
En consecuencia, el mandril puede tener una geometría seleccionada y un contorno sustancialmente similares a la geometría y contorno deseados de la pieza de material compuesto conformada final. Generalmente, el mandril puede tener una forma poligonal, particularmente una forma poligonal simétrica, tal como un círculo, o similar. Según una realización particular, el mandril tiene un contorno circular para formar una pieza compuesta conformada que tiene un contorno circular, con lo que la circunferencia del mandril define sustancialmente la circunferencia interna de la pieza compuesta conformada. Generalmente, el tamaño del mandril se puede alterar dependiendo del tamaño deseado del material compuesto conformado. En el contexto de la formación de un material compuesto conformado que tiene un contorno circular, el diámetro del mandril puede ser no menor que alrededor de 1 cm, tal como no menor que alrededor de 2,5 cm, y particularmente en un intervalo de diámetros entre alrededor de 2,5 cm y alrededor de 15 cm.
Tras acoplar la cinta de material compuesto con el mandril 105, la cinta de material compuesto se puede conformar alrededor del contorno del mandril 107, de forma que la superficie principal del sustrato y la cinta de material compuesto no estén en contacto con el mandril y se mantengan en un plano. Según una realización, una técnica adecuada para formar la cinta de material compuesto alrededor del mandril incluye enrollar la superficie principal de la cinta de material compuesto bajo una fuerza suficiente para guiar la cinta de material compuesto alrededor del mandril. Según una realización, la fuerza de enrollamiento no es menor que alrededor de 2,0 kN, tal como no menor que alrededor de 4,5 kN, o alrededor de 10 kN. En diversas realizaciones, la fuerza aplicada a la superficie principal de la cinta de material compuesto no puede ser menor que alrededor de 15 kN, y particularmente en un intervalo entre alrededor de 5 kN y alrededor de 50 kN.
El proceso de conformación también se puede ayudar agarrando la cinta de material compuesto y guiando a la cinta de material compuesto alrededor del mandril mientras se enrolla la superficie principal de la cinta del material compuesto. El proceso puede utilizar uno o una pluralidad de mecanismos de agarre, tal como tenazas o pinzas, colocados alrededor del mandril para el acoplamiento de la cinta de material compuesto y para mantener la suficiente fuerza para ayudar al proceso de conformado. Según una realización particular, un par de tenazas agarran los extremos de la cinta de material compuesto mientras que un borde de la cinta de material compuesto se acopla al mandril, de forma que al menos una porción del borde mantiene sustancialmente contacto con la superficie del mandril durante la formación. En una realización particular, las tenazas forman la cinta de material compuesto a lo largo de la forma del mandril, mientras que los rodillos se mueven sobre la superficie principal de la cinta de material compuesto. Tras formar la mitad de la forma del material compuesto, otro conjunto de tenazas puede agarrar los extremos de la cinta de material compuesto y guiar la cinta de material compuesto a lo largo del resto del mandril para acabar el proceso de conformado mientras que la superficie principal del material compuesto se enrolla bajo una fuerza suficiente. Al completar el proceso de conformado 107, la cinta de material compuesto se puede retirar de alrededor de la forma del mandril 109.
Haciendo referencia a la FIG. 2, se ilustra una arandela hendida 200, que se puede formar según el proceso de formación descrito en las realizaciones previas. La FIG. 2 ilustra una cinta de material compuesto 201 formada en una estructura anular que tiene un espacio o hendidura 207. El tamaño del espacio puede variar dependiendo de la aplicación deseada del producto. Según una realización, la estructura anular abierta tiene una circunferencia exterior
que se extiende a través de no menos de alrededor de 340º, tal como no menos de alrededor de 350º, o incluso no menos de alrededor de 355º.
La arandela hendida de la FIG. 2 tiene un diámetro interior 203 y un diámetro exterior 205. Según una realización particular, la estructura anular abierta tiene un umbral de formación. Como se usa aquí, el “umbral de formación” es una medida de las dimensiones máximas permitidas para formar una forma de material compuesto usando el proceso de formación descrito en realizaciones previas. En el contexto de formas de material compuesto que tienen un contorno circular, tal como la arandela hendida 200, el umbral de formación describe el diámetro exterior permitido máximo 205 como un radio entre el diámetro exterior 205 y el diámetro interior 203 (O.D.max/I.D.). Según una realización particular, para una estructura anular abierta que tiene un diámetro exterior no mayor que alrededor de 5,1 cm (aproximadamente 2,0 pulgadas), el umbral de formación (O.D.max/I.D.) no es mayor que alrededor de 1,5, de forma que el diámetro exterior máximo permitido no es mayor que 1,5 veces la dimensión del diámetro interior. De forma notable, si el diámetro exterior es mayor que 5,1 cm (aproximadamente 2,0 pulgadas), el umbral de formación cambia. Según una realización particular, para una estructura anular abierta que tenga un diámetro exterior mayor que alrededor de 5,1 cm, el umbral de formación (O.D.max/I.D.) no es mayor que alrededor de 1,25, esto es, el diámetro exterior máximo permitido no es mayor que 1,25 veces la dimensión del diámetro interior.
En este contexto, se contemplan las siguientes estructuras anulares compuestas. Según una realización, un material compuesto que tiene un sustrato sustancialmente rígido y un laminado de polímero superpuesto a la estructura sustancialmente rígida forma una estructura anular abierta. La estructura anular abierta del material compuesto puede tener un diámetro exterior no mayor que alrededor de 5,1 cm y un umbral de formación no mayor que alrededor de 1,5. Tal estructura puede ser adecuada como un cierre, arandela, o cojinete, o particularmente un cojinete de empuje. De hecho, se puede usar un polímero adecuado, tal como un fluoropolímero, para facilitar las propiedades autolubricantes para aplicaciones en cojinetes. En una realización particular, el material compuesto es el material compuesto NORGLIDE®, comercialmente disponible de Saint-Gobain Performance Plastics Corporation, 150 Dey Road, Wayne, New Jersey.
Según una realización particular, se contempla otra estructura anular compuesta. Esta estructura puede incluir un sustrato metálico y un laminado polimérico superpuesto al sustrato metálico, en la que la estructura es una estructura anular abierta. La estructura anular abierta puede tener un diámetro exterior mayor que alrededor de 5,1 cm, y un umbral de formación no mayor que alrededor de 1,25. Tal estructura puede ser adecuada como un cierre, arandela o cojinete, o particularmente un cojinete de empuje. De hecho, se puede usar un polímero adecuado, tal como un fluoropolímero, para facilitar las propiedades autolubricantes para aplicaciones en cojinetes. En una realización particular, el material compuesto es el material compuesto NORGLIDE®, comercialmente disponible de Saint-Gobain Performance Plastics Corporation, 150 Dey Road, Wayne, New Jersey.
La materia objeto descrita anteriormente se ha de considerar ilustrativa, y no restrictiva, y las reivindicaciones anejas están destinadas a cubrir todas las citadas modificaciones, mejoras, y otras realizaciones, que caen dentro del alcance verdadero de la presente invención. De este modo, hasta el grado máximo permitido por la ley, el alcance de la presente invención se ha de determinar por la interpretación permisible más amplia de las siguientes reivindicaciones y sus equivalentes, y no se debe de restringir o limitar por la descripción detallada anterior.
Claims (7)
- REIVINDICACIONES1. Un procedimiento que comprende las etapas de:proporcionar una cinta de material compuesto, y5 conformar la cinta con un mandril para formar una pieza conformada que tiene una forma sustancialmente definida mediante la forma del mandril, en el que durante la etapa de conformación la superficie principal de la cinta se mantiene en un plano, caracterizado porque la cinta es una cinta de material compuesto que comprende un sustrato sustancialmente rígido que tiene una superficie principal y un polímero superpuesto a la superficie principal del sustrato sustancialmente rígido.10 2. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que la cinta de material compuesto tiene una relación de aspecto no menor que alrededor de 5:1.
- 3. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que la etapa de provisión comprende además cortar extremos de la cinta de material compuesto en un ángulo con respecto a un eje lateral de la cinta de material compuesto, de forma que una longitud de un primer lado de la cinta de material compuesto es más corta que una longitud de un lado opuesto de15 la cinta de material compuesto.
-
- 4.
- El procedimiento de una cualquiera de las reivindicaciones 1, 2 ó 3, en el que la etapa de conformado comprende además acoplar la cinta de material compuesto en un canal.
-
- 5.
- El procedimiento de una cualquiera de las reivindicaciones 1, 2, 3 ó 4, en el que la etapa de conformado comprende
además enrollar la superficie principal de la cinta de material compuesto bajo una fuerza suficiente para guiar a la cinta 20 de material compuesto alrededor del mandril. -
- 6.
- El procedimiento de una cualquiera de las reivindicaciones 1, 2, 3, 4 ó 5, en el que la etapa de conformado comprende además formar una pieza compuesta conformada que tiene un contorno circular.
-
- 7.
- El procedimiento de la reivindicación 6, en el que la circunferencia del mandril define sustancialmente la circunferencia interna de la pieza compuesta conformada.
25 8. El procedimiento de la reivindicación 6, en el que la pieza compuesta conformada tiene un diámetro exterior no mayor que alrededor de 5,1 cm y un umbral de formación no mayor que alrededor de 1,5. - 9. El procedimiento de una cualquiera de las reivindicaciones 1, 2, 3, 4, 5 ó 6, en el que el sustrato sustancialmente rígido tiene un grosor no mayor que alrededor de 0,5 mm.
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