ES2574603T3 - Elemento con rigidez variable controlada por presión negativa - Google Patents

Abstract

Elemento con rigidez variable controlada por presión negativa. Elemento (1) con rigidez variable controlada por presión negativa, comprendiendo el elemento: - una envoltura (10) hermética; - una pluralidad de capas (30, 30a, 30b, 30c, 30d, 30e) flexibles en la envoltura, teniendo cada capa (30, 30a, 30b, 30c 30d, 30e) una primera superficie (31, 41) y una segunda superficie (32, 42); y, - una válvula (20) adaptada para evacuar el interior de la envoltura (10); caracterizado por que: - las primera y segunda superficies (31, 41, 32, 42) de dos capas adyacentes tienen un coeficiente de rozamiento entre sí que es superior a 0,5; - las primera y segunda superficies (31, 41, 32, 42) de dos capas adyacentes tienen propiedades de adhesión tales que es necesaria una fuerza normal por unidad de área por debajo de 0,07 N/mm

Description

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DESCRIPCION

Elemento con rigidez variable controlada por presion negativa Campo tecnico

La invencion se refiere a un elemento con rigidez variable controlada a traves de presion negativa, tal como aspiracion o vado. La presente invencion es aplicable:

- a ciertos dispositivos medicos (tales como yesos, escayolas, ortesis funcionales, plantillas y dispositivos medicos de emergencia, tales como ferulas para extremidades y elementos de prestacion de primeros auxilios para todo el cuerpo),

- a articulos deportivos (como patines, botas de esqui, tablas de surf y equipos de protection para deportes, tales como cascos o rodilleras y protectores pectorales),

- a elementos de seguridad que se endurecen en caso de un choque o accidente,

- a elementos constructivos, por ejemplo, a utilizarse para la fabrication de mobiliario de acampada reconfigurable o de juguetes,

- a elementos de molde para la production de materiales compuestos,

- a elementos de embalaje, o

- a elementos de seguridad que se endurecen en caso de un choque o accidente, por ejemplo, en el campo de la automocion.

Estado de la tecnica

Se conoce la utilization de presion negativa, tal como aspiracion o vacio, para proporcionar una forma de convertir un elemento de un estado flexible, en el que el elemento se forma y puede adaptarse facilmente para ajustarse a una forma especifica deseada (tal como una parte del cuerpo humano), a un estado rigido, en el que el elemento es rigido y proporciona soporte, proteccion y/o estabilizacion, y viceversa. La estructura basica de los dispositivos que utilizan presion negativa comprende generalmente cargas internas que son particulas normalmente moviles y una fina cubierta externa flexible, impermeable al aire. La estructura permite normalmente que el dispositivo se instale facil y rapidamente alrededor del cuerpo y de las extremidades afectadas. Cuando el dispositivo se vuelve de la forma deseada en la position deseada, se somete a presion negativa y la presion atmosferica comprime entonces la cubierta exterior flexible y aplica una presion sustancial a la totalidad de la masa de particulas. La fuerza de rozamiento entre las particulas y la cubierta resiste el movimiento relativo entre las mismas, proporcionando de este modo rigidez. Por lo general, se incluye una valvula para cerrar hermeticamente la cubierta cuando se evacua para mantener la rigidez del dispositivo. A partir del estado rigido el estado flexible se obtiene normalmente abriendo de la valvula y soplando.

Se han publicado varias patentes sobre dispositivos ortopedicos que emplean presion negativa. El documento de Patente US 2005/0137513 desvela una estructura para mantener un espesor homogeneo en los dispositivos para soportar y estabilizar una persona o partes del cuerpo con lesiones. El dispositivo tiene una region interior envuelta por dos peliculas flexibles y la region interior se divide en dos cuerpos de insertion que estan formados, respectivamente, con dos tiras de material flexible, permeables al aire. Cada cuerpo de insercion esta dividido en camaras que contienen particulas sueltas, a modo de costuras que se cruzan formadas entre las tiras de material. Las costuras en ambos cuerpos de insercion estan escalonadas entre si en ambas direcciones, de tal manera que las particulas se combinan para formar una capa de particulas gruesa de forma sustancialmente homogenea. Sin embargo, una estructura de este tipo compuesta de granulos o particulas tiene el problema de ser demasiado gruesa, lo que conduce a limitaciones practicas, tales como el tamano de transporte, y un alto volumen que conduce a problemas tales como un largo tiempo de evacuation para alcanzar el nivel deseado de presion negativa.

Con el fin de resolver el problema del espesor y volumen indeseados, el elemento de ajuste corporal a con rigidez controlada descrito en el documento de patente WO 2011/07985 esta fabricado de una envoltura hermetica a gases que encierra una pluralidad de capas y que tiene una valvula adaptada para evacuar el interior de la envoltura. Cada capa se fabrica de un nucleo fabricado de un material con un modulo de Young y flexibilidad elevados, revestido por ambas caras con una capa de recubrimiento o revestimiento hechas de un material con un alto coeficiente de rozamiento. Sin embargo, este tipo de elemento de ajuste corporal presenta los siguientes problemas:

- Una vez que se ha aplicado vacio y el elemento de ajuste corporal esta en su estado rigido, cuando la valvula se abre para pasar al estado flexible, las capas pueden quedarse pegadas una a la otra debido a su pegajosidad, y por tanto el estado flexible no se recupera apropiadamente.

- En el estado rigido, cuando esta bajo una tension de flexion, las capas pueden deslaminarse (desconectandose el revestimiento del nucleo).

- El elemento de ajuste corporal que se describe en el documento WO 2011/07985 incluye algunas tiras de un material con bajo coeficiente de rozamiento, con el fin de recuperar correctamente el estado flexible a presion atmosferica.

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Sin embargo, estas tiras reducen las superficies de rozamiento eficaces, lo que reduce consecuentemente la rigidez del elemento en estado rigido y afecta, por lo tanto, a su correcto funcionamiento.

En resumen, es necesario un elemento con rigidez controlable, que resuelva de forma eficiente tanto los problemas de pegajosidad como de deslaminacion, en el escenario descrito anteriormente.

Descripcion de la invencion

La presente invencion se refiere a un elemento de rigidez variable controlada por presion negativa segun la reivindicacion 1. Realizaciones preferidas del elemento se definen en las reivindicaciones dependientes.

Es un objetivo de la presente invencion proporcionar un elemento de rigidez variable controlable por presion negativa que supere los problemas de pegajosidad y deslaminacion que tienen los elementos de rigidez controlable existentes. Con el fin de hacerlo, el elemento con rigidez variable controlable por presion negativa de la presente invencion es totalmente reversible entre los estados flexible y rigido, a la vez que se mantiene o incluso se mejora, la relacion de rigidez entre el estado rigido y el flexible en comparacion con esta relacion de rigidez de las soluciones actuales.

El elemento de rigidez variable controlada por presion negativa de la presente invencion comprende:

- una envoltura impermeable a gases;

- una pluralidad de capas flexibles dentro de la envoltura, teniendo cada capa una primera superficie y una segunda superficie; y,

- una valvula adaptada para evacuar el interior de la envoltura.

De acuerdo con un primer aspecto de la invencion, las superficies primera y segunda de dos capas adyacentes:

- tienen un coeficiente de rozamiento entre si que es superior a 0,5; y

- tienen unas determinadas propiedades de adhesion, tales que se requiere una fuerza normal por unidad de area de no mas de 0,07 N/mm2 para separarlas y/o la energia por unidad de area requerida para separarlas en la direccion normal esta por debajo de 6,7 J/m2.

Por lo tanto, el elemento de la presente invencion tiene una estructura laminar que comprende varias capas y que tiene las siguientes propiedades:

- alto coeficiente de rozamiento entre las capas debido a la selection de los materiales utilizados y al hecho de que toda la superficie de las capas soporta rozamiento; y

- baja adhesion entre capas, especialmente cuando no hay fuerza normal alguna.

De esta manera las superficies primera y segunda pueden deslizar una con respecto a la otra a presion atmosferica. Una ventaja adicional de la presente invencion es que las capas pueden ser mas delgadas que las capas de elementos de la tecnica anterior (que incluian capas con un nucleo y un revestimiento), debido al hecho de que las capas pueden estar hechas de un unico material o material compuesto que tenga las propiedades necesarias de alto coeficiente de rozamiento y de baja adhesion, eliminando de este modo la necesidad de tener tanto revestimiento como nucleo, y la capa adhesiva correspondiente entre los mismos.

Con esta configuration especifica del elemento de la invencion, se mejora la relacion de rigidez del elemento entre sus estados flexible y rigido:

- en primer lugar, debido a que las capas no se pegan entre si a presion atmosferica, lo que hace que el elemento sea mas flexible y mas facil de conformar en su estado flexible; y

- en segundo lugar, dado que no hay necesidad de tiras de bajo rozamiento o de costuras, se aumenta la superficie de rozamiento lo que hace que el elemento sea mas rigido en su estado rigido.

Dependiendo de las aplicaciones del elemento, las capas pueden estar hechas de un unico material, o pueden fabricarse de una matriz reforzada con una pluralidad de fibras. En ambos casos, las capas se pueden fabricar de una lamina continua u homogenea, o la capa se puede fabricar de una estructura tejida de tiras o cintas.

Cuando las capas se fabrican de una matriz reforzada con fibras, las fibras pueden ser unidireccionales, bidireccionales o multidireccionales. Solo los materiales compuestos que tienen fibras unidireccionales son adecuados para la estructura tejida con cintas.

Las fibras se seleccionan preferiblemente de fibras de vidrio, de carbono, de aramida o de poliester. Y la matriz se fabrica preferiblemente de un polimero termoestable o de un polimero termoplastico.

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De acuerdo con otra realization preferida, las capas pueden comprender un nucleo revestido por al menos un recubrimiento en un lado del nucleo. Preferiblemente el nucleo se reviste por respectivos primer y un segundo recubrimientos, un recubrimiento en cada lado del nucleo.

Tales revestimientos se fabrican preferiblemente de un elastomero de poliuretano termoplastico.

Las propiedades de adhesion de las capas se miden preferiblemente mediante una version adaptada de un metodo normalizado, tal como el ASTM D2979-01, "Metodo de ensayo normalizado para pegajosidad sensible a presion de adhesivos utilizando una maquina de sonda invertida" ("Standard test method for pressure-sensitive tack of adhesives using an inverted probe machine"). Preferiblemente, las propiedades de adhesion se miden utilizando un ensayo de pegajosidad por sonda con una pre-carga equivalente a la presion atmosferica y un tiempo de pre-carga de espera de 100s.

El coeficiente de rozamiento se mide preferiblemente usando un procedimiento estandarizado tal como el ASTM D 1894 "Metodo de ensayo normalizado para coeficientes de rozamiento estaticos y cineticos de pelicula y laminas de plastico" ('Standard test method for static and kinetic coefficients of friction of plastic film and sheeting').

En el caso de las capas hechas de cintas tejidas, las propiedades de adhesion y de friction se pueden medir utilizando el ensayo adaptado de pegajosidad por sonda sobre un numero especifico de cintas colocadas de forma adyacente entre si sobre una superficie plana, de tal manera que la anchura resultante es mayor que el minimo valor fijado por la norma.

Las propiedades de adhesion de las capas se miden sobre capas a medida que estan en sus condiciones de uso, es decir, aunque la norma indica que las capas se deben limpiar antes de que se realice medicion alguna, para medir las propiedades de adhesion de las capas del elemento en la presente invention no es necesario limpiar las capas previamente; sus propiedades de adhesion y friccion se deben medir en las mismas condiciones que cuando estan en uso en el interior del elemento.

Otras ventajas y caracteristicas de la invencion seran evidentes a partir de la siguiente description detallada y se senalan particularmente en las reivindicaciones adjuntas.

Breve descripcion de los dibujos

Para completar la descripcion y con el fin de proporcionar una mejor comprension de la invencion, se proporciona un conjunto de dibujos. Dichos dibujos forman parte integral de la descripcion e ilustran una realizacion de la invencion, que no debe interpretarse como restrictiva del alcance de la invencion, sino solo como un ejemplo de como puede llevarse a cabo la invencion. Los dibujos comprenden las siguientes figuras:

La Figura 1 muestra una vista en section de un elemento de rigidez variable de acuerdo con la invencion.

La Figura 2 es una vista en perspectiva de una primera realizacion de las capas en el interior del elemento.

Las Figuras 3, 4, 5, 6 y 7 muestran vistas en perspectiva de otras realizaciones posibles de las capas en el interior del elemento.

La Figura 8 es una vista en perspectiva de una seccion de un elemento de acuerdo con la invencion destinado a aplicaciones medicas.

La Figura 9 es una vista superior de una estructura realizacion del elemento.

La Figura 10 muestra esquematicamente el metodo adhesion de las capas.

Descripcion de una realizacion preferida

La siguiente descripcion no debe ser tomada en un sentido limitativo sino que se proporciona unicamente con el proposito de describir los principios generales de la invencion. Las siguientes realizaciones de la invencion se describiran a modo de ejemplo, con referencia a los dibujos mencionados anteriormente que muestran los elementos y los resultados de acuerdo con la invencion.

La Figura 1 muestra una realizacion preferida de un elemento 1 con rigidez variable de acuerdo con la invencion. El elemento 1 comprende una envoltura hermetica 10 estirable que encierra una pluralidad de capas flexibles 30 y una valvula 20 adaptada para evacuar el interior de la envoltura. La envoltura 10 estanca a gases es apta para ser sometida a una presion controlada y tiene una valvula 20 adaptada para evacuar el interior de la envoltura.

De una manera conocida, cuando el interior de la envoltura 10 esta a presion atmosferica, las capas 30 estan descomprimidas. Cuando se aplica vacio, las capas flexibles 30 se comprimen entre si aumentando el rozamiento entre las mismas, lo que a su vez aumenta la rigidez del elemento 1 en su conjunto. De esta manera, el elemento 1 tiene posibilidades de estado variables, de un estado blando, flexible a la presion atmosferica a un estado rigido cuando se despresuriza.

de tejido de cintas de las capas de acuerdo con otra adaptado utilizado en el presente caso para medir la

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La novedad del presente elemento 1 reside en la estructura espedfica y en el material de las capas 30, como se muestra en la Figura 2; cada capa 30 se fabrica de un unico material o material compuesto con una primera superficie 31 en un lado y una segunda superficie 32 en el otro lado.

Con el fin de que el elemento 1 funcione correctamente y que su estado flexible o blando se recupere adecuadamente una vez que el vacio se aplica y se libera posteriormente, es importante que las superficies primera y segunda 31, 32 de las capas se fabriquen de materiales, grosor y acabado superficial tales que resulten tanto en un alto coeficiente de rozamiento como en una conexion de baja adhesion.

Las capas son tales que el coeficiente de rozamiento entre la primera superficie 31 y la segunda superficie 32 de dos capas adyacentes 30 es mayor que el de los materiales utilizados normalmente para lubricar. El coeficiente de rozamiento entre las superficies esta por encima de 0,6. Mas preferiblemente el coeficiente de rozamiento es superior a 1.

Con el fin de medir el coeficiente de rozamiento se puede utilizar un procedimiento normalizado, tal como el ASTM D 1894 "Metodo de ensayo normalizado para coeficientes de rozamiento estaticos y cineticos de pelicula y laminas de plastico".

Un requisito esencial de las capas es que tengan propiedades de baja adhesion. Por baja adhesion se entiende que la fuerza de adhesion tangencial entre las primera y segunda superficies 31, 32 de dos capas adyacentes 30 sea tal que las capas 30 deslicen una en relacion con la otra cuando no existe una fuerza normal. De hecho, las primera y segunda superficies de las capas tienen propiedades de baja adhesion, de tal manera que se requiere una fuerza normal por unidad de area por debajo de 0,07 N/mm2 para separarlas (es decir, una fuerza de compresion normal de -0,07 N/mm2) y/o la energia por unidad de area requerida para separarlas en la direction normal esta por debajo de 6,7 J/m2.

Esta es una caracteristica importante para evitar que las diferentes capas permanezcan pegadas entre si una vez que ya no se aplica vacio y el elemento 1 recupera su estado flexible.

Se debe considerar que las propiedades de rozamiento y pegajosidad de las capas no solo estan influenciadas por el material de la capa, sino tambien por el espesor y el acabado superficial (rugosidad Ra) de la capa. Esto es por lo que, para caracterizar la interfaz entre las superficies primera y segunda 31, 32 de dos capas adyacentes 30, los ensayos de rozamiento y pegajosidad se hacen en dos capas flexibles 30 para tener en cuenta el efecto de los procesos de fabricacion.

Las propiedades de adhesion se han medido por medio de un ensayo adaptado de pegajosidad por sonda con una pre-carga equivalente a la presion atmosferica y un tiempo de pre-carga de espera de 100s, que es la escala de tiempo maxima mencionada en la norma para que se establezcan las propiedades adhesivas.

Un metodo normalizado para medir la adhesion de los adhesivos se describe en ASTM D2979-01, "Metodo de ensayo normalizado para la pegajosidad sensible a presion de adhesivos utilizando una maquina de sonda invertida". En el presente caso, se ha utilizado una version adaptada de este metodo. El metodo normalizado tuvo que ser modificado puesto que se esta midiendo la adhesion entre capas que no son adhesivas; estas capas tienen una fuerza de adhesion inferior, y en las mismas la adhesion depende del material, espesor y rugosidad de las capas. Las capas se pueden limpiar con alcohol (o cualquier otro medio) antes de la medicion, como se indica en la norma. Sin embargo, es posible tomar las medidas sin limpiar previamente la superficie de las capas, con el fin de no alterar las propiedades de adhesion de las capas en sus condiciones de uso.

Lo que es importante es que el metodo adaptado se repita varias veces, a fin de tener un numero estadisticamente significativo de mediciones, de tal manera que sea posible ignorar los valores atipicos.

El metodo de medicion se muestra esquematicamente en la Figura 10, en la que la fuerza (F) se representa con respecto al desplazamiento (5) entre las capas. El metodo de medicion de adhesion es el siguiente:

a-c) Las superficies de las capas se acercan a una velocidad constante, y en algun punto entran en contacto entre si y se comprimen hasta que se alcanza la fuerza de compresion Fmax.

c-f) Las superficies de las capas se separan a una velocidad constante de 5 mm/min. (La norma establece una velocidad de 10 mm/s, pero se ha utilizado una velocidad de 5 mm/min para proporcionar mayor precision).

Mas especificamente:

a-b) Las superficies se mueven una hacia la otra a una velocidad constante, no existiendo contacto entre las mismas.

b-c) Una vez que hay contacto entre las superficies, se desarrolla una fuerza de compresion por el movimiento, hasta que alcanza su valor pico de Fmax. Despues, el movimiento entre las capas se detiene y la fuerza se mantiene al nivel constante Fmax.

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c-d) Las superficies salen una de la otra a una velocidad constante. Inicialmente se elimina la fuerza de compresion, hasta un punto en el que se desarrolla una fuerza de adhesion entre las capas hasta que se alcanza un valor maximo Fadh. Esta fuerza de adhesion tiene una direccion opuesta a la fuerza de compresion inicial. d-e) La fuerza de adhesion entre las capas desaparece a traves de la desconexion de superficies. e-f) Las superficies se separan una de otra sin contacto, a una velocidad constante.

Las adaptaciones especificas al ensayo normalizado son:

- Se utiliza una superficie de contacto circular de 50 mm en lugar de la sonda de 5 mm de la norma, debido a que las fuerzas de adhesion son inferiores. En el caso de la realization que comprende cintas, se deben poner un numero determinado de cintas una junto a la otra, de modo que al alinearse juntas cubren las superficies circulares de 50 mm.

- Se utiliza una maquina de sonda vertical normal en lugar de una maquina de sonda invertida, debido a las fuerzas adhesivas mas bajas.

- El ensayo de adhesion se realiza entre las capas reales del elemento, en vez de realizar el ensayo entre una sonda de acero inoxidable y el adhesivo.

- El movimiento de aproximacion a velocidad constante se detiene cuando se alcanza el valor Fmax; en este punto, la maquina de sonda se programa para mantener la carga estatica constante en Fmax. El valor de Fmax utilizado es 200 N, lo que corresponde a una carga de compresion del orden de magnitud de la presion atmosferica en la superficie.

- La sonda se eleva verticalmente hacia arriba desde una superficie de reposo durante las etapas c-f.

- La carga estatica se mantiene durante 100s (en lugar de 1 s).

- Se utilizan capas reales en el ensayo, en lugar del espesor de la capa superficial de adhesivo especificado en la norma.

- Los valores se promedian con al menos cinco mediciones de la misma muestra, sin limpiar la superficie entre mediciones.

- La adhesion se caracteriza por:

- Fadh/Asuperficie, en donde Fadh es la fuerza maxima medida mientras se desconectan las superficies y Asuperficie es el area de la superficie de contacto, y

- Por Wadh/Asuperficie, en donde Wadh es la energia requerida para desconectar las dos capas.

La siguiente Tabla 1 muestra ejemplos de las capas, cuyas propiedades de adhesion se han medido con el ensayo

de pegajosidad por sonda adaptado que se acaba de explicar.

Tabla 1

Especificacion de la capa (material/es, espesor de la capa)

Tension maxima de pegajosidad (N/mm2) Energia de Pegajosidad (J/m2)

TPU Epurex® 4201 AU reforzado con tejido de fibra de vidrio (204 g/m2), 250 jm

0,0259 2,2669

TPU Epurex® 4201 AU, 75 um (en condiciones de uso)

0,0424 0,8481

TPU BASF® 890 A10 reforzado con tejido de fibra de vidrio (125 g/m2), 200 jm

0,0222 1,2159

TPU BASF® S 85 A11 reforzado con tejido de fibra de vidrio (125 g/m2), 200 jm

0,0565 6,8287

Una realizacion preferida del elemento 1 de la invention, ejemplo I, que tiene las capas 30 flexibles de la Figura 2, incluye treinta y siete capas 30, teniendo cada capa un espesor de 80 |jm. Cada capa se fabrica de poliuretano termoplastico, en este caso, de Epurex® 4201 AU (suministrado por Epurex Films GmbH). El elemento resultante permite la conmutacion entre un estado rigido con un modulo de Young de 167 MPa (obtenido a una presion negativa de -0,86 bar) y un estado flexible con un modulo de Young de 22 MPa (medido a presion atmosferica). El modulo de Young se ha obtenido para una deformation de 0,2 %-0,4 %.

Para ciertas aplicaciones, es necesario que el elemento de la invencion tenga un cierto grado de rigidez. Con el fin de obtener tal rigidez las capas del elemento se pueden mejorar, como se muestra en cualquiera de las Figuras 3-7.

La Figura 3 muestra otra posible realizacion de la capa 30a. En este caso, la capa 30a comprende un nucleo 40 revestido por un primer revestimiento 41 en un lado y un segundo revestimiento 42, constituyendo estos primer y segundo revestimientos las superficies primera y segunda de la capa. Por lo general, los revestimientos primero y segundo 41,42 se pegan a los lados respectivos del nucleo 40.

El nucleo 40 es esencialmente una lamina continua de un material flexible que tiene un modulo de Young elevado. Tener un modulo de Young elevado significa que el modulo de Young del nucleo es mayor que el modulo de Young de los materiales utilizados debido a su elasticidad (por ejemplo, cauchos). Ademas, el modulo de Young del

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material que constituye el nucleo 40 es mayor que el modulo de Young del material de los revestimientos 41,42. El material que forma el nucleo 40 tiene preferiblemente un modulo de Young superior a 0,2 GPa, tal como polietileno de baja densidad, LDPE, lo que le proporciona al elemento la rigidez valida para ciertas aplicaciones.

Preferiblemente, el modulo de Young del material del nucleo 40 es mayor que 0,8 GPa.

El nucleo se puede fabricar de cualquiera de los siguientes materiales:

- Termoplasticos tales como ABS, PEEK, PP, PEHD o PVC.

- Metales tales como aluminio, laton o hierro.

- Madera, papel.

Es posible que los primero y segundo revestimientos 41, 42 a cada lado del nucleo 40 se fabriquen del mismo material, incluyendo un espesor de capa y un acabado superficial especificos, resultando en propiedades de alto coeficiente de rozamiento y de baja adhesion, como es el caso de la capa que se muestra en la Figura 3. Tambien es posible que se fabriquen de diferentes materiales, incluyendo un espesor de capa y acabado superficial especificos, de forma que, cuando estan en contacto mutuo, cada una de las capas tiene las correspondientes propiedades de alto rozamiento y de baja adhesion.

La Figura 4 muestra otra posible capa 30b para el elemento de la invencion. En este caso, la capa 30b comprende un nucleo 40 y un primer revestimiento 41 solo en un lado del nucleo 40. El nucleo 40 se fabrica de un material que tiene un modulo de Young elevado, y el revestimiento 41 se fabrica de un material con un modulo de Young menor. El espesor del nucleo 40 es mayor que el espesor del primera revestimiento 41. Asimismo, con el fin de lograr completamente las propiedades de baja adhesion y de alto rozamiento entre las capas 30b en esta realization, el revestimiento 41 tiene un acabado superficial liso, mientras que el acabado superficial del nucleo 40 es rugoso.

Adicionalmente, en la realizacion de la capa 30a que se muestra en la Figura 3, es importante que la fuerza de adhesion tangencial entre la capas 30a, es decir, la fuerza de adhesion tangencial entre los revestimientos 41,42 de dos capas adyacentes (que son las superficies en contacto), sea menor que la fuerza de adhesion tangencial maxima debido al encolado entre los revestimientos 41, 42 y el nucleo 40 en cada capa 30a. Esto es tambien una caracteristica importante, ya que de lo contrario puede ocurrir la deslaminacion de las capas durante la flexion.

Del mismo modo, en la realizacion de la capa 30b de la Figura 4, es importante que la fuerza de adhesion tangencial entre las capas 30b, es decir, la fuerza de adhesion tangencial entre el nucleo 40 de una capa 30b y el revestimiento 41 de la capa 30b adyacente (que son las superficies en contacto), sea menor que la fuerza de adhesion tangencial maxima debido al encolado entre el revestimiento 41 y el nucleo 40 en cada capa 30b.

Materiales adecuados para los revestimientos son: algunos poliuretanos termoplasticos, resina Acronal/Styrofan (40 % de Acronal® 12 De con 60 % de Styrofan® D422, de BASF), resina de poliurea, silicona, caucho, caucho de silicona, latex.

Para mejorar aun mas las propiedades de rigidez del elemento 1 para aquellas aplicaciones que lo requieran (tales como elementos de construction), las capas pueden comprender una matriz reforzada con fibras.

Como se muestra en la Figura 5, la capa 30c comprende una pluralidad de fibras 301 incrustadas en una matriz 302.

La Figura 6 muestra otra capa 30d. Esta capa 30d es similar a las capas 30c mostradas en la Figura 5. La diferencia es que la matriz 302 en la capa 30d tiene dos porciones 303 que no tienen fibras de refuerzo; estas dos porciones 303 solo se fabrican del material de la matriz.

El material de la matriz en el caso de las Figuras 5 y 6 tiene las correspondientes propiedades de alto rozamiento y de baja adhesion.

Una realizacion preferida del elemento 1 de la invencion, ejemplo II, que tiene las capas 30c o 30d flexibles de las Figuras 5 o 6 incluye seis capas, teniendo cada capa un espesor de 250 |jm. Cada capa se fabrica de poliuretano termoplastico (de Epurex® 4201 AU) reforzado con tejido de fibra de vidrio (FG) de 204 g/mm2. La proportion de fibras es del 73 %. El elemento resultante permite conmutar entre un estado rigido con un modulo de Young de 2876 MPa (obtenido a una presion negativa de -0,86 bar) y un estado flexible con un modulo de Young de 84 MPa (medido a presion atmosferica). El modulo de Young se obtuvo para una deformation del 0,2 %-0,4 %.

La Figura 7 muestra otra posible realizacion adicional de las capas que constituyen la estructura laminar del elemento.

La capa 30e en la Figura 7 es similar a la de las Figuras 5 o 6, pero en este caso la matriz 302 reforzada con una pluralidad de fibras 301 unidireccionales no tejidas forma un nucleo, que se reviste adicionalmente por los revestimientos 41,42 ambos fabricados de un mismo material con un rozamiento alto y baja adhesion.

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Las fibras en las capas de las Figuras 5-7 son fibras unidireccionales no tejidas. Pero tambien es posible que las fibras sean multidireccionales o que las fibras formen parte de una tela tejida.

La fibras 301 en las realizaciones que se muestran las Figuras 5-7 pueden ser cualquiera de las siguientes: fibras de vidrio, fibras de carbono, fibras de aramida o fibras de poliester. El material de la matriz 302 puede ser un polimero termoestable, tal como resinas epoxi, de poliester, de poliuria, de vinilester, fenolicas, de poliimida, de poliamida, o un polimero termoplastico, tal como ABS, PP, PEHD, PEEK, PVC, PU, etc.

En los siguientes ejemplos, se ha determinado el coeficiente de rozamiento entre superficies hechas de una resina PUR (poliol) con un endurecedor PUR (isocianato) con un trineo de bloque de metal de 60 x 54 mm, con un peso 268 g, y una pre-carga de 0,2 N. El resto de las condiciones utilizadas durante el ensayo de los materiales son las descritas en la norma ASTM 1894:

* Poliurea (resina RAKU-TOOL® PC-3411 con Isocianato RAKU-TOOL® PH-3911 de RAMPF®), reforzada con tejido de fibra de carbono bidireccional (200 g/m2). Su coeficiente de rozamiento medido era de 2,25.

* Poliurea (resina RAKU-TOOL® PC-3411 con Isocianato RAKU-TOOL® PH-3911 de RAMPF®), reforzada con tejido de fibra de vidrio bidireccional (204 g/m2). Su coeficiente de rozamiento medido era de 2,20.

Estos dos ejemplos se utilizan para medir el coeficiente de rozamiento de las poliureas en la capa 30c en la que las superficies se fabrican con el mismo material que la matriz 302 reforzada con fibras 301 (Figura 5).

Cuando se utiliza el elemento 1 como un dispositivo ortopedico, es capaz de adaptarse a la forma individual de la extremidad del paciente. En su estado flexible, el elemento 1 se adapta a la forma de la extremidad y cuando se aplica vacio al elemento 1 se bloquea en su estado rigido para proporcionar soporte y estabilizacion. Para este fin, es importante tener una alta relacion de rigidez entre los estados flexible y rigido, ademas de que cada capa este hechas preferiblemente de un material con un modulo de Young elevado. En un caso ideal, las capas 30, cuando estan en el estado rigido, estan completamente pegadas entre si a traves de la presion negativa aplicada, la rigidez del elemento es n2 veces mayor que en el estado flexible bajo condiciones atmosfericas, siendo n el numero de capas en el elemento. En el caso real, este factor de aumento de rigidez de n2 se aproxima, en funcion del coeficiente real de rozamiento que todavia puede permitir algun deslizamiento entre las capas. Por ejemplo, un elemento que tiene un espesor de 2,4 mm, fabricado de 6 capas de 0,4 mm cada una, tiene una relacion de rigidez entre los estados rigido y flexible de 36 (= 62). La relacion de rigidez a alcanzarse por el elemento depende del tipo de aplicacion. Por ejemplo, una proportion de 4 no es suficiente en el caso de ajuste de ortesis. Para el ajuste de ortesis, un elemento con doce capas finas, y por lo tanto una relacion de 144, funciona. Pero tambien es posible doblar el espesor de las capas, incluir solo seis capas y el elemento resultante es lo suficientemente flexible y es capaz de alcanzar una rigidez similar adecuada para aplicaciones de ortesis.

Con el fin de aplicar una fuerza homogenea durante la compresion de las diferentes capas, como se muestra en la Figura 8, el elemento 10 comprende ademas una capa 50 permeable al aire, tal como una estructura reticulada, insertada en paralelo con las capas 30a en el interior de la envoltura flexible 10. La capa 50 permeable al aire permite que el vacio se distribuya uniformemente. Por ejemplo, una malla de plastico hechas con fibra de 100 |jm de diametro y celdas abiertas de aproximadamente 3 x 3 mm, proporciona una distribution uniforme de la presion.

La valvula 20 se inserta en la envoltura 10 en el lado proximo a la capa 50 permeable al aire. Esto evita el bloqueo del flujo de aire por una capa 30a que se pega al orificio de la valvula. Adicionalmente, la capa 50 permeable al aire impide que la capa exterior se adhiera a la envoltura, lo que podria conducir a la perdida de flexibilidad en el estado flexible.

Como se ha indicado anteriormente, es deseable que las capas se fabriquen de un material con un modulo de Young elevado para fabricar un elemento con un estado de rigidez elevado, pero los materiales que tienen un modulo de Young elevado tienen, por lo general, baja extensibilidad. Debido a que no son extensibles, no se pueden adaptar a cualquier forma 3D. Con el fin de adaptarse a cualquier conformation o forma 3D, especialmente aquellas que tienen superficies irregulares, en otra realization posible de la invention (como se muestra en la Figura 9), la capa 30f se proporciona en la forma de cintas o tiras tejidas para anadir grados de libertad a la capa. Para mantener esta estructura organizada tras usos repetidos y evitar el solapamiento y la perdida de las cintas, los bordes de cualquier patron 2D se pueden coser y cortar, teniendo cuidado para asegurar que se hayan cosido ambos extremos de cada cinta en el patron.

Con el fin de fabricar las cintas, las cintas de urdimbre 60 y trama 65, que forman la capa 30f, cualquiera de las capas 30, 30a, 30b, 30c, 30d o 30e flexibles de las realizaciones anteriores se corta en cintas o tiras de anchura deseada, que se tejen despues.

En los casos en los que la capa es un material compuesto fabricado de una matriz de polimero reforzado con fibras, tal como las capas 30c, 30d o 30e, de las figuras 5-7, tambien es posible fabricar directamente el material compuesto con la anchura especifica.

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Fabricar el tejido mas pequeno, es dedr, con cintas de menor anchura, permite un mejor ajuste. Para el ajuste del cuerpo humano, el tejido de sarga 3 x 1 fabricado con una cinta o tira con una anchura de 4 mm y con una separacion de 1 mm entre las cintas/tiras proporciona un buen resultado. Pero cualquier anchura de cinta se puede utilizar dependiendo de la finalidad.

Las cintas o tiras se pueden fabricar con una mecha de fibra de vidrio de 600tex (de PPG) aplanada con una anchura de 4 mm. Las mechas de fibra se impregnan despues con poliuretano termoplastico (tal como Elastollan® 890 A10 de BASF), respetando una relacion de volumen de matriz/fibra de aproximadamente 30/70. En este caso, la rugosidad superficial debe ser aproximadamente 1,27 para lograr las propiedades de rozamiento y de pegajosidad correctas de las superficies primera y segunda.

Tambien es posible fabricar un tejido mas pequeno utilizando una mecha de fibra de vidrio de 300tex (de PPG) aplanada a una anchura de 2,5 mm.

Una realizacion preferida del elemento 1 de la invencion, ejemplo III, que tiene las capas flexibles 30f que se muestran en la Figura 9, incluye seis capas, teniendo cada capa un espesor total de 450 |jm. Cada capa se fabrica de cintas o tiras con un espesor de 160 jm, tejidas en un tejido de sarga 3 x 1. Las cintas se fabrican con una matriz de poliuretano termoplastico de Epurex® 4201 AU reforzada con mechas de fibra de vidrio (FG) de 600tex que se incrustan en una matriz. La relacion de fibras, en este caso, es del 60 %. El elemento resultante permite conmutar entre un estado rigido con un modulo de Young de 546 MPa (obtenido a una presion negativa de -0,86 bar) y un estado flexible con un modulo de Young de 24 MPa (medido a presion atmosferica). El modulo de Young se obtuvo para una deformacion del 0,2 %-0,4 %.

En cuanto a los tejidos, muchas soluciones son posibles: lizo normal, de cinco puntos, lizo de 16 puntos, sarga 2 x 2 o sarga 3 x 1.

El tejido de sarga tiene la ventaja de ser mas flexible y drapear mas que el tejido normal. El tejido de lizo es tambien una buena opcion en cuanto a capacidad de caida.

En cualquier caso, independientemente del tejido utilizado (normal, sarga, lizo,...) en la realizacion preferida existe una separacion, de 1 mm aproximadamente, entre cada cinta tanto en las direcciones de urdimbre como de trama, con el fin de permitir cierto grado de libertad entre cintas separadas y obtener de este modo suficiente capacidad de caida para encajar el cuerpo humano.

La siguiente Tabla 2 resume las caracteristicas principales de los tres ejemplos I, II, III proporcionadas anteriormente para las capas en el interior del elemento y sus propiedades. En los tres ejemplos, las capas del elemento se encierran en una bolsa hermetica de PP/HDPE. El elemento contiene ademas una malla de nylon para el reparto del vacio, anadiendo un total de 0,6 mm en el espesor del elemento.

Tabla 2

Ej

Especificacion Relacion de Fibra (%) Coef. de Rozamiento estatico Tension de Pegajosidad (MPa) (N/mm2) Energia de Pegajosidad (J/m2) Modulo de Young. - rigido (MPa) (a -0,86 bar) Modulo de Young- flexible (MPa) (a presion atm.)

I

37 capas de TPU Epurex® 4201 AU Sin fibras 1,41 -0,04 0,85 167 0,12

II

6 capas de TPU Epurex® 4201 AU reforzado con tejido de FG (204 g/m2) 73 % FG 7,59 -0,03 2,27 2876 84

III

6 capas de sarga 3x1 tejida de cintas Cintas de TPU Epurex® 4201 AU reforazado con FG U600tex* 60 % FG 4,50 -0,03 1,65 546 24

En este texto, el termino "comprende" y sus derivaciones (tales como "comprendiendo/que comprende", etc.) no debe entenderse en un sentido excluyente, es decir, estos terminos no deben interpretarse como que excluyen la posibilidad que lo que se describe y define pueda incluir elementos, etapas, etc. adicionales.

En el contexto de la presente invencion, el termino "aproximadamente" y los terminos de su familia (como "aproximado", etc.) deben entenderse como que indican valores muy cercanos a aquellos que acompanan al termino mencionado anteriormente. Es decir, una desviacion dentro de los limites razonables con respecto a un valor exacto

deberia ser aceptada, ya que un experto en la materia entendera que tal desviacion de los valores indicados es inevitable debido a las inexactitudes de medicion, etc. Lo mismo se aplica a los terminos "sobre" y "alrededor" y "sustancialmente".

Claims (15)

1. 5

   10

   15

   20

   25

   30

   35

   40

   45

   50

   55

   60

   REIVINDICACIONES

   1. Elemento (1) con rigidez variable controlada por presion negativa, comprendiendo el elemento:

   - una envoltura hermetica (10);

   - una pluralidad de capas flexibles (30, 30a, 30b, 30c, 30d, 30e) en la envoltura, teniendo cada capa (30, 30a, 30b, 30c 30d, 30e) una primera superficie (31,41) y una segunda superficie (32, 42); y,

   - una valvula (20) adaptada para evacuar el interior de la envoltura (10);

   caracterizado por que:

   - las primera y la segunda superficies (31, 41, 32, 42) de dos capas adyacentes tienen un coeficiente de rozamiento entre si que es superior a 0,5;

   - las primera y la segunda superficies (31,41, 32, 42) de dos capas adyacentes tienen propiedades de adhesion tales que es necesaria una fuerza normal por unidad de area por debajo de 0,07 N/mm2 para separarlas y/o la energia por unidad de area requerida para separarlas en la direccion normal es inferior a 6,7 J/m2.
2. 2. Elemento (1) segun la reivindicacion 1, en el que las capas (30, 30f) estan hechas de un solo material.
3. 3. Elemento (1) segun la reivindicacion 1, en el que las capas (30c, 30d, 30e, 30f) estan hechas de una pluralidad de

   fibras (301) inmersas en una matriz (302).
4. 4. Elemento (1) segun la reivindicacion 3, en el que las fibras (301) son unidireccionales.
5. 5. Elemento (1) segun la reivindicacion 3, en el que las fibras (301) son bidireccionales o multidireccionales.
6. 6. Elemento (1) segun cualquiera de las reivindicaciones 3-5, en el que las fibras (301) se seleccionan a partir de fibras de fibra de vidrio, de carbono, de aramida o de poliester.
7. 7. Elemento (1) segun cualquiera de las reivindicaciones 3-6, en el que la matriz (302) esta hechas de un polimero termoestable o un polimero termoplastico.
8. 8. Elemento (1) segun cualquiera de las reivindicaciones 1-7, en el que cada capa (30a, 30b, 30d) comprende ademas un nucleo (40) revestido por al menos un revestimiento (41,42) en un lado del nucleo (40).
9. 9. Elemento (1) segun cualquiera de las reivindicaciones 1-7, en el que cada capa (30a, 30d) comprende ademas un nucleo (40) revestido por unos primer y segundo revestimientos (41, 42) respectivos, un revestimiento a cada lado del nucleo (40).
10. 10. Elemento (1) segun cualquiera de las reivindicaciones 8-9, en el que los revestimientos (41,42) estan fabricados de un elastomero de poliuretano termoplastico.
11. 11. Elemento (1) segun cualquiera de las reivindicaciones 1-10, en el que las capas (30a, 30b, 30c, 30d, 30e) estan hechas en una lamina continua.
12. 12. Elemento (1) segun cualquiera de las reivindicaciones 1-4 y 6-10 cuando dependen de la reivindicacion 4, en el que la capa (30f) esta hecha de una estructura tejida de cintas (60, 65).
13. 13. Elemento (1) segun cualquier reivindicacion anterior, en el que las propiedades de adhesion de las capas son medidas utilizando un ensayo adaptado de pegajosidad por sonda con una pre-carga equivalente a la presion atmosferica y un tiempo de pre-carga de espera de 100s.
14. 14. Elemento (1) segun la reivindicacion 12, en el que las propiedades de adhesion de las capas son medidas utilizando un ensayo adaptado de pegajosidad por sonda con una pre-carga equivalente a la presion atmosferica y un tiempo de pre-carga de espera de 100s, realizandose tales mediciones sobre un numero determinado de cintas (60, 65) colocadas adyacentes entre si sobre una superficie plana.
15. 15. Elemento (1) segun cualquier reivindicacion anterior, en el que las propiedades de adhesion de las capas se miden sobre capas en sus condiciones de uso.