ES2595262T3 - Elementos estructurales de tipo placa sándwich mejorados con formas - Google Patents

Elementos estructurales de tipo placa sándwich mejorados con formas Download PDF

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Abstract

Elemento estructural de tipo placa sándwich que comprende: una primera y segunda placas exteriores hechas de metal y que presentan un grosor superior o igual a 0,05 mm; un núcleo de elastómero de poliuretano compacto unido a dichas placas exteriores con fuerza suficiente para transferir fuerzas de cizallamiento entre ellas y que presenta un grosor superior o igual a 20 mm; y una pluralidad de formas ligeras dentro del núcleo; caracterizado porque dichas formas son esferas huecas con un diámetro igual al grosor del núcleo que están agrupadas estrechamente en una única capa.

Description

DESCRIPCION
Elementos estructurales de tipo placa sandwich mejorados con formas.
5 La presente invencion se refiere a elementos estructurales de tipo placa sandwich que comprenden dos placas exteriores y un nucleo de plastico o material polimerico unido a las placas exteriores con fuerza suficiente para contribuir sustancialmente a la resistencia estructural del elemento.
Los elementos estructurales de tipo placa sandwich se describen en los documentos US 5,778,813 y US 6,050,208, 10 documentos que se incorporan por referencia, y comprenden placas exteriores metalicas, por ejemplo de acero, unidas entre si a traves de un nucleo elastomerico intermedio, por ejemplo de poliuretano no espumado.
Estos sistemas de tipo placa sandwich se pueden usar en muchas formas de construccion para sustituir placas de acero rigidizadas o placas de acero conformadas y simplifican enormemente las estructuras resultantes, mejorando 15 la resistencia y el desempeno estructural (por ejemplo la rigidez, las caracterfsticas amortiguadoras) a la vez que reducen el peso. En el documento WO 01/32414, incorporado igualmente por referencia, se describen otros desarrollos de estos elementos estructurales de tipo placa sandwich. Segun se describe en el, se pueden incorporar en la capa del nucleo formas espumadas para reducir el peso y se pueden anadir placas escarpadas metalicas transversales para aumentar la rigidez.
20
De acuerdo con las ensenanzas del documento WO 01/32414, las formas espumadas pueden ser huecas o solidas. Las formas huecas producen una mayor reduccion de peso, por lo que resultan ventajosas. Las formas descritas en ese documento no estan limitadas a material espumado ligero sino que tambien se pueden fabricar de otros materiales, tales como madera o cajas de acero.
25
La solicitud de patente internacional WO 02/078948 desarrolla adicionalmente el concepto de incluir formas huecas y describe formas que son faciles de fabricar y montar; en particular, se describen formas alargadas huecas hechas de piezas encajadas a presion. El documento GB 2 374 038 A, prioridad de lo que se reivindica en el documento WO 02/078948, sugiere el uso de elementos esfericos pero no facilita detalles practicos, por ejemplo los tamanos o 30 materiales de las esferas.
En los documentos WO 01/32414 y WO 02/078948, el tamano de las formas alargadas se ajusta al elemento de placa que se esta fabricando. Asf, las tecnicas descritas en estos dos documentos son aplicables sobre todo cuando se ha de fabricar un gran numero de elementos de placa identicos, de manera que las formas se pueden producir en 35 masa, por ejemplo por moldeo, a un precio economico. Si se ha de fabricar un numero pequeno de placas de un tamano o un contorno determinado, las formas tienen que fabricarse a mano o adaptarse con un coste relativamente elevado.
El documento DE 2554890 A describe un material celular y un procedimiento para su fabricacion. Se colocan 40 cuerpos esfericos en un molde y los intersticios se rellenan despues con un material tal como cemento, yeso, cal o cola.
El documento US 5,251,414 describe una estructura de refuerzo util para formar un compuesto absorbente de energfa adecuado para el uso en un panel de carrocerfa de un vehfculo motorizado. Se incluyen elementos 45 particulados de refuerzo en una matriz polimerica con al menos un elemento de hoja de refuerzo ondulado.
Un objetivo de la presente invencion es proporcionar elementos estructurales de tipo placa sandwich con formas o insertos que se puedan adaptar facilmente a diferentes tamanos y/o contornos de la placa.
50 De acuerdo con la presente invencion, se proporciona un elemento estructural de tipo placa sandwich y un procedimiento para la fabricacion de un elemento estructural de tipo placa sandwich como se definen en las reivindicaciones adjuntas.
La expresion "dimensiones principales" se refiere al diametro de una esfera, los diametros mayor y menor de un 55 ovoide, la longitud, el fondo y la anchura de un cuboide, etc. En el caso de contornos irregulares, las dimensiones principales pueden considerarse las dimensiones de la caja rectangular mas pequena en la que encaje el contorno.
Mediante el uso de formas de dimensiones comparables a las del espacio existente entre las capas metalicas y, por tanto, relativamente pequenas en comparacion con la dimension lateral (longitud y/o anchura) del elemento de placa,
se puede fabricar cualquier contorno de placa usando formas convencionales producidas en masa sin necesidad de adaptarlas a mano. En muchos casos, el contorno exacto de la forma no es crucial, aunque se pueden obtener ventajas adicionales con contornos espedficos. Es necesario que las formas no se teselen, de forma que haya espacios entre ellas para el material del nucleo que se une a las placas exteriores. El contorno y la disposicion de las 5 formas se pueden variar para variar la proporcion de volumen entre las placas exteriores ocupada por el material del nucleo.
Las formas se pueden disponer en una unica capa o en multiples capas. En el caso de multiples capas se prefiere en algunas aplicaciones que las formas de una capa cubran directamente las formas de la capa que esta debajo, de 10 manera que haya partes del material del nucleo que se extienden en perpendicular entre las capas metalicas exteriores. Cuando hay multiples capas de formas, se puede prever una capa intercalada entre las capas de formas. La capa puede componerse de un material de alta resistencia a la traccion, tal como metal, un tejido de alta resistencia a la traccion, tal como Kevlar (TM) o Spectra (TM), plastico reforzado con fibras, otros tejidos adecuados, mallas u hojas ceramicas para mejorar la resistencia balfstica y/o a explosiones del elemento de placa. La capa 15 puede estar perforada o conformada de modo que permita el flujo del material del nucleo por el nucleo durante la fabricacion y mejore la resistencia al cizallamiento entre las capas. La capa tambien se puede usar para ayudar a colocar las formas, por ejemplo para determinar la separacion entre las capas o las posiciones relativas de las formas en capas diferentes, y mejorar de este modo el rendimiento del elemento de placa.
20 Una forma especialmente preferida es una bola hueca esferica con un diametro sustancialmente igual a 1/N de la distancia entre dichas capas metalicas exteriores, siendo N un numero natural entre 1 y 5. Las bolas pueden presentar, por ejemplo, un diametro comprendido en el intervalo de 20 a 100 mm y se pueden usar en una sola o multiples capas en los elementos de placa con un grosor del nucleo comprendido en el intervalo de 20 a 100 mm. Las bolas hechas de polipropileno son especialmente adecuadas y pueden ser solidas o, preferentemente, huecas 25 con una piel solida. Las bolas solidas reducen menos el peso, pero aun asf pueden ser ventajosas puesto que son mas baratas que los elastomeros preferidos como material del nucleo. Estas bolas se encuentran ampliamente disponibles y son economicas de fabricar.
Las formas tambien pueden estar provistas de una pluralidad de protuberancias a fin de aumentar la separacion 30 entre las formas y, con ello, la proporcion de la cavidad interior ocupada por el material del nucleo. Las protuberancias tambien se pueden disponer para determinar los contornos y las posiciones relativos adoptados por las formas adyacentes y, de este modo, el contorno del espacio vacfo relleno de material del nucleo, por ejemplo para asegurar una masa continua de material del nucleo.
35 Se puede usar una malla, por ejemplo de alambre, para ayudar a colocar las formas y separarlas unas de otras y/o de las capas metalicas.
Los materiales, las dimensiones y las propiedades generales de las placas exteriores del elemento estructural de tipo placa sandwich de la invencion se pueden elegir segun se desee para el uso concreto al que este destinado el 40 elemento estructural de tipo placa sandwich y, en general, pueden ser como se describen en los documentos US 5,778,813 y US 6,050,208. El acero o acero inoxidable se usa habitualmente en grosores de 0,5 a 20 mm, y el aluminio se puede usar cuando se desee un peso ligero. En general, el aluminio se puede usar en grosores de 2 a 4 veces mayores que los del acero, es decir de 1 a 50 mm, para conferir una resistencia comparable. De forma similar, el nucleo de plastico o polimerico puede ser de cualquier material adecuado, por ejemplo un elastomero tal como 45 poliuretano, como se describe en los documentos US 5,778,813 y US 6,050,208.
La presente invencion se describira a continuacion haciendo referencia a ejemplos de realizacion y a los dibujos esquematicos adjuntos, en los que:
50 La figura 1 es una vista transversal de un elemento estructural de tipo placa sandwich de acuerdo con una primera realizacion de la presente invencion;
la figura 2 es una vista transversal del elemento estructural de tipo placa sandwich de la figura 1 a lo largo de la lmea A-A;
55
la figura 3 es una vista transversal similar a la de la figura 2 de un elemento estructural de tipo placa sandwich de acuerdo con una variante de la primera realizacion de la presente invencion;
la figura 4 es una vista transversal de un elemento estructural de tipo placa sandwich de acuerdo con una segunda
realizacion de la presente invencion;
la figura 5 es una vista transversal de un elemento estructural de tipo placa sandwich de acuerdo con una tercera realizacion de la presente invencion;
la figura 6 es una vista transversal de un elemento estructural de tipo placa sandwich de acuerdo con una cuarta realizacion de la presente invencion; y
la figura 7 es una vista transversal de un elemento estructural de tipo placa sandwich de acuerdo con una quinta 10 realizacion de la presente invencion.
En los diferentes dibujos, las mismas partes se indican con las mismas referencias numericas.
El elemento estructural de tipo placa sandwich mostrado en la figura 1 comprende placas exteriores superior e 15 inferior (caras) (11, 12) que pueden ser de acero (con un grosor comprendido, por ejemplo, en el intervalo de 0,5 a 20 mm) o de aluminio (con un grosor comprendido, por ejemplo, en el intervalo de 1 a 50 mm). Las caras (11, 12) se sueldan con placas de cierre (no mostradas) alrededor de sus perfmetros exteriores para formar una cavidad cerrada. De forma alternativa, el elemento de placa se puede montar en un molde sin necesidad de placas de cierre. En la cavidad existente entre las caras (11, 12) se encuentra un nucleo (13) de material plastico o polimerico, 20 preferentemente de un material termoendurecible tal como un elastomero de poliuretano. Este nucleo puede presentar un grosor comprendido en el intervalo de 15 a 200 mm; en la presente aplicacion, 50 mm son adecuados. El nucleo (13) esta unido a las caras (11, 12) con fuerza suficiente y presenta propiedades mecanicas suficientes para transferir las fuerzas de cizallamiento previstas durante el uso entre las dos caras. Preferentemente es compacto. La fuerza de union entre el nucleo (13) y las caras (11, 12) debera ser superior a 3 MPa, preferentemente 25 6 MPa, y el modulo de elasticidad del material del nucleo debera ser superior a 200 MPa, preferentemente 250 MPa. Se puede usar un modulo menor siempre que no se exponga a condiciones de temperatura elevada. Para aplicaciones de baja carga, como en los paneles de piso donde las cargas de uso y ocupacion tfpicas son del orden de 1,4 kPa a 7,2 kPa, la fuerza de union puede ser menor, por ejemplo de aproximadamente 1 MPa. En virtud de la capa del nucleo, el elemento estructural de tipo placa sandwich presenta la resistencia y la capacidad de carga de 30 una placa de acero rigidizado con un grosor de placa sustancialmente mayor y una rigidizacion adicional significativa. La placa naturalmente no necesita ser plana sino que puede adoptar cualquier forma requerida para su uso previsto.
Para reducir el peso del elemento de placa se preve una pluralidad de formas (14) ligeras en el nucleo. En esta 35 realizacion, las formas (14) comprenden bolas de polipropileno huecas, de piel solida, que presentan un diametro sustancialmente igual a la distancia (D) entre las placas exteriores (11, 12). Como se muestra en la figura 2, que es una seccion transversal a lo largo de la lfnea A-A de la figura 1, las bolas (14) estan dispuestas en filas y columnas ortogonales, de manera que quedan espacios sustanciales entre ellas. Esta disposicion de las formas es especialmente apropiada cuando las cargas principales durante el uso se ejercen en las direcciones lateral y 40 longitudinal, indicadas mediantes flechas en la figura 2. Estos espacios se llenan con material del nucleo que une las placas metalicas exteriores entre si. Debido a la curvatura de las bolas, el material del nucleo forma estructuras a modo de columnas que se extienden directamente entre las placas exteriores y unen las placas en un area extensa. De este modo, la fuerza de union se reduce no mas de aproximadamente un 5% en comparacion con un nucleo solido y la capacidad de transferencia de la fuerza de cizallamiento se mantiene.
45
Las bolas (14) tambien se pueden agrupar estrechamente en una red hexagonal, como se muestra en la figura 3. El resultado es un elemento de placa (20) mas ligero, ya que la proporcion de la cavidad del nucleo que esta ocupada por el material del nucleo (133) es menor. El elemento de placa tambien es especialmente adecuado para aplicaciones en las que las cargas principales se ejercen en direcciones oblicuas, como se indica mediante las 50 flechas en la figura 3.
Para fabricar el elemento estructural de tipo placa sandwich (10) se sueldan las placas de cierre alrededor del perfmetro de la cara inferior (12) y a continuacion se colocan las bolas (14) en la cavidad abierta resultante. En esta etapa se pueden colocar todas las secciones prefabricadas del nucleo, asf como todas las placas cortantes u otros 55 accesorios que se puedan desear. Despues, la cara superior (11) se suelda a las placas de cierre para formar una cavidad cerrada y el material plastico o polimerico se inyecta para formar el nucleo (13). A continuacion se deja que el material inyectado se cure, y los puertos de inyeccion usados en el paso de inyeccion se nivelan y se sellan junto con los orificios de ventilacion. Estos pasos se pueden realizar in situ o externamente en condiciones de fabrica y el panel acabado se transporta al punto de instalacion. Antes de la inyeccion del nucleo las bolas (13) ayudan a
sostener la cara superior (11), de manera que se pueden fabricar elementos de placa mas grandes sin que se hundan y sin que se necesiten soportes internos.
En la figura 4 se muestra una segunda realizacion de la presente invencion. El elemento estructural de tipo placa 5 sandwich (30) de acuerdo con la segunda realizacion de la invencion es similar al de la primera realizacion pero incluye dos capas de bolas (14). De este modo se puede fabricar un elemento de placa mas grueso sin aumentar la separacion de las estructuras a modo de columnas del nucleo. Como se muestra, las bolas de una capa yacen preferentemente sobre las bolas de la otra capa, aunque en aplicaciones de menor carga las bolas se pueden agrupar estrechamente en direccion vertical asf como en direccion horizontal. Naturalmente se pueden prever tres o 10 mas capas de formas, y las diferentes capas de formas no tienen que ser iguales, si bien se prefiere que haya 5 capas o menos.
La figura 5 ilustra una tercera realizacion de la presente invencion. Esta incluye una malla (15) por encima y por debajo de las capas de bolas para separarlas de las placas exteriores metalicas con el fin de aumentar el area de 15 union entre el nucleo y las placas. La presencia de una capa solida de material del nucleo adyacente a las placas metalicas (11, 12) tambien mejora el curado y asegura una resistencia al impacto mas uniforme en toda el area del elemento de placa. La malla puede ser una simple malla de alambre moldeada a mano para darle el contorno deseado. Tambien se puede prever una malla entre las capas de bolas que puede servir para ayudar a colocar las bolas y separarlas unas de otras.
20
En la figura 6 se muestra una cuarta realizacion de la invencion. Ademas de las dos capas de formas (14) que se preven en la segunda realizacion, el elemento de placa (50) de la cuarta realizacion incluye una capa intercalada (19) prevista entre las capas de formas. La capa intercalada (19) puede adoptar una diversidad de formas para una diversidad de fines diferentes. Para mejorar la proteccion balfstica y/o contra explosiones la capa intercalada (19) se 25 puede fabricar de un material de alta resistencia a la traccion, tal como metal, un tejido de alta resistencia a la traccion, tal como Kevlar (TM) o Spectra (TM), plastico reforzado con fibras, otros tejidos adecuados, mallas u hojas ceramicas. En la solicitud de patente britanica en tramitacion numero 0326609.5 (referencia del agente N.88882), titulada "ELEMENTOS ESTRUCTURALES DE TIPO PLACA SANDWICH MEJORADOS" y presentada el 14 de noviembre de 2003, se describen materiales y formas adecuados para la capa intercalada con este fin. Todo el 30 contenido de este documento se incorpora por referencia. La capa intercalada tambien se puede conformar para ayudar a colocar o determinar la posicion de las formas, por ejemplo su separacion, orientacion o las posiciones relativas de las diferentes capas, y, si este es el unico fin de la capa intercalada, se puede fabricar del mismo material que el nucleo o de un material mas economico, especialmente si es una malla.
35 Una estrategia alternativa para aumentar la separacion entre las bolas es dotarlas de salientes, como se muestra en la figura 7. Muestra un elemento de placa (60) de acuerdo con una quinta realizacion de la invencion, que es basicamente la misma que la primera realizacion salvo por que las bolas (16) estan provistas de una pluralidad de salientes (18) alrededor de sus superficies. Los salientes (18) sirven para aumentar la separacion entre una bola y otra y la separacion entre las bolas y las placas metalicas, aumentando la fuerza de union del nucleo con las placas 40 metalicas y la capacidad de transferencia de la fuerza de cizallamiento.
Dependiendo del uso previsto del elemento de placa, se pueden mejorar varias de sus propiedades usando diferentes materiales para las formas (14, 16) ligeras y proporcionando diferentes rellenos para las formas. Por ejemplo, las formas (14, 16) se pueden fabricar en metal, ceramica, Kevlar u otro material de alta resistencia para 45 aumentar la resistencia balfstica y a explosiones del elemento de placa asf como para mejorar la resistencia a la captura y fragmentacion de metralla. Se pueden obtener ventajas especiales si se preve asimismo una capa intercalada, como se ha descrito anteriormente, para aumentar la resistencia balfstica y a explosiones. Para aumentar la resistencia al fuego las formas tambien se pueden fabricar en metal o ceramica y se pueden llenar con materiales inertes o retardantes de fuego. Tambien se pueden usar otros rellenos gaseosos o lfquidos para mejorar 50 las propiedades aislantes acusticas y/o termicas de la placa metalica. Por la misma razon, las formas pueden estar vacfas.
Se apreciara que la descripcion anterior no pretende ser limitante y que el alcance de la presente invencion, definido por las reivindicaciones adjuntas, incluye otras modificaciones y variaciones. Por ejemplo, aunque en las 55 realizaciones descritas todas las formas son iguales, se apreciara que tambien se pueden usar mezclas de formas de diferentes contornos y/o tamanos.

Claims (5)

  1. REIVINDICACIONES
    1. Elemento estructural de tipo placa sandwich que comprende:
    5 una primera y segunda placas exteriores hechas de metal y que presentan un grosor superior o igual a 0,05 mm;
    un nucleo de elastomero de poliuretano compacto unido a dichas placas exteriores con fuerza suficiente para transferir fuerzas de cizallamiento entre ellas y que presenta un grosor superior o igual a 20 mm; y
    10 una pluralidad de formas ligeras dentro del nucleo;
    caracterizado porque
    dichas formas son esferas huecas con un diametro igual al grosor del nucleo que estan agrupadas estrechamente 15 en una unica capa.
  2. 2. Elemento estructural de tipo placa sandwich de acuerdo con la reivindicacion 1, donde dichas formas presentan un diametro inferior o igual a 100 mm.
    20 3. Elemento estructural de tipo placa sandwich de acuerdo con la reivindicacion 1 o 2, donde dichas
    formas se fabrican en polipropileno y presentan una piel solida.
  3. 4. Elemento estructural de tipo placa sandwich de acuerdo con la reivindicacion 1 o 2, donde dichas formas se fabrican en metal, ceramica o un tejido de alta resistencia a la traccion.
    25
  4. 5. Elemento estructural de tipo placa sandwich de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, donde dichas formas estan rellenas de un gas inerte, una sustancia retardante de fuego, un lfquido aislante termico o acustico o un vacfo parcial.
    30 6. Elemento estructural de tipo placa sandwich de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones
    precedentes, que comprende asimismo una malla para ayudar a colocar las formas y separarlas unas de otras y/o de las placas exteriores.
  5. 7. Procedimiento para la fabricacion de un elemento estructural de tipo placa sandwich, que comprende
    35 los pasos de:
    proporcionar la primera y segunda placas exteriores en una relacion espaciada y una pluralidad de formas ligeras dentro del espacio entre dichas placas;
    40 inyectar elastomero de poliuretano no curado para rellenar el espacio definido entre dichas placas exteriores y alrededor de dicha pluralidad de formas; y
    dejar que dicho elastomero se cure sin espumacion para unir dichas placas exteriores entre si con fuerza suficiente para transferir fuerzas de cizallamiento entre ellas;
    45
    donde
    dichas placas exteriores estan hechas de metal, estan separadas por una distancia superior o igual a 20 mm y presentan un grosor superior o igual a 0,5 mm;
    siendo dichas formas esferas huecas con un diametro igual a la distancia entre dichas placas exteriores agrupadas estrechamente en una unica capa.
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