ES2708433T3 - Método de fabricación de un elemento de material compuesto de polímero mediante el uso de dos o más resinas - Google Patents

Método de fabricación de un elemento de material compuesto de polímero mediante el uso de dos o más resinas Download PDF

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Abstract

Método de fabricación de un elemento de material compuesto de polímero que comprende una pala de turbina eólica o una parte de una pala de turbina eólica mediante una técnica de infusión de resina, comprendiendo el método las etapas de - proporcionar una cavidad de molde (5) en la que se dispone un material de refuerzo (4), teniendo la cavidad de molde al menos un primera entrada de resina (6a) para una primera resina y al menos una segunda entrada de resina (6b) para una segunda resina, teniendo las resinas primera y segunda propiedades mecánicas diferentes después del curado, - conducir al mismo tiempo la primera resina dentro de una primera región (5a) de la cavidad de molde (5) por medio de la primera entrada (6a) y conducir la segunda resina dentro de una segunda región (5b) de la cavidad de molde por medio de la segunda entrada (6b), - transferir las resinas dentro del material de refuerzo (4) de forma que las resinas se fusionan al menos parcialmente en una tercera región (5c) de la cavidad de molde (5), - curar las resinas, en el que - las resinas primera y segunda tienen propiedades mecánicas diferentes después del curado debido a los aditivos añadidos a al menos la primera resina, y/o - la primera resina es una versión modificada con caucho de la segunda resina, y/o - la primera resina se selecciona de: epoxi, poliéster o éster vinílico y la segunda resina es una resina diferente seleccionada de epoxi, poliéster o éster vinílico.

Description

DESCRIPCION
Metodo de fabricacion de un elemento de material compuesto de poKmero mediante el uso de dos o mas resinas Campo de la invencion
La presente invencion se refiere a un metodo de fabricacion de un elemento de material compuesto de polfmero mediante el uso de dos o mas resinas, y en particular a tecnicas de infusion de resinas en las que las resinas se infunden al mismo tiempo.
Antecedentes de la invencion
Se usan materiales compuestos de polfmero, tales como compuestos reforzados con fibras, en la industria de las turbinas eolicas, por ejemplo para palas de turbinas eolicas, y un posible procedimiento de fabricacion es el moldeo por transferencia de resina que puede estar asistido por vado. El material de resina es por ejemplo epoxi, poliester o ester vimlico, y cada material existe en una gama de productos incluyendo algunos que tienen al menos un aditivo anadido para modificar las propiedades mecanicas, tales como la tenacidad a la fractura y la rigidez. Tales aditivos dan como resultado normalmente un precio del material significativamente mas alto, y la eleccion de la resina para un producto dado debe por tanto ser un compromiso entre propiedades optimas del material y precio.
El documento EP0247708 describe un procedimiento de multiinyeccion para moldear productos de poliuretano mediante moldeo por reaccion-inyeccion.
Por eso, sena ventajoso un metodo mejorado de fabricacion de un elemento de material compuesto de polfmero, y en particular sena ventajoso uno en el cual sea posible optimizar el uso de la resina.
Objeto de la invencion
Un objeto de la presente invencion es proporcionar un metodo de fabricacion de un elemento de material compuesto, metodo por el cual las propiedades de la resina pueden optimizarse para adecuarse a las diferentes partes del elemento.
Otro objeto de la presente invencion es proporcionar un metodo de fabricacion de un elemento de material compuesto mediante el cual puede evitarse una transicion brusca entre regiones con propiedades de resina diferentes. Por el presente documento el riesgo de concentraciones de tension debido a cambios bruscos en las propiedades elasticas puede reducirse o eliminarse.
Otro objeto de algunas realizaciones de la presente invencion es proporcionar un metodo de fabricacion de una pala de turbina eolica o una parte de una pala de turbina eolica en el que la resina en el extremo de rafz de la pala puede optimizarse con respecto a propiedades mecanicas, tales como tenacidad a la fractura, velocidad de propagacion de la grieta y rigidez, sin provocar un aumento innecesario en el precio de la pala.
Un objeto adicional de la presente invencion es proporcionar una alternativa a la tecnica anterior.
Sumario de la invencion
Por tanto, se pretende obtener el objeto descrito anteriormente y varios otros objetos en un primer aspecto de la invencion proporcionando un metodo de fabricacion de un elemento de material compuesto de polfmero segun la reivindicacion 1.
La etapa de curar las resinas comprende normalmente la aplicacion de calor durante un periodo de tiempo predeterminado.
En algunas realizaciones de la invencion, la etapa de proporcionar una cavidad de molde en la que se dispone un material de refuerzo puede comprender las etapas de colocar al menos una capa de material de refuerzo sobre una primera parte de molde de un conjunto de molde, y conectar una segunda parte de molde del conjunto de molde con la primera parte de molde para formar la cavidad de molde que rodea al material de refuerzo.
Por “sobre una primera parte de molde” quiere decirse preferiblemente que el refuerzo se coloca en la parte superior de una primera parte de molde dispuesta de forma sustancialmente horizontal. Sin embargo, si la invencion se aplica a partes de molde dispuestas de forma sustancialmente vertical, “sobre” pretende indicar una colocacion adyacente o junto a la parte de molde.
La segunda parte de molde puede ser o bien ngida o bien flexible. Con una parte de molde ngida puede ser mas facil garantizar que se obtienen las dimensiones externas deseadas del elemento de material compuesto. Por otro lado, una segunda parte de molde flexible, tal como una lamina de plastico, puede ser mas barata y mas facil de manejar.
En realizaciones preferidas de la invencion, la etapa de transferir las resinas dentro del material de refuerzo puede comprender el uso de una tecnica de infusion de resina asistida por vado. Por el presente documento puede obtenerse que el elemento de material compuesto terminado no contenga ninguna cantidad significativa de aire atrapado que de lo contrario constituina debilidades mecanicas en el material y menos control sobre las propiedades. Alternativamente o en combinacion con lo mismo, las resinas pueden conducirse a la cavidad de molde a presion.
El material de refuerzo puede comprender preferiblemente capas de fibras. En algunas realizaciones de la invencion, el refuerzo comprende capas de diferentes fibras y/o transiciones entre diferentes fibras. Tales fibras seran normalmente esteras de fibras de por ejemplo vidrio, carbono, aramida, basalto o termoplastico en las cuales las fibras estan dispuestas o bien unidireccionalmente o bien en angulo las unas con respecto a las otras; las fibras pueden tambien estar entrelazadas. El material de refuerzo puede por ejemplo tener tambien una extension espacial, ser material alveolado o madera, y puede usarse en vez de o en combinacion con esteras de fibras. Por “diferente” quiere decirse preferiblemente materiales de fibras diferentes, tales como por ejemplo fibras de vidrio y de carbono. Por “transiciones” quiere decirse preferiblemente que se evita un cambio brusco de un tipo de fibra a otro. Por el presente documento el riesgo de concentraciones de tension debido a cambios bruscos en las propiedades elasticas puede reducirse o eliminarse. Pueden usarse dos tipos de fibras en combinacion con dos resinas de forma que se usa un primer tipo de fibra en la primera region de la cavidad de molde y el segundo tipo de fibras se usa en la segunda region de la cavidad de molde.
Las diferencias en las propiedades mecanicas pueden deberse a aditivos anadidos a al menos la primera resina. La primera resina puede corresponder por ejemplo a la segunda resina excepto por los aditivos. Usando el mismo tipo de resina, puede ser mas facil garantizar un buen mezclado en la tercera region. Sin embargo, eso puede ser posible tambien con dos tipos diferentes de resina.
En algunas realizaciones, el al menos un aditivo puede seleccionarse de: dioxido de silicio, dioxido de titanio, sulfato de bario y nanotubos de carbono. Un tamano caractenstico, tal como un diametro promedio o una longitud promedio, del al menos un aditivo puede estar en el intervalo de 1 a 500 nm, tal como de 1 a 10 nm, de 10 a 50 nm, de 50 a 100 nm, de 100 a 300 nm o de 300 a 500 nm. Tales aditivos pueden usarse para mejorar las propiedades mecanicas, tales como la tenacidad a la fractura, la resistencia a la fatiga y la rigidez del material. Esto es particularmente relevante en areas altamente cargadas o en areas ricas en resina de un elemento estructural. El tamano de las partfculas se elige normalmente para que sea tan pequeno que las partfculas no bloqueen las aberturas entre el refuerzo y para que se garantice una distribucion uniforme entre el refuerzo.
Alternativamente o en combinacion con lo mismo, la primera resina puede estar modificada con caucho. Puede ser por ejemplo una version modificada con caucho de la segunda resina. Esto puede dar como resultado propiedades mecanicas mejoradas particularmente con respecto a la fractura, fatiga y amortiguacion de vibraciones. La resina modificada con caucho podna ser por ejemplo epoxi de tipo ATBN (copolfmero de butadieno-acrilonitrilo terminado en amina) o de tipo CBTN (copolfmero de butadieno-acrilonitrilo terminado en carboxilo).
Las resinas pueden seleccionarse de: epoxi, poliester y ester vimlico. Sin embargo, cualquier tipo de material de resina usado para fabricar elementos de material esta cubierto por el alcance de la presente invencion.
La primera resina puede usarse para un extremo de rafz de la pala de turbina eolica o parte de pala de turbina eolica. Por el presente documento el extremo de rafz de la pala puede optimizarse con respecto a, por ejemplo, la tenacidad a la fractura y la velocidad de propagacion de la grieta baja sin provocar un aumento innecesario en el precio de la pala. En una realizacion preferida de la invencion la primera resina tiene una resistencia a la fatiga mas alta que la segunda resina.
Breve descripcion de las figuras
El metodo de fabricacion de un elemento de material compuesto de polfmero segun la invencion se describira ahora en mas detalle con respecto a las figuras adjuntas. Las figuras muestran una manera de implementar la presente invencion y no deben interpretarse como que limitan otras realizaciones posibles que entran dentro del alcance del conjunto de reivindicaciones adjuntas.
La figura 1 muestra esquematicamente una vista en seccion transversal de un conjunto de molde conocido, la figura 2 muestra esquematicamente una vista en seccion transversal de un conjunto de molde usado en un metodo segun la presente invencion,
la figura 3 muestra esquematicamente dos resinas que fluyen una hacia la otra dentro de una cavidad de molde, y la figura 4 muestra esquematicamente un posible uso de la presente invencion para la fabricacion de una pala de turbina eolica. La figura muestra una segunda parte de molde que tiene entradas para los dos tipos de resinas. Descripcion detallada de una realizacion
La figura 1 muestra esquematicamente un conjunto de molde conocido 1 usado para fabricar un elemento de material compuesto de fibras mediante el uso de una tecnica de moldeo por transferencia de resina. El conjunto de molde 1 comprende una primera parte de molde 2 y una segunda parte de molde 3 que se trata normalmente con un agente de liberacion y posiblemente tambien una capa de recubrimiento antes de su uso. En esta y las siguientes figuras, ambas partes de molde 2, 3 se ilustran como elementos ngidos, pero la segunda parte de molde 3 puede tambien ser flexible, tal como una lamina de plastico que se sujeta a la primera parte de molde 2 mediante el uso de cinta selladora. Las capas de fibras 4, normalmente en forma de esteras, y posiblemente una cubierta provisional (no mostrada) se colocan sobre la primera parte de molde 2, y la segunda parte de molde 3 se coloca encima de la misma. La resina se conduce a la cavidad de molde 5 por medio de una entrada de resina 6, tambien denominada orificio de infusion de resina, y dentro de las fibras 4. La preparacion de la resina no se incluye en las figuras, pero un experto en la tecnica conocera bien como llevar a cabo esta parte del procedimiento. El flujo de resina a traves de la cavidad de molde 5 se asiste normalmente por vado que se usa tambien para extraer aire de la cavidad de molde 5 por medio de un orificio de vado 7 antes de que se suministre la resina. Cuando se ha evacuado sustancialmente todo el aire de la cavidad de molde 5, se suministra resina por medio de una entrada de resina 6 y se hace fluir a lo largo de la cavidad de molde 5 mientras que se llenan los espacios vados entre las fibras 4. En la realizacion ilustrada, se muestran la entrada de resina 6 y el orificio de vado 7 segun se disponen en la primera parte de molde 2. Pueden disponerse alternativamente en la segunda parte de molde 3 que es normalmente el caso cuando se usa una lamina de plastico flexible. Cuando se ha anadido la cantidad de resina apropiada, se deja que el elemento cure la resina. Esta etapa comprende normalmente la aplicacion de calor durante un periodo de tiempo predeterminado. En un metodo de fabricacion segun la presente invencion, se usan al menos dos resinas en vez de una. La siguiente descripcion se centrara en el uso de dos resinas, pero el uso de tres o mas resinas tambien es posible dentro del alcance de la invencion. La figura 2 ilustra esquematicamente un conjunto de molde 1 con una entrada de resina 6a, 6b en cada extremo; las entradas pueden disponerse tambien en otras posiciones. Se conduce una primera resina dentro de la cavidad de molde 5 por medio de una primera entrada de resina 6a, y se conduce una segunda resina dentro de la cavidad de molde 5 por medio de una segunda entrada de resina 6b. Como para la figura 1, el flujo de resina puede asistirse por vado, y en este caso el orificio de vado 7 se coloca en la region donde se encuentran las dos resinas. Tal como se muestra esquematicamente en la figura 3, la primera resina rellenara una primera region 5a de la cavidad de molde, la segunda resina rellenara una segunda region 5b de la cavidad, y una mezcla de las resinas se establecera en una tercera region 5c de la cavidad de molde. El tamano de la tercera region 5c dependera de varios parametros incluyendo las velocidades de flujo, las viscosidades y la geometna de la cavidad de molde.
La presente invencion es por ejemplo ventajosa para elementos estructurales que soportan una carga significativamente mas alta en algunas regiones del elemento que en otras. Este es por ejemplo el caso de palas de turbinas eolicas donde los momentos de flexion y las fuerzas son maximas en el extremo de la rafz de la pala. Otra aplicacion de palas de turbina eolica ventajosa es para areas ricas en resina alrededor de los insertos de la rafz. Sin embargo, la invencion puede usarse tambien para fabricar elementos con variaciones en otros parametros, tales como densidad o color, en diferentes regiones. La figura 4 muestra esquematicamente una posible disposicion de las entradas de resina 6a, 6b en una segunda parte de molde 3 usada para fabricar una pala de turbina eolica para lo cual se usa una primera resina para el extremo de la rafz y se usa otra segunda resina, normalmente mas barata, para el resto de la pala. Debido al gran tamano de tales palas, las resinas se conducen normalmente desde las entradas 6a, 6b dentro de los canales 8a, 8b en la segunda parte de molde 3. La resistencia al flujo es mucho menor en los canales 8a, 8b que entre las fibras de refuerzo, y los canales 8a, 8b garantizan por tanto que la resina se distribuya por toda la cavidad de molde.
La primera resina puede ser por ejemplo del mismo tipo que la segunda resina pero modificada con aditivos para obtener mejores propiedades mecanicas, tales como mayor tenacidad a la fractura, rigidez o resistencia a la fatiga. Tales propiedades mejoradas pueden obtenerse por ejemplo anadiendo nanopartfculas en forma de dioxido de silicio, dioxido de titanio, sulfato de bario o nanotubos de carbono. Puede obtenerse tambien mediante el uso de una resina modificada con caucho. En principio podna usarse un material de resina mejorado para toda la pala, pero eso sena demasiado caro. Una alternativa podna ser ensamblar la pala a partir de mas partes fabricadas cada una con una resina, pero eso dana como resultado un procedimiento de fabricacion mas complicado incluyendo el ensamblaje. Ademas, la fabricacion en un procedimiento de moldeo da como resultado una transicion mas suave entre la primera y la segunda region, lo que puede disminuir el riesgo de concentraciones de tension debido a cambios en las propiedades elasticas.
Aunque la presente invencion se ha descrito en relacion con las realizaciones especificadas, no debe interpretarse que este limitada de ninguna manera a los ejemplos presentados. El alcance de la presente invencion se presenta mediante el conjunto de reivindicaciones adjuntas.
Por ejemplo, la descripcion menciona el uso de un material de resina y una version modificada del mismo. Sin embargo, tambien esta cubierto por la presente invencion usar una resina modificada de dos maneras diferentes, tales como mediante adicion de nanotubos de carbono y caucho respectivamente, o usar dos o mas resinas significativamente diferentes, tales como poliester como primera resina y ester vimlico como segunda resina.
En el contexto de las reivindicaciones, los terminos “que comprende” o “comprende” no excluyen otros posibles elementos o etapas. Ademas, la mencion de referencias tales como “un” o “una” etc. no debe interpretarse que excluye una pluralidad. El uso de signos de referencia en las reivindicaciones con respecto a elementos indicados en las figuras no se interpretara como que limita el alcance de la invencion. Ademas, caractensticas individuales mencionadas en reivindicaciones diferentes, posiblemente pueden combinarse ventajosamente, y la mencion de estas caractensticas en diferentes reivindicaciones no excluye que una combinacion de caractensticas no sea posible y ventajosa.
Por ejemplo la descripcion menciona el uso de un material de resina y una version modificada del mismo. Sin embargo tambien esta cubierto por la presente invencion usar una resina modificada de dos maneras diferentes, tales como mediante adicion de nanotubos de carbono y caucho respectivamente, o usar dos o mas resinas significativamente diferentes, tales como poliester como primera resina y ester vimlico como segunda resina.
En el contexto de las reivindicaciones, los terminos “que comprende” o “comprende” no excluyen otros posibles elementos o etapas. Ademas, la mencion de referencias tales como “un” o “una” etc. no debe interpretarse que excluye una pluralidad. El uso de signos de referencia en las reivindicaciones con respecto a elementos indicados en las figuras no se interpretara como que limita el alcance de la invencion. Ademas, caractensticas individuales mencionadas en reivindicaciones diferentes, posiblemente pueden combinarse ventajosamente, y la mencion de estas caractensticas en diferentes reivindicaciones no excluye que una combinacion de caractensticas no sea posible y ventajosa.

Claims (7)

REIVINDICACIONES
1. Metodo de fabricacion de un elemento de material compuesto de poUmero que comprende una pala de turbina eolica o una parte de una pala de turbina eolica mediante una tecnica de infusion de resina, comprendiendo el metodo las etapas de
- proporcionar una cavidad de molde (5) en la que se dispone un material de refuerzo (4), teniendo la cavidad de molde al menos un primera entrada de resina (6a) para una primera resina y al menos una segunda entrada de resina (6b) para una segunda resina, teniendo las resinas primera y segunda propiedades mecanicas diferentes despues del curado,
- conducir al mismo tiempo la primera resina dentro de una primera region (5a) de la cavidad de molde (5) por medio de la primera entrada (6a) y conducir la segunda resina dentro de una segunda region (5b) de la cavidad de molde por medio de la segunda entrada (6b),
- transferir las resinas dentro del material de refuerzo (4) de forma que las resinas se fusionan al menos parcialmente en una tercera region (5c) de la cavidad de molde (5),
- curar las resinas, en el que
- las resinas primera y segunda tienen propiedades mecanicas diferentes despues del curado debido a los aditivos anadidos a al menos la primera resina, y/o
- la primera resina es una version modificada con caucho de la segunda resina, y/o
- la primera resina se selecciona de: epoxi, poliester o ester vimlico y la segunda resina es una resina diferente seleccionada de epoxi, poliester o ester vimlico.
2. Metodo segun la reivindicacion 1, en el que la etapa de transferir las resinas dentro del material de refuerzo (4) comprende el uso de una tecnica de infusion de resina asistida por vado.
3. Metodo segun la reivindicacion 1 o 2, en el que el material de refuerzo (4) comprende capas de diferentes fibras y/o transiciones entre diferentes fibras.
4. Metodo segun la reivindicacion 1, en el que el al menos un aditivo se selecciona de: dioxido de silicio, dioxido de titanio, sulfato de bario y nanotubos de carbono.
5. Metodo segun la reivindicacion 1, en el que un tamano caractenstico, tal como un diametro promedio o una longitud promedio, del al menos un aditivo esta en el intervalo de 1 a 500 nm, tal como de 1 a 10 nm, de 10 a 50 nm, de 50 a 100 nm, de 100 a 300 nm o de 300 a 500 nm.
6. Metodo segun la reivindicacion 1, en el que la primera resina se usa para un extremo de rafz de la pala de turbina eolica o parte de pala de turbina eolica.
7. Metodo segun la reivindicacion 6, en el que la primera resina tiene una resistencia a la fatiga mas alta que la segunda resina.
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