ES2954380T3 - Preforma conformada para la parte de los radios de una rueda de material compuesto - Google Patents

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Abstract

Un componente de preforma conformada (200A) para una porción de radio (108A) de una rueda compuesta (100), comprendiendo la preforma conformada (200A): un cuerpo alargado (215) configurado para ubicarse en un radio (108) de una rueda compuesta (100), en el que el componente de preforma conformado (200A) está formado a partir de un material de fibra compuesto curado que tiene una compresibilidad de < 2 % volumétrico en condiciones de moldeo de 50 bar de presión hidrostática y una temperatura de 60 a 150 °C, y en el que la densidad del material de fibra compuesto curado se selecciona para formar una masa de contrapeso para una adición de masa (300) a la rueda compuesta (100). (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Preforma conformada para la parte de los radios de una rueda de material compuesto
REFERENCIA CRUZADA
La presente solicitud reivindica la prioridad de la solicitud de patente provisional australiana N° 2017903324 presentada el 18 de agosto de 2017.
CAMPO TÉCNICO
La presente invención se refiere de forma general a una preforma conformada para su uso en la producción de la parte de los radios de una rueda de material compuesto. La invención es particularmente aplicable a ruedas de fibra de carbono compuesta para vehículos y/o aviones y será conveniente a continuación describir la invención en relación con esta aplicación ejemplar. Sin embargo, debe apreciarse que la invención no se limita a esta aplicación y podría utilizarse como ayuda en la producción de una gran variedad de ruedas de tipo de material compuesto.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
La siguiente discusión de los antecedentes de la invención pretende facilitar la comprensión de la invención. Sin embargo, se debe tener en cuenta que la discusión no es un reconocimiento o admisión de que cualquier material al que se hace referencia haya sido publicado, conocido o parte del conocimiento general común en la fecha de prioridad de la solicitud.
Los sistemas de control de la presión de los neumáticos (SCPN) permiten controlar en tiempo real la presión del aire en los neumáticos que están montados en la rueda de un vehículo. Los sistemas SCPN incluyen una válvula SCPN montada en la rueda del vehículo. Sin embargo, la adición de una válvula SCPN a una rueda puede crear un desequilibrio de masa estática en el conjunto de la rueda debido a la masa desequilibrada adicional que la válvula puede añadir a un lado de la rueda.
Este desequilibrio se puede abordar mediante la adición de adhesivos o contrapesos fijados mecánicamente a la rueda (generalmente alrededor de la llanta de la rueda) o mediante la eliminación selectiva de material en ruedas hechas de materiales isotrópicos, por ejemplo ruedas de metal o de aleación metálica, en ubicaciones en esa rueda que equilibre la adición de masa. Sin embargo, el uso de contrapesos en las ruedas puede alterar la estética visual requerida para ciertas configuraciones de ruedas. Además, equilibrar las ruedas mediante la eliminación de material no es una solución viable para las ruedas de material compuesto, como las ruedas de fibra de carbono, ya que la eliminación de material puede dañar la integridad estructural de la rueda de material compuesto.
Por lo tanto, sería deseable proporcionar una nueva disposición de equilibrio y/o contrapeso para ruedas de material compuesto que pueda configurarse para contrarrestar cualquier adición de masa desequilibrada hecha a una rueda de material compuesto. El documento US2013026816 (A1) describe una rueda de automóvil de metal reforzado con polímeros que comprende un buje coaxial y una llanta, manteniéndose el buje y la llanta en una relación separada radialmente por varios radios alargados, cada uno de los cuales tiene una longitud común, estando los radios desplazados angularmente uno del otro y estando unidos en un primer extremo al buje de la rueda y en un segundo extremo a la llanta de la rueda, teniendo los radios un refuerzo de polímero reforzado unido al radio en esencialmente toda la longitud del radio para aumentar la rigidez del radio.
SUMARIO DE LA INVENCIÓN
La presente invención proporciona un inserto de forma preformada para encajar en el laminado de fibra de la parte de los radios (que forma parte de la parte frontal) de una rueda de material compuesto, preferiblemente una rueda de fibra de carbono para un vehículo.
La presente invención proporciona en un primer aspecto, una rueda de material compuesto que comprende una parte de los radios, un componente de preforma conformada para una parte de los radios de una rueda de material compuesto y una adición de masa, donde la preforma conformada comprende:
un cuerpo alargado configurado para estar ubicado en un radio de una rueda de material compuesto,
en el que el componente de preforma conformada se forma a partir de un material de fibra compuesta curado que tiene una compresibilidad de < 2% volumétrico en condiciones de moldeo a 50 bares de presión hidrostática y una temperatura de 60 a 200°C,
y en el que la densidad del material de fibra compuesta curado se selecciona para formar una masa de contrapeso para una adición de masa a la rueda de material compuesto.
En algunas realizaciones, la adición de masa comprende una adición de masa desequilibrada a la rueda, preferiblemente una adición de masa que no es de fibra de carbono ni de material compuesto. En realizaciones ejemplares, la adición de masa comprende una válvula, preferiblemente una válvula de control de la presión de los neumáticos.
Debe entenderse que el término "compuesto" en este documento indica cualquier tipo de material compuesto que comprende fibras, curado o sin curar, independientemente de que la estructura sea en capas o no. Además, las preformas y las preformas preconsolidadas curadas o sin curar son subgrupos importantes de materiales y cuerpos compuestos.
También debe entenderse que el término "curado" en la expresión "material de fibra compuesta curado" indica que el material de fibra compuesta ha sufrido al menos un procedimiento de curado parcial para endurecer, curar o fijar un material de matriz curable en el material de fibra compuesta.
Una rueda de material compuesto, por ejemplo, como se enseña en la publicación de patente internacional de la Solicitante N° WO 2014/165895A9, generalmente incluye dos secciones principales, una parte de la llanta y una parte frontal. La parte de la llanta comprende una estructura anular configurada para recibir y asentar un neumático. La parte frontal incluye un buje que se usa para fijar la rueda al vehículo, y una estructura de conexión de radios que incluye una serie de partes de los radios que se extiende entre el buje y la llanta y los interconecta. Las cargas laterales, verticales y de torsión se transmiten a través del neumático a la parte de la llanta de la rueda, que produce entonces esfuerzos de flexión y torsión en la estructura de conexión.
Las partes de los radios de las ruedas de material compuesto de la Solicitante han incorporado previamente un material de preforma de espuma conformada. Esta preforma conformada convencional se compone de un material de espuma isotrópico que está conformado como un cuerpo de espuma rígido o semirrígido. La densidad de una preforma de espuma de este tipo no puede modificarse fácilmente sin añadir insertos o porciones lastrados adicionales dentro o alrededor del material de espuma que lo comprende. Además, estas preformas de espuma son típicamente al menos semicompresibles y tienen una superficie que está formada a partir de materiales que tienen una compatibilidad limitada con el material compuesto circundante.
La presente invención proporciona una preforma conformada que se puede utilizar en un procedimiento de estratificación y moldeado para conformar una parte de los radios de una rueda de material compuesto que se puede conformar con una densidad adaptada. Por lo tanto, la masa de la preforma conformada puede diseñarse para adaptarse a los requisitos de masa de un radio o radios específicos en la rueda de material compuesto. Esta densidad adaptada se logra mediante la variación de la composición del material compuesto de la preforma (como se describe con más detalle a continuación), y más particularmente del material de relleno utilizado en la composición del material compuesto. A continuación, la composición de material compuesto se puede seleccionar para proporcionar una densidad y, por lo tanto, una masa adecuada para contrarrestar una adición de masa a la rueda de material compuesto que la comprende. Una aplicación particular es como contrapeso para una válvula SCPN instalada en la rueda de material compuesto.
La preforma conformada según la presente invención está destinada a formar un sustituto directo de los insertos de espuma convencionales utilizados en l estratificación de una parte de los radios de una rueda de material compuesto. Por lo tanto, no es necesario realizar consideraciones especiales en la fabricación de ruedas al usar este nuevo inserto, ya que se convierte en una sustitución directa del inserto de núcleo de espuma convencional en los procedimientos de fabricación de ruedas existentes (estratificación, moldeado, etc.).
El componente de preforma conformada puede ocupar cualquier cantidad del espacio de un radio de una rueda de material compuesto. En algunas realizaciones, el componente de preforma conformada está diseñado para ocupar todo el volumen. En otras realizaciones, el componente de preforma conformada puede ocupar una parte del volumen central de un radio. Cuando el componente de preforma conformada ocupa una parte del volumen del radio, se puede usar otra preforma, por ejemplo un componente de espuma, junto con la invención para llenar ese volumen.
El inserto de los radios está formado por un material compuesto para permitir un moldeado complejo y proporcionar una coincidencia con la composición del material compuesto de la rueda de material compuesto, dándole así a la preforma propiedades térmicas y de expansión similares a las del material compuesto estratificado circundante de la rueda de material compuesto. Además, el uso de material compuesto evita el uso de materiales metálicos, evitando así la distorsión de la imagen en la inspección por rayos X durante las pruebas de control de calidad de fabricación. Esta composición del material compuesto también brinda la capacidad de ajustar las propiedades mecánicas del inserto del radio para diferentes aplicaciones. Más particularmente, la densidad del inserto de radio puede ser variable mediante el ajuste del material de relleno para proporcionar la masa adecuada buscada para contrarrestar una adición de masa a la rueda de material compuesto de la que se pretende que forme parte la preforma conformada. Además, el inserto de los radios se adapta mejor a la estructura de los radios en términos de coeficiente de expansión térmica, por lo que ejerce menos tensión sobre el material compuesto cuando se calienta. El exceso de tensión puede conducir a la desunión de la preforma del material de fibra de carbono circundante.
La preforma conformada puede formarse a partir de cualquier número de materiales diferentes que incluyan o puedan unirse a un material de matriz curable, por ejemplo, una resina para formar el material de fibra compuesta curado. Nuevamente, la selección particular de materiales para la composición de la preforma conformada se realiza para proporcionar a la preforma conformada una densidad adaptada particular. Dependiendo de la aplicación, la densidad puede adaptarse para estar entre 0,3 y 3,0 g/cm3, preferiblemente entre 0,3 y 2,0 g/cm3, y más preferentemente de 0,4 a 1,8 g/cm3. En algunas realizaciones, la densidad de la preforma conformada es de 0,5 a 1,5 g/cm3. En algunas realizaciones, la densidad de la preforma conformada es de 0,4 a 1,2 g/cm3. En algunas realizaciones, la densidad de la preforma conformada es de 0,8 a 1,6 g/cm3. En algunas realizaciones, la densidad de la preforma conformada es de 0,4 a 1,5 g/cm3. En algunas realizaciones, la densidad de la preforma conformada es de 1,0 a 1,8 g/cm3. En algunas realizaciones, la densidad de la preforma conformada es de 0,4 a 1,0 g/cm3. La composición normalmente se selecciona de la siguiente manera:
En algunas realizaciones, la preforma conformada se forma a partir de resina (resina pura) o se forma sustancialmente solo a partir de resina.
En algunas realizaciones, la preforma conformada se forma a partir de al menos uno entre: capas o preformas de Colocación de Fibras a Medida; uno o más estratos de capas de dirección de fibra única (unidireccional); uno o más estratos de capas de fibra multidireccional (p. ej., tejido cosido sin ondulación); o preformas de colocación de parches de fibra (FPP, por sus iniciales en inglés: Fiber Patch Placement), p. ej., tecnología CEVOTECH.
En algunas realizaciones, la preforma conformada está formada por: al menos una capa de fibras no tejidas, isotrópicas o anisotrópicas, por ejemplo RECATEX® telas no tejidas de fibra de carbono recicladas; una disposición de fibras isotrópicas; una disposición de fibras ortotrópicas; rellenos; microesferas de vidrio, preferiblemente microesferas de vidrio huecas; microesferas de cerámica; sulfato de bario; sílice pirógena hidrofóbica; resina epoxi/endurecedor; resina fenólica; fibra de carbono molida; fibra de carbono triturada (por ejemplo, fibra de carbono troceada o cortada) o una combinación de las mismas.
En realizaciones preferidas, el componente de preforma conformada se forma a partir de al menos uno entre:
(i) una mezcla de resina, fibra de carbono molida y microesferas de vidrio huecas;
(ii) una mezcla de resina, fibra de carbono triturada y microesferas de vidrio huecas;
(iii) una mezcla de resina y microesferas de vidrio huecas;
(iv) una mezcla de resina y fibras de carbono molidas;
(v) una mezcla de resina y fibras de carbono trituradas;
(vi) una mezcla de resina, fibra de carbono molida y microesferas de cerámica sólidas;
(vii) una mezcla de resina, fibra de carbono triturada y microesferas de cerámica sólidas;
(viii) una mezcla de resina y microesferas de cerámica sólidas; o
(ix) esencialmente solo resina.
En realizaciones ejemplares, el componente de preforma conformada se forma a partir de al menos uno entre:
(x) una mezcla de resina, fibra de carbono molida y microesferas de vidrio huecas;
(xi) una mezcla de resina y microesferas de vidrio huecas;
(xii) una mezcla de resina y fibras de carbono molidas.
En las composiciones anteriores (i) a (xiii), la resina preferiblemente comprende una mezcla de resina y endurecedor de resina. Además, la composición puede incluir opcionalmente de 1 a 5% en peso, preferiblemente de 1 a 2% en peso de sílice pirógena hidrofóbica. En otras realizaciones, la composición puede incluir opcionalmente de 2 a 5% en peso, preferiblemente de 2 a 3% en peso de sílice pirógena hidrofóbica.
Debe apreciarse que podría usarse cualquier fibra de carbono molida adecuada. En algunas realizaciones, las fibras de carbono molidas tienen una longitud de <500 micras, preferiblemente menos de 100 micras. Por ejemplo, se podría utilizar una fibra de carbono molida de 100 micras de longitud como Carbiso™ MF. Sin embargo, debe apreciarse que cualquier marca de fibra de carbono molida podría ser adecuada. Podrían usarse otros tipos de fibra de longitud similar. En otras realizaciones, se puede utilizar una fibra de carbono triturada, por ejemplo, una fibra de carbono troceada. Esta fibra de carbono triturada puede tener una longitud inferior a 20 mm, preferentemente inferior a 15 mm, más preferentemente entre 1 y 15 mm. Por ejemplo, podría usarse una fibra de carbono triturada de aproximadamente 12 mm de longitud. Podrían usarse otros tipos de fibra de longitud similar.
El material preferido es una mezcla de resina mixta y endurecedor, microesferas de vidrio huecas, fibra de carbono molida y sílice pirógena hidrofóbica en la siguiente proporción de masas adecuada para compensar el desequilibrio propuesto en el conjunto de la rueda causado por la adición de masa. En algunas realizaciones, la proporción de mezcla en la composición (en partes en masa) puede ser:
Figure imgf000005_0001
La fibra de carbono triturada de la opción G preferiblemente comprende fibra de carbono troceada de 12 mm de longitud.
Cada una de las opciones anteriores (opciones A a G) puede incluir además de 1 a 5% en peso, preferiblemente de 1 a 2% en peso de sílice pirógena hidrofóbica.
Si bien las opciones anteriores (A a G) proporcionan ejemplos específicos de composiciones y densidades teóricas resultantes, sin embargo, debe apreciarse que otras proporciones de mezcla y materiales alternativos también pueden proporcionar una densidad adaptada deseada.
En una realización ejemplar, el componente de preforma conformada se forma a partir de un material que comprende una mezcla de proporciones (partes en masa) de 3,75:1:0,56 resina mixta:fibra de carbono molida:microesferas de vidrio huecas. En algunas realizaciones, la proporción (partes en masa) de resina mixta:fibra de carbono molida es de 2,5:1 a 5:1, preferiblemente entre 3:1 y 4:1. En algunas realizaciones, la proporción (partes en masa) de fibra de carbono molida:microesferas de vidrio huecas es de 1:0,4 a 1:0,7, preferentemente entre 1:0,5 y 1:0,6.
Se podría usar una variedad de microesferas de vidrio huecas adecuadas en la composición de la preforma conformada. Las microesferas de vidrio huecas comprenden preferiblemente esferas de vidrio huecas que tienen paredes delgadas. Las microesferas de vidrio huecas se pueden formar a partir de varios materiales de vidrio, que incluyen (pero sin limitarse a ellos) vidrio de borato silicato de cal y sosa. La temperatura de reblandecimiento de las microesferas de vidrio huecas es preferentemente de al menos 500°C, más preferentemente de al menos 600°C, aún más preferentemente de aproximadamente 600°C. Las microesferas de vidrio huecas tienen preferiblemente un tamaño de 10 a 200 micras, más preferiblemente de 18 a 65 micras. Además, las microesferas de vidrio huecas tienen preferiblemente una resistencia al aplastamiento objetivo (90% de supervivencia) de 250 a 28.000 psi (1,72 a 193,05 MPa), más preferiblemente de 250 a 6.000 psi (1,71 a 41,37 MPa) y aún más preferiblemente de 250 a 3.000 psi (1,72 a 20,68 MPa). Además, las microesferas de vidrio huecas tienen preferentemente una densidad real de 0,125 a 0,60 g/cm3, preferentemente de 0,125 a 0,4 g/ cm3, y aún más preferentemente de 0,125 a 0,28 g/ cm3. En una realización ejemplar, las microesferas de vidrio huecas comprenden burbujas de vidrio 3M S28HS (disponibles de 3M Advanced Material Division) que tienen un diámetro promedio de 30 micras y una resistencia al aplastamiento (90% de supervivencia en volumen) de 3.000 psi (20,68 MPa) y una densidad real de 0,28 gramos por cm3. Sin embargo, debe apreciarse que también podrían usarse otras microesferas similares. Por ejemplo, se pueden usar microesferas huecas alternativas como la burbuja 3M K1 que tiene una fuerza de aplastamiento objetivo de 250 psi (1,71 MPa) y una densidad real de 0,125 gramos por cm3) o 3M IM30K (o similar) que tiene una fuerza de aplastamiento de 28.000 psi (193,05 MPA) y una densidad real de 0,60 g/ cm3.
Cuando se utilizan materiales a base de fibra, la preforma conformada puede estar formada por al menos una entre las siguientes: capas de fibra, estratos de fibra, telas tejidas o no tejidas preimpregnadas o semiimpregnadas , esteras, preformas, preformas preconsolidadas, fibras individuales o grupos de fibras, estopas o estopas impregnadas.
Debe entenderse que el preimpregnado se refiere a una colección esencial o totalmente impregnada de fibras, estopas de fibra, tela tejida o no tejida o similar. De manera similar, debe entenderse que semiimpregnado se refiere a una colección de fibras o estopas de fibras parcialmente impregnadas. La impregnación parcial proporciona una eliminación mejorada del gas a través o a lo largo de las fibras secas durante la consolidación y/o el curado. Un ejemplo de semiimpregnación es una capa de fibras parcialmente impregnada.
Debe entenderse que las telas tejidas y no tejidas son colecciones de fibras individuales o estopas de fibra que están sustancialmente secas, es decir, no impregnadas por un material de matriz, tal como resina. También debe entenderse que las estopas de fibra son haces de un gran número de fibras individuales, por ejemplo, 1.000, 10.000 ó 100.000 fibras. Las estopas impregnadas son estopas de fibras impregnadas al menos parcialmente.
Se puede usar una amplia variedad de fibras en la presente invención, incluyendo, pero sin limitarse a ellas, fibras seleccionadas entre el grupo que consiste en fibras de carbono, fibras de vidrio, fibras de aramida, fibras sintéticas, como fibras acrílicas, de poliéster, PAN, PET, PE, PP o PBO o similares, biofibras como fibras de cáñamo, yute, celulosa o similares, fibras minerales, por ejemplo, lana de roca o similares, fibras metálicas, por ejemplo, de acero, aluminio, latón, cobre o similares, fibras de boro o cualquier combinación de estos. En una realización preferida, las fibras comprenden fibras de carbono. Las fibras se pueden proporcionar en cualquier orientación deseable en la zona de transición como, por ejemplo, unidireccional, biaxial o aleatoria o una combinación de estas. Sin embargo, las fibras se orientan preferentemente para reducir la tensión entre los elementos de material compuesto así como para fortalecer las áreas de la estructura final que estarán expuestas a una mayor tensión durante el servicio. La orientación de las fibras puede o no ser la misma en todas las capas que comprenden fibras dentro de la zona de transición. Por ejemplo, una o más capas de fibras pueden orientarse de manera diferente a otras capas, si un análisis de tensión sugiere una orientación de fibra multiaxial. Sin embargo, en otras realizaciones, las fibras pueden orientarse sustancialmente de la misma manera en todas las capas de fibras.
Debe apreciarse que el componente de preforma conformada debe estar formado por un material que asegure un cambio volumétrico mínimo cuando se usa para formar la parte frontal de una rueda de material compuesto. Cuando ese material comprende disposiciones de fibras (por ejemplo, disposiciones de fibras isotrópicas), capas de fibras, estratos de fibras, productos preimpregnados, productos semiimpregnados, telas tejidas o no tejidas, esteras, preformas, preformas preconsolidadas, fibras individuales o grupos de fibras, estopas, o estopas impregnadas, ese material se procesa preferiblemente para proporcionar las propiedades de compresibilidad requeridas y, por lo tanto, un cambio volumétrico mínimo en las etapas de procesamiento posteriores.
El material de fibra compuesta curado proporciona rigidez estructural y/o solidez a la preforma, lo que se puede utilizar para retener la configuración diseñada de esa preforma en la conformación y forma de la rueda de material compuesto total. La preforma conformada se diseña para tener una compresibilidad limitada para permitir la provisión de un volumen apropiado y un cambio de volumen mínimo durante la estratificación y el moldeado de la parte frontal de la rueda de material compuesto. El uso de la preforma conformada de la presente invención en la estratificación de una parte de los radios de una rueda de material compuesto, por lo tanto, minimiza, y más preferiblemente evita, los cambios dimensionales y de volumen indeseables que podrían dañar la estructura de la rueda de material compuesto moldeado. Debe tenerse en cuenta que la compresibilidad de la preforma conformada es una medida volumétrica en porcentaje en condiciones de moldeo de 50 bares de presión hidrostática (por ejemplo, durante la inyección de resina) y un rango de temperatura del procedimiento de 60 a 200°C durante un procedimiento de moldeo de resina, como un procedimiento de moldeo por transferencia de resina (MTR).
La temperatura del procedimiento durante las condiciones de moldeo puede variar según la temperatura preferida de inyección y curado. La temperatura del procedimiento preferida es de aproximadamente 120°C (típicamente 120°C /-3°C). Sin embargo, la temperatura del procedimiento puede estar en el intervalo de 60 a 180°C, preferentemente de 60 a 150°C, más preferentemente de 60 a 140°C. En algunas realizaciones, la temperatura del procedimiento es de 100 a 200°C, preferentemente de 100 a 150°C, más preferentemente de 100 a 130°C. En realizaciones, la temperatura del procedimiento es de 110 a 150°C, preferiblemente de 110 a 130°C.
Las propiedades mecánicas de la preforma conformada de la presente invención se pueden adaptar a una aplicación deseada. Como se indicó anteriormente, la compresibilidad del cuerpo de fibra compuesta debe ser <2% volumétrico en condiciones de moldeo de 50 bares de presión hidrostática. En algunas realizaciones, la compresibilidad de la preforma conformada es <1,5%, preferentemente <1% volumétrico en condiciones de moldeo de 50 bares de presión hidrostática. La temperatura del procedimiento de las condiciones de moldeo es la misma que se indicó anteriormente.
Otras propiedades mecánicas de la preforma conformada de interés incluyen:
• Resistencia a la tracción - que está preferentemente entre 20 y 80 MPa, más preferentemente entre 20 y 60 MPa; y
• Rigidez - que es preferentemente de 1,5 a 30 GPa, preferentemente de 5 a 30 GPa, más preferentemente de 8 a 30 GPa, aún más preferentemente de 10 a 25 GPa. En algunas realizaciones, la rigidez es de 1,5 a 10 GPa. En otras realizaciones, la rigidez es de 8 a 25 GPa. En algunas realizaciones, la rigidez es de 2 a 30 GPa, preferiblemente de 10 a 25 GPa.
La superficie de la preforma conformada tiene preferiblemente una superficie rugosa que tiene una rugosidad de al menos Ra = 0,2 pm. Esta rugosidad de la superficie ayuda a la preforma conformada a unirse con el material circundante de la parte del buje de una rueda de material compuesto cuando se coloca en la capa de fibras de esa parte del buje. La superficie rugosa se puede formar por cualquier medio adecuado. En algunas realizaciones, la superficie rugosa comprende una superficie atacada químicamente, una superficie desgastada mecánicamente o una superficie especialmente texturizada.
Las propiedades de expansión térmica de la preforma conformada se diseñan preferiblemente para que sean similares, preferiblemente coincidan sustancialmente con las propiedades de expansión térmica del material compuesto total de la parte frontal de una rueda de material compuesto en la que la preforma conformada está configurada para incluirse. Las propiedades de expansión térmica similares o sustancialmente coincidentes de la preforma conformada y el material circundante (típicamente un laminado) evitan daños materiales tales como la deslaminación en la superficie de la preforma conformada durante un procedimiento de postcurado. Por lo tanto, las características térmicas (y las propiedades mecánicas) de la preforma conformada coinciden con la estructura de la rueda circundante.
El método de formación de la preforma conformada normalmente implica las siguientes etapas generales:
estratificar o formar de otro modo la forma deseada de la preforma conformada con el material de fibra de material compuesto seleccionado en un molde conformado de forma cooperativa;
proporcionar un material de matriz en contacto con el material estratificado en el molde para formar un cuerpo introducido de material de matriz y
curar el cuerpo introducido de matriz.
El material estratificado normalmente se infunde con el material de la matriz de modo que el material de la matriz penetre a través del material. Por lo tanto, la preforma conformada normalmente comprende además un material de matriz curable que envuelve los componentes que comprenden la preforma conformada. Una vez moldeada y conformada como preforma conformada, la preforma conformada incluye un material de matriz que une las fibras y otros materiales que la componen entre sí. Durante la estratificación (preparación hasta el punto antes de la consolidación y/o el fraguado, curado o similar del material de la matriz), no es necesario que el material de la matriz esté incluido en las capas que incluyen las fibras (por ejemplo, un preimpregnado o un semiiimpregnado) o entre las capas que comprenden las fibras. Sin embargo, el material de la matriz debe formar una matriz continua después de que se produzca el fraguado. El material de matriz adecuado se puede seleccionar entre (pero sin limitarse a ellos) una resina basada en un poliéster insaturado, poliuretano, éster de polivinilo o epoxi, que permiten el moldeo de una preforma conformada con una geometría compleja.
Debe apreciarse que la etapa de curado puede controlarse para proporcionar las propiedades mecánicas deseadas, incluidas la rigidez y la compresibilidad. Las propiedades mecánicas de la preforma conformada se pueden diseñar para adaptarse a una aplicación particular. Estas propiedades se pueden variar mediante la selección de los materiales constituyentes que forman la preforma conformada, el material de matriz, la cantidad de material de matriz inyectada o incluida en la misma y el régimen de curado (tiempo de curado, temperatura, si el cuerpo está completamente curado). En algunos casos, es deseable detener el procedimiento de curado antes de que la preforma conformada esté completamente curada, para producir propiedades superficiales que ayuden a la adherencia del material estratificado subsiguiente cuando se usa en la estratificación de la parte frontal de una rueda de material compuesto.
Ventajosamente, la superficie de la preforma conformada está preferentemente diseñada para adherirse al resto de material y estructura utilizadas para formar la rueda de material compuesto. En algunas realizaciones, la superficie de la preforma conformada está configurada para ayudar a la adherencia de la fibra de carbono o del material que incluye fibra de carbono sobre la misma. Como se ha descrito anteriormente, la superficie de la preforma conformada tiene preferiblemente una superficie rugosa que tiene una rugosidad de al menos Ra = 0,2 pm. La superficie rugosa se puede formar por cualquier medio adecuado. En algunas realizaciones, la superficie rugosa comprende una superficie atacada químicamente, una superficie desgastada mecánicamente o una superficie con características mecánicas.
Las propiedades superficiales de la preforma conformada pueden modificarse alterando las propiedades y el régimen de curado de la preforma conformada. En algunas realizaciones, la preforma conformada comprende una preforma incompletamente curada o subcurada. Sin embargo, de nuevo se debe tener en cuenta que la preforma conformada se cura y se procesa de otro modo para proporcionar una compresibilidad seleccionada que proporciona un cambio volumétrico mínimo en las etapas de procesamiento subsiguientes de estratificación y moldeado de las fibras. El material de relleno y la resina son preferiblemente inyectables en un molde antes del curado.
La preforma conformada normalmente se conforma con una forma y geometría diseñadas que proporcionan una base para conformar la geometría (en algunos casos, geometría compleja) de la parte de los radios de la rueda de material compuesto requerida. Un radio o la parte de los radios de una rueda de material compuesto generalmente se extiende a lo largo de una línea central que se extiende radialmente desde un eje central de la rueda de material compuesto. La preforma conformada sigue esa forma y típicamente forma un cuerpo alargado que está configurado para extenderse a lo largo de una línea central que se extiende radialmente desde un eje central de la rueda de material compuesto.
La parte de los radios de una rueda de material compuesto puede tener cualquier configuración adecuada. En algunas realizaciones, la parte de los radios comprende un cuerpo en forma de caja generalmente paralelepipédica o rectangular. Ese cuerpo incluye preferiblemente al menos dos brazos que se extienden lateralmente hacia afuera de un extremo del cuerpo alargado, teniendo preferiblemente una cara plana configurada para complementar los contornos y la forma de las superficies próximas o contiguas de la parte del buje de la rueda de material compuesto que lo comprende. Ese cuerpo también incluye preferiblemente al menos un extremo en forma de L que extiende axialmente hacia afuera de un extremo del cuerpo alargado, teniendo preferiblemente una cara plana configurada para complementar los contornos y la forma de las superficies próximas o contiguas de la parte de la llanta de la rueda de material compuesto que lo comprende.
La preforma conformada puede incluir, además, una serie de características diseñadas para ayudar a la posterior conformación y estratificación de una parte frontal de una rueda de material compuesto. Estas características incluyen (pero sin limitarse a ellas):
conformaciones de retención de los estratos de fibra;
líneas de guía para indicar visualmente la ubicación en la que deben ubicarse los bordes de un estrato; o
conformaciones de sujeción/manipulación para optimizar la manipulación de la preforma conformada.
La presente invención proporciona en un segundo aspecto, un método para conformar una rueda de fibra compuesta, que comprende:
ubicar un componente de preforma conformada en la parte de los radios de la estratificación de fibras de una parte frontal de una rueda de material compuesto en una posición adecuada para equilibrar una adición de masa alrededor del eje central de la parte frontal de la rueda de material compuesto; y
estratificar los elementos de fibra compuesta alrededor de la preforma conformada formando así una estructura premoldeada de la parte de los radios de una rueda de fibra compuesta.
La preforma conformada se puede colocar en una o más partes de los radios de la parte frontal estratificada de una fibra de material compuesto en cualquier posición adecuada para equilibrar la adición de masa alrededor del eje central de la parte frontal de la rueda de material compuesto. Típicamente, esta ubicación estaría en una ubicación generalmente opuesta radialmente a la ubicación de la adición de masa. Sin embargo, en algunas realizaciones, la preforma conformada puede estar diseñada para colocarse en el mismo lado, en línea con la adición de masa alrededor del eje central. Por ejemplo, cuando esa adición de masa comprende una válvula, tal como una válvula SCPN, la preforma conformada se ubica en partes de los radios ubicadas generalmente opuestas radialmente a la ubicación de la válvula en la rueda de material compuesto.
La preforma conformada, las fibras y los elementos de fibra del laminado de fibras de la parte frontal se inyectan y/o se impregnan preferiblemente con material de matriz y luego se curan, se fraguan o similar. Por lo tanto, la parte frontal comprende además preferiblemente un material de matriz que envuelve el laminado de fibra y que comprende fibras y elementos de fibra. Puede usarse cualquier material de matriz adecuado. En algunas realizaciones, se usa una resina. La resina se basa preferentemente en un poliéster insaturado, poliuretano, éster de polivinilo, epoxi, termoplásticos, compuestos químicos similares o combinaciones de los mismos. En una realización preferida, la resina es con base de epoxi. En otras realizaciones, el material de matriz comprende una matriz metálica, que forma una matriz metálica de material compuesto con las fibras cuando se fragua. El material de la matriz metálica se selecciona preferiblemente entre el aluminio, magnesio, titanio, hierro y combinaciones, aleaciones y mezclas de los mismos. Una vez moldeada y conformada en una rueda de material compuesto, la parte frontal comprende un material de matriz, como resina, metal y fibras.
El laminado de fibras de la parte frontal se inyecta y/o se impregna preferiblemente con un material de matriz curable y luego se cura y/o se fragua. Por lo tanto, el método preferiblemente incluye además las etapas de:
proporcionar un material de matriz en contacto con la estructura premoldeada de la parte frontal; y
curar la parte frontal.
La superficie de la preforma conformada se activa preferiblemente para permitir que se una con el material circundante cuando se inyecta/impregna el material de matriz. La activación es típicamente un procedimiento de marcado de la superficie, por ejemplo, podría lograrse mediante ataque químico, abrasión mecánica o similar.
La preforma conformada preferiblemente se conforma integralmente con la rueda de material compuesto. Además, la rueda de material compuesto se conforma preferiblemente como un cuerpo unitario. Esto normalmente implica la inyección y/o impregnación simultánea del material de matriz y luego el curado, fraguado o similar de cada parte de la rueda de material compuesto. En tales realizaciones, cada una de la parte de la llanta y la parte frontal están preferiblemente al menos parcialmente sin curar en el momento en que se prepara la conexión. La parte de la conexión preferiblemente está conformada integralmente con la rueda de material compuesto. En tales realizaciones, el método incluye además las etapas de:
proporcionar al mismo tiempo un material de matriz en contacto con la parte de la llanta y la parte frontal de la rueda; y
curar conjuntamente la parte de la llanta y la parte frontal de la rueda.
Debe apreciarse que el curado del material de matriz y la parte asociada tal como la parte frontal, la parte de la llanta, la rueda de material compuesto unitaria o similar abarca procedimientos de curado, fraguado, secado o similares.
Cuando el material de matriz comprende una resina, se puede usar una variedad de sistemas de suministro de resina con el método del segundo aspecto. En algunas realizaciones, al menos una parte de la resina se proporciona mediante infusión de resina y/o moldeo por transferencia de resina y/o moldeo por transferencia de resina asistido por vacío.
Las fibras y los elementos de fibra del laminado de fibra de la porción frontal de la rueda de material compuesto comprenden preferiblemente fibras de fibra de carbono. Sin embargo, debe apreciarse nuevamente que se puede usar una amplia variedad de fibras en la presente invención, incluyendo, pero sin limitarse a ellas, fibras seleccionadas entre el grupo que consiste en fibras de carbono, fibras de vidrio, fibras de aramida, fibras sintéticas tales como acrílicas, poliéster, fibras de PAN, PET, PE, PP o PBO, o similares, biofibras como cáñamo, yute, fibras de celulosa o similares, fibras minerales, por ejemplo, lana de roca o similares, fibras metálicas, por ejemplo, de acero, aluminio, latón, cobre, o similares, fibras de boro o cualquier combinación de estas. En una realización preferida, las fibras comprenden fibras de carbono. Las fibras se pueden proporcionar en cualquier orientación deseable en la zona de transición como, por ejemplo, unidireccional, biaxial o aleatoria o una combinación de estas. Sin embargo, las fibras se orientan preferentemente para reducir la tensión entre los elementos del material compuesto así como para fortalecer las áreas de la estructura final que estarán expuestas a una mayor tensión durante el servicio. La orientación de las fibras puede o no ser la misma en todas las capas que comprenden fibras en la zona de transición. Por ejemplo, una o más capas de fibras pueden orientarse de manera diferente a otras capas, si un análisis de tensión sugiere una orientación de fibra multiaxial. Sin embargo, en otras realizaciones, las fibras pueden orientarse sustancialmente de la misma manera en todas las capas de fibras.
Los elementos de fibra pueden proporcionarse en cualquier forma adecuada, incluidos preimpregnados, semiimpregnados, telas tejidas o no tejidas, esteras, preformas, preformas preconsolidadas, fibras individuales o grupos de fibras, estopas, estopas-preimpregnados, o similares. En algunas realizaciones, los elementos de fibra se proporcionan como al menos una capa de tela, preferiblemente una tela multiaxial. Durante la estratificación (preparación hasta el punto antes de la consolidación y/o fraguado, curado o similar del material de matriz) de una conexión, el material de matriz no necesita estar incluido en las capas que comprenden fibras (por ejemplo, un material preimpregnado o semiimpregnado) o entre las capas que comprenden fibras. Sin embargo, el material de matriz debe formar una matriz continua después de que se produzca el fraguado.
La parte frontal se puede formar a partir de una preforma de fibra adaptada que tenga una forma y una orientación de fibra deseadas que incluya la preforma conformada de la presente invención. La preforma de fibra adaptada se conforma con una forma y una orientación de fibra deseadas. Debe entenderse que una preforma es un material compuesto que comprende fibras. En algunos casos, la preforma también puede incluir un material de matriz sin curar, como una resina. Algunas preformas pueden comprender sustancialmente fibras secas sin material de matriz. Se puede usar un aglutinante para ayudar a mantener juntas las capas antes de que se haya inyectado el material de matriz.
En algunas realizaciones, la densidad del material de fibra de material compuesto curado se selecciona entre 0,3 y 2 g/cm3, y más preferentemente de 0,4 a 1,8 g/cm3. En algunas realizaciones, la densidad de la preforma conformada es de 0,5 y 1,5 g/cm3. En algunas realizaciones, la densidad de la preforma conformada es de 0,4 a 1,2 g/cm3. En algunas realizaciones, la densidad de la preforma conformada es de 0,8 a 1,6 g/cm3. En algunas realizaciones, la densidad de la preforma conformada es de 0,4 a 1,5 g/cm3. En algunas realizaciones, la densidad de la preforma conformada es de 1,0 a 1,8 g/cm3. En algunas realizaciones, la densidad de la preforma conformada es de 0,4 y 1,0 g/cm3.
La presente invención proporciona preferentemente un inserto de forma preformada para encajar en el laminado de fibra de la parte de los radios de una rueda de fibra de carbono para un vehículo tal como automóviles, camiones, aeronaves, autobuses o similares. El inserto de forma preformada también se puede usar como una ayuda para la estratificación de la fibra de refuerzo para formar la parte de los radios de una rueda de material compuesto.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
La presente invención se describirá ahora con referencia a las figuras de los dibujos adjuntos, que ilustran realizaciones particulares preferidas de la presente invención, en las que:
La figura 1 es una vista en perspectiva de una rueda de material compuesto que incluye una conexión entre una parte frontal y la parte de la llanta de la misma, según una realización de la presente invención.
La figura 2 es una vista más detallada de la región de conexión entre la llanta y el frente de la rueda de material compuesto que se muestra en la figura 1.
La figura 3 proporciona una vista transversal frontal de la rueda de material compuesto que se muestra en las figuras 1 y 2.
La figura 4 proporciona una vista superior isométrica de una preforma conformada según una realización de la presente invención.
DESCRIPCIÓN DETALLADA
Haciendo referencia en primer lugar a la figura 1, se muestra una vista en perspectiva de una rueda 100 de material compuesto que se ha conformado e incluye integralmente la preforma conformada 200A de la presente invención. La rueda 100 de material compuesto ilustrada ha sido desarrollada por la Solicitante como una rueda de material compuesto conformada como un cuerpo de una sola pieza.
La rueda 100 de material compuesto ilustrada incluye dos secciones principales:
A) . una parte de la llanta 102 comprende una estructura anular sobre la cual se monta un neumático (no ilustrado); y
B) . una parte frontal 104 que comprende un buje 106 circular y una serie de radios 108. El buje 106 incluye una abertura 107 central y también puede incluir una serie de aberturas de sujeción configuradas para recibir pernos de sujeción (no ilustrados) utilizados para fijar la rueda a un soporte de rueda de un vehículo (no ilustrado) o una configuración de sujeción de la rueda por bloqueo central (nuevamente no ilustrada) que tiene aberturas asociadas en el buje 106. Los radios 108 comprenden brazos alargados conectados al buje 106 en un extremo y a la parte de la llanta 102 en el otro extremo.
Como se describe en la publicación de patente internacional WO2010/024495A1, la creación de tal rueda 100 de material compuesto de una sola pieza requiere el uso de un molde de la parte de la llanta separado (no ilustrado) y un molde de la parte frontal (no ilustrado). En uso, la parte de la llanta 102 se forma estratificando un primer conjunto de fibras típicamente incorporadas en un tejido de refuerzo asentado en el molde de la parte de la llanta, y la parte frontal 104 se forma estratificando por separado un segundo conjunto de fibras, típicamente incorporadas en un tejido de refuerzo asentado en el molde de la parte frontal. El molde de la parte de la llanta incluye un molde de cubeta interior y un molde cilíndrico exterior. El tejido de refuerzo del molde de la parte de la lenta y del molde de la parte frontal se ensamblan juntos en un molde combinado, con las partes separadas interconectadas en un punto de conexión 110. Luego se lleva a cabo un procedimiento de moldeo final en el que el material de matriz, como una resina, se inyecta y/o se infunde en el refuerzo de la forma de la rueda completa para producir una rueda 100 moldeada de una sola pieza.
La forma y configuración de la parte frontal 104 se puede conformar a partir de la estratificación en el molde de la parte frontal. Se pueden usar insertos conformados en varias secciones del molde frontal para ayudar a la formación de las características de la parte frontal. Un ejemplo son las solicitudes de patente en trámite del Solicitante (que reivindican la prioridad de la solicitud de patente provisional N° 2017903324) que enseñan el uso de una preforma conformada que se usa para ayudar a la formación de la parte del buje 106 de una rueda 100 de material compuesto. Además, las partes de los radios 108 de la rueda 100 de material compuesto se han construido previamente con la ayuda de un inserto 200 de espuma conformada, como se ilustra de forma general en la figura 2. Ese inserto 200 de espuma está construido con un material de espuma densa, como espumas de poliuretano, polimetacrilamidas, materiales sintácticos o similares, y se moldea en la forma de radio deseada antes de la estratificación de la parte frontal. El uso de insertos de espuma es posible en los radios ya que la carga entre la parte del buje 106 de la rueda y la llanta 102 se puede transmitir a través de las paredes de los radios 108 mediante el diseño de la estratificación de las fibras y las orientaciones de las fibras en estos laminados. Por lo tanto, el inserto de espuma se usa como un material de relleno del núcleo liviano alrededor del cual se puede formar el laminado de fibra.
La preforma conformada 200A (figuras 2, 3 y 4) de la presente invención está diseñada como un sustituto directo de los insertos 200 de radios de espuma convencionales. De esta manera, no es necesario realizar consideraciones especiales en la fabricación de ruedas cuando se utiliza esta nueva preforma conformada, ya que se convierte en una sustitución directa del inserto de núcleo de espuma convencional en el procedimiento de fabricación existente. Al igual que los insertos de espuma convencionales, esta preforma conformada 200 de material compuesto ayuda a la estratificación, cuando se ubica en la parte de los radios 108 en el molde y la estratificación se forma alrededor de la preforma 200.
Debe apreciarse que uno o más de los radios 108 de una rueda 100 de material compuesto pueden incluir la preforma conformada 200A. En algunas realizaciones, solo un número selecto (típicamente uno o dos) de las partes de los radios 108 incluyen la preforma conformada 200A. Los radios restantes incluyen insertos de espuma convencionales. En algunas realizaciones, todos los radios incluyen la preforma conformada 200A. En estas realizaciones, la composición y, por lo tanto, la densidad de cada preforma conformada 200A pueden diseñarse y adaptarse a los requisitos particulares de cada radio. La rueda 100 de material compuesto se puede equilibrar luego mediante el diseño de la densidad de las partes de los radios 108. Sin embargo, debe entenderse que el número de insertos 200 de espuma y preformas conformadas 200A se pueden mezclar y combinar para adaptarse a una aplicación y/o economía particular.
En una realización preferida que se muestra en la figura 3, un solo radio 108A de una rueda 100 de material compuesto puede incluir la preforma conformada 200A. Los radios restantes incluyen insertos 200 de espuma convencionales. Este radio está ubicado generalmente opuesto radialmente a una ubicación de montaje de la válvula SCPN 300 en la rueda 100 de material compuesto. Como se explicará con mayor detalle a continuación, la densidad de la preforma conformada 200A puede diseñarse para proporcionar un contrapeso para una válvula de SCPN 300 instalada en esa rueda 100de material compuesto.
Sin embargo, aunque la preforma conformada 200A se muestra en las figuras 2 y 3 ocupando todo el volumen central del radio 108A, en otras realizaciones puede ocupar solo una parte del volumen central de un radio 108A para la función de contrapeso. Cuando el componente de preforma conformada ocupa una parte del volumen del radio, se puede usar otra preforma, por ejemplo un componente de espuma, junto con la invención para llenar ese volumen.
Las figuras 3 y 4 muestran un ejemplo de un inserto de preforma conformada 200 para usar en la estratificación y formación de una parte frontal 104 de una rueda 100 de material compuesto como se muestra en las figuras 1 y 2. La preforma conformada 200 ilustrada se usa para proporcionar la forma y la configuración de las conexiones de los radios 108 de esa parte frontal 104. Por lo tanto, la preforma conformada 200A ilustrada comprende un cuerpo alargado que se extiende entre el buje 106 y la llanta 102 de la rueda 100 de material compuesto. La preforma conformada 200A tiene un cuerpo principal en forma de caja generalmente paralelepipédica o rectangular que define un eje que se extiende entre el buje 106 y la llanta 102. El extremo 220 del buje incluye dos brazos 222 que se extienden lateralmente hacia afuera de ese extremo 220 para producir una parte de conexión en forma de T para acoplarse con el lado exterior del buje 106. El buje 106 tiene una configuración exterior generalmente circular. Por lo tanto, estos brazos 222 y la cara plana tienen un lado exterior 223 curvo que coincide sustancialmente con la curva circunferencial de ese lado exterior del buje 106. El extremo 225 de la llanta incluye una pestaña/pata axial 227 que se extiende hacia abajo (en relación con la orientación de la preforma conformada 200A que se muestra en la Figura 4) para formar un extremo en forma de L. La pestaña 227 está configurada para extenderse a lo largo de la llanta 102 hacia el lado de montaje o el lado interior 111 (figura 1) de la rueda 100 de material compuesto. El lado exterior 226 de la cara plana del extremo 225 de la llanta está contorneado para que coincida sustancialmente con la curva de este lado exterior de la llanta 102.
No obstante, debe apreciarse que la configuración geométrica exacta de la preforma conformada 200 depende de la configuración prevista del buje 106 de la rueda 200 de material compuesto y la forma y configuración previstas de la parte de los radios 108. Por ejemplo, el número de radios 108 puede variar, afectando a la forma y el tamaño de cada parte de los radios 108. La configuración deseada de cada parte de los radios 108 puede variar con fines ascéticos, y puede incorporar un patrón, signos y/o geometría deseados, por ejemplo, una geometría compleja deseada.
Si bien no se ilustra, la preforma conformada 200 podría conformarse/configurarse para incluir una serie de características adicionales diseñadas para ayudar a la posterior formación y estratificación de una parte frontal de una rueda de material compuesto. Estas características incluyen (pero sin limitarse a ellas): formaciones de retención de capas de fibra tales como escalones, rebajes, ranuras o similares; líneas de guía para indicar visualmente la ubicación en la que deben colocarse los bordes de un estrato; o formaciones de sujeción/manipulación para optimizar el manejo de la preforma conformada tales como rebajes, rebordes, aberturas, nervaduras, ganchos, protuberancias o similares.
La preforma conformada 200 está diseñada para tener una densidad adaptada seleccionada para contrarrestar una adición de masa a esa rueda 100 de material compuesto. Un ejemplo particular es como contrapeso para una válvula SCPN 300 (figura 1) instalada en la rueda 100 de material compuesto.
Para que actúe como contrapeso a la masa añadida, debe determinarse el desequilibrio entre la masa y el momento creado por la adición de masa (equilibrio de momento y masa alrededor del centro X-X de la rueda 100 de material compuesto). La preforma conformada 200 se diseña por lo tanto para ubicarse en una posición que equilibre la masa y el momento de la adición de masa, por ejemplo, en una ubicación sustancialmente opuesta radialmente a la ubicación de la adición de masa alrededor del eje central X-X de la parte frontal 104 de la rueda 100 de material compuesto. La masa y, por lo tanto, la densidad de la preforma conformada 200 se adapta entonces para proporcionar la masa de contrapeso correcta para la posición de esta preforma conformada en relación con la adición de masa alrededor del eje central X-X. La densidad de la preforma conformada 200 se puede variar mediante la selección del material de la composición de relleno de la preforma conformada 200 (como se analiza a continuación).
La preforma conformada 200 se conforma a partir de un material de fibra compuesta curado que tiene una compresibilidad <2%, preferentemente <1% volumétrico en condiciones de moldeo de 50 bares de presión hidrostática a temperaturas del procedimiento de 60 a 150°C, preferentemente de 60 a 140°C. Por curado, se debe entender que el material de fibra compuesta curado ha sufrido al menos un procedimiento de curado parcial para endurecer o curar un material de matriz curable, tal como una resina, en ese material de fibra compuesta. El material de fibra compuesta curado proporciona rigidez estructural y/o solidez a la preforma proporcionando una compresibilidad limitada para permitir la provisión de un volumen apropiado y un cambio de volumen mínimo durante la estratificación y el moldeado de la parte frontal de la rueda de material compuesto.
Sin pretender estar limitado por ninguna teoría, la preforma conformada 200 está diseñada para proporcionar un material de núcleo que se puede usar en el procedimiento de estratificación y curado de una rueda 100 de material compuesto. Las propiedades mecánicas y materiales de la preforma conformada también se seleccionan para minimizar la carga estructural y las tensiones resultantes de la incompatibilidad de materiales y el cambio de volumen durante los procedimientos de estratificación, curado y postcurado al formar una rueda de material compuesto.
Las propiedades mecánicas de la preforma conformada 200 están diseñadas para obtener un rendimiento mecánico y material óptimo. Una preforma conformada 200 con un módulo de tracción insuficiente en la dirección del espesor del cuerpo será ineficaz para descargar la conexión entre la brida y la pared lateral y, por lo tanto, tendrá poco valor estructural. Mientras que una preforma conformada 200 con un módulo de tracción excesivo en la dirección del espesor del cuerpo conducirá a una tensión a lo largo del espesor excesiva en la brida cuando intente separarse de la preforma conformada 200 y provocará una falla en la brida misma o en la conexión entre la brida y una preforma conformada 200. Una preforma conformada 200 diseñada apropiadamente descargará la conexión entre la brida y la pared lateral sin crear una tensión a lo largo del espesor pasante excesiva en la brida.
Podría usarse cualquier número de diferentes materiales de fibra compuesta que incluyan o puedan unirse a un material de matriz curable, por ejemplo, una resina para formar el material de fibra compuesta curado de una densidad seleccionada o deseada adecuada para contrarrestar la adición de masa a la rueda 100 de material compuesto . La variación de la densidad se consigue mediante una cuidadosa selección de la composición de la preforma conformada 200. En algunas realizaciones, la preforma conformada se forma a partir de resina (resina pura) o se forma sustancialmente a partir de resina únicamente. En algunas realizaciones, la preforma conformada se forma a partir de al menos uno de: capas o preformas de colocación de fibra adaptada; una o más capas de estratos de dirección de fibra única (unidireccional); una o más capas de estratos de fibra multidireccional (p. ej., tejido cosido sin ondulación); o preformas de colocación de parches de fibra (FPP), p. ej. tecnología CEVOTECH; capas de fibras no tejidas, isotrópicas o anisotrópicas, p. ej. RECATEX telas no tejidas de fibra de carbono recicladas; disposición de fibras isotrópicas; materiales de relleno; microesferas de vidrio; sílice pirógena hidrofóbica; resina epoxi/endurecedor; resina fenólica; fibra de carbono molida; fibra de carbono triturada (por ejemplo, fibra de carbono troceada o cortada), o una combinación de las mismas.
En formas preferidas, el componente de preforma conformada se forma a partir de:
(i) una mezcla de resina, fibra de carbono molida o fibra de carbono triturada y microesferas huecas de vidrio,
(ii) una mezcla de resina y fibras de carbono molidas,
(iii) una mezcla de resina y fibra de carbono triturada, preferiblemente fibra de carbono troceada.
Debe apreciarse que la resina también incluye un contenido de endurecedor. Cada uno de (i), (ii) y (iii) puede incluir opcionalmente de 1 a 5% en peso, preferiblemente de 1 a 2% en peso de sílice pirógena hidrofóbica.
Las fibras de carbono molidas tienen una longitud de <500 micras, preferiblemente menos de 100 micras. Por ejemplo, se podría utilizar una fibra de carbono molida de 100 micras de longitud como Carbiso™ MF. Sin embargo, debe apreciarse que cualquier marca de fibra de carbono molida podría ser adecuada. Podrían usarse otros tipos de fibra de longitud similar.
En otras realizaciones, se puede utilizar una fibra de carbono triturada, por ejemplo, una fibra de carbono troceada. Esta fibra de carbono triturada puede tener una longitud inferior a 20 mm, preferentemente inferior a 15 mm, más preferentemente entre 1 y 15 mm. Por ejemplo, podría usarse una fibra de carbono triturada de unos 12 mm de longitud. Podrían usarse otros tipos de fibra de longitud similar.
Se proporciona un material preferido como opciones A a F a continuación en la tabla 1 (las proporciones están en partes por masa):
Tabla 1: Ejemplos de composiciones de la preforma conformada
Figure imgf000013_0001
Más detalladamente, la opción C puede comprender:
3,75 partes de resina epoxi;
1 parte de fibra de carbono molida de 100 micras de longitud; y
0,56 partes de microesferas de vidrio huecas.
Más detalladamente, la opción G puede comprender:
2 partes de resina epoxi y endurecedor; y
1 parte de fibra de carbono troceada de 12 mm de longitud.
Cada una de las opciones anteriores puede incluir opcionalmente de 1 a 5% en peso, preferiblemente de 1 a 2% en peso de sílice pirógena hidrofóbica. Debe apreciarse que proporciones de mezcla alternativas a las proporcionadas en las opciones A a F anteriores también pueden proporcionar una composición satisfactoria y una densidad adaptada para la preforma conformada. Por lo tanto, las proporciones indicadas en la tabla podrían cambiarse para alterar la densidad de la preforma conformada para proporcionar una masa deseada, adaptando así la densidad y la masa de la preforma a una aplicación particular.
Las microesferas usadas en las composiciones anteriores comprenden burbujas de vidrio 3M S28HS disponibles de 3M Advanced Material Division. Estas burbujas de vidrio comprenden esferas huecas con paredes delgadas hechas de vidrio de boratosilicato de cal y sosa que tienen un diámetro promedio de 30 micras y una resistencia al aplastamiento (90% de supervivencia por volumen) de 3.000 psi (20,68 MPa) y una densidad real de 0,28 gramos por cm3. Sin embargo, debe apreciarse que también podrían usarse otras microesferas similares. Por ejemplo, microesferas huecas alternativas como la burbuja 3M K1 que tiene una fuerza de aplastamiento objetivo de 250 psi (1,72 MPa) y una densidad real de 0,125 gramos por cm3) o 3M IM30K (o similar) que tiene una fuerza de aplastamiento de 28.000 psi (193,05 MPa) y una densidad real de 0,60 g/cm3. En la Tabla 2 se proporciona una selección de posibles microesferas 3M que se pueden utilizar:
Tabla 2: Microesferas de vidrio huecas de 3M (burbujas de vidrio) que también se pueden usar en la presente invención:
Figure imgf000014_0001
En una realización ejemplar, el componente de preforma conformada se forma a partir de una mezcla de proporciones (partes en masa) de 3,75:1:0,56 de resina mezclada:fibra de carbono molida:microesferas de vidrio huecas.
En la realización ilustrada, las fibras en el material de fibra compuesta curado de la rueda 100 de material compuesto comprenden fibras de carbono. Sin embargo, debe apreciarse que se puede usar una amplia variedad de fibras en la presente invención, incluidas, pero sin limitarse a ellas, fibras seleccionadas entre el grupo que consiste en fibras de carbono, fibras de vidrio, fibras de aramida, fibras sintéticas como acrílica, poliéster, fibras de PAN, PET, PE, PP o PBO, o similares, biofibras como cáñamo, yute, fibras de celulosa o similares, fibras minerales, por ejemplo, lana de roca o similares, fibras metálicas, por ejemplo, de acero, aluminio, latón, cobre, o similares, fibras de boro o cualquier combinación de estas.
Debe apreciarse que las propiedades de expansión térmica de la preforma conformada 200 están diseñadas para ser similares y preferiblemente coincidir sustancialmente con las propiedades térmicas del material compuesto total de la parte frontal de la rueda de material compuesto en la que la preforma conformada 200 está configurada para ser incluida. Las propiedades de expansión térmica coincidentes evitan daños como la deslaminación de las piezas (preformas moldeadas y el material laminado circundante en los procedimientos de postcurado).
El material compuesto (típicamente un laminado de fibra de carbono) que se forma junto a la preforma conformada durante el procedimiento de moldeo debe adherirse a la preforma conformada. El tipo de material de la preforma conformada debe permitir esto, por ejemplo, la preforma conformada puede usar resina epoxi, pero normalmente no debe usar polipropileno. Después del moldeo de la preforma conformada, y antes de estratificar la preforma conformada, la superficie de la preforma conformada debe activarse para permitir que se una con la operación de inyección subsiguiente; esto podría lograrse mediante ataque químico, abrasión mecánica o similar.
Otras propiedades mecánicas de interés de la preforma conformada 200 incluyen:
• Densidad -preferiblemente entre 0,3 y 3 g/cm3, preferentemente entre 0,3 y 2 g/cm3, y más preferentemente de 0,4 a 1,8 g/cm3. En algunas realizaciones, la densidad de la preforma conformada es de 0,5 y 1,5 g/cm3;
• Resistencia a la tracción - que está preferentemente entre 20 y 80 MPa, más preferentemente entre 20 y 60 MPa;
• Rigidez - que es preferentemente de 1,5 a 30 GPa, preferentemente de 5 a 30 GPa, más preferentemente de 8 a 30 GPa, aún más preferentemente de 10 a 25 GPa. En algunas realizaciones, la rigidez es de 1,5 a 10 GPa. En otras realizaciones, la rigidez es de 8 a 25 GPa.
Sin embargo, debe tenerse en cuenta que estos pueden variar según el material, la configuración de la rueda y las propiedades deseadas de una rueda de material compuesto específica.
La preforma conformada 200 ilustrada se forma mediante un procedimiento de moldeo de material compuesto estándar. En este procedimiento, se mide y se mezcla la composición de material preferida descrita anteriormente en la Tabla 1 y luego se inyecta en un molde cerrado y calentado. El molde está a 120°C y una vez lleno, el molde se mantiene a 120°C durante 10 minutos para curar la resina. Sin embargo, debe apreciarse que podrían usarse otras temperaturas del procedimiento dependiendo de los parámetros de procedimiento deseados. A continuación, la preforma conformada se desmolda y se pasa a la etapa de preparación de la superficie. El molde conformado de forma cooperativa tiene una cavidad de moldeo conformada para proporcionar la forma y configuración deseadas de la preforma conformada 200. El material de matriz adecuado se puede seleccionar entre (pero sin limitarse a ellas) una resina a base de poliéster insaturado, poliuretano, éster de polivinilo, epoxi, termoplásticos o combinaciones de las mismas.
La etapa de curado se puede controlar para proporcionar las propiedades mecánicas deseadas, incluidas la rigidez, las propiedades superficiales y la compresibilidad. Por lo tanto, las propiedades mecánicas de la preforma conformada 200 pueden diseñarse para adaptarse a una aplicación particular. Sin embargo, se debe tener en cuenta que la preforma conformada 200 está curada y se procesada de otro modo para proporcionar una compresibilidad seleccionada que proporciona un cambio volumétrico mínimo en las etapas de procesamiento de estratificación y moldeo de la fibra posteriores que forman la parte frontal 104 de la rueda 200 de material compuesto.
Como se señaló anteriormente, la preforma conformada 200 curada se utiliza como ayuda para la estratificación o inserción en la estratificación de la parte frontal 104 de una rueda 100 de material compuesto. En este procedimiento, la preforma conformada 200 se ubica en la parte de los radios 108 del laminado de fibra de un molde de la parte frontal; y los elementos de fibra compuesta de la parte frontal 104 se estratifican alrededor de la preforma conformada 200 formando así una estructura premoldeada de la parte frontal de una rueda de fibra compuesta.
Una vez más, los elementos de las fibras del laminado de la parte frontal pueden proporcionarse en cualquier forma adecuada, incluidos materiales preimpregnados, semiimpregnados, telas tejidas o no tejidas, esteras, preformas, preformas preconsolidadas, fibras individuales o grupos de fibras, estopas, estopas impregnadas o similares. Durante la estratificación no es necesario que un material de matriz, tal como una resina, esté contenido en las capas que comprenden fibras o entre las capas que comprenden fibras. Sin embargo, el material de matriz debe formar una matriz continua después del curado.
La rueda 100 de material compuesto ilustrada (figuras 1 y 2) está destinada a conformarse como un cuerpo unitario. Esto implica la inyección y/o la impregnación simultáneas de un material de matriz, que en la realización ejemplar es una resina, en todas las partes, incluida la parte de la llanta 102 y la parte frontal 104, y luego el curado de cada una de las partes de la rueda 100 de material compuesto. La resina utilizada es preferiblemente a base de epoxi. Sin embargo, debe entenderse que se puede usar cualquier resina adecuada, por ejemplo, un poliéster insaturado, poliuretano, éster de polivinilo, epoxi, termoplásticos, compuestos químicos similares o combinaciones de los mismos. Se puede usar una variedad de sistemas de suministro de resina que incluyen, entre otros, la infusión de resina y/o el moldeo por transferencia de resina y/o el moldeo por transferencia de resina asistido por vacío.
Al construir una rueda de material compuesto ilustrada en las figuras 1 y 2, la rueda incluye tres superficies de moldeo principales. En primer lugar, un molde frontal, que generalmente está orientado radialmente con respecto al eje de rotación de la rueda X-X. En segundo lugar, una superficie de moldeo interior de la cubeta, que forma la cara interior de la rueda 140 (figura 2). La superficie de moldeo interior de la cubeta incluye una cara frontal que forma la pared trasera del molde de la parte frontal que está orientada radialmente con respecto al eje de rotación de la rueda X-X y paredes laterales que forman la pared trasera del molde de la parte de la llanta que está alineada axialmente con el eje de rotación de la rueda X-X. En tercer lugar, los moldes de la llanta están sustancialmente alineados axialmente con el eje de rotación de la rueda X-X.
En uso, la parte de la llanta 102 y la parte frontal 104 se estratifican con refuerzo y luego se estratifica con refuerzo una conexión entre la parte de la llanta 102 y la parte frontal 104. Después de formar la conexión, se inyecta y/o se impregna una resina en el refuerzo de la parte de la llanta 102 y la parte frontal 104 de la rueda 100 y luego se deja curar.
Los expertos en la materia apreciarán que la invención aquí descrita es susceptible de variaciones y modificaciones distintas de las descritas específicamente. Se entiende que la invención incluye todas las variaciones y modificaciones que están dentro del alcance de la presente invención tal como se define en las reivindicaciones adjuntas.
Cuando se utilizan los términos "comprende", "comprenden", "comprendido" o "que comprende" en esta memoria descriptiva (incluidas las reivindicaciones), deben interpretarse como que especifican la presencia de las características, números enteros, etapas o componentes indicados, pero no excluyendo la presencia de otra u otras características, números enteros, etapas, componentes o grupos de los mismos.

Claims (14)

REIVINDICACIONES
1. Una rueda (100) de material compuesto que comprende
una parte de los radios (108A),
un componente de preforma conformada (200A) para la parte de los radios (108A),
y una adición de masa (300),
en la que el componente de preforma conformada (200A) comprende:
un cuerpo alargado (215) configurado para ubicarse en un radio (108) de una rueda (100) de material compuesto,
donde la rueda (100) de material compuesto se caracteriza por que el componente de preforma conformada (200A) se forma a partir de un material de fibra compuesta curado que tiene una compresibilidad de <2% volumétrico en condiciones de moldeo de 50 bares de presión hidrostática y una temperatura de 60 a 150°C, y donde la densidad del material de fibra compuesta curado se selecciona para formar una masa de contrapeso para la adición de masa (300) a la rueda (100) de material compuesto.
2. La rueda (100) de material compuesto según la reivindicación 1, en la que la adición de masa (300) comprende una válvula, preferiblemente una válvula de control de la presión de los neumáticos.
3. La rueda (100) de material compuesto según la reivindicación 1 ó 2, en la que la compresibilidad del componente de preforma conformada (200A) es <1% volumétrico en condiciones de moldeo de 50 bares de presión hidrostática.
4. La rueda (100) de material compuesto según la reivindicación 1, 2 ó 3, en la que el componente de preforma conformada (200A) tiene una densidad de entre 0,3 y 3 g/cm3, preferentemente entre 0,4 y 2 g/cm3 y más preferiblemente de 0,5 a 1,5 g/cm3.
5. La rueda (100) de material compuesto según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que la preforma conformada tiene al menos uno de:
• resistencia a la tracción entre 20 y 80 MPa, preferentemente entre 20 y 60 MPa;
• rigidez de 1,5 a 30 GPa, preferentemente de 10 a 25 GPa; o
• una superficie del componente de preforma conformada (200A) que tiene una superficie rugosa que comprende una rugosidad de al menos Ra = 0,2 pm.
6. La rueda (100) de material compuesto según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que el componente de preforma conformada (200A) está formado por: al menos una capa de fibras no tejidas, isotrópicas o anisotrópicas; una disposición de fibras isotrópicas; una disposición de fibras ortotrópicas; agentes de relleno; microesferas de vidrio; microesferas de cerámica; sulfato de bario; sílice pirógena hidrofóbica; resina epoxi/endurecedor; resina fenólica; fibra de carbono molida; fibra de carbono triturada, o una combinación de las mismas.
7. La rueda (100) de material compuesto según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que el componente de preforma conformada (200A) está formado por:
(i) una mezcla de resina, fibra de carbono molida y microesferas de vidrio huecas;
(ii) una mezcla de resina, fibra de carbono triturada y microesferas de vidrio huecas;
(iii) una mezcla de resina y microesferas de vidrio huecas;
(iv) una mezcla de resina y fibras de carbono molidas;
(v) una mezcla de resina y fibras de carbono trituradas;
(vi) una mezcla de resina, fibra de carbono molida y microesferas de cerámica sólidas;
(vii) una mezcla de resina, fibra de carbono triturada y microesferas de cerámica sólidas;
(viii) una mezcla de resina y microesferas de cerámica sólidas; o
(ix) sustancialmente solo resina.
8. La rueda (100) de material compuesto según la reivindicación 6 ó 7, en la que el componente de preforma conformada (200A) incluye además 1 a 5% en peso, preferiblemente 1 a 2% en peso de sílice pirógena hidrofóbica.
9. La rueda (100) de material compuesto según una cualquiera de las reivindicaciones 6 a 8, en la que las fibras de carbono molidas tienen una longitud de <500 micras, preferiblemente menos de 100 micras.
10. La rueda (100) de material compuesto según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende además un material de matriz curable que envuelve los componentes que comprenden el componente de preforma conformada (200A), donde el material de matriz comprende una resina a base de un poliéster insaturado, poliuretano, éster de polivinilo, epoxi, termoplásticos o combinaciones de los mismos.
11. La rueda (100) de material compuesto según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que tiene propiedades térmicas diseñadas para coincidir sustancialmente con las propiedades térmicas del material compuesto total de la parte frontal de una rueda de material compuesto en la que la preforma conformada está configurada para ser incluida.
12. La rueda (100) de material compuesto según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que el componente de preforma conformada (200A) comprende una preforma curada incompletamente o subcurada.
13. La rueda (100) de material compuesto según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende un cuerpo (215) generalmente paralelepipédico y que comprende al menos dos brazos (222) que se extienden lateralmente hacia afuera de un extremo del cuerpo (215) paralelepipédico y que comprende preferiblemente al menos un extremo (225) en forma de L que se extiende axialmente hacia fuera de un extremo del cuerpo (215) paralelepípedo.
14. Un método para formar una rueda (100) de fibra compuesta según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende:
ubicar el componente de preforma conformada (200A) en la parte de los radios (108A) del laminado de fibra de una parte frontal de la rueda (100) de material compuesto en una posición adecuada para equilibrar la adición de masa alrededor del eje central de la parte frontal de la rueda (100) de fibra compuesta; y estratificar los elementos de fibra compuesta alrededor de la preforma conformada formando así la estructura premoldeada de la parte de los radios (108A) de la rueda (100) de fibra compuesta.
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