ES2980574T3

ES2980574T3 - Método para fabricar un artículo reforzado con fibra y aparato

Info

Publication number: ES2980574T3
Application number: ES20816962T
Authority: ES
Inventors: Mikko Huttunen; Vesa Vuorisalo; Harri Heino
Original assignee: Arctic Biomaterials Oy
Current assignee: Arctic Biomaterials Oy
Priority date: 2020-11-30
Filing date: 2020-11-30
Publication date: 2024-10-02
Anticipated expiration: 2040-11-30
Also published as: EP4149581B1; CN116600729B; EP4149581A1; EP4149581C0; JP2023551330A; PL4149581T3; CN116600729A; IL303233B1; WO2022111826A1; AU2020478278B2; KR20230112140A; IL303233B2; US20240001630A1; AU2020478278A1; JP7588905B2; KR102888546B1; IL303233A

Abstract

Un método para formar un artículo reforzado con fibra que comprende las siguientes etapas: 101) proporcionar una preforma compuesta (1) que comprende una matriz de polímero termoplástico y fibras de refuerzo, en donde la preforma (1) comprende un volumen inicial y una orientación inicial de la fibra, 102) cargar la preforma dentro de un aparato de moldeo radial que comprende al menos tres segmentos de matriz adyacentes (2) uno al lado del otro formando una cavidad de molde (3) en una posición inicial que tiene un volumen inicial, 103) moldear la preforma (1) moviendo los segmentos de matriz (2), que están en contacto directo entre sí durante la posición inicial y el movimiento y una posición comprimida, y que son perpendiculares a un eje longitudinal común (A) de la preforma (1), en donde el volumen inicial de la cavidad de molde (3) disminuye y los segmentos de matriz (2) comprimen la preforma (1) a una forma definida por la cavidad de molde (3) en la posición comprimida que tiene un volumen final, que es menor o igual al volumen inicial de la preforma (1), 104) abrir la cavidad de molde (3), y 105) retirar el artículo reforzado con fibra obtenido (6), que comprende una orientación de fibra personalizada, de la cavidad del molde (3), en donde las fibras de refuerzo continuas siguen un contorno de superficie de dicho artículo (6). (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Método para fabricar un artículo reforzado con fibra y aparato

Campo técnico

La presente invención se refiere a un aparato y a un método de fabricación de un artículo reforzado con fibra y, más particularmente, a un artículo reforzado con fibra que tiene una orientación de fibras multidireccional personalizada.

Técnica anterior

Los materiales compuestos, también denominados composites, son una combinación de dos o más materiales que están mezclados o unidos a nivel macroscópico. Se usan en aplicaciones de ingeniería en las que un material puro no puede proporcionar el conjunto específico de propiedades que se requieren. Pueden considerarse como un único material que se ha potenciado mediante la adición de otro material.

Se añaden fibras como medios de refuerzo y proporcionan resistencia, rigidez o cualquier otra propiedad deseada al material compuesto. Uno de los problemas asociados con la disposición anterior es cómo conservar la orientación deseada de fibras multidireccional de un artículo de forma compleja durante la fase de fabricación. El documento US 2018/244006 A1 da a conocer un método y un dispositivo para producir una correa de doble dentado en el que los segmentos de troquel no están en contacto directo entre sí durante la posición inicial y el movimiento. El documento US 4208174 A da a conocer un aparato de moldeo por compresión radial en el que los segmentos de troquel están en contacto directo entre sí durante la posición inicial y el movimiento y en la posición comprimida. El documento EP 0373294 A2 da a conocer un método para producir elementos de sujeción de tipo tornillo de FRP en el que se presiona axialmente un vástago calentado para expandir lateralmente el material de vástago.

Sumario

Por tanto, un objetivo de la presente invención es proporcionar un método para resolver los problemas anteriores relacionados con la fabricación de los artículos con orientaciones de fibras deseadas. La orientación de fibras deseada puede ser tan solo una simple orientación uniaxial o una orientación multidireccional de múltiplex capas compleja dependiendo de los requisitos del producto final. Los objetivos de la invención se logran mediante un método y un aparato que están caracterizados por lo que se menciona en las reivindicaciones independientes. Las realizaciones preferidas de la invención se dan a conocer en las reivindicaciones dependientes.

La invención se basa en la idea de usar moldeo radial y conformación de un artículo reforzado con fibra, que comprende una orientación de fibras personalizada, a partir de la cavidad de molde, en el que las fibras de refuerzo continuas siguen un diseño de superficie de dicho artículo.

Breve descripción de los dibujos

A continuación, se describirá la invención en más detalle por medio de realizaciones preferidas con referencia a los dibujos adjuntos, en los que

la figura 1 es un diagrama de flujo de un método según una realización;

las figuras 2 y 3 ilustran segmentos de troquel a modo de ejemplo;

la figura 4 ilustra una preforma de material compuesto a modo de ejemplo;

las figuras 5a-5f ilustran una serie de etapas de fabricación con pistones a modo de ejemplo; y

la figura 6 ilustra una etapa alternativa de la etapa de fabricación a modo de ejemplo.

Descripción detallada de realizaciones

Esta invención se centra en materiales compuestos de polímero termoplástico reforzado con fibra, que pueden usarse especialmente en dispositivos médicos tales como elementos de sujeción y tornillos para huesos. Dichos dispositivos médicos se realizan habitualmente de acero inoxidable o aleaciones de titanio. Sin embargo, estos materiales tienden a tener ciertas dificultades, tales como correspondencia mecánica errónea con las propiedades mecánicas de tejido óseo, lo cual puede provocar dificultades adicionales tales como osteopenia. Un implante metálico también puede provocar perturbaciones en la obtención de imágenes tal como en IRM. Esto ha llevado a los ingenieros a buscar materiales alternativos que puedan cumplir los efectos y propiedades deseados.

Una de las alternativas es el material compuesto de polímero reforzado con fibra. Este tipo de material compuesto está compuesto por una combinación de fibras de refuerzo y un material de matriz de polímero termoplástico que rodea las fibras. Las fibras añaden resistencia y rigidez a un polímero por lo demás viscoelástico que, sin refuerzo, carece de las propiedades mecánicas necesarias en determinadas aplicaciones. Las fibras y la matriz funcionan juntas de manera sinérgica proporcionando un material compuesto con propiedades características que se benefician de la contribución de ambos elementos.

Se añaden fibras como medios de refuerzo y proporcionan resistencia, rigidez o cualquier otra propiedad deseada al material compuesto. La matriz une las fibras entre sí, protege las fibras frente a daño y distribuye la carga de una fibra a otra. Las propiedades del material compuesto están determinadas por las propiedades de las fibras, su longitud, diámetro, orientación y cantidad, así como las propiedades de la matriz, y la unión entre la matriz y las fibras. Cuando se usan fibras de refuerzo, las fibras pueden estar cortadas y/o ser continuas.

Cuando las fibras continuas están alineadas, proporcionan la máxima resistencia a lo largo de la dirección de alineación. El material compuesto puede ser considerablemente más débil a lo largo de otras direcciones y, por tanto, puede ser altamente anisotrópico. Esta anisotropía puede superarse mediante fibras alineadas en direcciones deseadas, es decir orientaciones de fibras.

Uno de los problemas asociados con la disposición anterior es cómo conservar la orientación de fibras deseada de un artículo de forma compleja durante la fase de fabricación. En estructuras planas laminadas, esto puede superarse fácilmente alineando las fibras en orientaciones de fibras deseadas en capas distintas o seleccionando láminas previamente fabricadas con orientaciones de fibras deseadas. Si el artículo reforzado con fibra que está fabricándose es un objeto con simetría rotacional simple, la orientación de fibras deseada puede lograrse por medio de enrollamiento de filamentos. En formas más complejas, la orientación de fibras deseada puede fabricarse por medio de técnicas de fabricación compuesta automáticas, tales como colocación de cinta automática y/o colocación de fibra automática. Sin embargo, si la orientación de fibras compleja tiene que fabricarse en productos de pequeño tamaño que se necesita producir en masa en gran cantidad a escala industrial, las técnicas de fabricación preferibles incluyen el moldeo por compresión y moldeo por inyección.

Durante el moldeo por compresión convencional, la orientación de fibras de una preforma cambia o resulta considerablemente difícil de conservar en determinados artículos geométricos. Conservar la orientación de fibras deseada en estructuras planas es algo sencillo, pero geometrías más complejas no son tan fáciles de reproducir con una orientación de fibras predecible. Por ejemplo, cuando se moldea por compresión un objeto macizo con simetría rotacional, la transformación de forma de una preforma no es uniforme a lo largo de las superficies del objeto cuando se comprime la preforma para moldear definiendo la forma final del artículo. Por tanto, la orientación de fibras inicial de la preforma se distorsiona, cambia y/o se desordena en diferentes cantidade3s en diferentes secciones debido a la transformación de forma no uniforme.

En el moldeo por inyección, la orientación de fibras deseada del artículo que está fabricándose puede lograrse usando un elemento de inserción que contiene las fibras que tienen la orientación de fibras deseada. Se coloca el elemento de inserción dentro del molde que define la forma final del artículo antes de inyectar el polímero de matriz que rellena el molde. Las dimensiones externas más grandes del elemento de inserción deben ser menores que las dimensiones externas más pequeñas del molde, dado que, de lo contrario, el elemento de inserción de fibra se apretará entre las partes de molde cuando se cierre el molde haciendo que el moldeo por inyección sea imposible.

La presente invención se refiere a un método de formación de estructura reforzada con fibra continua, que usa moldeo radial. La estructura reforzada con fibra continua obtenida mediante este método para determinadas geometrías de producto puede comprender una estructura de capas con orientación de fibras definida en cada capa que puede personalizarse que tiene propiedades deseadas. Usando métodos convencionales, tales como moldeo por compresión, tal estructura de capas y/u orientación de fibras tienden a cambiar y desordenarse durante el moldeo, lo cual provoca que las propiedades deseadas del producto acabado se debiliten y, en algunas ocasiones, incluso hacen que sea inútil. Usando moldeo radial, la construcción/estructura de orientación de fibras deseada del producto final puede personalizarse/predecirse dado que la transformación de forma durante el cierre de molde es uniforme rodeando radialmente la dimensión más larga de la preforma. De manera ideal, la estructura de orientación de fibras puede incluso permanecer inalterada en el producto acabado, lo cual maximiza los beneficios de las propiedades deseadas. Tales propiedades pueden ser, por ejemplo, tenacidad, rigidez o cualquier otra propiedad mecánica deseada.

La figura 1 ilustra un diagrama de flujo de un método de formación de un artículo reforzado con fibra según una realización. La primera etapa 101 comprende proporcionar una preforma de material compuesto compuesta por matriz de polímero termoplástico y fibras de refuerzo, en el que la preforma comprende un volumen inicial y orientación de fibras inicial. La preforma puede tener simetría rotacional y comprender una estructura de capas entremezcladas o entrelazadas, que se conservará en el artículo acabado. La preforma también puede comprender una estructura de fibras personalizada, en la que las fibras están inicialmente ubicadas en capas independientes y superpuestas, y en la que están diseñados huecos en la estructura de fibras en las capas más inferiores y fibras adicionales en capas por encima de las capas que tienen huecos. Estas fibras adicionales en las capas más superiores pueden estar ubicadas en la misma posición que los huecos en las capas más inferiores. Por tanto, cuando se comprime radialmente la preforma, las fibras adicionales en capas más superiores se mueven en dirección al núcleo y rellenan los huecos y la estructura de fibras del producto final es una estructura entremezclada o entrelazada en 3D, que se crea durante la fase de moldeo radial. Cada capa puede consistir en el mismo material o un material diferente, y, adicionalmente, puede comprender una orientación en hélice que tiene un ángulo deseado tal como de 90°, 45° o 30°, por ejemplo. La preforma puede consistir en un núcleo o elemento de inserción envuelto alrededor de múltiples capas que tienen una orientación diferente en hélice, uniaxial, etc. En algunas estructuras, puede haber huecos entre diferentes capas que facilitarán adicionalmente el entrelazamiento de las fibras en el artículo acabado.

Los materiales termoplásticos son materiales cuya forma puede transformarse cuando se calientan hasta determinadas temperaturas específicas de material (por ejemplo, temperatura de transición vítrea, temperatura de fusión, etc.). Determinadas propiedades de materiales, tales como grado de cristalinidad, propiedades de resistencia, etc., de polímeros termoplásticos también pueden alterarse en función de la temperatura y el tiempo. Cuando se calientan materiales termoplásticos hasta una determinada temperatura (temperatura de transición vítrea, Tg), se ablandan y puede transformarse su forma. Los polímeros termoplásticos semicristalinos y cristalinos se funden cuando se calientan hasta su punto de fusión (Tf) o por encima del punto de fusión. Los polímeros termoplásticos amorfos no tienen un punto de fusión. Habitualmente, los polímeros termoplásticos se moldean a temperaturas por encima de la Tg o por encima de la Tf. Se solidifican para dar un estado vítreo cuando se enfrían por debajo de su temperatura de transición vítrea. Hay muchos tipos diferentes de fibras que pueden usarse para reforzar materiales compuestos de matriz de polímero. Las más habituales son fibras de carbono (AS4, IM7, etc.) y fibra de vidrio (vidrio S, vidrio E, etc.). Con frecuencia se fabrican preformas de fibra en láminas, esteras continuas, estructuras tubulares o como filamentos continuos o filamentos continuos/cintas impregnados usando polímero de matriz.

La segunda etapa 102 comprende cargar la preforma dentro de un aparato de moldeo radial, o bien manualmente o bien automáticamente mediante una machine. Dicho aparato de moldeo radial comprende al menos tres segmentos de troquel adyacentes unos junto a otros que forman una cavidad de molde que tiene un volumen inicial en una posición inicial y un volumen final en una posición comprimida, que es menor que el volumen inicial. El volumen final de la cavidad de molde también define una forma y volumen finales del artículo reforzado con fibra acabado.

Cada segmento de troquel puede ser idéntico, tal como en forma de cuña con superficies planas, que están dispuestas para formar una cavidad central aproximadamente cilíndrica. Sin embargo, también pueden formarse otras formas dependiendo del diseño de la superficie de cavidad. Las cuñas pueden estar abisagradas y accionarse simultáneamente para cambiar el diámetro, y por consiguiente el volumen, de la cavidad. El segmento de troquel puede tener cualquier diseño que comprenda dos lados adyacentes que forman un ángulo de 120° o menos.

La tercera etapa 103 comprende moldear la preforma moviendo dichos segmentos de troquel. Cada segmento de troquel está en contacto directo entre sí durante posiciones de extremo y el movimiento del molde, tal como apertura y cierre, así como durante la posición inicial y comprimida. Durante esta etapa, la compresión aplica una fuerza y deformación radial similar o idéntica hacia el eje longitudinal de la preforma.

El moldeo radial es una técnica en la que el artículo moldeado se forma por un material de preforma reforzado con fibra continua moldeable desde el volumen inicial hasta el volumen final a lo largo de una pluralidad de direcciones radiales. Estas direcciones radiales son sustancialmente perpendiculares a un eje longitudinal común y están dispuestas para encontrarse en diferentes planos. En este contexto, el eje longitudinal común se refiere al eje a lo largo del cual se carga la preforma y perpendicular a la compresión.

Dichos segmentos de troquel radiales móviles pueden moverse de manera simultánea entre la posición inicial y la posición de compresión final que definen respectivamente dicho volumen inicial y dicho volumen final. El volumen de la cavidad de molde en la posición comprimida puede ser menor que o igual al volumen de la preforma. Adicionalmente, el volumen de la preforma puede ser menor que el volumen de la cavidad de molde en la posición inicial, y la dimensión transversal de la preforma en la posición inicial puede ser mayor que la dimensión transversal del artículo acabado en la posición comprimida. La dimensión transversal de la preforma en la posición inicial también puede ser menor que o igual a la dimensión transversal del artículo acabado en la posición comprimida, en la que la preforma se comprime adicionalmente a partir de un extremo a lo largo del eje longitudinal común de la preforma.

Pueden usarse accionadores de trayectoria lineal o curva para mover dichos segmentos de troquel entre sus posiciones inicial y comprimida. Dichos segmentos de troquel radiales pueden moverse a lo largo de trayectorias o bien lineales o bien curvas durante las cuales las superficies de contacto entre los segmentos de troquel radial adyacentes pueden ser entonces o bien lineales o bien curvas.

El molde radial compuesto por al menos tres segmentos de troquel de molde descrito en esta invención también puede usarse como molde para moldeo por inyección. En el moldeo por inyección, el molde que se abre radialmente, tal como se describe en esta invención, permite usar elementos de inserción de fibra continua que tienen un diámetro inicial incluso mayor que el producto final moldeado. Con el molde convencional, siempre hay huecos entre las partes de molde, también conocidas como troqueles, cuando se abre el molde y, por tanto, el uso de tales elementos de inserción de diámetro mayor sería imposible, ya que el elemento de inserción se atraparía entre las partes de molde cuando se cierra el molde. Si el molde se abre y se cierra radialmente tal como se explica en esta invención, no se producirá tal apriete. Esto permite usar tales elementos de inserción reforzados con fibra continua en moldeo por inyección de sobremoldeo que son imposibles de usar cuando se usa cualquier otro tipo de moldes en el moldeo por inyección.

La cuarta etapa 104 comprende abrir la cavidad de molde, devolviendo los segmentos de troquel a la posición inicial, en la que cada segmento de troquel está en contacto directo con segmentos de troquel adyacentes durante el movimiento. Los movimientos tanto de compresión como de liberación pueden accionarse mediante accionadores para mover de manera forzada dichos segmentos de troquel entre sus posiciones inicial y comprimida. Dicho accionador puede ser un cilindro de potencia hidráulico, por ejemplo, unido a los segmentos de troquel. El funcionamiento de los segmentos de troquel puede controlarse mediante una válvula. Los cilindros de potencia pueden conectarse simultáneamente para comprimir y, tras la compresión, invertir el flujo a través de la válvula.

La quinta etapa 105 comprende retirar el artículo reforzado con fibra obtenido a partir de la cavidad de molde, o bien manualmente o bien automáticamente mediante una máquina. El artículo acabado comprende una orientación y estructura de capas personalizadas, en el que las fibras reforzadas continuas siguen o se adaptan a un contorno de superficie de dicho artículo. La estructura de orientación de fibras inicial puede incluso permanecer inalterada en el artículo acabado, lo cual maximiza los beneficios de las propiedades deseadas. El artículo obtenido comprende propiedades deseadas tales como mejor tenacidad, así como compresión, torsión, resistencia al impacto o cualquier otra propiedad deseada.

En otra realización, el método comprende además una etapa de calentamiento, en el que la preforma se calienta hasta por encima de la temperatura de transición vítrea o la temperatura de fusión del polímero de matriz. Calentar la preforma facilita la formabilidad de la preforma. Dicha etapa de calentamiento puede estar dispuesta dentro del aparato de moldeo radial antes de la etapa de moldeo o antes de cargar la preforma dentro del aparato de moldeo radial. En algunas realizaciones, los segmentos de troquel pueden calentarse usando elementos de calentamiento colocados dentro de las ubicaciones deseadas en el cuerpo de troquel de compresión y transferir el calor a la preforma ubicada en la cavidad de molde. Después se enfría la preforma dentro de la cavidad de molde mediante conducción o se enfría el artículo acabado después de la etapa de moldeo mediante cualquier medio de enfriamiento adecuado tal como enfriamiento por aire.

Antes o después o durante la etapa de moldeo, el método comprende además deslizar al menos un pistón dentro de la cavidad de molde a lo largo del eje longitudinal común de la preforma para facilitar adicionalmente la compresión de la preforma sellando la cavidad de molde desde al menos un extremo. En este contexto, el pistón se refiere a cualquier vástago o barra o similar dispuesto para ajustarse y moverse dentro del aparato de moldeo. Por ejemplo, puede proporcionarse un pistón en cada extremo longitudinal de la cavidad de molde y, durante la etapa de moldeo, dichos pistones se deslizan hacia la preforma y, por tanto, comprimen adicionalmente la preforma desde ambos extremos. Con la combinación de los segmentos de molde y los pistones pueden formarse todos los lados del producto. Preferiblemente, los pistones se deslizan hacia la preforma después de moverse los segmentos de troquel hasta la posición de compresión final. Un accionador independiente puede mover el pistón o ambos pistones. El pistón puede comprimir una característica que penetra en la cavidad de molde entera desde un pistón hasta otro pistón. Tal realización resulta beneficiosa particularmente cuando se moldean piezas que tienen una abertura hueca a través de la dimensión más larga de la pieza. Un ejemplo de una pieza de este tipo es un tornillo canulado.

Un extremo distal del pistón puede comprender un molde con un diseño inverso que se reproduce en una porción de extremo del artículo reforzado con fibra obtenido. El molde puede estar realizado de plástico tal como polieteretercetona (PEEK), que tiene excelentes propiedades de resistencia mecánica y química que se mantienen a altas temperaturas. El extremo distal en este contexto se refiere al extremo que entra en contacto con la preforma. El diseño puede ser, por ejemplo, una cabeza de tornillo y/o punta de tornillo. En otra realización, el pistón puede incluir una parte independiente que se usa como elemento de inserción y que está unida a la pieza que está fabricándose durante la fase de moldeo radial. Tal elemento de inserción se une temporalmente al pistón antes de la fase de moldeo por compresión y se une permanentemente a la pieza que está moldeándose radialmente durante la fase de moldeo. Tal elemento de inserción puede estar compuesto por el mismo material que la pieza que está fabricándose o puede estar compuesto por un material diferente tal como un metal, cerámica, etc. Tal elemento de inserción puede comprender toda la punta de la pieza que está fabricándose. Tal punta puede, por ejemplo, estar roscada y usarse en aplicaciones en las que una mezcla de dos o más materiales resulta más ventajosa.

En aún otra realización, antes de la etapa de moldeo, el método comprende además deslizar al menos un pistón con característica de sellado de molde específicamente diseñada en el extremo distal del pistón a lo largo del eje longitudinal común de la preforma para facilitar adicionalmente el sellado de molde. La característica de sellado se detiene en el borde de la cavidad de molde. En este contexto, el pistón incluye una característica geométrica que sella el molde en la fase en la que la cavidad de molde está “abierta” (figura 2) antes de que los segmentos de troquel se muevan a la posición comprimida (figura 3). En tal realización, el accionador independiente puede mover el pistón o ambos pistones.

Las figuras 2 y 3 ilustran segmentos de troquel 2 a modo de ejemplo de un aparato de moldeo radial observado a lo largo de un eje longitudinal en una posición inicial y una posición comprimida, respectivamente. Tal como se muestra en las figuras 2 y 3, el aparato comprende cuatro segmentos de troquel 2 que forman una cavidad de molde 3. Los segmentos de troquel 2 pueden ser similares o diferentes dependiendo del producto fabricado. Cada segmento de troquel 2 comprende dos superficies 2a de contacto que forman una cuña, que están en contacto con superficies 2a de contacto de segmentos de troquel 2 adyacentes todo el tiempo durante una posición inicial (figura 2), la etapa de moldeo y la posición comprimida (figura 3) y durante movimientos entre las posiciones. Los segmentos de troquel 2 pueden moverse a lo largo de una trayectoria lineal en la que las superficies 2a de contacto entre los segmentos de troquel 2 adyacentes pueden ser lineales.

La figura 4 ilustra una preforma de material compuesto 1 a modo de ejemplo que comprende matriz de polímero termoplástico y fibras de refuerzo. La preforma 1 comprende un núcleo 11 que tiene una orientación de fibras uniaxial y una pluralidad capas de fibras circundantes 12 que tienen una orientación en hélice de sustancialmente 45°. La orientación en hélice puede hacia la derecha y/o hacia la izquierda o ambas. Las capas 12 pueden estar superpuestas con una orientación en hélice de 45°/-45°/45°/-45°/45°, etc., por ejemplo. Las capas 12 pueden estar superpuestas con una orientación en hélice diferente o igual desde el núcleo 11 hasta la superficie, en las que las fibras del núcleo 11 comprenden la misma orientación paralela al eje longitudinal. En algunos ejemplos, las capas 12 pueden tener la misma orientación en hélice cerca del núcleo 11 y una orientación en hélice diferente cerca de la superficie. Las fibras de refuerzo continuas están dispuestas para seguir o adaptarse a un diseño de superficie del artículo acabado. Especialmente en tornillos, el ángulo de hélice es esencial para determinar el par de torsión. La eficiencia de tornillo está controlada por el ángulo de hélice, y la eficiencia máxima es de entre 40 y 45 grados. Sin embargo, en algunas realizaciones, la orientación en hélice puede ser sustancialmente de 15° o 30° o paralela al eje longitudinal. El elemento de inserción de fibra 11 también puede sustituirse por un material diferente.

Las figuras 5a-5f ilustran una serie de etapas de fabricación a modo de ejemplo que comprenden segmentos de troquel similares de las figuras 2 y 3 con pistones 4, 5 en vistas abiertas, en las que no se muestran dos segmentos de troquel 2 adyacentes delanteros. La figura 5a ilustra los segmentos de troquel 2 en la posición inicial, en la que una cavidad de molde 3 tiene un volumen inicial. La cavidad de molde 3 en este ejemplo tiene una forma de tornillo roscado. Por encima y por debajo de la cavidad de molde 3 hay trayectorias para pistones.

La figura 5b ilustra los segmentos de troquel 2 y los pistones 4, 5 en posiciones iniciales, en las que una preforma 1, que tiene una forma y volumen iniciales y que comprende matriz de polímero termoplástico y fibras de refuerzo, se ha cargado dentro de la cavidad de molde 3. La preforma 1 tiene un eje longitudinal común A que es perpendicular a la compresión. El volumen inicial de la preforma 1 puede ser menor que el volumen inicial de la cavidad de molde 3 y, en una posición comprimida, la cavidad de molde 3 y un artículo acabado tienen un volumen coincidente. El primer pistón 4 y el segundo pistón 5 pueden tener un diámetro y forma diferentes pero también pueden tener el mismo diámetro (tal como se muestra en la figura 6). Los pistones 4, 5 pueden estar realizados de metal o metal con punta de plástico tal como PEEK.

La figura 5c ilustra una etapa en la que los segmentos de troquel 2 están en la posición comprimida mientras que los pistones 4, 5 todavía están en la posición inicial. Durante la compresión radial, se forma la forma longitudinal de la preforma 1 y tiene una orientación de fibras personalizada en la que las fibras de refuerzo continuas siguen o se adaptan al contorno de superficie. Tal como se observa a partir de la figura 5c, ambas secciones de extremo tienen una protuberancia con una forma no controlada (mostrada como forma redonda en la figura 5c), que puede no ser un diseño deseado.

La figura 5d ilustra la posición comprimida completa, en la que ambos pistones 4, 5 se han deslizado dentro de la cavidad de molde 3 tras la compresión radial. El volumen de la cavidad de molde 3 en la posición comprimida es igual al volumen del artículo 6 acabado. El primer pistón 4 y/o el segundo pistón 5 tienen un extremo distal, que es el extremo que entra en contacto con la preforma 1 o el artículo no acabado, que funciona como molde con un diseño inverso que se reproduce en una porción de extremo del artículo 6 acabado.

La figura 5e ilustra la etapa en la que los segmentos de troquel 2 y los pistones 4 y 5 se devuelven a la posición inicial y el artículo 6 acabado está listo para retirarse.

La figura 5f ilustra una vista más de cerca del artículo 6 acabado, que puede dividirse en la porción de extremo 6a, porción central 6b y porción de punta 6c. La porción de extremo 6a tiene una forma superior que se forma por el primer pistón 4. La porción central 6b tiene las roscas de hélice que tienen la orientación de fibras personalizada con propiedades mecánicas optimizadas. La porción de punta 6c puede ser plana o, en algunas realizaciones, incluir una punta realizada de otro material distinto de la preforma 1. Puede estar totalmente roscada o parcialmente roscada o ser lisa.

La figura 6 ilustra una etapa alternativa de las etapas de fabricación a modo de ejemplo. La realización de la figura 6 es muy similar a la explicada en relación con la figura 5c. Por tanto, la realización de la figura 6 se explica a continuación destacando principalmente las diferencias.

La figura 6 ilustra una etapa antes de la compresión radial, en la que los pistones 4, 5 están en la posición comprimida mientras que los segmentos de troquel 2 todavía están en la posición inicial (es decir 5b). Los pistones 4, 5 pueden o bien comprimir la porción de extremo de la preforma 1 hasta el diseño deseado antes de la compresión radial o bien evitar que la preforma 1 fluya hacia fuera de la cavidad de molde 3 durante la compresión radial mientras que la presión de compresión radial hace que la preforma 1 empuje hacia los pistones 4, 5 o ambos. En ambos casos, se obtiene el producto acabado que tiene una orientación de fibras personalizada en el que las fibras de refuerzo continuas siguen o se adaptan al contorno de superficie.

En aún otra realización, el pistón 4, 5 puede comprender además una característica de sellado 7 en la superficie de contacto de la cavidad de molde 3 a lo largo del eje longitudinal común A de la preforma 1 para facilitar adicionalmente el sellado de molde. El término “superficie de contacto de la cavidad de molde 3” en este contexto se refiere al límite en el que la cavidad de molde 3 está definida por el volumen final. La característica de sellado 7 está conformada para sellar la superficie de contacto en el extremo proximal y/o distal de la cavidad de molde 3 cuando los segmentos de troquel 2 todavía están en la posición inicial y dispuesta para enfocar y bloquear contra la rotación de los segmentos de troquel 2 en la posición comprimida. Por tanto, la superficie de contacto sellada en el extremo de la cavidad de molde 3 evita fugas de la preforma moldeable 1 hacia estas direcciones y, por tanto, las superficies de contacto selladas mejoran la regulación de presión durante la fase de moldeo. Cuando se usa la característica de sellado 7, el diámetro de los pistones 4, 5 puede ser menor que el diámetro de la cavidad de molde 3 en la etapa comprimida. La característica de sellado 7 puede estar fabricada de cualquier material sellante adecuado tal como caucho, metal o plásticos tales como PEEK. La característica de sellado 7 también puede estar compuesta por el mismo material que el resto de los pistones. La característica de sellado 7 también puede ser una característica geométrica del pistón 4, 5, que está integrada o unida sin interrupciones al pistón 4, 5 y que está compuesta por cualquier material adecuado.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Método de formación de un artículo reforzado con fibra que comprende las siguientes etapas:

101) proporcionar una preforma de material compuesto (1) que comprende matriz de polímero termoplástico y fibras de refuerzo, en el que la preforma (1) comprende un volumen inicial y orientación de fibras inicial,

102) cargar la preforma dentro de un aparato de moldeo radial que comprende al menos tres segmentos de troquel (2) adyacentes unos junto a otros que forman una cavidad de molde (3) en una posición inicial que tiene un volumen inicial,

103) moldear la preforma (1) moviendo los segmentos de troquel (2), que están en contacto directo entre sí durante la posición inicial y el movimiento y una posición comprimida, y que son perpendiculares a un eje longitudinal común (A) de la preforma (1), en el que el volumen inicial de la cavidad de molde (3) disminuye y los segmentos de troquel (2) comprimen la preforma (1) para dar una forma definida por la cavidad de molde (3) en la posición comprimida que tiene un volumen final, que es menor que o igual al volumen inicial de la preforma (1),

en el que antes o después de la etapa de moldeo, al menos un pistón (4, 5) se desliza hacia la preforma (1) dentro de la cavidad de molde (3) a lo largo del eje longitudinal común (A) de la preforma (1) para facilitar adicionalmente la compresión de la preforma (1) sellando la cavidad de molde (3) desde al menos un extremo,

104) abrir la cavidad de molde (3), y

105) retirar el artículo reforzado con fibra (6) obtenido, que comprende una orientación de fibras personalizada, a partir de la cavidad de molde (3), en el que las fibras de refuerzo continuas siguen un contorno de superficie de dicho artículo (6).

2. Método de formación de un artículo reforzado con fibra según la reivindicación 1, en el que la etapa de moldeo comprende moldeo por compresión radial.

3. Método de formación de un artículo reforzado con fibra según la reivindicación 2, en el que la preforma (1) se calienta hasta por encima de la temperatura de transición vítrea (Tg) o la temperatura de fusión (Tf) del polímero de matriz dentro del aparato de moldeo radial antes de, o durante, la etapa de moldeo o antes de cargar la preforma (1) dentro del aparato de moldeo radial, y se enfría durante o tras la etapa de moldeo.

4. Método de formación de un artículo reforzado con fibra según la reivindicación 1, en el que la etapa de moldeo comprende moldeo por inyección, y en el que el artículo (6) obtenido es un elemento de inserción de fibra, que se usa como elemento de inserción en un procedimiento de sobremoldeo.

5. Método de formación de un artículo reforzado con fibra según cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1-4, en el que un extremo distal del pistón (4) comprende un molde con un diseño inverso que se reproduce en una porción de extremo (6a) del artículo reforzado con fibra (6) obtenido.

6. Método de formación de un artículo reforzado con fibra según cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1-5, en el que el pistón (5) está dispuesto para unir a un elemento de inserción o una punta de metal o cerámica a la preforma (1) durante la compresión.

7. Método de formación de un artículo reforzado con fibra según cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1-6, en el que el pistón (4, 5) comprende además una característica de sellado (7) en una superficie de contacto de la cavidad de molde (3) dispuesta para sellar la cavidad de molde (3) en la posición comprimida y/o durante la etapa de moldeo.

8. Método de formación de un artículo reforzado con fibra según cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1-7, en el que el volumen inicial de la preforma (1) es menor que el volumen de la cavidad de molde (3) en la posición inicial, y la dimensión transversal de la preforma (1) en la posición inicial es mayor que la dimensión transversal del artículo (6) obtenido en la posición comprimida.

9. Método de formación de un artículo reforzado con fibra según cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1-8, en el que, durante la etapa de compresión, los segmentos de troquel (2) se mueven por una longitud de desplazamiento lineal o curva idéntica a lo largo del segmento de troquel (2) adyacente, movimientos que están sincronizados mediante al menos un accionador, y en el que los segmentos de troquel (2) están en contacto directo entre sí.

10. Método de formación de un artículo reforzado con fibra según cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1-9, en el que la orientación de fibras de la preforma (1) puede personalizarse previamente, en el que la preforma (1) comprende un elemento de inserción de fibra (11) que tiene una orientación de fibras uniaxial y una pluralidad capas de fibras circundantes (12) que tienen una orientación en hélice con cualquier ángulo de fibra deseado.

11. Método de formación de un artículo reforzado con fibra según cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1-10, en el que la preforma (1) comprende una estructura de capas entremezcladas o entrelazadas.

12. Método de formación de un artículo reforzado con fibra según cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1-11, en el que el artículo reforzado con fibra es un dispositivo médico.

13. Aparato de moldeo por compresión radial para formar un artículo reforzado con fibra que comprende una matriz de polímero termoplástico y fibras de refuerzo, en el que el aparato comprende al menos tres segmentos de troquel (2) adyacentes unos junto a otros que forman una cavidad de molde (3) para una preforma (1), en el que, durante una compresión, los segmentos de troquel (2) se mueven por una longitud de desplazamiento lineal o curva idéntica a lo largo del segmento de troquel (2) adyacente, los segmentos de troquel están dispuestos para estar en contacto directo entre sí durante una posición inicial y movimiento y una posición comprimida, movimientos que están sincronizados mediante al menos un accionador, y en el que el aparato comprende además al menos un pistón (4, 5) dispuesto en un extremo de la cavidad de molde (3) y antes o después de la compresión está dispuesto para deslizarse hacia la preforma (1) dentro de la cavidad de molde (3) a lo largo de un eje longitudinal común (A) de la preforma (1).

14. Aparato de moldeo por compresión radial según la reivindicación 13, en el que el extremo distal del pistón (4) comprende un molde con un diseño inverso.

15. Aparato de moldeo por compresión radial según la reivindicación 13 o 14, en el que el pistón (5) comprende además una punta de metal o cerámica que va a unirse a un extremo de la preforma (1) durante la compresión.

16. Aparato de moldeo por compresión radial según cualquiera de las reivindicaciones anteriores 13-15, en el que el pistón (4, 5) comprende además una característica de sellado (7) en una superficie de contacto de la cavidad de molde (3) dispuesta para sellar la cavidad de molde (3) en una posición comprimida.

17. Aparato de moldeo por compresión radial según la reivindicación 16, en el que la característica de sellado (7) es una característica geométrica del pistón (4, 5), que está integrada o unida sin interrupciones al pistón (4, 5).