ES2987113T3 - Método para la fabricación aditiva de una preforma - Google Patents

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Palomares Maitane García
LARRAÑAGA Mª ASUNCIÓN MENDIZÁBAL
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Abstract

Se describe un método para la fabricación aditiva mediante modelado por deposición fundida de una preforma, en el que el método comprende: a) suministrar un filamento continuo que comprende: (i) un núcleo interno que consiste en un haz de fibras y (ii) un recubrimiento de aglutinante externo, que envuelve completamente dicho núcleo interno; b) alimentar el filamento continuo a una extrusora a una velocidad de alimentación, calentando la extrusora el filamento continuo a una temperatura que está entre la temperatura de reblandecimiento del aglutinante y la temperatura de fusión del aglutinante, y por debajo de la temperatura de fusión de las fibras; y c) deposición 3D del filamento continuo sobre una superficie base en al menos una o más capas sucesivas para obtener la preforma. También se describe la preforma obtenida y una pieza compuesta reforzada obtenida a partir de la misma. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Método para la fabricación aditiva de una preforma
Campo técnico
La presente divulgación se refiere al campo técnico de la fabricación aditiva para fabricar preformas de fibras continuas con el fin de obtener piezas de materiales compuestos reforzados.
Antecedentes de la técnica
Tradicionalmente, los procesos de fabricación de materiales compuestos reforzados con fibra continua seca (mate, tejida o unidireccional) se basan en diseñar el material compuesto (materiales, espesores, orientaciones), seleccionar y proporcionar las diferentes estructuras del refuerzo, cortar tejidos a medida, apilarlos y compactar la pila para obtener una preforma. Una particularidad de los procesos convencionales es que la geometría de la preforma que se puede obtener, cortando tejidos a medida, apilándolos y compactando la pila, está limitada a piezas 2d , o piezas 2D A, esto último significa que la altura de la pieza 2D A en determinada zona o zonas del avión puede ser diferente a la de otras zonas.
Posteriormente se aplica una resina a la preforma para obtener la pieza de material compuesto reforzado deseada. Si bien dichos procesos se están automatizando con el uso de robots, muchas veces es necesario llevar a cabo operaciones de mecanizado posteriores para el vaciado o la generación de ventanas en una pieza, lo que aumenta los costes de producción y los tiempos de ciclo del proceso de fabricación.
El documento US2005/0067731A1 divulga un proceso para fabricar una preforma para producir una pieza hecha de un material compuesto. Un hilo de refuerzo se deposita en capas sucesivas sobre una superficie de soporte. Se proporciona un aglutinante asociado al hilo de refuerzo para adherir el hilo de refuerzo a la superficie de soporte y a las capas sucesivas de hilo. El hilo de refuerzo se presiona contra la superficie de soporte de manera que ejerce una presión sustancialmente perpendicular a la superficie de soporte en el punto donde se deposita el hilo. El aglutinante se puede aplicar previamente a la superficie de soporte o se puede aplicar simultáneamente con el hilo de refuerzo. Este proceso requiere, por un lado, la presión necesaria para la compactación y, por otro lado, no permite obtener geometrías complejas o preformas 3D.
El documento US2019/039297A1 divulga un sistema que tiene una matriz de polímero que comprende una entrada de fibra, una entrada de polímero calentado y una salida de polifibra. La matriz de polímero se puede usar para recibir una hebra de fibra desde la entrada de fibra, recubrir la hebra de fibra con un polímero de la entrada de polímero calentado y extruir un hilo de polifibra de la salida de polifibra.
La fabricación aditiva es un proceso en el que las máquinas fabrican automáticamente piezas conformadas, píxel por píxel, capa por capa, de casi cualquier material, a diferencia de las técnicas tradicionales de fabricación sustractiva. Así pues, la tecnología de fabricación aditiva ha simplificado la mayoría de los procesos previos y los procesos posteriores antes mencionados, superando sus desventajas, reduciendo las limitaciones técnicas y aumentando la competitividad de la fabricación de materiales compuestos (Luca D. (2017)J. Material Sci. Eng.6:4).
En la actualidad, todas las tecnologías de fabricación aditiva están orientadas a la fabricación de piezas de material compuesto reforzado finales hechas de un material termoplástico o termoestable reforzado con fibras cortas o con fibras continuas.
Matzuaki R, Ueda M, Namiki M, Jeong TK, Asahara H, Horiguchi K, Nakamura T, Todoroki A e Hirano Y(Scientific Reports(2016) 6:23058) informan sobre un proceso de fabricación aditiva para la impresión tridimensional (3D) de piezas de termoplásticos reforzados con fibras continuas basado en el modelado por deposición fundida (FDM oFused-Deposition Modeling).Dicho proceso permite la fabricación directa en 3D de piezas de material compuesto reforzado sin el uso de moldes y comprende suministrar por separado un filamento termoplástico y fibras continuas de refuerzo a una impresora 3D. Las fibras continuas quedan impregnadas del termoplástico en la boquilla calentada de la impresora. El termoplástico utilizado es ácido poliláctico (PLA), mientras que como fibras de refuerzo se utilizan fibras de carbono o de vidrio.
Dickson AN, Barry JN, McDonell KA y Dowling DP(Additive Manufacturing16 (2017) 146-152) evalúan el rendimiento de materiales compuestos reforzados con fibras continuas de carbono, Kevlar™ y vidrio fabricados mediante la técnica de fabricación aditiva FDM. Los compuestos reforzados con fibra de nailon se fabrican utilizando un sistema de impresión 3D Mark One de Markforged. En dicho sistema, las fibras de refuerzo quedan impregnadas de un nailon termoplástico en la extrusora del sistema de impresión 3D. En la figura 3 se muestra una representación esquemática del proceso de Markforged.
Sin embargo, la porosidad es una preocupación importante para las piezas de material compuesto reforzado con fibra finales fabricado mediante tecnologías aditivas tales como el FDM. Aunque se han logrado algunos avances para mantener la porosidad al mínimo, (véanse, por ejemplo, Wang J, Xie H, Weng Z, Senthil T y Wu L (2016)Mater. Des.
105, 152-159 y Ning F, Cong W, Hu Z y Huang K (2017)J. Compos. Mater.51 (27), 3733-3742), las piezas de material compuesto obtenidas mediante fabricación aditiva siguen siendo demasiado porosas y, por lo tanto, muestran propiedades mecánicas peores que las piezas de material compuesto obtenidas mediante métodos convencionales.
Para superar una o más de las desventajas mencionadas anteriormente, la presente invención proporciona un método alternativo para obtener piezas de material compuesto reforzado con fibras finales con propiedades mejoradas. El presente método se basa en la fabricación aditiva de una preforma de fibras continuas mediante modelado por deposición fundida (FDM) para fabricar posteriormente una pieza de material compuesto reforzado final mediante un proceso de moldeo líquido, en particular mediante un proceso de moldeo por transferencia de resina (RTM) o mediante infusión. Ventajosamente, esta preforma de fibras continuas, en lo sucesivo denominada también preforma, se puede diseñar en función de las propiedades y características deseadas para la pieza final que se obtendrá a partir de ella. Con la nueva tecnología descrita en esta invención, las preformas se fabrican mediante un proceso de fabricación aditiva de deposición de filamentos continuos sin necesidad de cosido.
Breve descripción de los dibujos
Fig. 1: muestra una sección transversal de un filamento utilizado en el estado de la técnica. El filamento (1) comprende un haz de fibras (2) impregnadas de un material termoplástico (3).
Fig. 2: muestra una sección transversal de un filamento continuo de acuerdo con la presente invención antes de ser extruído. El filamento (4) comprende: (i) un núcleo interno (5) que comprende un haz de fibras (6), y (ii) un revestimiento aglutinante externo (7) que envuelve el núcleo interno, pero que no impregna el haz de fibras en oposición al filamento (1) mostrado en la figura 1.
Fig. 3: es un esquema de un proceso de fabricación de acuerdo con el estado de la técnica (proceso de Markforged) donde un filamento preformado (8) se deposita, y (8') es el filamento depositado, en capas sucesivas proporcionando la pieza de material compuesto reforzado final (9).
Fig. 4: es un esquema de un proceso de fabricación de acuerdo con la invención donde se deposita el filamento continuo (4) (filamento depositado (10)); se depositan sucesivas capas formando la preforma (11) y tras la impregnación con una resina de impregnación (12) se obtiene una pieza de material compuesto reforzado final (13). La etapa de impregnación completa la preforma con la resina de impregnación eliminando la porosidad inicial.
Descripción detallada de la invención
En un aspecto, la invención se refiere a un método para la fabricación aditiva mediante modelado por deposición fundida (FDM) de una preforma, comprendiendo el método:
a) suministrar un filamento continuo que comprende:
(i) un núcleo interno que comprende un haz de fibras, y
(ii) un revestimiento aglutinante externo, que envuelve por completo dicho núcleo interno;
b) alimentar el filamento continuo a una extrusora a una velocidad de alimentación, calentando la extrusora el filamento continuo a una temperatura que está entre la temperatura de reblandecimiento del aglutinante y la temperatura de fusión del aglutinante, y por debajo de la temperatura de fusión de las fibras; y
c) efectuar la deposición 3D del filamento continuo sobre una superficie de base en al menos una o más capas sucesivas para obtener la preforma.
El método de la presente invención hace posible fabricar preformas de fibras continuas 3D con un nivel de detalle, libertad y complejidad geométrica imposibles de obtener, hasta donde llega el conocimiento del inventor, con las tecnologías de preformado actualmente existentes. El método de la invención permite además la fabricación de piezas de material compuesto reforzado finales a partir de estas preformas, tal como se explicará a continuación, con un alto nivel de optimización topológica e integración funcional.
Habitualmente, los procesos de moldeado de materiales compuestos utilizan tejidos preformados multilámina (preformas secas) con diferentes arquitecturas construidas a partir de hilados o estopas dispuestas en estructuras dimensionales complejas. Estos se pueden crear a partir de procesos de tejido, trenzado o no tejido. Se aplica una resina a la preforma para crear el material compuesto. Con el método de la presente invención las preformas de fibras continuas de la invención, en lo sucesivo denominadas también preformas, se fabrican mediante un proceso de fabricación aditiva de deposición de fibras continuas sin necesidad de cosido.
Filamento continuo
El filamento continuo para su uso en la presente invención comprende:
(i) un núcleo interno que comprende un haz de fibras y
(ii) un revestimiento aglutinante externo, que envuelve por completo dicho núcleo interno.
En la figura 2 se representa un filamento continuo ilustrativo (4) de acuerdo con la invención, en donde el núcleo interno (5) consta de un haz de siete fibras (6), y dicho núcleo interno (5) está envuelto, esto es, envuelto por completo, por un revestimiento aglutinante externo (7) continuo y uniforme.
En comparación con un filamento de acuerdo con el estado de la técnica, representado en la figura 1, en donde el filamento (1) del estado de la técnica comprende un haz de fibras (2) y un aglutinante (3), que impregna completamente todas las fibras del haz, en el filamento continuo de la invención el revestimiento aglutinante sólo envuelve el haz de fibras, pero no impregna las fibras. El filamento representado en la figura 1 se utiliza en el estado de la técnica como material aditivo para fabricar una pieza de material compuesto reforzado final (no una preforma) y aparecen poros entre las sucesivas capas de filamentos reduciendo las propiedades mecánicas de la pieza.
La estructura particular del filamento continuo usado en la presente invención es importante para obtener las características sobresalientes de la pieza de material compuesto reforzado final obtenida usando esta preforma.
El haz de fibras para su uso en la invención puede comprender una o más fibras. Habitualmente, el haz comprende varias fibras que pueden variar dentro de un amplio intervalo. En algunas realizaciones ilustrativas, el haz de fibras comprende de 5 a 10.000.000 de fibras; en otras, de 10 a 1.000.000 o de 100 a 100.000. El término haz debe entenderse en sentido amplio; esto es, que incluye, por ejemplo. hebras e hilos trenzados.
Las fibras del haz pueden estar hechas de uno o más de cualquier material de refuerzo convencional, y también se denominan en el estado de la técnica fibras de refuerzo, que son bien conocidas por parte de la persona experta. Ejemplos no limitantes de fibras son fibras naturales, tal como lana, algodón, lino, etc., fibras sintéticas, tal como aramida, poliéster, poliamida, poliparafenileno tereftalamida (Kevlar™), fibras de carbono, fibras de vidrio, fibras de boro, fibras cerámicas, entre otras, así como mezclas de estas. En realizaciones particulares, las fibras son fibras de carbono.
El haz de fibras también puede comprender un alambre de metal, tal como cobre, que, por ejemplo, se puede entrelazar para proporcionar propiedades específicas al filamento continuo y a la preforma obtenida a partir de este, tal como la capacidad de calentamiento resistivo.
Las fibras utilizadas en realizaciones de la presente invención son fibras continuas proporcionadas en forma de mecha. Las mechas son fibras continuas adecuadas para su uso en el proceso de FDM. Las fibras adecuadas para su uso en la invención pueden tener diferentes valores de Tex y densidades, que no están particularmente limitados. En algunas realizaciones ilustrativas de la invención se utilizan fibras de carbono. Las fibras de carbono adecuadas proporcionadas, por ejemplo, como mechas presentan normalmente de 1000 a 4000 tex y de 10 a 30K.
El aglutinante de la presente divulgación comprende un polímero termoplástico. El término aglutinante se utiliza para referirse a la composición de polímero termoplástico que forma el aglutinante de recubrimiento del filamento, ya que por un lado sirve para mantener unidas las fibras del haz durante la fabricación de la preforma. De manera adicional, el aglutinante también permite la impresión de los filamentos. En principio, para obtener el aglutinante se puede utilizar cualquier polímero termoplástico convencional utilizado en el presente campo técnico, más particularmente se puede utilizar cualquier polímero termoplástico que sea compatible con las fibras del haz, y con la resina termoplástica o termoestable de impregnación utilizada para fabricar la pieza de material compuesto reforzado final tal como se explica más adelante.
El término compatible tal como se usa en la presente invención significa que el polímero termoplástico del aglutinante o el aglutinante que envuelve el haz de fibras debe disolverse en la resina de impregnación y ser mezclable con la resina termoplástica o termoestable de impregnación; no interferirá en la unión de la resina termoplástica o termoestable de impregnación con las fibras, permitiendo el limado correcto y completo de la pieza, evitando así la generación de poros en la pieza de material compuesto reforzado final.
La elección del polímero termoplástico para el aglutinante puede ser determinada por el experto en la materia, en cada caso, dependiendo de las propiedades químicas de la resina termoplástica o termoestable seleccionada que impregnará la preforma, la naturaleza química de las fibras que se van a utilizar. Así pues, cada resina o familia de resinas termoplásticas o termoestables requiere un tipo específico de aglutinante y de fibras que el experto en la materia puede determinar fácilmente. Ejemplos no limitantes de polímeros termoplásticos adecuados para su uso como aglutinantes son los copolímeros de bloques estirénicos, poliuretanos, copoliésteres y mezclas de estos.
En algunas realizaciones preferentes se usan copolímeros de bloques estirénicos para el aglutinante, más preferentemente copolímeros de estireno-dieno-estireno, tales como copolímeros de estireno-butadieno-estireno. En realizaciones aún preferentes, los copolímeros de estireno-butadieno-estireno tienen entre el 30 y el 65 % del peso molecular de estireno, en particular del 35 al 55 % del peso molecular de estireno con respecto al peso molecular total del copolímero. En algunas realizaciones, el polímero termoplástico se funcionaliza químicamente mediante, por ejemplo, agentes de silanización, metacrilato de diglicilo y/o anhídrido maleico para modificar sus propiedades químicas y conseguir la solubilidad antes mencionada del aglutinante en la resina de impregnación.
El filamento continuo se obtiene mediante extrusión concéntrica del polímero termoplástico sobre el núcleo interno que comprende el haz de fibras de refuerzo continuas. Con esta finalidad, se utiliza una boquilla de recubrimiento de alambre, cuyos elementos interiores permitirán definir el diámetro total del filamento y el espesor de revestimiento de la capa envolvente. En función del tipo de preforma que se va a fabricar y de las prestaciones requeridas de la pieza de material compuesto reforzado final que se va a obtener, el diámetro del filamento continuo y el espesor del revestimiento aglutinante se pueden variar dentro de amplios intervalos. Por otra parte, la sección de filamentos puede ser, por ejemplo, circular, rectangular (del tipo cinta) o elipsoidal.
El filamento continuo puede tener un diámetro que normalmente está comprendido entre 0,5 y 20 mm, por ejemplo entre 1,5 y 10 mm, o entre 2 y 5 mm.
El espesor del revestimiento aglutinante normalmente está comprendido entre 0,05 y 6 mm, o entre 0,1 y 2 mm. Además el espesor está entre el 0,1 % y el 20 %, por ejemplo entre el 0,5 % y el 10 %, o entre el 1 % y el 5 % de la sección transversal del filamento. Cuando el filamento tiene una sección rectangular, el proceso para su preparación será el mismo que el divulgado anteriormente, variando únicamente las dimensiones de los elementos del cabezal de recubrimiento. En el caso de filamentos de sección rectangular (tipo cinta) las dimensiones exteriores pueden variar, normalmente, entre 0,5 mm x 5 mm y 7 mm x 15 mm o 1 mm x 3 mm y 5 mm x 12 mm, y el espesor del recubrimiento puede variar entre 0,05 mm y 5 mm o entre 0,1 mm y 3 mm. Para comprobar las dimensiones exteriores del filamento, se puede utilizar una fila de calibración colocada después del cabezal de recubrimiento.
Igualmente, en general, el recubrimiento aglutinante está en una proporción del 5 al 20 % en peso con respecto al peso total del filamento, en particular del 7 % en peso al 15 % en peso, por ejemplo, del 10 % en peso.
Tal como se ha divulgado anteriormente, el revestimiento aglutinante cubre totalmente el núcleo interno, pero no impregna el haz de fibras, tal como se muestra en la figura 2. De acuerdo con ello, las fibras permanecen secas para un contacto máximo y óptimo durante la etapa de impregnación con la resina termoplástica o termoestable de impregnación. Las propiedades de las fibras (el tipo de material) y su estructura (características de la mecha: K y Tex) se seleccionarán dependiendo de las propiedades mecánicas requeridas para la pieza de material compuesto reforzado final. La naturaleza química y el espesor del aglutinante también se pueden seleccionar dependiendo de las propiedades requeridas de la pieza de material compuesto final y del tipo de resina termoplástica o termoestable de impregnación que se va a utilizar en la etapa de impregnación posterior realizada mediante procesos de moldeo líquido, en particular, mediante procesos de moldeo por transferencia de resina (RTM) o mediante infusión.
En algunas realizaciones ilustrativas, el aglutinante comprende una o más de las siguientes características:
- resistencia a la tracción de 10 a 110 MPa o, por ejemplo, entre 20 y 80 MPa medida de acuerdo con la norma ASTM D638-03;
- módulo elástico de flexión de 0,10 a 4 GPa o, por ejemplo, entre 0,5 y 2 GPa medido de acuerdo con la norma ASTM D790-03;
- temperatura de reblandecimiento entre 75 y 395 °C o, por ejemplo, entre 100 y 250 °C;
- índice de fluidez de 1 a 30 g/10 m o, por ejemplo, entre 5 y 20 g/10 m medido de acuerdo con la norma ASTM 1238.
En la etapa b) del método para la fabricación aditiva de una preforma, el filamento continuo se alimenta a una extrusora a una velocidad de alimentación, calentando la extrusora el filamento a una temperatura que está entre la temperatura de reblandecimiento del aglutinante y la temperatura de fusión del aglutinante, y por debajo de la temperatura de fusión de las fibras. En algunas realizaciones particulares, el filamento se calienta a una temperatura de entre 75 y 395 °C, o entre 100 y 350 °C, o entre 150 y 300 °C, como 200 °C o 250 °C.
En la etapa c) el filamento continuo se deposita en 3D sobre una superficie de base en al menos una o más capas sucesivas para obtener la preforma de fibras continuas, que constituye un aspecto adicional de la presente invención. De este modo no se aplica ninguna presión.
En algunas realizaciones particulares, para la impresión de la preforma, el filamento continuo se alimenta a un equipo aditivo de tipo FDM(Fused Deposition Modeling)específico para este tipo de procesamiento de filamentos, provisto de un sistema de corte en el cabezal de extrusión mediante una cuchilla o mediante ultrasonidos. Este equipo aditivo de tipo FDM es bien conocido en la técnica y puede tener de 3 a 5 ejes, por ejemplo 4 ejes.
El equipo aditivo también puede estar provisto de un cabezal de extrusión adicional para proporcionar un material de soporte. En algunas realizaciones particulares, la geometría de la preforma que se va a obtener puede requerir la provisión de dicho material de soporte que también se puede obtener mediante fabricación aditiva. El soporte se obtiene habitualmente a partir de un material diferente al utilizado para la propia preforma. Materiales típicos para dicho soporte son, entre otros, alcohol polivinílico, polialanina (PAL), acrilonitrilo butadieno estireno (ABS) u otros polímeros termoplásticos. Este cabezal de impresión adicional requiere dos grados de libertad (base basculante con dos ejes o un cabezal de impresión con dos grados de libertad adicionales).
Tal como se ha mencionado anteriormente, al contrario que otras técnicas del estado de la técnica, tal como en el método divulgado en el documento US2005/0067731A1, la deposición de acuerdo con el presente método de fabricación aditiva del filamento continuo no requiere ejercer presión alguna sobre la preforma de formación. Como consecuencia, el presente método permite la fabricación de preformas 3D con geometrías complejas sin ninguna limitación.
De manera adicional, la integración del diseño de la preforma y el control del proceso de fabricación aditiva en un mismo software simplifica y reduce los plazos de comercialización.
En otro aspecto, la invención se refiere a una preforma obtenible mediante el método de fabricación aditiva divulgado anteriormente.
La preforma puede tener cualquier composición química derivada de cualquier combinación de las fibras y polímeros termoplásticos divulgados anteriormente. Además, la preforma puede ser 2d , 2D1/2 o 3D y tiene cualquier geometría y tamaño.
En algunas realizaciones preferentes, la preforma comprende un haz de fibras seleccionadas entre fibras naturales, fibras sintéticas, tal como aramida, poliéster, poliamida, poliparafenileno tereftalamida (Kevlar™), fibras de carbono, fibras de vidrio, fibras de boro o fibras cerámicas, y mezclas de estas, preferentemente fibras de carbono, y el aglutinante comprende un copolímero de bloques estirénicos.
En otras realizaciones preferentes, la preforma comprende un haz de fibras seleccionadas entre fibras naturales, fibras sintéticas, tal como aramida, poliéster, poliamida, poliparafenileno tereftalamida (Kevlar™), fibras de carbono, fibras de vidrio, fibras de boro o fibras cerámicas, y mezclas de estas, preferentemente fibras de carbono, y el aglutinante comprende preferentemente un copolímero de estireno-dieno-estireno.
En algunas otras realizaciones preferentes, la preforma comprende un haz de fibras seleccionadas entre fibras naturales, fibras sintéticas, tal como aramida, poliéster, poliamida, poliparafenileno tereftalamida (Kevlar™), fibras de carbono, fibras de vidrio, fibras de boro o fibras cerámicas, y mezclas de estas, preferentemente fibras de carbono, y el aglutinante comprende más preferentemente un copolímero de estireno-butadieno-estireno (SBS).
En otras realizaciones, la preforma comprende un haz de fibras seleccionadas entre fibras naturales, fibras sintéticas, tal como aramida, poliéster, poliamida, poliparafenileno tereftalamida (Kevlar™), fibras de carbono, fibras de vidrio, fibras de boro o fibras cerámicas, y mezclas de estas, preferentemente fibras de carbono, y el aglutinante comprende un polímero termoplástico de poliuretano o copoliéster.
En algunas realizaciones, la preforma tiene una permeabilidad de 10‘8 de 10‘4 m2 en el plano, medida mediante un procedimiento de inyección lineal a presión constante. En algunas otras realizaciones, la permeabilidad es 10‘7 de 10' 5 m2 en el plano, por ejemplo 10‘6 m2 en el plano. Más particularmente, la permeabilidad se determina mediante un procedimiento de análisis de permeabilidad llevado a cabo con un molde metálico de 500-1500 mm de largo y 150 350 mm de ancho con una tapa de vidrio y que se cierra sobre una junta de caucho. La presión de inyección de la resina puede variar entre 0,1 y 10 bar (0,01 y 1 MPa). La temperatura de llenado se ajusta según la resina para obtener una viscosidad de entre 5 y 15.000 mPa.s medida de acuerdo con la norma ISO 12085. La velocidad de llenado se cuantifica visualmente. La permeabilidad de la preforma se puede modificar actuando sobre el % de porosidad de la preforma impresa.
Las preformas se obtienen normalmente mediante la deposición sucesiva de capas de filamentos continuos que tienen una porosidad de entre el 20 y el 75 %, por ejemplo, entre el 30 y el 60 %, o entre el 35 y el 55 %.
En otro aspecto, la invención se refiere al uso de la preforma de la invención en la fabricación de una pieza de material compuesto reforzado final.
En otro aspecto más, la invención se refiere a un método para fabricar una pieza de material compuesto reforzado final a partir de la preforma de la invención. Así, este método comprende: (i) obtener una preforma de acuerdo con el método definido anteriormente; y además (ii) impregnar la preforma resultante de la invención con una resina termoplástica o termoestable.
En la figura 4 se muestra una representación esquemática del método, para una mejor comprensión del proceso de fabricación de acuerdo con la invención donde se deposita el filamento continuo (4) (filamento depositado (10)) en capas sucesivas para obtener una preforma (11), y tras la impregnación de dicha preforma con una resina de impregnación (12) se obtiene una pieza de material compuesto reforzado final (13). La etapa de impregnación completa la preforma con la resina de impregnación eliminando la porosidad inicial.
Las resinas termoplásticas o termoestables que se van a utilizar en la etapa de impregnación, también denominadas en el presente documento resinas termoplásticas o termoestables de impregnación, son muy conocidas en este campo. La impregnación se puede llevar a cabo mediante procesos de moldeo líquido, en particular mediante un proceso de moldeo por transferencia de resina o mediante infusión. Las resinas termoplásticas para impregnación pueden ser, por ejemplo, náilones, tales como poliamida 6 (nailon 6), elastómeros termoplásticos (TPE), tales como copolímeros de bloques estirénicos, poliuretanos termoplásticos (TPU) o copoliésteres termoplásticos (TPC). En algunas realizaciones, la resina termoplástica para impregnación es un nailon, preferentemente una poliamida 6 (nailon 6). En alguna otra realización, la resina termoplástica es un elastómero termoplástico, en particular seleccionado entre el grupo de copolímeros de bloques estirénicos. En otras realizaciones más, la resina termoplástica es un TPU o un TPC.
Ejemplos no limitantes de resinas termoestables adecuadas son resinas epoxi, poliésteres, ésteres de vinilo, resinas fenólicas, entre otros. En algunas realizaciones, la resina es una resina termoestable, preferentemente una resina epoxi.
En alguna otra realización, la resina termoestable es un poliéster. En otras realizaciones más, la resina termoestable es un éster de vinilo o una resina fenólica.
El método para fabricar la pieza comprende además una primera etapa de curado. Esta primera etapa de curado se lleva a cabo normalmente a una temperatura de 10 a 165 °C, o de 25 a 150 °C, o de 50 a 100 °C, dependiendo de la resina seleccionada o del tamaño de la pieza, entre otros factores. Los tiempos necesarios para el curado también son variables, aunque normalmente comprendidos entre 0,5 y 4 horas, por ejemplo, de 1 a 3 horas.
El método también puede comprender una segunda etapa de curado adicional (o etapa de curado posterior). El curado posterior normalmente se lleva a cabo a una temperatura de 40 a 180 °C, o de 50 a 175 °C, o de 60 a 150 °C, dependiendo de las condiciones de la primera etapa de curado, la resina seleccionada, o el tamaño de la pieza, entre otros factores. Los tiempos necesarios para el curado posterior también son variables, aunque normalmente están comprendidos entre 2 y 16 horas, por ejemplo de 5 a 12 horas o de 7 a 10 horas.
En otro aspecto, la invención se refiere a una pieza de material compuesto reforzado obtenible mediante el método divulgado anteriormente para fabricar una pieza de material compuesto reforzado. El método de fabricación de la pieza de material compuesto reforzado de la presente invención evita la porosidad en la pieza obtenida que se produce en otros procesos aditivos del estado de la técnica, permitiendo que la pieza presente muy buenas propiedades mecánicas del mismo orden de magnitud que el conseguido por los procesos actuales de preformado y moldeado de materiales compuestos.
En algunas realizaciones preferentes, la pieza comprende un haz de fibras seleccionadas entre fibras naturales, fibras sintéticas, tal como aramida, poliéster, poliamida, poliparafenileno tereftalamida (Kevlar™), fibras de carbono, fibras de vidrio, fibras de boro o fibras cerámicas, y mezclas de estas, preferentemente fibras de carbono, el aglutinante comprende un copolímero de bloques estirénicos y la resina de impregnación comprende una resina epoxi.
En otras realizaciones preferentes, la pieza comprende un haz de fibras seleccionadas entre fibras naturales, fibras sintéticas, tal como aramida, poliéster, poliamida, poliparafenileno tereftalamida (Kevlar™), fibras de carbono, fibras de vidrio, fibras de boro o fibras cerámicas, y mezclas de estas, preferentemente fibras de carbono, el aglutinante comprende un copolímero de estireno-dieno-estireno, preferentemente un copolímero de estireno-butadieno-estireno (SBS), y la resina de impregnación comprende una resina epoxi.
En algunas realizaciones preferentes, la pieza comprende un haz de fibras seleccionadas entre fibras naturales, fibras sintéticas, tal como aramida, poliéster, poliamida, poliparafenileno tereftalamida (Kevlar™), fibras de carbono, fibras de vidrio, fibras de boro o fibras cerámicas, y mezclas de estas, preferentemente fibras de carbono, el aglutinante comprende un copolímero de bloques estirénicos y la resina de impregnación comprende una poliamida 6.
En otras realizaciones preferentes, la pieza comprende un haz de fibras seleccionadas entre fibras naturales, fibras sintéticas, tal como aramida, poliéster, poliamida, poliparafenileno tereftalamida (Kevlar™), fibras de carbono, fibras de vidrio, fibras de boro o fibras cerámicas, y mezclas de estas, preferentemente fibras de carbono, el aglutinante comprende un copolímero de estireno-dieno-estireno, preferentemente un copolímero de estireno-butadieno-estireno (SBS) y la resina de impregnación comprende una poliamida 6.
En una realización preferente, la pieza comprende un haz de fibras de carbono, el aglutinante comprende un copolímero de estireno-butadieno-estireno y resina epoxi como resina de impregnación.
En otro aspecto más, la invención se refiere al uso de las piezas de material compuesto reforzado divulgadas anteriormente en el refuerzo estructural de elementos tales como aviones, colectores de aspiración del motor, pedales automotrices, marcos de soportes, piezas huecas, piezas acanaladas o ventanas.
Definiciones:
TEX: Una unidad para expresar la densidad lineal, igual al peso en gramos de un kilómetro de hilo, filamento, fibra u otra hebra textil.
La "K" de un haz de fibras corresponde a la cantidad de fibras agrupadas en miles.
Los ejemplos proporcionados a continuación y las figuras pretenden ser solo ilustrativos y no pretenden limitar la presente invención de ninguna manera.
Ejemplos
Ejemplo 1:
1.1 Fabricación de filamentos
Se preparó un filamento continuo que comprendía un núcleo interno hecho de un haz de fibras que consistían en una mecha de carbono (Toho-Tenax HTS40 F13, 24K, 1600 Tex) y un revestimiento aglutinante externo, que envolvía por completo dicho núcleo interno, en donde el aglutinante consistía en un polímero termoplástico: elastómero SBS (estireno-butadieno-estireno) de alta fluidez (entre 2,5-7 g/10 min -190 °C/5 kg de acuerdo con la norma ASTM 1238) y con un alto contenido de estireno (38-50 % del peso molecular con respecto al peso molecular total del copolímero).
El filamento continuo se obtuvo mediante un proceso de recubrimiento de hilos, en donde la temperatura de extrusión del SBS estaba entre 185 y 210 °C.
El filamento continuo resultante mostró un diámetro de 1,75 mm; y la cantidad en % en peso del recubrimiento de SBS con respecto al peso total del filamento era de entre el 8 y el 15 % en peso.
1.2 Fabricación de preformas
El filamento continuo obtenido en el ejemplo 1 se alimentó a un equipo aditivo FDM con un cabezal de extrusión que incorporaba un sistema de corte de fibras mediante una cuchilla. Dicho sistema está controlado por un software que permite definir la porosidad de la preforma ajustando el solapamiento entre capas. Se obtuvo una preforma mediante la deposición sucesiva de cinco capas del filamento continuo que tenía una porosidad del 35-55 %.
1.3 Fabricación de piezas de material compuesto reforzado
Para producir el material compuesto, la preforma obtenida en el apartado 1.2 se introdujo en un molde de infusión y posteriormente se infundió mediante un sistema epoxi siguiendo un proceso de moldeo por transferencia de resina (RTM).
Como sistema epoxi, se utilizó un sistema epoxi de alta fluidez (205 mPa de acuerdo con la norma ISO 12058-2 a 23 °C) específico para procesos de infusión [resina epoxi: Resoltech 1050 y sistema catalítico 1053S (endurecedor)]. La proporción de mezcla en peso fue 100 (epoxi): 35 (endurecedor).
Después del proceso de infusión, el material compuesto se curó a temperatura ambiente durante 2,5 horas y se curó posteriormente durante 4 horas a 60 °C.
La pieza de material compuesto reforzado obtenida contenía un 5 % en peso de SBS con respecto al peso total de la pieza. La pieza presentaba las siguientes propiedades, de acuerdo con la norma ISO 527-4 (muestras de ensayo: 250 x 25 x 3 mm, velocidad: 2 mm/min), ISO 178 e ISO 868:
- Resistencia a la tracción: 1019 MPa
- Módulo de tracción: 68 GPa
- Tensión de flexión: 868 MPa
- Módulo de flexión: 56.252 MPa
- Resistencia al impacto: 191 KJ/m2 (a 23 °C y 50 % h.r)
- Dureza (Shore<d>): 70
Respecto a las soluciones convencionales, en donde se obtiene una pieza de material compuesto final a partir de una preforma obtenida de forma convencional mediante apilamiento de tejidos, la pieza de material compuesto reforzado final obtenida de acuerdo con la presente invención proporciona una mejora del 42,5 % en la resistencia al impacto sin pérdida de resistencia a la tracción y con una disminución del módulo de flexión del 12,7 %. Esto demuestra que el revestimiento aglutinante de SBS mejora las propiedades mecánicas de la pieza final.

Claims (10)

REIVINDICACIONES
1. Un método para la fabricación aditiva mediante modelado por deposición fundida de una preforma, comprendiendo el método:
a) suministrar un filamento continuo (4) que comprende:
(i) un núcleo interno (5) que consiste en un haz de fibras (6) y
(ii) un revestimiento aglutinante externo (7) de polímero termoplástico que envuelve por completo dicho núcleo interno;
en donde dicho filamento continuo se obtiene mediante extrusión concéntrica del aglutinante de polímero termoplástico sobre un núcleo interno;
b) alimentar el filamento continuo a una extrusora a una velocidad de alimentación, calentando la extrusora el filamento continuo a una temperatura que está entre la temperatura de reblandecimiento del aglutinante y la temperatura de fusión del aglutinante, y por debajo de la temperatura de fusión de las fibras; y
c) efectuar la deposición 3D del filamento continuo sobre una superficie de base en al menos una o más capas sucesivas para obtener la preforma.
2. El método de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el haz de fibras comprende una o más fibras.
3. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 o 2, en donde las fibras se seleccionan del grupo de fibras naturales, fibras sintéticas, de carbono, de vidrio, de boro, fibras cerámicas y mezclas de estas, en particular fibras de carbono.
4. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en donde el aglutinante comprende un polímero termoplástico, preferentemente seleccionado del grupo que consiste en copolímeros de bloques estirénicos, poliuretanos, copoliésteres y mezclas de estos.
5. El método de acuerdo con la reivindicación 4, en donde el polímero termoplástico se selecciona del grupo de copolímeros de estireno-dieno-estireno, preferentemente copolímeros de estireno-butadieno-estireno.
6. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en donde el diámetro del filamento es de 0,5 a 20 mm, en particular de 1,5 a 10 mm, más particularmente de 2 a 5 mm.
7. Un método para fabricar una pieza de material compuesto reforzado que comprende: obtener una preforma de acuerdo con el método definido en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6; e impregnar la preforma resultante con una resina termoplástica o termoestable.
8. El método de acuerdo con la reivindicación 7, que comprende una primera etapa de curado y que comprende opcionalmente una etapa de curado posterior.
9. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 7 a 8, en donde la impregnación de la preforma se realiza mediante un proceso de moldeo líquido, en particular mediante un proceso de moldeo por transferencia de resina o mediante infusión.
10. El método de acuerdo con la reivindicación 9, en donde la resina utilizada para la impregnación es una resina termoestable, preferentemente una resina epoxi, o una resina termoplástica, preferentemente una resina de poliamida 6.
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