ES3009366T3 - Reinforcement thermoplastic-based fibre-metal laminate composite frame and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
La presente solicitud de patente proporciona un marco compuesto de refuerzo de fibra-metal termoplástico (22), que constituye una solución compositiva óptima para la construcción de una estructura ligera. La presente solicitud de patente también describe el proceso de fabricación de dicho marco compuesto de refuerzo. El marco compuesto de refuerzo (22) descrito en este documento es adecuado para cualquier componente ligero, preferiblemente para componentes automotrices y aeroespaciales. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)This patent application provides a thermoplastic metal-fiber reinforcing composite frame (22), which constitutes an optimal compositional solution for the construction of a lightweight structure. This patent application also describes the manufacturing process of said reinforcing composite frame. The reinforcing composite frame (22) described herein is suitable for any lightweight component, preferably for automotive and aerospace components. (Automatic translation with Google Translate, no legal value)
Description
DESCRIPCIÓNDESCRIPTION
Marco de material compuesto laminado de metal y fibra de refuerzo a base de termoplástico y método de fabricación del mismo Metal and fiber-reinforced laminated composite frame based on thermoplastic and its manufacturing method
Campo técnicoTechnical field
Esta solicitud se refiere a un marco de material compuesto de refuerzo para cualquier componente de aplicación ligera, preferiblemente para componentes automotrices y aeroespaciales, y al proceso de fabricación de dicho marco de material compuesto de refuerzo. This application relates to a reinforcing composite frame for any lightweight application component, preferably for automotive and aerospace components, and to the manufacturing process of said reinforcing composite frame.
Antecedentes de la técnicaBackground of the technique
La búsqueda de estructuras ligeras ha impulsado los avances y el uso comercial de los materiales compuestos. La alta relación resistencia-peso de los materiales compuestos depende en gran medida de la dirección de laminación de las fibras, y rápidamente comienza a perder esta característica a medida que las fibras se desvían de la dirección de la carga para incluir un comportamiento más trans-isotrópico (resistencia general). The quest for lightweight structures has driven the advancements and commercial use of composite materials. The high strength-to-weight ratio of composite materials is highly dependent on the lamination direction of the fibers, and this characteristic quickly begins to be lost as the fibers deviate from the loading direction to include more trans-isotropic behavior (bulk strength).
Entre los primeros defensores de los materiales híbridos de fibra y metal y su uso como material de grado aeroespacial se encontraba la TU Delft, donde Schijve et al. (EP-A-0056289) describieron un laminado compuesto que consiste en múltiples capas de láminas de metal y capas de fibra unidas entre sí mediante un adhesivo. Las láminas de metal están hechas de aleaciones de aluminio y se propone que tengan un espesor de 0,25 a 1,00 mm y la capa de fibra/adhesivo está intercalada entre las láminas de metal. Se propuso que la estructura laminada fuera un material adecuado para el revestimiento de aeronaves. Among the early proponents of hybrid fiber-metal materials and their use as aerospace-grade materials was the TU Delft, where Schijve et al. (EP-A-0056289) described a composite laminate consisting of multiple layers of metal foils and fiber layers bonded together using an adhesive. The metal foils are made of aluminum alloys and are proposed to have a thickness of 0.25–1.00 mm, with the fiber/adhesive layer sandwiched between the metal foils. The laminated structure was proposed to be a suitable material for aircraft skins.
Sin embargo, en ciertos ejemplos (como juntas muy cargadas), el aumento general (en todas las direcciones) de la resistencia mediante la adición de múltiples capas aumenta el volumen de la estructura y el peso del componente, lo que frustra el propósito de utilizar materiales compuestos para obtener ganancias de “alta relación resistencia-peso”. La patente EP-1801428 afirma proporcionar una solución para este problema proponiendo el uso de refuerzos metálicos en las zonas de unión muy cargada, en particular las juntas fijadas mecánicamente, ya que un compuesto de CFRP virgen es susceptible a la delaminación alrededor de los orificios de fijación. Los refuerzos metálicos (capas) se insertan mientras se colocan las múltiples capas de un panel compuesto (o viga) de modo que las fibras del área del panel (área sin unión) sean continuas en toda el área de la unión, lo que significa que el aumento del espesor del área de la unión es el mismo que el espesor de dichos refuerzos. However, in certain examples (such as highly loaded joints), the overall increase (in all directions) in strength through the addition of multiple layers increases the volume of the structure and the weight of the component, thus defeating the purpose of using composite materials to achieve “high strength-to-weight ratio” gains. Patent EP-1801428 claims to provide a solution to this problem by proposing the use of metal reinforcements in highly loaded joint areas, particularly mechanically fastened joints, since a virgin CFRP composite is susceptible to delamination around the fixing holes. The metal reinforcements (layers) are inserted while laying the multiple layers of a composite panel (or beam) such that the fibers of the panel area (non-bonded area) are continuous across the entire joint area, meaning that the increase in thickness of the joint area is the same as the thickness of said reinforcements.
Para una producción a gran escala y una rentabilidad, es necesario tener tiempos de ciclo bajos durante la producción. La patente US-4390489 estableció el concepto básico para la fabricación rápida de una estructura en capas de múltiples materiales. Se propuso la formación de una capa de metal/termoplástico reforzado mediante un proceso de estampado rápido donde la capa de metal actúa como soporte de sujeción y proporciona integridad estructural durante el calentamiento, antes de formar formas tridimensionales complejas. El documento WO 96/31667 describe un marco de material termoplástico reforzado con fibra con accesorios similares a placas de metal. For large-scale production and cost-effectiveness, low cycle times are essential. Patent US-4,390,489 established the basic concept for the rapid manufacture of a multi-material layered structure. It proposed forming a metal/reinforced thermoplastic layer using a rapid stamping process, where the metal layer acts as a holding support and provides structural integrity during heating, before forming complex three-dimensional shapes. WO 96/31667 describes a fiber-reinforced thermoplastic frame with metal plate-like attachments.
La técnica actual y la metodología general incluyen la adición de capas compuestas en la trayectoria de carga crítica de un componente. La práctica general es incluir múltiples capas de compuesto de fibra/polímero en una sola dirección (UD) o en direcciones variables para mejorar la resistencia plana en todas las direcciones. Para reducir el peso, cada capa se puede cortar a medida mediante láser para agregar orificios o perforaciones de la forma deseada. Sin embargo, esta filosofía de laminado de construir cada capa como una geometría de superficie cerrada deja algunas fibras discontinuas en cada capa que no contribuyen a la resistencia y rigidez generales del material, sino que contribuyen a la masa aparente. Current technique and general methodology include the addition of composite layers in the critical load path of a component. The general practice is to include multiple layers of fiber/polymer composite in a single direction (UD) or in varying directions to improve planar strength in all directions. To reduce weight, each layer can be custom-cut by laser to add holes or perforations of the desired shape. However, this laminate philosophy of constructing each layer as a closed surface geometry leaves some discontinuous fibers in each layer that do not contribute to the overall strength and stiffness of the material, but instead contribute to the apparent mass.
SumarioSummary
La presente invención se refiere a un marco de material compuesto de refuerzo (22) que comprende: The present invention relates to a reinforcing composite frame (22) comprising:
al menos un conjunto de capas, en donde cada conjunto de capas comprende: at least one set of layers, wherein each set of layers comprises:
una primera capa que comprende al menos una primera tira de preimpregnado (11) que tiene una primera orientación; una segunda capa que comprende al menos una segunda tira de preimpregnado (12) que tiene una segunda orientación dispuesta en un ángulo entre 0° y 180° con respecto a cada una de las primeras tiras de preimpregnado (11), en donde cada una de las segundas tiras de preimpregnado (12) está fijada a cada una de las primeras tiras de preimpregnado (11) en al menos una zona de intersección (A); y a first layer comprising at least one first prepreg strip (11) having a first orientation; a second layer comprising at least one second prepreg strip (12) having a second orientation arranged at an angle between 0° and 180° with respect to each of the first prepreg strips (11), wherein each of the second prepreg strips (12) is fixed to each of the first prepreg strips (11) in at least one intersection zone (A); and
una tercera capa que comprende una lámina metálica (13) en cada intersección (A); a third layer comprising a metal sheet (13) at each intersection (A);
en la que cada tira de preimpregnado (11, 12) comprende fibra termoplástica unidireccional. wherein each prepreg strip (11, 12) comprises unidirectional thermoplastic fiber.
En una realización, cada lámina metálica (13) está encima de cada segunda tira de preimpregnado (12) en cada zona de intersección (A) o entre cada primera (11) y segunda (12) tiras de preimpregnado en cada zona de intersección (A). In one embodiment, each metal sheet (13) is on top of each second prepreg strip (12) in each intersection zone (A) or between each first (11) and second (12) prepreg strips in each intersection zone (A).
En una realización, cada una de las segundas tiras de preimpregnado (12) intercepta cada una de las primeras tiras de preimpregnado (11), formando entre ellas un ángulo de 0° y 180°, preferiblemente un ángulo de 90°. In one embodiment, each of the second prepreg strips (12) intercepts each of the first prepreg strips (11), forming an angle of 0° and 180° between them, preferably an angle of 90°.
En una realización, el compuesto comprende además una capa de preimpregnado discontinua (14) dispuesta posteriormente en cada extremo de cada lámina metálica (13). In one embodiment, the composite further comprises a discontinuous prepreg layer (14) subsequently disposed at each end of each metal sheet (13).
La presente invención también se refiere a un proceso para producir el marco de material compuesto de refuerzo (22) que comprende las etapas de: The present invention also relates to a process for producing the reinforcing composite frame (22) comprising the steps of:
- la colocación de un marco de refuerzo (22) que comprende al menos un conjunto de capas como se ha descrito anteriormente, en donde el proceso para producir un conjunto de capas comprende: - placing a reinforcing frame (22) comprising at least one set of layers as described above, wherein the process for producing a set of layers comprises:
colocar una primera capa en una orientación, en donde la primera capa comprende al menos una primera tira de preimpregnado (11); placing a first layer in an orientation, wherein the first layer comprises at least a first strip of prepreg (11);
colocar una segunda capa sobre la primera capa, en donde la segunda capa comprende al menos una segunda tira de preimpregnado (12) dispuesta en un ángulo entre 0 y 180° con respecto a la orientación de la al menos una primera tira de preimpregnado (11), en donde al menos una segunda tira de preimpregnado (12) de la segunda capa se adhiere a la parte superior de cada tira de preimpregnado (11) de la primera capa en al menos una intersección (A); y colocar una tercera capa que comprende una lámina metálica (13) sobre cada intersección (A); placing a second layer on the first layer, wherein the second layer comprises at least one second prepreg strip (12) arranged at an angle between 0 and 180° with respect to the orientation of the at least one first prepreg strip (11), wherein at least one second prepreg strip (12) of the second layer is adhered to the top of each prepreg strip (11) of the first layer at at least one intersection (A); and placing a third layer comprising a metal foil (13) over each intersection (A);
en donde cada tira de preimpregnado (11, 12) comprende fibras termoplásticas unidireccionales. wherein each prepreg strip (11, 12) comprises unidirectional thermoplastic fibers.
En una realización, cada lámina metálica (13) se coloca en una orientación diferente a la de cada lámina metálica (13) del conjunto de capas subsiguiente, formando una posición escalonada de las láminas metálicas (13). In one embodiment, each metal sheet (13) is placed in a different orientation than each metal sheet (13) of the subsequent set of layers, forming a staggered position of the metal sheets (13).
En una realización, cada lámina metálica (13) tiene un tamaño de entre un 5 y un 15% diferente al de cada lámina metálica (13) del conjunto de capas subsiguiente, formando una posición escalonada. In one embodiment, each metal sheet (13) has a size between 5 and 15% different from each metal sheet (13) of the subsequent set of layers, forming a staggered position.
En una realización, cada lámina metálica (13) se coloca ya sea sobre cada segunda tira de preimpregnado (12) en cada área de intersección (A) o entre cada primera (11) y segunda (12) tiras de preimpregnado en cada área de intersección (A). In one embodiment, each metal sheet (13) is placed either on top of each second prepreg strip (12) at each intersection area (A) or between each first (11) and second (12) prepreg strips at each intersection area (A).
En una realización, cada una de las segundas tiras de preimpregnado (12) intercepta cada una de las primeras tiras de preimpregnado (11), formando un ángulo de 0° y 180° entre ellas, preferiblemente un ángulo de 90°. In one embodiment, each of the second prepreg strips (12) intercepts each of the first prepreg strips (11), forming an angle of 0° and 180° between them, preferably an angle of 90°.
En una realización, se coloca posteriormente una capa de preimpregnado discontinuo (14) en cada extremo de cada lámina metálica (13), dependiendo de la disparidad entre el espesor del preimpregnado y de la lámina metálica (13). In one embodiment, a layer of discontinuous prepreg (14) is subsequently placed at each end of each metal sheet (13), depending on the disparity between the thickness of the prepreg and the metal sheet (13).
En una realización, sobre la parte superior del marco (22) se sobremoldea una pieza a granel (23) hecha de material moldeable ligero seleccionado entre láminas termoplásticas o esteras compuestas de fibra corta, o fabricada mediante moldeo por inyección utilizando pellets termoplásticos, originando una pieza reforzada (24). In one embodiment, a bulk part (23) made of lightweight moldable material selected from thermoplastic sheets or short fiber composite mats, or manufactured by injection molding using thermoplastic pellets, is overmolded onto the top of the frame (22), resulting in a reinforced part (24).
Descripción DetalladaDetailed Description
La presente solicitud de patente proporciona un marco de material compuesto laminado de metal y fibra de refuerzo a base de termoplástico que es una solución compositiva óptima para construir una estructura ligera. La presente solicitud de patente también proporciona el proceso de fabricación de dicho marco de refuerzo. This patent application provides a laminated composite frame made of metal and thermoplastic-based reinforcing fiber, which is an optimal compositional solution for constructing a lightweight structure. This patent application also provides the manufacturing process for said reinforcing frame.
Para una aplicación de alto volumen de producción, sobre la parte superior del marco (22) se sobremoldea una pieza a granel (23) hecha de material moldeable ligero seleccionado entre láminas termoplásticas o esteras compuestas de fibra corta, o fabricada mediante moldeo por inyección utilizando pellets termoplásticos, originando una pieza reforzada (24). Se propone que el marco de refuerzo esté hecho de un compuesto de fibra de dirección única (UD). La disposición del marco de refuerzo (22)) es el centro de esta invención. Además, se propone una adición de capas de metal en las áreas de intersección para beneficiar el comportamiento del orificio de fijación. La invención también propone un método de colocación de capas de metal. For a high volume production application, a bulk part (23) made of lightweight moldable material selected from thermoplastic sheets or short fiber composite mats, or made by injection molding using thermoplastic pellets, is overmolded on top of the frame (22) to give a reinforced part (24). It is proposed that the reinforcing frame be made of a unidirectional (UD) fiber composite. The arrangement of the reinforcing frame (22) is the focus of this invention. Furthermore, an addition of metal layers at the intersection areas is proposed to benefit the fixing hole behavior. The invention also proposes a method of laying down the metal layers.
En una realización principal de la presente solicitud de patente, se describe en el presente documento un marco de material compuesto de refuerzo que comprende múltiples capas de preimpregnado termoplástico unidireccional, en donde cada capa de preimpregnado se coloca una sobre otra y se dispone en un patrón de intersección de modo que cada capa tiene una orientación dispuesta en un ángulo entre 0 y 180°, preferiblemente 90° con respecto a la capa posterior, formando así una estructura o marco de tipo malla, en donde se coloca una capa de metal/lámina de metal más pequeña después de cada intersección de capas de preimpregnado para reforzar aquellas áreas que son más propensas a sufrir tensiones multidireccionales. En una realización preferible, el marco de refuerzo descrito en el presente documento es una estructura de tipo malla. Las capas de preimpregnado comprenden cualquier fibra adecuada para la construcción de compuestos, por ejemplo, fibras de vidrio, carbono o aramida. Las capas metálicas comprenden al menos una de aleación de aluminio, acero y aleación de magnesio, preferiblemente láminas delgadas (0,05 a 2,00 mm) de aleación de aluminio. In a primary embodiment of the present patent application, disclosed herein is a reinforcing composite framework comprising multiple layers of unidirectional thermoplastic prepreg, wherein each prepreg layer is placed on top of one another and arranged in an intersecting pattern such that each layer has an orientation arranged at an angle between 0 and 180°, preferably 90° to the subsequent layer, thereby forming a mesh-like structure or framework, wherein a smaller metal/metal foil layer is placed after each intersection of prepreg layers to reinforce those areas that are more prone to multidirectional stresses. In a preferred embodiment, the reinforcing framework disclosed herein is a mesh-like structure. The prepreg layers comprise any fibers suitable for composite construction, e.g., glass, carbon, or aramid fibers. The metal layers comprise at least one of aluminum alloy, steel and magnesium alloy, preferably thin sheets (0.05 to 2.00 mm) of aluminum alloy.
La presente invención propone que las capas que componen el marco de material compuesto de refuerzo se dispongan de forma modular, donde cada tira de preimpregnado unidireccional recorre todo el largo o ancho de la pieza a reforzar y crea zonas de intersección, creando así una forma de malla entrelazada. Haciendo referencia a la Figura 1 que describe la realización más simple de la presente invención, es decir, un módulo de capas, y a la Figura 2 que describe un marco de refuerzo que comprende múltiples módulos de capas, se describe en el presente documento un marco de refuerzo (22) que comprende al menos un módulo de capas de capas compuestas unidireccionales dispuestas en una sucesión alterna de al menos una primera tira de compuesto preimpregnado (11) que tiene una primera orientación y al menos una segunda tira de compuesto preimpregnado (12) que tiene una segunda orientación dispuesta en un ángulo entre 0 y 180°, preferiblemente 90°, con respecto a las primeras tiras de preimpregnado (11) que se cruzan y contactan entre sí en al menos un área de intersección (A), y al menos una lámina metálica (13) colocada en el al menos un área de intersección (A), ya sea entre cada primera tira de preimpregnado (11) y respectiva posterior cada segunda tira de preimpregnado (12) o en la parte superior de cada intersección entre cada primera tira de preimpregnado (11) y cada segunda tira de preimpregnado (12). Según la presente solicitud, y en aras de la claridad, la invención descrita en el presente documento se refiere a “módulo de capas” o “conjunto de capas” que pueden usarse indistintamente y se definen mejor como un conjunto de 3 capas donde una primera capa comprende al menos una primera tira de preimpregnado (11) que tiene una primera orientación (y paralelas entre sí en caso de al menos dos primeras tiras de preimpregnado (11)), una segunda capa que comprende al menos una segunda tira de preimpregnado (12) que tiene una orientación dispuesta en un ángulo entre 0 y 180° con respecto a la primera orientación, donde cada una de las segundas tiras de preimpregnado (12) está fijada a cada una de las primeras tiras de preimpregnado (11) en al menos una zona de intersección (A), una tercera capa que comprende una lámina metálica (13) en cada zona de intersección (A) ya sea entre cada primera (11) y segunda (12) tiras de preimpregnado o encima de dichas primera (11) y segunda (12) tiras de preimpregnado, en donde un marco reforzado (22) puede comprender tantos módulos de capas como sea posible. según sea necesario. The present invention proposes that the layers comprising the composite reinforcement frame be arranged in a modular manner, where each strip of unidirectional prepreg runs the entire length or width of the piece to be reinforced and creates intersection zones, thus creating an interlaced mesh form. Referring to Figure 1 which describes the simplest embodiment of the present invention, i.e. a ply module, and to Figure 2 which describes a reinforcement frame comprising multiple ply modules, there is described herein a reinforcement frame (22) comprising at least one ply module of unidirectional composite plies arranged in an alternating succession of at least a first strip of prepreg composite (11) having a first orientation and at least one second strip of prepreg composite (12) having a second orientation arranged at an angle between 0 and 180°, preferably 90°, with respect to the first prepreg strips (11) which cross and contact each other in at least one intersection area (A), and at least one metal foil (13) placed in the at least one intersection area (A), either between each first strip of prepreg (11) and subsequently each second strip of prepreg (12) or on top of each intersection between each first strip of prepreg (11) and each second strip of prepreg (12). According to the present application, and for the sake of clarity, the invention described herein refers to “layer module” or “layer assembly” which can be used interchangeably and are best defined as an assembly of 3 layers where a first layer comprises at least a first prepreg strip (11) having a first orientation (and parallel to each other in case of at least two first prepreg strips (11)), a second layer comprising at least a second prepreg strip (12) having an orientation arranged at an angle between 0 and 180° with respect to the first orientation, where each of the second prepreg strips (12) is fixed to each of the first prepreg strips (11) in at least one intersection zone (A), a third layer comprising a metal foil (13) in each intersection zone (A) either between each first (11) and second (12) prepreg strips or on top of said first (11) and second (12) prepreg strips, wherein a reinforced frame (22) may comprise as many layer modules as possible. as needed.
En una realización, y cuando se hace referencia a un plano 2D, las tiras de preimpregnado que tienen una primera orientación (11) podrían entenderse como tiras sustancialmente horizontales y las tiras de preimpregnado que tienen una segunda orientación (12) podrían entenderse como tiras sustancialmente verticales (fig. 1c). In one embodiment, and when referring to a 2D plane, the prepreg strips having a first orientation (11) could be understood as substantially horizontal strips and the prepreg strips having a second orientation (12) could be understood as substantially vertical strips (fig. 1c).
Aunque se podría realizar un laminado manual sobre una superficie plana (plano 2D) en el contexto de la presente invención, una realización preferida (Figura 7) consiste en utilizar un método de laminado de cinta (tira de preimpregnado) automatizado donde el laminado se prepara de tal manera que dos cabezales de laminado de cinta colocan las primeras tiras de preimpregnado (horizontales) (12) seguidas de tres cabezales de laminado de cinta que colocan las segundas tiras (verticales) (11), seguido de la colocación de una lámina metálica (13) en cada área de intersección (A), y estos tres pasos se repiten hasta que se logra el espesor deseado de las tiras compuestas. Nuevamente, es importante enfatizar que los términos vertical y horizontal sirven para dar una referencia posicional en relación con el plano 2D donde se están laminando las capas. Although a manual layup could be performed on a flat surface (2D plane) in the context of the present invention, a preferred embodiment (Figure 7) is to use an automated tape (prepreg strip) layup method where the laminate is prepared such that two tape layup heads place the first (horizontal) prepreg strips (12) followed by three tape layup heads placing the second (vertical) strips (11), followed by the placement of a metal foil (13) at each intersection area (A), and these three steps are repeated until the desired thickness of the composite strips is achieved. Again, it is important to emphasize that the terms vertical and horizontal serve to give a positional reference relative to the 2D plane where the layers are being laminated.
La Figura 10 muestra otros ejemplos, donde una pieza a granel (23) está soportada por un marco de refuerzo (22) hecho de tiras compuestas unidireccionales (11, 12) en forma de malla, así como láminas metálicas (13) para reforzar las áreas de intersección (A). Las capas alternas en las áreas de intersección se unen firmemente durante el co formado y un marco de refuerzo moldeado (22) se comporta como una estructura cohesiva en lugar de un grupo de tiras gruesas. Figure 10 shows further examples, where a bulk part (23) is supported by a reinforcing frame (22) made of mesh-like unidirectional composite strips (11, 12) as well as metal sheets (13) for reinforcing the intersection areas (A). The alternating layers at the intersection areas are firmly bonded during co-forming and a molded reinforcing frame (22) behaves as a cohesive structure rather than a group of thick strips.
En otra realización principal de la presente solicitud de patente, se proporciona en el presente documento un proceso para producir dicho marco de refuerzo (22) que incluye la adición de capas metálicas. La colocación de la capa metálica durante el laminado es de importancia primordial. En un ejemplo, según la Figura 5, el marco de refuerzo (22), comprende módulos de tres capas (y una capa adicional de primeras tiras de preimpregnado (11)), es decir, un total de 4 capas de primeras tiras de preimpregnado (11) y 3 capas de segundas tiras de preimpregnado (12) con láminas metálicas (13) en cada área de intersección (A). Todas las primeras tiras de preimpregnado (11) discurren a lo largo, mientras que las segundas tiras de preimpregnado (12) tienen una dimensión igual o mayor que el ancho total del componente final (24) y discurren a lo ancho. El laminado también comprende una lámina metálica (13) en cada intersección (A) por módulo de capa. En este ejemplo, las láminas metálicas (13) se colocan encima de cada una de las segundas tiras de preimpregnado (12). Después de colocar otro conjunto de primeras tiras de preimpregnado (11) y otro conjunto de segundas tiras de preimpregnado (12), el siguiente conjunto de láminas metálicas (13) colocadas es de un 5 a un 15% (preferiblemente un 10%) más pequeño en tamaño en comparación con las láminas metálicas (13) del módulo de capas anterior. Esta diferencia de tamaño permite una posición escalonada cuando se centra a través del área de intersección. De manera similar, se coloca una tercera capa de lámina metálica (13) después de otro conjunto de primera (11) y segunda (12) tiras de preimpregnado. Desde una perspectiva de arriba a abajo, las láminas metálicas superiores (13) son más pequeñas en tamaño en comparación con ambas capas metálicas debajo de ellas y permiten que todas las capas metálicas se coloquen de manera escalonada. In another main embodiment of the present patent application, there is provided herein a process for producing said reinforcement frame (22) which includes the addition of metallic layers. The placement of the metallic layer during the lamination is of primary importance. In one example, according to Figure 5, the reinforcement frame (22) comprises three-layer modules (and an additional layer of first prepreg strips (11)), i.e. a total of 4 layers of first prepreg strips (11) and 3 layers of second prepreg strips (12) with metallic foils (13) at each intersection area (A). All of the first prepreg strips (11) run lengthwise, while the second prepreg strips (12) have a dimension equal to or greater than the total width of the final component (24) and run widthwise. The laminate also comprises one metallic foil (13) at each intersection (A) per layer module. In this example, metal sheets (13) are placed on top of each of the second prepreg strips (12). After another set of first prepreg strips (11) and another set of second prepreg strips (12) are placed, the next set of metal sheets (13) placed is 5 to 15% (preferably 10%) smaller in size compared to the metal sheets (13) of the previous layer module. This size difference allows for a staggered position when centered across the intersection area. Similarly, a third layer of metal sheet (13) is placed after another set of first (11) and second (12) prepreg strips. From a top-to-bottom perspective, the top metal sheets (13) are smaller in size compared to both metal layers below them and allow all of the metal layers to be placed in a staggered manner.
En una realización mejor ilustrada por las Figuras 6a y 6b, cada tercera capa constituye tanto una capa de metal como una capa de preimpregnado. Se coloca la primera tira de preimpregnado (11) del primer módulo de capas, seguida de láminas metálicas (13) en el área de intersección. Dos tiras de preimpregnado discontinuas (14) se colocan adyacentes a la lámina metálica (13), a la que sigue una segunda tira de preimpregnado (12). Este conjunto de 3 capas se repite sobre el conjunto inferior (módulo de capa posterior). En el módulo de capa posterior, la lámina metálica se coloca en una orientación que es ortogonal a la lámina metálica del módulo de capa anterior. A continuación, estos módulos de dos capas se repiten, en los que las respectivas capas metálicas se colocan en una posición ligeramente escalonada con respecto a las capas metálicas de los módulos de capa anteriores. Las dos posiciones escalonadas se encuentran dentro del 5 al 15% de la longitud de las láminas metálicas. Esta disposición de un conjunto de 6 capas se repite 2 veces más, orientando cada vez la capa metálica perpendicularmente a la dirección de la capa metálica precedente. Opcionalmente, se coloca una tira de preimpregnado (11) en la parte superior del laminado. In an embodiment best illustrated by Figures 6a and 6b, every third layer constitutes both a metal layer and a prepreg layer. The first prepreg strip (11) of the first layer module is placed, followed by metal foils (13) in the intersection area. Two discontinuous prepreg strips (14) are placed adjacent to the metal foil (13), which is followed by a second prepreg strip (12). This set of 3 layers is repeated on the lower assembly (subsequent layer module). In the subsequent layer module, the metal foil is placed in an orientation that is orthogonal to the metal foil of the previous layer module. These two layer modules are then repeated, in which the respective metal layers are placed in a slightly staggered position with respect to the metal layers of the previous layer modules. The two staggered positions are within 5 to 15% of the length of the metal foils. This arrangement of a 6-layer assembly is repeated 2 more times, each time orienting the metal layer perpendicular to the direction of the preceding metal layer. Optionally, a strip of prepreg (11) is placed on top of the laminate.
Breve descripción de los dibujosBrief description of the drawings
Para una mejor comprensión de esta solicitud, se adjuntan en el anexo figuras que representan las formas preferidas de implementación que, sin embargo, no pretenden limitar la técnica descrita en el presente documento. For a better understanding of this application, figures representing preferred forms of implementation are attached in the annex, which, however, are not intended to limit the technique described herein.
La Figura 1a muestra un módulo de capas, donde se coloca la capa de la primera tira de preimpregnado (11) y luego se coloca la capa de la segunda tira de preimpregnado (12) sobre la capa de la primera tira de preimpregnado (11), de manera que ambas capas sean perpendiculares entre sí. Figure 1a shows a layer module, where the layer of the first prepreg strip (11) is placed and then the layer of the second prepreg strip (12) is placed on top of the layer of the first prepreg strip (11), so that both layers are perpendicular to each other.
El módulo de capas consiste en una tercera capa de lámina metálica (13) colocada en cada área de intersección de las dos capas de tiras de preimpregnado (11, 12). The layer module consists of a third layer of metal foil (13) placed in each intersection area of the two layers of prepreg strips (11, 12).
La Figura 1b muestra el módulo de capas desde la vista frontal. Figure 1b shows the layer module from the front view.
La Figura 1c muestra el módulo de capas desde abajo, con la lámina metálica (13) oculta detrás de las 2 capas de preimpregnado (11, 12). Figure 1c shows the layer module from below, with the metal foil (13) hidden behind the 2 prepreg layers (11, 12).
Las figuras 2a y 2b muestran el apilamiento de múltiples módulos de capas uno sobre otro para formar una estructura compuesta más gruesa. Figures 2a and 2b show the stacking of multiple layer modules on top of each other to form a thicker composite structure.
La Figura 3 muestra un módulo de una capa que comprende una capa de múltiples primeras tiras de preimpregnado (11) y una capa de múltiples segundas tiras de preimpregnado (12), produciendo una estructura de gran tamaño similar a una malla. Figure 3 shows a single-layer module comprising a layer of multiple first prepreg strips (11) and a layer of multiple second prepreg strips (12), producing a large mesh-like structure.
La Figura 4 muestra una realización de la invención propuesta, donde el marco de refuerzo (22) tiene forma cilíndrica terminada en forma hemisférica. Figure 4 shows an embodiment of the proposed invention, where the reinforcing frame (22) has a cylindrical shape ending in a hemispherical shape.
La Figura 5 muestra otra realización de la aplicación en una zona de intersección sobre múltiples módulos de capas apilados uno sobre otro. Figure 5 shows another embodiment of the application in an intersection area on multiple layer modules stacked on top of each other.
La Figura 6a muestra otra realización de la misma aplicación donde cada módulo de capas comprende además tiras de preimpregnado discontinuas (14) dispuestas como continuación de cada lámina metálica (13). Figure 6a shows another embodiment of the same application where each layer module further comprises discontinuous prepreg strips (14) arranged as a continuation of each metal sheet (13).
La Figura 6b muestra, en perspectiva tridimensional, la misma realización de la Figura 6a. Figure 6b shows, in three-dimensional perspective, the same embodiment as Figure 6a.
La Figura 7 muestra un marco de refuerzo (22) no moldeado (plano). Figure 7 shows a non-molded (flat) reinforcement frame (22).
La Figura 8 muestra el marco de material compuesto de refuerzo (22) tal como se moldea en la forma de una pieza a granel, lograda después de un proceso de conformado. Figure 8 shows the reinforcing composite frame (22) as molded into the shape of a bulk piece, achieved after a forming process.
La Figura 9 muestra la vista esquemática de una pieza a granel (23) que necesita refuerzo. También muestra orificios de fijación (16) donde estarán las áreas de intersección (A) del marco de refuerzo (22). Figure 9 shows the schematic view of a bulk part (23) that needs reinforcement. It also shows fixing holes (16) where the intersection areas (A) of the reinforcement frame (22) will be.
La Figura 10 muestra la pieza a granel (23) y el marco de refuerzo (22) juntos, como se pretende de acuerdo con la invención actualmente descrita. Figure 10 shows the bulk piece (23) and the reinforcing frame (22) together, as intended in accordance with the presently described invention.
Descripción de las realizacionesDescription of the achievements
Ahora, se describirán en detalle realizaciones preferidas de la presente solicitud con referencia a los dibujos adjuntos. Sin embargo, no pretenden limitar el alcance de esta solicitud. Preferred embodiments of the present application will now be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, they are not intended to limit the scope of this application.
La presente solicitud de patente describe un marco de material compuesto de refuerzo (22) que comprende: al menos un conjunto de capas, en donde cada conjunto de capas comprende: The present patent application describes a reinforcing composite material frame (22) comprising: at least one set of layers, wherein each set of layers comprises:
una primera capa que comprende al menos una primera tira de preimpregnado (11) que tiene una primera orientación; una segunda capa que comprende al menos una segunda tira de preimpregnado (12) que tiene una segunda orientación dispuesta en un ángulo entre 0 y 180° con respecto a cada una de las primeras tiras de preimpregnado (11), en donde cada una de las segundas tiras de preimpregnado (12) está fijada a cada una de las primeras tiras de preimpregnado (11) en al menos un área de intersección (A); y a first layer comprising at least one first prepreg strip (11) having a first orientation; a second layer comprising at least one second prepreg strip (12) having a second orientation arranged at an angle between 0 and 180° with respect to each of the first prepreg strips (11), wherein each of the second prepreg strips (12) is fixed to each of the first prepreg strips (11) in at least one intersection area (A); and
una tercera capa que comprende una lámina metálica (13) en cada intersección (A); a third layer comprising a metal sheet (13) at each intersection (A);
en donde cada tira de preimpregnado (11, 12) comprende fibra termoplástica unidireccional. wherein each strip of prepreg (11, 12) comprises unidirectional thermoplastic fiber.
En una realización, cada lámina metálica (13) está ya sea encima de cada segunda tira de preimpregnado (12) en cada área de intersección (A) o entre cada primera (11) y segunda (12) tiras de preimpregnado en cada área de intersección (A). In one embodiment, each metal sheet (13) is either on top of each second prepreg strip (12) in each intersection area (A) or between each first (11) and second (12) prepreg strips in each intersection area (A).
En una realización, cada una de las segundas tiras de preimpregnado (12) se cruza con cada una de las primeras tiras de preimpregnado (11), formando entre ellas un ángulo de 0° y 180°, preferiblemente un ángulo de 90°. In one embodiment, each of the second prepreg strips (12) intersects each of the first prepreg strips (11), forming an angle of 0° and 180° between them, preferably an angle of 90°.
La presente solicitud de patente describe también el proceso de producción del marco de material compuesto de refuerzo tal como se ha definido anteriormente, en donde el proceso comprende: The present patent application also describes the production process of the reinforcing composite frame as defined above, wherein the process comprises:
- la colocación de un marco de refuerzo (22) que comprende al menos un conjunto de capas tal como se ha descrito anteriormente, en donde el proceso de producción de un conjunto de capas comprende: - the placement of a reinforcing frame (22) comprising at least one set of layers as described above, wherein the process of producing a set of layers comprises:
colocar una primera capa en una orientación, en donde la primera capa comprende al menos una primera tira de preimpregnado (11); placing a first layer in an orientation, wherein the first layer comprises at least a first strip of prepreg (11);
colocar una segunda capa sobre la primera capa, en donde la segunda capa comprende al menos una segunda tira de preimpregnado (12) dispuesta en un ángulo entre 0 y 180° con respecto a la orientación de la al menos una primera tira de preimpregnado (11), en donde al menos una segunda tira de preimpregnado (12) de la segunda capa se adhiere a la parte superior de cada tira de preimpregnado (11) de la primera capa en al menos una intersección (A); y colocar una tercera capa que comprende una lámina metálica (13) sobre cada intersección (A); placing a second layer on the first layer, wherein the second layer comprises at least one second prepreg strip (12) arranged at an angle between 0 and 180° with respect to the orientation of the at least one first prepreg strip (11), wherein at least one second prepreg strip (12) of the second layer is adhered to the top of each prepreg strip (11) of the first layer at at least one intersection (A); and placing a third layer comprising a metal foil (13) over each intersection (A);
en donde cada tira de preimpregnado (11, 12) comprende fibras termoplásticas unidireccionales. wherein each prepreg strip (11, 12) comprises unidirectional thermoplastic fibers.
En una realización, cada lámina metálica (13) se coloca en una orientación diferente a la de cada lámina metálica (13) del conjunto de capas posterior, formando una posición escalonada de las láminas metálicas (13). In one embodiment, each metal sheet (13) is placed in a different orientation than each metal sheet (13) of the subsequent layer set, forming a staggered position of the metal sheets (13).
En otra realización, cada lámina metálica (13) es de un 5 a un 15% diferente en tamaño que cada lámina metálica (13) del conjunto de capas posterior, formando una posición escalonada. In another embodiment, each metal sheet (13) is 5 to 15% different in size than each metal sheet (13) of the subsequent layer set, forming a staggered position.
En una realización, cada lámina metálica (13) se coloca bien sobre cada segunda tira de preimpregnado (12) en cada zona de intersección (A) o bien entre cada primera (11) y segunda (12) tiras de preimpregnado en cada zona de intersección (A). In one embodiment, each metal sheet (13) is placed either on each second prepreg strip (12) in each intersection zone (A) or between each first (11) and second (12) prepreg strips in each intersection zone (A).
En una realización, cada una de las segundas tiras de preimpregnado (12) intercepta cada una de las primeras tiras de preimpregnado (11), formando entre ellas un ángulo de 0° y 180°, preferiblemente un ángulo de 90°. In one embodiment, each of the second prepreg strips (12) intercepts each of the first prepreg strips (11), forming an angle of 0° and 180° between them, preferably an angle of 90°.
En una realización, una capa de preimpregnado discontinua (14) se coloca posteriormente en cada extremo de cada capa metálica, dependiendo de la disparidad entre el espesor del preimpregnado y de la lámina metálica (13). In one embodiment, a discontinuous prepreg layer (14) is subsequently placed at each end of each metal layer, depending on the disparity between the thickness of the prepreg and the metal sheet (13).
Por supuesto, esta descripción no se limita en modo alguno a las formas de realización presentadas en el presente documento y cualquier persona con un conocimiento medio del área puede aportar muchas posibilidades de modificación de la misma sin apartarse de la idea general definida por las reivindicaciones. Las formas de realización preferidas descritas anteriormente pueden obviamente combinarse entre sí. Las siguientes reivindicaciones definen con más detalle las formas de implementación preferidas. Of course, this description is in no way limited to the embodiments presented herein, and anyone with a reasonable understanding of the subject matter can provide many possibilities for modifying it without departing from the general idea defined by the claims. The preferred embodiments described above can obviously be combined with one another. The following claims define the preferred implementations in more detail.
Claims (11)
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PT2022117835 | 2022-03-04 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| ES3009366T3 true ES3009366T3 (en) | 2025-03-26 |
Family
ID=95070293
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| ES23159928T Active ES3009366T3 (en) | 2022-03-04 | 2023-03-03 | Reinforcement thermoplastic-based fibre-metal laminate composite frame and manufacturing method thereof |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| ES (1) | ES3009366T3 (en) |
-
2023
- 2023-03-03 ES ES23159928T patent/ES3009366T3/en active Active
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