Procedimiento para la conformación continua de un elemento estructural largo (100,

400, 510, 520, 600, 800) utilizando un material compuesto constituido principalmente por fibras de carbono, caracterizado porque comprende: una etapa de conformación de una pluralidad de elementos constructivos (110, 120; 410, 420, 430; 610, 620; 802, 803) presentando cada uno de los cuales una curvatura a lo largo de una línea de eje longitudinal y fibras de carbono, como material constituyente, dispuestas en una orientación de 0º, 45º o 90º respecto a dicha línea de eje; y una etapa de encaje entre sí de la pluralidad de dichos elementos constructivos con una película adhesiva (104) interpuesta entre los mismos; en el que durante la unión por adhesivo, se llevan a cabo repetidamente un prensado y un calentamiento intermitentes y cuando no se aplica presión el elemento estructural se desplaza una distancia determinada

Campo de la invención

La presente invención se refiere a un procedimiento para conformar un elemento estructural de forma continua utilizando un material compuesto.

Descripción de la técnica relacionada

Un procedimiento típico para conformar un elemento estructural utilizando un material compuesto constituido principalmente por fibras de carbono es el procedimiento de conformación que utiliza un dispositivo de autoclave.

La figura 16 ilustra el esquema del procedimiento de fabricación que utiliza un dispositivo de autoclave 600, en el que el material compuesto empleado en el procedimiento de conformación con autoclave es un material denominado fibra de carbono/epoxi preimpregnada, que consiste en una tela de fibra de carbono impregnada con resina epoxi.

En este procedimiento, se llena con nitrógeno el calderín 600 del dispositivo de autoclave, y se elevan la presión y la temperatura del gas nitrógeno para presionar y calentar un material 650 precintado en una bolsa de vacío 610 para moldear el material. Según este procedimiento, puede ser posible conformar un elemento estructural de alta calidad 650 que presenta superficies de curvatura de segundo/tercer orden, u otras formas complejas.

No obstante, el procedimiento de la técnica anterior presenta una eficacia de producción reducida y costes elevados, ya que el procedimiento exige un dispositivo de autoclave 600 de gran escala y un molde grande (horma de moldeo) 620, requiere unos procesos de moldeo que implican personal de desmontaje y montaje, y en cada proceso de moldeo produce sólo un número limitado de productos.

[Influencia de la expansión térmica]

Además, el procedimiento adolece del inconveniente de que la influencia del coeficiente de expansión térmica, que difiere según el material, causa la ondulación (fluctuación) de las fibras de carbono F1 que constituyen el elemento estructural fabricado, generando el deterioro tanto de la resistencia como del módulo de elasticidad del elemento, con el resultado de un empeoramiento de la rigidez flexural en la zona de bajo esfuerzo de tensión.

El coeficiente de expansión térmica de la propia fibra de carbono F1 como material principal es de cero o inferior, pero por otra parte, el coeficiente de expansión térmica de la resina epoxi P1 que solidifica la fibra es de hasta 65 partes por millón.

En el procedimiento con autoclave, se utiliza aleación de aluminio con una conductancia térmica superior como material para el molde (horma) 620 para mejorar la conductancia térmica del gas nitrógeno al material preimpregnado 650.

Al presentar la aleación de aluminio un coeficiente de expansión térmica elevado de hasta 23 partes por millón, el molde 620 calentado en el calderín de la autoclave puede expandirse enormemente gracias a la expansión térmica.

Cuando la fibra de carbono F1 se calienta a 160ºC desde la temperatura ambiente de 20ºC hasta la temperatura de calefacción de 180ºC, no se expande, pero la resina P1 contenida en la preimpregnación se expande enormemente por la expansión térmica cuando se ha completado el curado, aunque esta expansión se ve algo restringida por la fibra F1.

Similarmente, cuando la temperatura aumenta 160ºC, la expansión térmica del molde 620 alcanza un 0,37%, ya que no está limitada por la fibra de carbono F1 y la expansión térmica del molde 620 de una longitud de 2 metros es de 7,4 mm.

Al calentarse, la fibra de carbono F1 se extiende mediante la resina P1 y el molde 620, y se endereza.

Una vez terminada la etapa de calentamiento/presionado e iniciada la etapa de enfriamiento, el molde 620 y la resina epoxi P1 curada empiezan a contraerse.

En este momento, al no estar sujeta la fibra de carbono F1 a la contracción térmica, y presentar un módulo de elasticidad elevado y, por lo tanto, no estar sujeta a la contracción por esfuerzo de tensión, cuando la etapa termina la fibra está ligeramente pandeada, de forma similar a una onda (estado fluctuado), como muestra el diagrama conceptual de la figura 17.

Cuando se aplica una carga de tracción al elemento estructural fabricado en la forma descrita, como muestra la figura 18, el elemento presenta un módulo de elasticidad bajo hasta que se elimina el pandeo de la fibra y la fibra se endereza.

Es decir, en la zona de bajo esfuerzo de tensión inicial, la relación esfuerzo/deformación no es proporcional, sino que está representad a por una curva como la de la parte A de la figura 18, y sólo después de que las fibras se hayan enderezado podrá apreciarse el módulo de elasticidad del material, como muestra la parte B de la figura 18.

Como se ha descrito, en la zona de bajo esfuerzo de tensión se crea una deformación importante (alargamiento) y el módulo elástico es bajo.

Por otra parte, si se aplica una carga de compresión, se incrementa el pandeo de la fibra, de modo que el diagrama esfuerzo-deformación muestra un módulo de elasticidad bajo, como muestra la parte C de la figura 18, con la consecuencia final de pandeo.

Cuando un grupo de fibras solidificadas mediante resina se somete a una carga de compresión, el módulo elástico de compresión y la fuerza de pandeo varían según la rectilineidad de las fibras, como muestra la figura 19.

La línea LA representa un caso en el cual las fibras están rectas, la línea LB representa un caso en el cual las fibras están ligeramente onduladas y la línea LC representa un caso en el cual las fibras están muy onduladas.

Incluso después del pandeo de las fibras, la resina circundante soporta la fibra, de modo que el elemento ejerce cierto nivel de esfuerzo de tensión.

El fenómeno anteriormente mencionado se denomina “micropandeo” en la Society for Composite Materials, y se han realizado estudios referentes a este fenómeno.

Un medio para resolver el problema de fluctuación es la utilización de un molde fabricado de un material metálico especial que presenta un coeficiente de expansión térmica igual a cero, denominado un inver, en lugar del molde fabricado de aleación de aluminio, pero existen inconvenientes porque el material es caro, el procesamiento es difícil, y la conductividad térmica es tan reducida como la del acero inoxidable, lo cual aumenta el tiempo requerido para la etapa de calentamiento.

La exposición anterior es una descripción del procedimiento de conformación utilizando una autoclave.

Otro procedimiento posible de conformación es el procedimiento de conformación por prensado en caliente.

El procedimiento resulta conveniente porque presenta una elevada productividad, y es adecuado para la fabricación de productos del panel, pero debido a las limitaciones referentes al molde de prensado y a la dirección de presurización, el procedimiento no es adecuado para conformar elementos estructurales que presenten una forma de sección transversal compleja, o para conformar elementos estructurales largos.

Cuando se fabrica un producto de gran tamaño, puesto que resulta difícil garantizar la exactitud superficial del molde de prensado, es difícil fabricar un elemento estructural exacto.

Si se utiliza acero con un coeficiente de expansión térmica bajo para fabricar el molde de prensado para el prensado en caliente, la expansión térmica del molde de prensado no afectará mucho al producto, no obstante, la contracción térmica de la resina sí que lo afectará inevitablemente.

Además de los procedimientos de conformación anteriormente mencionados, se conoce otro procedimiento denominado procedimiento de pultrusión para conformar de forma continua un material compuesto largo.

El procedimiento implica pasar fibras largas por un molde, estirarlas y conformarlas, y simultáneamente curar la resina impregnada en las fibras en poco tiempo. El procedimiento no sólo presenta una conveniente productividad, sino que al aplicar tensión constantemente durante el proceso de conformación, la undulación de las fibras se minimiza, mejorando las características del material. No obstante, el procedimiento no puede aplicarse para conformar un elemento estructural que presente una forma de sección transversal compleja o un elemento estructural de alta calidad.

“Procedimiento de conformación ADP”

Un procedimiento de conformación ADP es un procedimiento... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento para la conformación continua de un elemento estructural largo (100, 400, 510, 520, 600, 800) utilizando un material compuesto constituido principalmente por fibras de carbono, caracterizado porque comprende:

una etapa de conformación de una pluralidad de elementos constructivos (110, 120; 410, 420, 430; 610, 620; 802, 803) presentando cada uno de los cuales una curvatura a lo largo de una línea de eje longitudinal y fibras de carbono, como material constituyente, dispuestas en una orientación de 0º, 45º o 90º respecto a dicha línea de eje; y

una etapa de encaje entre sí de la pluralidad de dichos elementos constructivos con una película adhesiva (104) interpuesta entre los mismos;

en el que durante la unión por adhesivo, se llevan a cabo repetidamente un prensado y un calentamiento intermitentes y cuando no se aplica presión el elemento estructural se desplaza una distancia determinada.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque durante la etapa de unión por adhesivo, los elementos constructivos (610, 620; 802, 803) se enderezan o se curvan forzadamente hasta una curvatura predeterminada para aplicar una tensión inicial a las fibras de los elementos constructivos y reducir el pandeo ondulado de las fibras y las deformaciones en un área de bajo esfuerzo de tensión.

3. Procedimiento según la reivindicación 2, caracterizado porque durante la etapa de conformación de una pluralidad de elementos constructivos (610, 620), se ensambla un elemento comprimido (605, 606) con dichos elementos constructivos, para aplicar a los mismos una tensión inicial.

4. Procedimiento según la reivindicación 3, caracterizado porque dicho elemento comprimido (605, 606) está constituido por un material metálico.

5. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque la curvatura de dichos elementos constructivos puede variarse a mitad de recorrido mediante un dispositivo de control (960).

6. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque

durante la etapa de conformación de una pluralidad de elementos constructivos, se disponen en paralelo con la línea de eje longitudinal unas aletas (411, 421, 431, 611, 621, 804) compuestas principalmente de fibras de carbono, y en esta misma dirección, cada una de ellas está conectada con un lado de un alma (412, 413, 422, 432, 612, 622) realizada en fibras de carbono, para conformar unos elementos constructivos que presenten, por ejemplo, una sección transversal en forma de T; y

durante la etapa de unión por adhesivo, estas almas se encajan entre sí mediante la película adhesiva (104).

7. Procedimiento según la reivindicación 6, en el que el elemento estructural presenta una sección transversal en forma de H.

8. Procedimiento según la reivindicación 6, en el que el elemento estructural presenta una sección transversal en forma de sombrero.