MATERIAL PREIMPREGNADO CON MATRIZ SEMICRISTALINA Y CAPA SUPERFICIAL AMORFA.

Un método para fabricar una pieza compuesta, caracterizado por comprender las siguientes etapas:

•preparación de una cinta de tres capas, que comprende las siguientes subetapas: - avance de una cinta continua (PR) de resina termoplástica semicristalina reforzada con un material de fibra, teniendo dicha resina termoplástica semicristalina un punto de fusión Tf, - avance de dos cintas continuas (P2S, P2I) de resina termoplástica amorfa desde lados opuestos de la cinta de resina termoplástica semicristalina, respectivamente, teniendo dicha resina termoplástica amorfa una temperatura de transición vítrea Tg que es inferior al punto de fusión Tf de la resina termoplástica semicristalina, - calentamiento de las cintas semicristalina y amorfa a una temperatura de manera que se fundan las cintas de resina amorfa y de manera que se funda la cinta de resina semicristalina solo en su superficie externa, y presión por estratificación de las cintas de resina termoplástica amorfa contra la cinta de resina semicristalina de manera que se unan estas cintas en una sola cinta continua compactada (PR'), y - enfriamiento de la cinta compactada; y • estratificación automática de una pluralidad de capas de la cinta compactada a una temperatura por encima de la temperatura de transición vítrea Tg de la resina termoplástica amorfa y por debajo del punto de fusión Tf de la resina termoplástica semicristalina

La presente invención se refiere a materiales preimpregnados.

Como es sabido, los materiales preimpregnados (también conocidos comúnmente como prepregs) son materiales compuestos que se usan en diversos campos industriales y en la industria aeronáutica en particular. Un prepreg es en general un producto semiacabado que comprende fibras de refuerzo y una matriz de resina en el que están incrustadas las fibras. Las fibras pueden organizarse en diversas configuraciones, por ejemplo en una capa unidireccional, en dos capas que tienen orientaciones diferentes, o como un tejido. Los prepregs se preparan generalmente en forma de cintas y se arrollan en rollos.

Los prepregs que se usan principalmente en la industria aeronáutica tienen matrices de resina termoendurecible que tienen características de adherencia antes de la polimerización. Por tanto, pueden usarse para formar lotes colocando diferentes capas una encima de otra con una secuencia adecuada de orientaciones de las diversas capas. Las lotes se someten a continuación a un ciclo de temperatura y presión (en una bolsa de vacío y en un autoclave) que hace que el material se polimerice, aumentando su peso molecular y promoviendo la formación de enlaces entre las macromoléculas (reticulación) para transformarlo en un material con características estructurales adecuadas para su uso.

La estratificación puede realizarse también mediante métodos automatizados que aportan ventajas importantes en términos de coste, productividad y repetitividad. Para lotes planos o moderadamente curvos, se usa un aparato conocido como máquina encintadora de capas automatizada. Recientemente se ha establecido también una técnica que permite la estratificación de superficies curvas, e incluso superficies cerradas (cilíndricas), con el uso de cintas de prepreg bastante estrechas (conocidas como ranuras); esta técnica se conoce como Encintado en fibra y ya se usa para piezas compuestas con matrices termoendurecibles.

En la industria aeronáutica se usan también los prepregs con matrices de material termoplástico. Para prepregs basados en materiales termoplásticos, la resina tiene un alto peso molecular y, por tanto, por una parte, no debe someterse a un ciclo de polimerización pero, por otra parte, no tiene características de adherencia. Un prepreg con una matriz termoplástica puede considerarse, como primera aproximación, como un producto en el estado final, formado por una única capa. Para poder formar un estratificado es necesario, por tanto, calentarlo de manera que se fundan las capas preimpregnadas termoplásticas de las que está compuesto, para compactarlo a presión, y a continuación enfriarlo. La temperatura que se alcanzará para la fusión es la temperatura de transición vítrea Tg para materiales termoplásticos amorfos y el punto de fusión Tf para materiales termoplásticos semicristalinos.

En la actualidad, las técnicas de encintado de capas automatizado (ATL) y las técnicas de encintado en fibra (FP) se usan en exclusiva para piezas compuestas con matrices termoendurecibles. Se trata de técnicas que son también posibles teóricamente para prepregs con matrices termoplásticas, pero que tienen algunos requisitos tecnológicos adicionales; de hecho, en este caso, el aparato para producir un estratificado basado en los prepregs termoplásticos debe proporcionar también el calor para alcanzar una temperatura (que puede ser demasiado alta, según el material) de manera que la resina se funda y alcance así adhesión entre las capas del estratificado; por otra parte, para material termoplástico semicristalino, un enfriamiento excesivamente rápido podría conducir a la amorfización de la pieza, con el resultado de una pérdida de características de rendimiento. En compensación, si se resolvieran estos problemas, las técnicas ATL y FP permitirían la producción de piezas acabadas sin procesamiento adicional en un autoclave, con grandes reducciones en los costes de producción de las piezas.

Estos problemas se resuelven, según la invención, mediante métodos para fabricar una pieza compuesta que tiene las características definidas en las reivindicaciones independientes 1 y 2.

Con el material preimpregnado según la invención, es posible implementar un proceso de estratificación automático sin exigencias operativas excesivamente onerosas ya que, para la compactación y por consiguiente para producir el estratificado, es necesario alcanzar solo la temperatura de transición vítrea Tg de la capa amorfa con base de termoplástico; por otra parte, dado que en el proceso solo se funde la capa amorfa y no la capa semicristalina con base de termoplástico, no es necesario controlar la velocidad de enfriamiento.

En las reivindicaciones dependientes se definen formas de realización preferidas de la invención.

Otros objetos de la invención son métodos para producir un material preimpregnado según la invención y un método para la estratificación automática de una pluralidad de capas preimpregnadas según la invención.

A continuación se describirán algunas formas de realización preferidas, pero no limitativas, de la invención con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:

la figura 1 es una vista esquemática que muestra un prepreg según la invención, en sección transversal, la figura 2 es un diagrama que ilustra una posible implementación de un método para la fabricación del prepreg de la figura 1, y

la figura 3 es un diagrama que ilustra una posible implementación adicional de un método para la fabricación del prepreg de la figura 1.

Con referencia a la figura 1, se muestra esquemáticamente un prepreg 1 según la invención. El prepreg 1 comprende una matriz basada en resina reforzada con un material de fibra. El material de fibra puede estar compuesto por fibra de cualquier tipo conocido en el ámbito, por ejemplo, fibra de vidrio, fibra de carbono o una combinación de estos. Por otra parte, las fibras pueden organizarse en diferentes configuraciones, por ejemplo, en una capa unidireccional, en varias capas que tienen diferentes orientaciones, o como un tejido. En cualquier caso, la composición y la organización de las fibras no son esenciales para los fines de la invención.

El prepreg 1 según la invención comprende una capa interna 10 cuya matriz está basada en resina termoplástica semicristalina que tiene un punto de fusión Tf. La resina termoplástica semicristalina es, por ejemplo, polieteretercetona, o PEEK, que tiene un punto de fusión Tf de 350°C aproximadamente. Se aplica una capa externa 22, 23 con base de resina termoplástica amorfa que tiene una temperatura de transición vítrea Tg a al menos un lado de la capa interna 10 y preferentemente a los dos lados, estando la temperatura de transición vítrea Tg de la resina termoplástica amorfa por debajo del punto de fusión Tf de la resina termoplástica semicristalina. La resina termoplástica amorfa es, por ejemplo, poli(eterimida), o PEI, que tiene una temperatura de transición vítrea Tg de 200°C aproximadamente.

El término “con base de” significa que la matriz, o la capa externa 22, 23 de la matriz, puede comprender también comúnmente aditivos usados como, por ejemplo, cargas, estabilizadores, etc., además de la resina.

A continuación se describirá una forma de realización de un método para producir un prepreg según la presente invención con referencia a la figura 2.

En primer lugar se prepara un rollo 31 de resina termoplástica semicristalina y dos rollos 32 y 33 de resina termoplástica amorfa. Se suministra una cinta Pi de película de resina termoplástica semicristalina y dos cintas P2S y P2I de película de resina termoplástica amorfa a partir de los rollos 31, 32 y 33, respectivamente. Todas las cintas tienen la misma anchura que es igual a la del prepreg que se producirá. Los prepregs para estratificación automática tienen normalmente anchuras de 7,62 cm a 30,48 cm (de 3” a 12”).

Las cintas P1, P2S, y P2I se hacen pasar a través de una cámara de calentamiento A en la que se calientan a una temperatura por encima del punto de fusión Tf de la resina termoplástica semicristalina, y en la que se compactan mediante rodillos 41 en una única película P. Inmediatamente después de la compactación, la cinta de película P a alta temperatura es transportada a una zona de temperatura constante B en la que se encuentra con fibras de refuerzo F que son suministradas a la zona B en forma, por ejemplo, de hilos o cinta de tejido, a partir de uno o... [Seguir leyendo]

1. Un método para fabricar una pieza compuesta, caracterizado por comprender las siguientes etapas:

• preparación de una cinta de tres capas, que comprende las siguientes subetapas:

- avance de una cinta continua (PR) de resina termoplástica semicristalina reforzada con un material de fibra, teniendo dicha resina termoplástica semicristalina un punto de fusión Tf,

- avance de dos cintas continuas (P2S, P2I) de resina termoplástica amorfa desde lados opuestos de la cinta de resina termoplástica semicristalina, respectivamente, teniendo dicha resina termoplástica amorfa una temperatura de transición vítrea Tg que es inferior al punto de fusión Tf de la resina termoplástica semicristalina,

- calentamiento de las cintas semicristalina y amorfa a una temperatura de manera que se fundan las cintas de resina amorfa y de manera que se funda la cinta de resina semicristalina solo en su superficie externa, y presión por estratificación de las cintas de resina termoplástica amorfa contra la cinta de resina semicristalina de manera que se unan estas cintas en una sola cinta continua compactada (PR'), y

- enfriamiento de la cinta compactada; y

• estratificación automática de una pluralidad de capas de la cinta compactada a una temperatura por encima de la temperatura de transición vítrea Tg de la resina termoplástica amorfa y por debajo del punto de fusión Tf de la resina termoplástica semicristalina.

2. Un método para fabricar una pieza compuesta, caracterizado por comprender las siguientes etapas:

• preparación de una cinta de tres capas, que comprende las siguientes subetapas:

- avance de una cinta continua (P1) de resina termoplástica semicristalina, teniendo dicha resina termoplástica semicristalina un punto de fusión Tf,

- avance de dos cintas continuas (P2S, P2I) de resina termoplástica amorfa desde lados opuestos de la cinta de resina termoplástica semicristalina, respectivamente, teniendo dicha resina termoplástica amorfa una temperatura de transición vítrea Tg que es inferior al punto de fusión Tf de la resina termoplástica semicristalina,

- calentamiento de las cintas semicristalina y amorfa a una temperatura por encima del punto de fusión Tf de la resina termoplástica semicristalina de manera que se fundan las cintas de resina amorfa y semicristalina, y presión mediante estratificación de las cintas de resina termoplástica amorfa contra la cinta de resina semicristalina de manera que se unan estas cintas en una sola cinta compactada continua (P),

- avance de un material de fibra (F),

- impregnación del material de fibra con la cinta compactada de manera que se produzca una cinta reforzada (P'); y

- enfriamiento de la cinta compactada hasta que se alcance una temperatura por debajo del punto de fusión Tf de la resina termoplástica semicristalina, siendo dicho enfriamiento a una velocidad de enfriamiento suficientemente baja para evitar la amorfización de la resina semicristalina; y

• estratificación automática de una pluralidad de capas de la cinta compactada a una temperatura por encima de la temperatura de transición vítrea Tg de la resina termoplástica amorfa y por debajo del punto de fusión Tf de la resina termoplástica semicristalina.

3. Un método según la reivindicación 1 o 2, en el que la resina termoplástica semicristalina es PEEK.

4. Un método según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que la resina termoplástica amorfa es PEI.

5. Un método según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el material de fibra está compuesto por fibras de carbono.