Puntales tridimensionales híbridos tejidos/laminados para aplicaciones estructurales compuestas.

Preforma tejida usada para reforzar una estructura compuesta que comprende:

una parte (16, 34, 46) central que tiene una pluralidad de capas entretejidas;

una primera parte (18, 32, 48) de extremo que tiene una pluralidad de capas tejidas independientes, estando dichapluralidad de capas tejidas independientes tejidas de manera integrada con dicha pluralidad de capas entretejidas endicha parte central y extendiéndose a lo largo de toda la longitud de dicha preforma;

caracterizada por el hecho de que están intercalados pliegues (26, 38, 60) en diagonal entre dicha pluralidad decapas tejidas independientes en dicha primera parte de extremo.

Puntales tridimensionales híbridos tejidos/laminados para aplicaciones estructurales compuestas Antecedentes de la invención Campo de la invención La presente invención se refiere a la configuración geométrica de preformas tejidas tridimensionales para estructuras compuestas reforzadas que tienen un refuerzo cuasi-isótropo o multidireccional en uno o dos extremos de la estructura y un refuerzo aproximadamente unidireccional en el resto de las zonas.

Antecedentes de la invención El uso de materiales compuestos reforzados para producir componentes estructurales está ahora extendido, particularmente en aplicaciones en las que se buscan sus características deseables de ser ligeros, fuertes, duros, térmicamente resistentes, autoportantes y con adaptabilidad para formarse y conformarse. Tales componentes se usan, por ejemplo, en las industrias aeronáutica, aeroespacial, de satélites y baterías, así como para usos recreativos tales como en barcos y coches de carreras, y en otras incontables aplicaciones. Un material textil tridimensional generalmente consiste en fibras orientadas en tres direcciones extendiéndose cada fibra a lo largo de una dirección perpendicular a las otras fibras, es decir a lo largo de las direcciones axiales X, Y y Z.

Normalmente, los componentes formados a partir de tales materiales textiles consisten en materiales de refuerzo incrustados en materiales de matriz. El componente de refuerzo puede estar compuesto por materiales tales como vidrio, carbono, cerámica, aramida (por ejemplo, “KEVLAR®”) , polietileno, y/u otros materiales que muestran propiedades físicas, térmicas, químicas y/u otras propiedades deseadas, entre las que destaca una gran resistencia frente a fallo por tensión. A través del uso de tales materiales de refuerzo, que en última instancia se convierten en un elemento constituyente del componente completado, se confieren las características deseadas de los materiales de refuerzo tales como resistencia muy alta, al componente compuesto completado. Los materiales de refuerzo constituyentes normalmente pueden estar tejidos, tricotados u orientados de otro modo en configuraciones y conformaciones deseadas para las preformas de refuerzo. Habitualmente, se presta atención particular para garantizar la utilización óptima de las propiedades para las que se han seleccionado estos materiales de refuerzo constituyentes. Generalmente, tales preformas de refuerzo se combinan con material de matriz para formar componentes acabados deseados o para producir material de trabajo para la producción final de los componentes acabados.

Una vez construida una preforma de refuerzo deseada, el material de matriz puede introducirse y combinarse con la preforma, de modo que la preforma de refuerzo llegue a encajar en el material de matriz de manera que el material de matriz llene las zonas intersticiales entre los elementos constituyentes de la preforma de refuerzo. El material de matriz puede ser cualquiera de una amplia variedad de materiales, tales como resina epoxídica, poliéster, éster vinílico, cerámica, carbono y/u otros materiales, que también muestran propiedades físicas, térmicas, químicas y/u otras propiedades deseadas. Los materiales elegidos para su uso como la matriz pueden ser o no iguales a los de la preforma de refuerzo y pueden tener o no propiedades físicas, químicas térmicas u otras propiedades comparables. Normalmente, sin embargo, no serán materiales iguales ni tendrán propiedades físicas, químicas, térmicas u otras propiedades comparables a la preforma de refuerzo, puesto que un objetivo habitual buscado en el uso de materiales compuestos en primer lugar es lograr una combinación de características en el producto acabado que no pueda lograrse a través del uso de un material constituyente solo.

Cuando se combinan, la preforma de refuerzo y el material de matriz pueden curarse y estabilizarse entonces en la misma operación mediante termoendurecido u otros métodos conocidos, y luego someterse a otras operaciones hacia la producción del componente deseado. Resulta significativo observar que tras curarse de ese modo, las masas entonces solidificadas del material de matriz normalmente se adhieren muy fuertemente al material de refuerzo (por ejemplo, la preforma de refuerzo) . Como resultado, la tensión sobre el componente acabado, particularmente a través de su material de matriz que actúa como un adhesivo entre las fibras, puede transferirse eficazmente a y portarse por el material constituyente de la preforma de refuerzo reforzante.

Normalmente, se producen fibras unidireccionales o materiales textiles bidimensionales tejidos por un proveedor de material y se envían a un cliente que corta patrones y estratifica la parte final pliegue por pliegue. Los materiales tejidos más sencillos son estructuras planas, sustancialmente bidimensionales con fibras en sólo dos direcciones. Se forman entrelazando dos conjuntos de hilos perpendiculares entre sí. En la tejeduría bidimensional, los hilos a 0º se denominan fibras o hilos de urdimbre y los hilos a 90º se denominan las fibras o hilos de trama o relleno. Para el moldeo por transferencia de resina, puede combinarse una serie de materiales textiles tejidos para formar una estratificación en seco, que se coloca en un molde y se inyecta con resina. Estos materiales textiles pueden preformarse usando o bien una técnica de “corte y cosido” o bien pueden formarse térmicamente e “hilvanarse”

usando un aglutinante de resina.

Las estructuras tejidas bidimensionales, sin embargo, tienen limitaciones. La etapa de preformado requiere trabajo manual extenso en la estratificación. Las estructuras tejidas bidimensionales no son tan fuertes ni resistentes al alargamiento a lo largo de otros ejes aparte de los 0º y los 90º, particularmente en ángulos más alejados de los ejes de la fibra. Un método para reducir esta posible limitación es añadir fibras cruzadas al tejido, fibras tejidas que corten a través del material textil en un ángulo intermedio, preferiblemente a ±45º con respecto al eje de las fibras de relleno.

Las preformas tejidas sencillas también son de una sola capa. Esto limita la posible resistencia del material. Una posible solución es aumentar el tamaño de la fibra. Otra es usar múltiples capas o pliegues. Una ventaja adicional de usar múltiples capas es que algunas capas pueden orientarse de manera que los ejes de urdimbre y trama de diferentes capas estén en diferentes direcciones, actuando de ese modo como las fibras cruzadas comentadas anteriormente. Si estas capas son una pila de capas individuales laminadas entre sí con la resina, sin embargo, entonces surge el problema de la exfoliación. Si las capas se cosen entre sí, entonces muchas de las fibras tejidas pueden resultar dañadas durante el proceso de cosido y la resistencia a la tracción global puede sufrir. Además, tanto para la laminación como para el cosido de múltiples pliegues, habitualmente es necesaria una operación de estratificación a mano para alinear las capas. Alternativamente, las capas pueden entretejerse como parte del proceso de tejeduría. La creación de múltiples capas entretejidas de material textil, particularmente con fibras cruzadas integradas, ha sido un problema difícil.

Un ejemplo de dónde se usan materiales compuestos para producir componentes estructurales es en la producción de puntales y tirantes. Los puntales y tirantes normalmente comprenden una columna central que tiene orejetas en cada extremo de la estructura. Estas orejetas pueden tener configuraciones o bien macho o bien hembra (horquilla) y se usan para unir el puntal o el tirante a la estructura que se está reforzando o apuntalando. Tal como se comentó anteriormente, con el fin de lograr una resistencia aumentada de la estructura compuesta, se usan múltiples capas o pliegues para las partes de orejeta y columna de los puntales y tirantes. Aunque el uso de múltiples capas es ventajoso puesto que capas individuales pueden orientarse para proporcionar refuerzo en las direcciones de 0º y 90º así como pueden orientarse en la diagonal para proporcionar refuerzo en direcciones adicionales, tales como las direcciones de ±45º, si se laminan juntas con resina, la exfoliación de las capas puede resultar problemática. Alternativamente, si las capas se cosen entre sí, entonces tal como se comentó anteriormente, muchas de las fibras tejidas pueden resultar dañadas durante el proceso de cosido, reduciendo la resistencia a la tracción global de la estructura final.

Existen muchos ejemplos de orejetas laminadas, que usan algunas materiales híbridos (es decir, pliegues de carbono y titanio alternantes) , pero las orejetas laminadas no se han combinado con una columna tejida tridimensional. La viabilidad... [Seguir leyendo]

1. Preforma tejida usada para reforzar una estructura compuesta que comprende:

una parte (16, 34, 46) central que tiene una pluralidad de capas entretejidas;

una primera parte (18, 32, 48) de extremo que tiene una pluralidad de capas tejidas independientes, estando dicha pluralidad de capas tejidas independientes tejidas de manera integrada con dicha pluralidad de capas entretejidas en dicha parte central y extendiéndose a lo largo de toda la longitud de dicha preforma;

caracterizada por el hecho de que están intercalados pliegues (26, 38, 60) en diagonal entre dicha pluralidad de capas tejidas independientes en dicha primera parte de extremo.

2. Preforma tejida según la reivindicación 1, que comprende además un material de matriz.

3. Preforma tejida según la reivindicación 1, caracterizada por el hecho de que comprende

una segunda parte (18, 32, 48) de extremo que tiene una pluralidad de capas tejidas independientes, estando dicha pluralidad de capas tejidas independientes tejidas de manera integrada con dicha pluralidad de capas entretejidas en dicha parte central y extendiéndose a lo largo de toda la longitud de dicha preforma;

y por el hecho de que están intercalados pliegues (26, 38, 60) en diagonal entre dicha pluralidad de capas tejidas independientes en dichas partes de extremo primera y segunda.

4. Preforma tejida según la reivindicación 3, en la que dicha parte central comprende una pluralidad de capas que se extienden a lo largo de toda la longitud de dicha preforma tejida y una pluralidad de capas que se extienden parcialmente a lo largo de la longitud de dicha preforma tejida.

5. Preforma tejida según la reivindicación 4, en la que dichas capas que se extienden parcialmente están formadas por fibras o hilos de urdimbre que dejan de tejerse de dicha preforma tejida y proporcionan una transición desde dicha parte central hasta dichas partes de extremo primera y segunda.

6. Preforma tejida según la reivindicación 4, en la que huecos para dichos pliegues en diagonal entre dichas capas tejidas independientes en dichas partes de extremo primera y segunda son el resultado de fibras o hilos de urdimbre que dejan de tejerse de dicha preforma tejida.

7. Preforma tejida según una de las reivindicaciones 3 a 6, en la que dicha primera parte de extremo y/o dicha segunda parte de extremo es una orejeta que tiene una configuración macho o hembra.

8. Preforma tejida según una de las reivindicaciones 3 a 7, en la que dicha primera parte de extremo y/o dicha segunda parte de extremo es colineal con o está dispuesta en ángulo en relación con dicha parte central.

9. Preforma tejida según la reivindicación 5, en la que dicha transición entre dicha parte central y dichas partes de extremo primera y segunda es una transición suave en sección decreciente o una transición escalonada.

10. Preforma tejida según una de las reivindicaciones 3 a 9, en la que dicha parte central está bifurcada en un extremo de dicha parte central.

11. Preforma tejida según la reivindicación 10, en la que dicho extremo bifurcado forma dos mitades de una horquilla u orejeta hembra.

12. Preforma tejida según una de las reivindicaciones 3 a 11, en la que dicha parte central es más gruesa o más delgada que dichas partes de extremo primera y segunda.

13. Preforma tejida según una de las reivindicaciones 3 a 12, en la que dicha parte central está reforzada de manera unidireccional.

14. Preforma tejida según una de las reivindicaciones 3 a 12, en la que dicha primera y dicha segunda partes de extremo están reforzadas de manera cuasi-isótropa o multidireccional.

15. Preforma tejida según una de las reivindicaciones 3 a 14, en la que dicha parte central, dicha primera parte de extremo y dicha segunda parte de extremo están tejidas con fibras o hilos de urdimbre y de trama.

16. Preforma tejida según una de las reivindicaciones 3 a 15, en la que dicha parte central tiene una arquitectura de fibras seleccionada del grupo que consiste en pliegue a pliegue, a través del grosor, ortogonal e interbloqueo en ángulo.

17. Preforma tejida según la reivindicación 16, en la que dichas fibras o hilos de urdimbre y de trama se

seleccionan del grupo de materiales sintéticos o naturales que consisten en carbono, nailon, rayón, poliéster, fibra de vidrio, algodón, vidrio, cerámica, aramida y polietileno.

18. Preforma tejida según una de las reivindicaciones 3 a 17, en la que dicha preforma tejida está sobretrenzada con un pliegue de vidrio.

19. Método de fabricación de una preforma tejida usada para reforzar una estructura compuesta que comprende 10 las etapas de:

tejer una pluralidad de capas juntas para formar una parte (16, 34, 46) central monolítica;

tejer una pluralidad de capas independientes para formar una primera parte (18, 32, 48) de extremo, estando tejidas de manera integrada dicha pluralidad de capas independientes con dicha pluralidad de capas en dicha parte central;

tejer una pluralidad de capas independientes para formar una segunda parte (18, 32, 48) de extremo, estando tejidas de manera integrada dicha pluralidad de capas independientes con dicha pluralidad de capas en dicha parte central; y

caracterizado por el hecho de que el método comprende las etapas de intercalar pliegues (26, 38, 60) en diagonal entre dicha pluralidad de capas tejidas independientes en dicha primera y dicha segunda partes de extremo.

20. Estructura compuesta tridimensional reforzada con una preforma tejida según la reivindicación 3, caracterizada 20 por el hecho de que comprende un material de matriz.

21. Estructura compuesta según la reivindicación 20, estando formada dicha estructura compuesta a partir de un procedimiento seleccionado del grupo que consiste en moldeo por transferencia de resina y filtración química en fase de vapor.

22. Estructura compuesta según las reivindicaciones 20 ó 21, en la que dicho material de matriz se selecciona del 25 grupo que consiste en resina epoxídica, poliéster, éster vinílico, cerámica y carbono.