Preforma en forma de Pi con cabos no lineales y un método para su fabricación.

Una preforma (100) tejida para uso en estructuras compuestas reforzadas,

comprendiendo la preforma:

una pluralidad de capas adyacentes, teniendo cada capa una pluralidad de fibras (116) de urdimbre, siendo las fibras de urdimbre paralelas entre sí; y

una pluralidad de fibras (114) de trama tejidas con las capas de fibras de urdimbre para formar una base (120) y uno o más cabos (125, 135) que se extienden desde la base, en donde

una o más fibras de urdimbre se separan selectivamente de una primera porción de la preforma que forma un primer cabo y se añaden selectivamente una o más fibras de urdimbre en la primera porción de la preforma, moviendo así el primer cabo una distancia predeterminada en la dirección de la trama.

Preforma en forma de Pi con cabos no lineales y un método para su fabricación Antecedentes de la invención Campo de la invención Esta invención se refiere en general a preformas tejidas y particularmente se refiere a preformas tejidas usadas en materiales compuestos reforzados, que se pueden tejer en forma plana y plegarse en su forma final.

Descripción del estado del arte El uso de materiales compuestos reforzados para producir componentes estructurales se ha extendido, particularmente en aplicaciones donde se buscan sus características deseables por ser ligeras en peso, fuertes, duras, térmicamente resistentes, autoportantes y adaptables para darles forma y conformación. Tales componentes se usan, por ejemplo, en aplicaciones aeronáuticas, aeroespaciales, satelitales, recreativas (como en carreras de barcos y autos) , y otras aplicaciones.

Típicamente tales componentes consisten de materiales de refuerzo incrustados en materiales de matriz. El componente de refuerzo se puede elaborar de materiales tales como vidrio, carbón, cerámica, aramida, polietileno, y/u otros materiales que exhiben propiedades físicas, térmicas, químicas y/u otras propiedades deseables, la principal de las cuales es la gran resistencia contra la falla por estrés. Mediante el uso de tales materiales de refuerzo, que finalmente se convierten en un elemento constituyente del componente terminado, se imparten las características deseadas de los materiales de refuerzo, tales como muy alta resistencia, al componente compuesto terminado. Los materiales de refuerzo constituyentes típicamente, pueden ser tejidas, de punto o bien orientadas en configuraciones y formas deseadas para preformas de refuerzo. Usualmente se pone particular atención para garantizar la utilización óptima de las propiedades para las cuales se han seleccionado los materiales de refuerzo constituyentes. Usualmente tales preformas de refuerzo se combinan con el material de matriz para formar componentes acabados deseados o para producir material de trabajo para la producción final de componentes acabados.

Después de que se ha construido la preforma de refuerzo deseada, se puede impregnar la preforma en el material de matriz, de modo que típicamente, la preforma de refuerzo termina encajada en el material de matriz y el material de matriz llena las áreas 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 materiales epoxi, poliéster, éster vinílico, cerámica, carbono y/u otros materiales, que también exhiben propiedades físicas, térmicas, químicas, y/u otras propiedades deseadas. Los materiales elegidos para usar como matriz pueden o pueden no ser los mismos que aquellos para la preforma de refuerzo y pueden o no tener propiedades físicas, químicas, térmicas u otras, comparables. Típicamente, sin embargo, no serán de los mismos materiales o tienen propiedades físicas, químicas, térmicas u otras, comparables, ya que un objetivo habitual buscado al usar compuestos es en primer lograr una combinación de características en el producto acabado que no sea alcanzable mediante el uso de un solo material constituyente. Así combinados, la preforma de refuerzo y el material de matriz pueden ser luego curados y estabilizados en la misma operación por termoendurecimiento u otros métodos conocidos, y luego sometidos a otras operaciones tendientes a la producción del componente deseado. Es importante señalar en este punto que después del curado, las masas así solidificadas del material de matriz normalmente se adhieren muy fuertemente al material de refuerzo (por ejemplo, la preforma de refuerzo) . Como resultado, se puede transferir en forma afectiva la tensión del componente acabado, particularmente a través de su material de matriz que actúa como un adhesivo entre las fibras, y cargada por el material constituyente de la preforma de refuerzo.

Frecuentemente, se desea producir componentes en configuraciones que sean diferentes a tales formas geométricas simples como (por sí mismas) placas, láminas, sólidos rectangulares o cuadrados, etc. Una forma de hacerlo es combinar tales formas geométricas básicas en las formas más complejas deseadas. Una combinación típica se elabora al unir preformas de refuerzo elaboradas como se describe más arriba en un ángulo (típicamente un ángulo recto) con respecto una a la otra. Los propósitos usuales para tales configuraciones angulares de preformas de refuerzo unidas son los de crear una forma deseada para formar una preforma de refuerzo que incluya una o más paredes terminales o inserciones en "T" por ejemplo, o para consolidar la combinación resultante de preformas de refuerzo y la estructura compuesta que se produce contra la deflexión o la falla sobre la que se expone a fuerzas externas, tales como presión o tensión. En cualquier caso, una consideración relacionada es hacer que cada unión entre los componentes constituyentes sea tan fuerte como sea posible. Dada la muy alta resistencia deseada de los constituyentes de la preforma de refuerzo por sí misma, la debilidad de la unión se convierte, efectivamente, en un enlace "débil" en una "cadena" estructural.

Un ejemplo de una configuración de intersección es expuesta en la patente de los Estados Unidos No. 6, 103, 337. Esta referencia expone un medio efectivo de unir entre sí dos placas de refuerzo en forma de T.

Se han hecho en el pasado otras propuestas diversas para la fabricación de tales uniones. Se ha propuesto formar y curar un elemento del panel y un elemento de refuerzo angulado separados uno del otro, teniendo este último una sola superficie de contacto con el panel o que se bifurca en un extremo para formar dos superficies divergentes de contacto coplanares con el panel. Los dos componentes se unen luego al unir mediante adhesivo la (s) superficie (s) de contacto del panel del elemento de refuerzo a una superficie de contacto del otro componente usando material adhesivo termoendurecible u otro material adhesivo. Sin embargo, cuando se aplica tensión al panel curado o a capa exterior de la estructura del compuesto, las cargas con valores inaceptablemente bajos resultan en fuerzas de "desprendimiento" que separan el elemento de refuerzo del panel en su interfaz ya que la resistencia efectiva de la unión es la del material de matriz y no del adhesivo.

El uso de tornillos o remaches de metal en la interfaz de tales componentes es inaceptable ya que tales adiciones destruyen y debilitan al menos parcialmente la integridad misma de estructuras compuestas, agregan peso, e introducen diferencias en el coeficiente de expansión térmica al igual que entre tales elementos y el material circundante.

Otros enfoques para resolver este problema se han basado en el concepto de introducir fibras de alta resistencia a través del área de unión mediante el uso de métodos tales como coser uno de los componentes al otro y apoyarse en el hilo cosido para introducir tales fibras de fortalecimiento en y a través del sitio de unión. Un enfoque así se muestra en la patente de los Estados Unidos No. 4, 331, 495 y su contraparte divisional, la patente de los Estados Unidos No. 4, 256, 790. Estas patentes describen uniones que se han hecho entre un primero y un segundo panel compuesto elaborado de capas de fibra unidas mediante adhesivo. El primer panel se bifurca en un extremo para formar dos superficies divergentes de contacto coplanares del panel, de acuerdo con el estado del arte, que se han unido al segundo panel mediante la costura del compuesto flexible no curado enhebrada a través de ambos paneles. Los paneles y el hilo han sido "cocurados" luego, es decir, curados simultáneamente. Otro método para mejorar la resistencia después de la unión se expone en la patente de los Estados Unidos No. 5, 429, 853.

Aunque el arte previo ha tratado de hacer mejoras con base en la integridad estructural del compuesto reforzado y ha alcanzado éxito, particularmente en el caso de la patente de los Estados Unidos No. 6, 103, 337, existe el deseo de mejorar al respecto o de atender el problema a través de un enfoque diferente del uso de adhesivos o acoplamiento mecánico. En este sentido, un enfoque pude ser crear una estructura de tejido tridimensional ("3D") mediante máquinas especializadas. Sin embargo, el costo implicado es considerable y rara vez es deseable tener una máquina para tejer dirigida a crear una estructura sencilla. A pesar de este hecho, las preformas 3D que se pueden procesar en componentes compuestos reforzados de fibra son deseables ya que proporcionan mayor resistencia con respecto a compuestos convencionales laminados bidimensionales. Estas preformas son particularmente útiles en aplicaciones que requieran que el compuesto... [Seguir leyendo]

1. Una preforma (100) tejida para uso en estructuras compuestas reforzadas, comprendiendo la preforma:

una pluralidad de capas adyacentes, teniendo cada capa una pluralidad de fibras (116) de urdimbre, siendo las fibras de urdimbre paralelas entre sí; y una pluralidad de fibras (114) de trama tejidas con las capas de fibras de urdimbre para formar una base (120) y uno o más cabos (125, 135) que se extienden desde la base, en donde una o más fibras de urdimbre se separan selectivamente de una primera porción de la preforma que forma un primer cabo y se añaden selectivamente una o más fibras de urdimbre en la primera porción de la preforma, moviendo así el primer cabo una distancia predeterminada en la dirección de la trama.

2. La preforma de acuerdo con la reivindicación 1, en la que los uno o más cabos se forman en una configuración de onda sinusoidal, zigzag, diagonal, curvada o no lineal o combinaciones de las mismas en la dirección de la urdimbre.

3. La preforma de acuerdo con la reivindicación 1, en la que los uno o más cabos se forman en una configuración de onda sinusoidal, zigzag, diagonal, curvada o no lineal o combinaciones de las mismas en la dirección de la trama.

4. La preforma de acuerdo con la reivindicación 1, en la que los uno o más cabos se doblan respecto a la base, formando de ese modo cabos verticales.

5. La preforma de acuerdo con la reivindicación 1, en la que la preforma tiene dos o más cabos.

6. La preforma de acuerdo con la reivindicación 5, en la que los dos o más cabos están separadas por una abrazadera de una anchura predeterminada.

7. La preforma de acuerdo con la reivindicación 5, en la que los dos o más cabos están separados por una abrazadera de anchura cero.

8. La preforma de acuerdo con la reivindicación 5, en la que la base tiene más capas que cada uno de los cabos o viceversa.

9. La preforma de acuerdo con la reivindicación 5, en la que los bordes de la base y/o los cabos están ahusados.

10. La preforma de acuerdo con la reivindicación 5, en la que los cabos son perpendiculares o no perpendiculares o en ángulo con la base.

11. La preforma de acuerdo con la reivindicación 1, en la que las fibras de urdimbre y de trama están elaboradas de vidrio, carbono, aramida, polietileno, polipropileno o combinaciones de los mismos.

12. La preforma de acuerdo con la reivindicación 5, en la que los cabos son de longitudes y/o alturas iguales o desiguales.

13. La preforma de acuerdo con la reivindicación 5, en la que los cabos están separados por una abrazadera de anchura variable.

14. Un método de formación de la preforma tejida de acuerdo con la reivindicación 1, comprendiendo el método las etapas de:

(a) proporcionar una pluralidad de capas adyacentes, teniendo cada capa una pluralidad de fibras de urdimbre, siendo las fibras de urdimbre paralelas entre sí;

(b) tejer una pluralidad de fibras de trama con las capas de fibras de urdimbre para formar una base y uno o más cabos que se extienden desde la base; y

(c) separar selectivamente una o más fibras de urdimbre fuera de una primera porción de la preforma que forma un primer cabo y/o añadir selectivamente una o más fibras de la urdimbre en la primera porción de la preforma, moviendo así el primer cabo una distancia predeterminada en la dirección de la trama.

15. Una preforma (100) tejida para uso en estructuras compuestas reforzadas, comprendiendo la preforma:

una pluralidad de capas adyacentes, teniendo cada capa una pluralidad de fibras (116) de urdimbre, siendo las fibras de urdimbre paralelas entre sí; y una pluralidad de fibras (114) de trama tejidas con las capas de fibras de urdimbre para formar una base (120) y uno o más cabos (125, 135) que se extienden desde la base, en donde una o más fibras de trama se separan selectivamente fuera de una primera porción de la preforma que forma un primer cabo y/o se añaden selectivamente más fibras de trama en la primera porción de la preforma, moviendo así el primer cabo una distancia predeterminada en la dirección de la urdimbre.

16. Un método para la formación de la preforma tejida de acuerdo con la reivindicación 15, comprendiendo el método las etapas de:

a) proporcionar una pluralidad de capas adyacentes, teniendo cada capa una pluralidad de fibras de urdimbre, siendo las fibras de urdimbre paralelas entre sí;

b) tejer una pluralidad de fibras de trama con las capas de fibras de urdimbre para formar una base y uno o más cabos que se extienden desde la base; y c) separar selectivamente una o más fibras de urdimbre fuera de una primera porción de la preforma que forma un 15 primer cabo y/o añadir selectivamente una o más fibras de urdimbre en la primera porción de la preforma, moviendo así el primer cabo una distancia predeterminada en la dirección de la urdimbre.