B32B 17/12 B32B 5/06 B32B 5/12 F16S 5/00

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Texto completo

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19 OFICINA ESPA ˜NOLA DE

PATENTES Y MARCAS ESPA ˜NA k 21umero de solicitud:

9100538

k 51Int. Cl.5:

D06M 17/04

B32B 17/12

B32B 5/06

B32B 5/12

F16S 5/00

k 12

PATENTE DE INVENCION

A6

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22Fecha de presentaci´on: 04.03.91 k

73 Titular/es: Asociaci´on de Investigaci´on de

la Industria Textil Plaza Emilio Sala n◦ 1 03800 Alcoy, Alicante, ES

Tejidos y Materiales Industriales, S.A.

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45Fecha de anuncio de la concesi´on: 16.12.92 k

72 Inventor/es: Trevi˜no Mart´ınez, Jos´e L.;

Giner Segui, Jos´e Fco.; Rico Navarro, Concepci´on y Taberner Molinero, Manuel

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45Fecha de publicaci´on del folleto de patente:

16.12.92

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74 Agente: Elzaburu M´arquez, Fernando

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54T´ıtulo: Tejidos multidireccionales multicapa de composici´on variable como estructuras de refuerzo

aplicables a la fabricaci´on de vigas perfiles y bastidores en materiales compuestos.

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57Resumen:

Tejidos multidireccionales multicapa de compo-sici´on variable como estructuras de refuerzo apli-cables a la fabricaci´on de vigas, perfiles y bastido-res en materiales compuestos. Se utilizan tejidos multicapa y multi´angulo de composici´on variable en fibras de refuerzo de vidrio, carbono, poliara-midas, fibra cer´amica y combinaciones de las mis-mas, fabricados por superposici´on en orientacio-nes preferentes de las fibras como un ´unico con-junto en un proceso ´unico de tejedur´ıa multidi-reccional, para su utilizaci´on en la fabricaci´on de vigas, perfiles y bastidores estructurales de apli-caci´on en las industrias de construcci´on, automo-vil´ıstica, naval, transporte y otras. Las capas se disponen en tres o m´as direcciones diferentes y se unen entre s´ı como un sistema compacto me-diante una cadeneta de ligado de hilo de igual o diferente composici´on, introducido por el sistema de g´enero de punto por urdimbre.

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DESCRIPCION

La presente invenci´on se refiere a estructuras de fibras de refuerzo de materiales compuestos en forma de tejidos multidireccionales multicapa de composici´on variable aplicables a la fabricaci´on de vigas, perfiles y bastidores, particularmente en el sector de automoci´on y/o transporte. No obstante, la invenci´on tiene aplicaci´on a la fa-bricaci´on de elementos estructurales para cons-trucci´on civil y/o mec´anica en general.

Los materiales compuestos obtenidos por com-binaci´on de unas fibras y/o tejidos de refuerzo y una matriz pol´ımera de naturaleza termopl´astica o termoestable son convencionalmente obtenidos por procesos de laminaci´on con resinas como m´ultiples capas de tejido formado por una ur-dimbre y una trama que disponen las fibras en direcciones perpendiculares (0◦/90◦). En piezas que van a ser sometidas a grandes esfuerzos en direcciones diferentes a las dos orientaciones men-cionadas, suele recurrirse a la laminaci´on girando y recortando los tejidos convencionales al objeto de cubrir algunas otras direcciones en las cuales pueden solicitarse esfuerzos extraordinarios.

Todo este proceso de laminaci´on capa a capa en la cual hay adem´as que girar y recortar teji-dos resulta complejo en su elaboraci´on, extensivo en mano de obra y consecuentemente resulta en baja productividad y extremadamente dif´ıcil de ejecutar cuando adem´as hay que combinar fibras de distinta composici´on, en distintas orientacio-nes, para responder a los requisitos del dise˜no y trabajo al que van a estar sometidas las piezas fabricadas en materiales laminados compuestos.

Dichas dificultades resultan obvias por ejem-plo en el caso de la construcci´on de un basti-dor de automoci´on y/o transportes ligeros o pe-sados, constituido por largueros y travesa˜nos en forma de vigas de distintos perfiles con espeso-res significativos o como una estructura ´unica en forma de marco construida en materiales com-puestos. La construcci´on en este caso es ex-tremadamente compleja por tratarse de piezas con altas solicitaciones mec´anicas a compresi´on, tracci´on en m´ultiples direcciones, vibraci´on, etc., siendo requerida una estructura de tejido con fi-bras orientadas de forma m´ultiple, por ejemplo (0◦/90◦/+45◦/-45◦), tomando como 0◦ la longi-tudinal al veh´ıculo; y en la que adem´as pueden ser requeridos sistemas h´ıbridos en composici´on de fibras y/o combinaciones de fibras de diferen-tes caracter´ısticas mec´anicas seg´un direcciones o ´

angulos. Dicha complejidad suele resultar en un incremento considerable de costes de fabricaci´on que hace inviable la implantaci´on industrial a gran escala de piezas mec´anicas, t´ecnicamente po-sibles y deseables por aligerar considerablemente los pesos de los sistemas bajo consideraci´on.

Una aportaci´on muy significativa a los proce-sos de laminaci´on complejos para piezas de alta responsabilidad mec´anica como puedan ser las

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tema de fibras multicapa con orientaciones prefe-rentes, seg´un los requisitos del esfuerzo mec´anico, simple o plural, en la composici´on de las fibras en cada una de las capas y unidas ´estas mediante un sistema de cosido de punto por urdimbre y cuyas dimensiones fueran coincidentes con el desarrollo de las vigas, travesa˜nos, largueros o perfiles de cuya fabricaci´on se trate.

La invenci´on se entender´a mejor por referencia a los dibujos adjuntos, en los que:

- la figura 1 ilustra un tejido de m´ultiples ca-pas unidas entre si mediante hilos de ligado,

- las figuras 2 y 3 ilustran etapas consecutivas en el desarrollo de un larguero o viga en U, y

- la figura 4 muestra una pieza utilizable como larguero, viga, travesa˜no o conjunto completo en forma de marco para bastidores en cabezas trac-toras de automoci´on y/o estructuras portantes de carga para transportes pesados o ligeros.

A modo ilustrativo y como uno de los m´ultiples ejemplos, sin que de modo alguno su-ponga limitaci´on a la presente invenci´on, de siste-mas multicapa, multi´angulo, de composici´on uni-forme o variable, seg´un solicitaciones mec´anicas para las citadas aplicaciones, por zonas o ´angulos, el invento viene definido por las siguientes carac-ter´ısticas:

Un sistema multicapa de fibras de refuerzo en las cuales una capa de dichas fibras se define orientada a 0◦, tomando esta orientaci´on como la de mayor longitud de la pieza que posteriormente se describe; otra capa de fibras de refuerzo orien-tada a un ´angulo de 90◦ de la anterior; otra capa de fibras de refuerzo a un ´angulo comprendido en-tre los +20◦y los +70◦(ejemplo +45◦) respecto a los 0◦; y otra capa de fibras de refuerzo orientada a un ´angulo comprendido entre -20◦y -70◦ (ejem-plo -45◦ respecto a los 0◦), unidas entre s´ı me-diante hilos de ligado (HL) introducidos meme-diante la t´ecnica de punto por urdimbre o sistema Ke-tten en un solo proceso, constituyendo un ´unico tejido multicapa (0◦/90◦/+45◦/-45◦) (FIGURA 1), cuya composici´on se define como sigue:

En la direcci´on de 0◦, hilos multifilamento de vidrio en una franja intermedia con dos zonas la-terales de hilos multifilamento de fibra de carbono o alternantes con vidrio (FIGURA 1); dichas fran-jas en fibra de carbono son de la anchura y es-pesor adecuado para coincidir en su conformado con las zonas donde mayor m´odulo de elasticidad a tracci´on y flexi´on se requiere.

Direcci´on de 90◦: hilos multifilamento de fibra de vidrio (FIG. 1).

Direcci´on de +45◦: hilos multifilamento de fi-bra de vidrio (FIG. 1).

Direcci´on de -45◦: hilos multifilamento de fi-bra de vidrio (FIG. 1).

Las dimensiones del conjunto y en particular las de las franjas conteniendo fibra de carbono coincidentes con el desarrollo de un larguero o viga en “U” se muestran en las figuras 2 y 3, debi´endose entender que las dimensiones de alas

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una resina matriz de base epox´ıdica constituida por 52 partes de diglicidil bisfenol A, 45 par-tes de anh´ıdrido metil n´adico y 2 partes de 2-(dimetilaminometil)fenol hasta una relaci´on en peso fibras/resina del 66 y 34 por ciento, respec-tivamente. Dicha estructura multicapa es pos-teriormente apilada o desarrollada en forma de marco continuo hasta rendir un espesor de apro-ximadamente 20 mm sobre un molde. Sobre dicho molde y bajo condiciones de prensado (mediante vacio o prensa hidr´aulica) es sometida a un ciclo de curado con las siguientes condiciones de tem-peratura:

1 hora a 90◦C. 3 horas a 120◦C. 3 horas a 160◦C.

rindiendo una pieza o piezas posteriormente uti-lizables como largueros, vigas, travesa˜nos o con-junto completo de forma de marco para bastidores (FIGURA 4) en cabezas tractoras de automoci´on y/o estructura portante de carga para transpor-tes pesados o ligeros, en la cual es coincidente la direcci´on 0◦ conteniendo franjas en fibra de car-bono con la direcci´on longitudinal del bastidor o largueros, que es la sometida a los mayores esfuer-zos mec´anicos y en la cual el resto de direcciones complementan el conjunto de refuerzos para re-ponder a los esfuerzos de cizalla, torsi´on, etc. Di-cho proceso es automatizado y presenta la parti-cular ventaja de incorporar fibra de carbono en

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la direcci´on, posici´on y cantidad requerida para responder a las fuertes solicitaciones mec´anicas de la pieza.

A modo de contraste, una pieza de similar comportamiento mec´anico es elaborada mediante tejidos convencionales entrelazados de urdimbre y trama en fibra de vidrio (direcciones 0◦/90◦) para el trabajo en estas direcciones. Los requisitos en las direcciones 45◦ para responder a esfuerzos de cizalla se cubrir´ıan con el mismo tejido anterior (0◦/90◦) mediante recortes, parcheo y giro suce-sivo con la imposibilidad de automatizaci´on del proceso y consiguiendo los refuerzos longitudina-les en fibra de carbono mediante la laminaci´on entre las capas anteriores de filamentos unidirec-cionales de dicha fibra. El proceso en su conjunto ha de ser elaborado de forma manual con tiem-pos cinco veces superiores al anteriormente des-crito, con costes y productividad inviables para su utilizaci´on masiva en la industria de automoci´on, transporte, etc.

Aun cuando se ha descrito en esta memoria e ilustrado en los dibujos lo que se considera ac-tualmente como la realizaci´on preferida de la in-venci´on, los expertos en la materia comprender´an que son posibles diversas modificaciones de las es-tructuras de fibras de refuerzo anteriormente ex-puestas sin apartarse del esp´ıritu y alcance de la invenci´on.

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REIVINDICACIONES

1. Una estructura de fibras de refuerzo de materiales compuestos, conformada como capas, dispuestas en tres o m´as direcciones diferentes y unidas entre s´ı como un sistema compacto por una cadeneta de ligado de hilo de igual o di-ferente composici´on, introducido por el sistema de g´enero de punto por urdimbre, aplicada a la construcci´on de elementos estructurales en cons-trucci´on civil y/o mec´anica y m´as particular-mente a la construcci´on de bastidores para au-tomoci´on y/o transporte,caracterizada porque dicha estructura de fibras est´a preparada para ser impregnada por un material matriz de naturaleza termopl´astica o termoendurecible cuyo procesado y curado rinde una pieza susceptible de ser utili-zada en las citadas aplicaciones, y porque el ma-terial para dichas fibras de refuerzo se elige entre vidrio, carbono, poliaramida y otros de propieda-des semejantes.

2. Una estructura compacta multidireccional de fibras de refuerzo seg´un la reivindicaci´on 1,

caracterizadaporque las fibras o hilos se dispo-nen en las siguientes orientaciones: una capa defi-nida a una orientaci´on 0◦; otra capa formando un ´

angulo de 90◦con la anterior; una capa formando un ´angulo comprendido entre 20◦ y 70◦respecto a la primera direcci´on; y otra capa formando un ´

angulo comprendido entre -20◦ y -70◦ respecto a la primera direcci´on, para su utilizaci´on en basti-dores de automoci´on y transporte y vigas en cons-trucci´on civil.

3. Una estructura compacta multidireccional de fibras de refuerzo seg´un las reivindicaciones 1 y 2,caracterizadaporque las fibras o hilos se dis-ponen preferiblemente seg´un las siguientes orien-taciones: una capa definida a una orientaci´on 0◦; otra capa formando un ´angulo de 90◦con la ante-rior; una capa formando un ´angulo de +45◦ con

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la primera; y una capa formando un ´angulo de -45◦ con la primera.

4. Una estructura compacta multidireccional de fibras de refuerzo seg´un las reivindicaciones 1, 2 y 3, caracterizada porque est´an combinadas en la direcci´on de 0◦ fibras de vidrio y de car-bono por franjas de anchura variable y/u obser-vando alternancia en la distribuci´on de hilos de vidrio y de carbono, y porque las otras direccio-nes est´an constituidas preferiblemente por fibra de vidrio, coincidiendo dicha direcci´on 0◦ con la mayor dimensi´on (longitudinal) de vigas y basti-dores de aplicaci´on en construcci´on civil o cons-trucci´on mec´anica en general.

5. Una estructura compacta multidireccional de fibras de refuerzo seg´un las reivindicaciones 1, 2, 3 y 4,caracterizadaporque es susceptible de ser impregnada por una resina sint´etica de natu-raleza termopl´astica o termoendurecible confor-mada por presi´on y temperatura posteriormente en su desarrollo en un molde, rindiendo perfiles, vigas, bastidores y, en general, estructuras para la construcci´on civil y mec´anica.

6. Una estructura compacta multidireccional de fibras de refuerzo seg´un la reivindicaci´on 1,

caracterizada porque presenta direcciones defi-nidas a 0◦, +45◦ y -45◦, de las que la direcci´on de 0◦coincide con la longitudinal de dicha estruc-tura multicapa y combina fibras o hilos de vidrio y de carbono por franjas de anchura variable y/u observando alternancia en su distribuci´on, todas con la misma orientaci´on, siendo las otras dos di-recciones de fibra de vidrio.

7. Una estructura compacta multidireccional de fibras de refuerzo seg´un cualquiera de las rei-vindicaciones anteriores, caracterizada porque se aplica a la fabricaci´on en materiales compues-tos de elemencompues-tos para bastidores de automoci´on y transporte.

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