ES2983805T3

ES2983805T3 - Refuerzo multiaxial cosido y método de producción del mismo

Info

Publication number: ES2983805T3
Application number: ES18707042T
Authority: ES
Inventors: Petro Huoponen; Maija Fjällström
Original assignee: Vitrulan Composites Oy
Current assignee: Vitrulan Composites Oy
Priority date: 2018-02-26
Filing date: 2018-02-26
Publication date: 2024-10-24
Anticipated expiration: 2038-02-26
Also published as: BR112020016880A2; MA50330B1; PL3758923T3; MX2020008749A; SI3758923T1; EP3758923A1; US11724466B2; LT3758923T; EP3758923B1; WO2019161926A1; PT3758923T; FI3758923T3; MA50330A1; US20210008815A1; DK3758923T3

Abstract

La presente invención se refiere a un refuerzo multiaxial cosido y a un método para producir un refuerzo multiaxial cosido. El refuerzo multiaxial cosido (40) de la presente invención se puede utilizar en todas aquellas aplicaciones en las que se requiere una alta calidad y resistencia. El refuerzo multiaxial cosido de la presente invención comprende al menos dos conjuntos (26, 28) de filamentos mono o multifilamentos unidos dispuestos transversalmente entre sí entre capas de refuerzo (20, 32) para asegurar buenas propiedades de flujo de resina en direcciones transversales a la dirección de las mechas unidireccionales (20', 32'). (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Refuerzo multiaxial cosido y método de producción del mismo

Campo técnico

La presente invención se refiere a un refuerzo multiaxial cosido y a un método de producción de un refuerzo multiaxial cosido. El refuerzo multiaxial cosido de la presente invención puede utilizarse en todas aquellas aplicaciones en las que son necesarios generalmente refuerzos y especialmente en aquellas aplicaciones en las que se utiliza o bien tecnología de infusión por vacío o bien tecnología de moldeo por transferencia de resina (RTM) para distribuir la resina en el molde. El refuerzo multiaxial cosido de la presente invención es especialmente aplicable en la fabricación de palas de turbinas eólicas, embarcaciones, equipos deportivos, tanques de almacenamiento, paneles de autobuses, remolques, trenes y camiones, etc., y generalmente en todas aquellas estructuras que estén sometidas a esfuerzos en más de una dirección.

Antecedentes de la técnica

Cuando se fabrican productos compuestos y laminados utilizando diversas fibras, como por ejemplo fibras de vidrio, carbono y aramida, así como fibra de lino (“flax”), cáñamo, yute, kenaf, basalto y otras fibras naturales, etc. para la fabricación de, por ejemplo, paneles de embarcaciones, automóviles, autobuses, trenes, remolques y camiones o partes de turbinas eólicas, por ejemplo, la fabricación comienza con la producción de un refuerzo de fibra apropiado como una estructura tejida o tricotada, que puede presentar una orientación unidireccional o multiaxial. A continuación, las estructuras se colocan en un molde utilizado en la fabricación del producto intermedio o final. El molde presenta, naturalmente, la forma del producto final, lo que significa que la forma a veces puede ser muy complicada y requiere una conformación sustancial del refuerzo cuando se coloca en el molde. Normalmente, varias capas, hasta decenas de capas, de refuerzos se colocan una encima de otra en el molde y se introduce en el molde una resina termoendurecible de tipo epoxídica mezclada con un endurecedor o una resina de poliéster insaturada o resina de éster vinílico para formar un artículo compuesto reforzado con fibras. La resina asimismo puede ser termoplástica como PA(poliamida) o CBT (poli(tereftalato de butileno) cíclico), o similar. La práctica ha demostrado que cuando el producto final tiene que resistir altas cargas mecánicas, las capas unidireccionales de mechas de refuerzo, que pueden mantenerse unidas por medio de cosido, son una elección preferida en su fabricación. En el caso de que existan cargas mecánicas en más de una dirección, los refuerzos multiaxiales son una opción preferida. Tales capas unidireccionales de un refuerzo están compuestas por mechas o estopas, denominadas generalmente fibras de refuerzo.

El refuerzo multiaxial está formado por dos o más capas de mechas de refuerzo, en las que las mechas en una capa son unidireccionales, pero las mechas de capas adyacentes forman un determinado ángulo, habitualmente de 45, 60 o 90 grados, aunque asimismo pueden utilizarse otras orientaciones de mecha. La construcción del refuerzo depende del peso por unidad de superficie objetivo y el número de tex de las mechas. Por ejemplo, si se desea un alto peso por unidad de superficie o peso en gramos, se utiliza una mecha gruesa (por ejemplo, con fibra de vidrio de tipo E de 2400 tex), y cuando se desea un refuerzo con bajo peso por unidad de superficie, se utiliza una mecha delgada (por ejemplo, con fibra de vidrio de tipo E de 600 tex) en su fabricación.

El producto final, es decir, la estructura laminada curada, puede fabricarse con varios de tales refuerzos multiaxiales disponiendo las capas de refuerzos de modo que, en el producto final, las mechas de las capas están orientadas en por lo menos dos direcciones diferentes según las cargas a las que se someta la construcción laminada o fabricando en primer lugar materiales textiles de varias capas de refuerzos unidireccionales de modo que las mechas de capas adyacentes forman un determinado ángulo y, después de eso, utilizando los materiales textiles así formados en la producción del producto final. Tales materiales textiles se denominan materiales textiles biaxiales, triaxiales, cuadraxiales, etc. dependiendo del número de orientaciones de fibras diferentes en los mismos.

Un refuerzo multiaxial formado por por lo menos dos capas de refuerzo de mechas de refuerzo de por sí unidireccionales es inherentemente inestable por naturaleza ya que los hilos de cada capa de refuerzo discurren únicamente en una dirección. Para ser capaz de manejar un refuerzo de este tipo, sus mechas deben anclarse o unirse entre sí de una manera adecuada. La técnica anterior divulga, en principio, dos métodos mecánicos diferentes para un fin de este tipo.

Un método es fijar las mechas por medio de cosido (por ejemplo, tricotado por urdimbre). Los hilos de cosido forman bucles de tricotado, es decir, puntadas, que mantienen las propias mechas de refuerzo en su lugar en el refuerzo. Las puntadas están formadas mediante diversos elementos de tricotado, por ejemplo, mediante agujas, que penetran en la capa o las capas de mechas de refuerzo según la técnica de tricotado por urdimbre conocida. Las puntadas pueden formar varios patrones bien conocidos como, por ejemplo, cadena o tricot, etc. El hilo de cosido es normalmente, pero no necesariamente, un hilo de filamento de poliéster (poli(tereftalato de etileno)) texturizado o no texturizado que presenta un grosor de desde aproximadamente 34 dtex hasta aproximadamente 167 dtex y que comprende decenas de filamentos, normalmente, por ejemplo, 24 o 48 filamentos.

Otro método mecánico es utilizar una técnica de tejido para anclar los hilos de urdimbre longitudinales, es decir, las mechas de refuerzo, con hilos de trama de peso ligero en su lugar respectivo. Como hilos de trama se han utilizado tanto hilos no recubiertos como recubiertos por fusión en caliente. Después de calentar y enfriar, el aglutinante de fusión en caliente ha proporcionado al refuerzo una estabilidad considerable. Sin embargo, la alternativa del tejido no se considera más favorable ya que las mechas de refuerzo forman rizos cuando cruzan sobre los hilos de trama conduciendo a concentraciones de esfuerzos y menores propiedades mecánicas que las versiones cosidas. Se ha hallado que los hilos de unión de fusión en caliente crean una perturbación local en el curado de matrices y tampoco se ven más favorecidos en el comercio. Normalmente, los hilos de trama son hilos multifilamento que se aplastan por compresión independientemente de que sean hilos de fusión en caliente o no.

Los refuerzos cosidos se conocen bien y presentan algunas buenas propiedades. En primer lugar, su estabilidad transversal es buena porque los hilos de cosido, aunque discurren principalmente de manera longitudinal, forman tales patrones, como un tricot, que proporciona a las mechas unidireccionales la integridad estructural necesaria para el refuerzo. En segundo lugar, el refuerzo es fácil de posicionar en el molde (es decir, permite al refuerzo seguir los contornos del molde) ya que el refuerzo cosido es a menudo muy flexible si los parámetros de cosido se eligen de manera apropiada como la longitud de puntada, calibre de aguja y tensión de hilo, por citar solo algunos ejemplos.

Sin embargo, la utilización de puntadas asimismo puede dar lugar a un problema. El problema puede observarse cuando se infusiona una pila de refuerzos cosidos, es decir, la denominada preforma, con resina. La distribución de resina en los haces de fibras es sorprendentemente lenta y no uniforme en ambas direcciones, es decir, en una dirección paralela a las mechas de refuerzo y en una dirección transversal a las mechas de refuerzo. El hallazgo anterior es sorprendente ya que a primera vista un refuerzo cosido parece incluir pasos de flujo en tres dimensiones. Las puntadas cuando se aprietan alrededor de un haz de mechas abren pasos de flujo a través del refuerzo. Además, en la dirección de los hilos de puntada paralela a la superficie del refuerzo, las mechas se presionan juntas de modo que se crean pasos de flujo sobre la superficie del refuerzo. Y, además, en la dirección de las mechas, el apriete de las puntadas parece formar pasos de flujo longitudinales sobre la superficie del refuerzo. Podría esperarse que, cuando se coloca un refuerzo encima de otro en el molde, la pila de refuerzos incluiría una red tridimensional de pasos de flujo, que aseguraría un flujo de resina y penetración rápidos, así como un empapado rápido de la pila de refuerzos. Sin embargo, como ya se ha mencionado anteriormente, este no es el caso. El principal motivo es que antes de que se inicie la alimentación de la resina al molde, la pila de refuerzos en el molde se somete a compresión. La compresión hace que los refuerzos se presionen unos contra otros por una fuerza tal que, dado el hecho de que las puntadas de los refuerzos no están unas directamente encima de otras de manera vertical, sino que su posicionamiento es al azar, las mechas “ libres” (lo que significa las mechas que no están bajo compresión por una puntada) entre las puntadas de un refuerzo se presionan en la puntada de un refuerzo vecino. Como resultado, el paso de flujo en la dirección de la superficie del refuerzo se llena más o menos totalmente con las mechas “ libres”, impidiendo un flujo de resina eficaz en la dirección de la superficie de un refuerzo. En cuanto a la parte de una puntada donde el hilo de cosido está en la dirección Z, el paso de flujo permanece en la pila, quizás algo más pequeño, pero todavía algo. Sin embargo, ahora que los pasos de flujo en la dirección de la superficie de un refuerzo están sustancialmente cerrados, el paso de flujo en la dirección Z permanece lleno de aire, que es muy difícil de retirar. Esto da como resultado fácilmente la presencia de burbujas de gas en el producto final lo que, naturalmente, reduce la calidad y las propiedades de resistencia mecánica del producto final.

Ya que una buena permeabilidad de resina es vital para la ejecución práctica del procedimiento de moldeo, se acelera normalmente utilizando una diferencia de presión cuando se alimenta la resina en el molde. Es una práctica habitual aplicar o bien tecnología de infusión por vacío o bien tecnología de moldeo por transferencia de resina (RTM) para distribuir la resina por todas las capas de refuerzo en el molde. Sin embargo, a veces a pesar de diversas medidas, como vacío y/o presión de alimentación elevada, tienden a permanecer pequeñas cavidades con aire en el refuerzo reduciendo significativamente las propiedades de resistencia mecánica del laminado. El principal motivo para las cavidades con aire es el posicionamiento ajustado de las mechas unas contra otras en el refuerzo de modo que su permeabilidad a la resina está limitada tanto en las direcciones transversales como longitudinales de las mechas de refuerzo, así como en la dirección Z. A partir de lo anterior, deben investigarse nuevas maneras para mejorar tanto la retirada del gas de la pila de refuerzos como la permeabilidad del refuerzo a la resina.

Una manera de mejorar la permeabilidad del refuerzo es dotar al refuerzo de pasos de flujo para la resina, permitiendo los pasos de flujo que la resina fluya rápidamente en el refuerzo. Pueden hallarse, en la técnica anterior, numerosas maneras para disponer los pasos de flujo de resina en los refuerzos o entre los refuerzos en una pila de refuerzos, por ejemplo, los denominados materiales textiles de infusión. Sin embargo, se ha descubierto que la utilización de tales pasos de flujo no es muy eficaz, ya que el vacío aplicado en la fase de infusión tiende a desplazar o arrastrar las mechas de las zonas o refuerzos vecinos e incluso desplazar sus posiciones para llenar los pasos de flujo/cavidades.

Una manera tradicional de disponer canales de flujo de resina en un refuerzo se expone en el documento US-A2005/0037678. El documento da a conocer un material textil de rejilla abierta, que está formado por mechas unidireccionales gruesas, que se cosen entre sí de modo que se forma una estera de mechas unidireccionales que deja un espacio abierto desobstruido entre mechas paralelas adyacentes. Otra estructura opcional es formar el material textil de rejilla de dos capas de mechas en las que las mechas de una capa están dispuestas en ángulos rectos con respecto a las de la otra capa. Las mechas se cosen de nuevo entre sí de modo que se forma un material textil de rejilla abierta. El material textil de rejilla abierta de la solicitud US se utiliza como material textil de infusión colocándolo entre capas de refuerzo de un laminado para asegurar un flujo de resina no obstruido entre las capas de refuerzo para empapar las capas de refuerzo vecinas en la dirección Z. Los problemas en la construcción de la solicitud US se refieren al material textil de rejilla abierta que es un producto fabricado independiente y a las mechas utilizadas en el material textil. La etapa de fabricación independiente se añade a los costes de fabricación de un refuerzo, y la utilización de mechas, que no están unidas o retorcidas, significa que para proporcionar alguno espacio abierto en el material textil de rejilla abierta, las mechas tienen que ser muy gruesas (ver la discusión en relación con la figura 1b que se refiere al aplastamiento de mechas bajo compresión). Las mechas gruesas significan un aumento tanto del peso como de los gastos en tales partes del producto que son necesarios únicamente en un segundo fin, es decir, el flujo de resina. La proporción relativamente alta de mechas en una dirección que no es necesaria en vista de los aspectos de resistencia mecánica y fatiga del producto hacen que el producto no sea atractivo comercialmente ni para el mercado. Otro inconveniente de este tipo de un material textil de infusión es que provoca, en el producto final, zonas de mayor contenido de resina que en las partes que contienen únicamente capas de refuerzo, es decir, el producto no es cohesivo.

La técnica anterior asimismo divulga materiales textiles de infusión biaxiales que se fabrican con dos capas de mechas de por sí tejidas, que se estiran primero en dirección diagonal de modo que una capa se convierte en una capa de -45 grados y otra en una capa de 45 grados y, después de eso, se cosen juntas. Ambas capas tejidas comprenden mechas gruesas de fibra de vidrio en la dirección de la trama e hilos delgados de fibra de vidrio en la dirección de la urdimbre. Los hilos en la dirección de la urdimbre unen las mechas en haces redondos relativamente sueltos. Cuando las capas tejidas están inclinadas, los hilos en la dirección de la urdimbre se tensan y unen las mechas con más fuerza (lo que equivale a una sección transversal casi redonda de los haces). Como un buen ejemplo de la tirantez del hilo puede mencionarse que los hilos de trama longitudinales pueden girarse, mediante inclinación, 30 y 45 grados desde la dirección de la trama, pero no más de 60 grados. Las dos capas tejidas y estiradas se colocan entonces una encima de la otra de modo que las mechas de las capas discurren en diferentes orientaciones, por lo que, después del cosido, se obtiene un producto biaxial. El producto se vende para su utilización como material textil de infusión, que presenta canales de flujo de resina en la dirección de las mechas.

Sin embargo, el material textil de infusión anterior presenta algunos problemas en cuanto a su estructura, utilización y funcionamiento. En la práctica, en esta clase de productos existe una clara correlación entre la capacidad de flujo de resina y el peso en gramos, de modo que cuanto mayor es el peso en gramos, peor es la capacidad de flujo (a menos que se cambie el número de tex de las mechas). El motivo es que los pasos de flujo en el producto se forman entre las mechas y cuando aumenta el peso en gramos, aumenta el número de mechas, por lo que la zona abierta entre las mechas se reduce naturalmente. Otra opción sería aumentar el tamaño o el número de tex de las mechas, pero como las mechas únicamente están disponibles en 300 tex, 600 tex, 1200 tex, 2400 tex, 4800 tex, etc., no siempre es posible encontrar una buena combinación. Muchas veces, el paso de un tamaño de mecha que da como resultado un flujo menos adecuado al siguiente tamaño de mecha posible sin aumentar el peso en gramos da como resultado un material textil de infusión que es difícil de manipular debido a que presenta espacios tan desobstruidos entre las mechas que el material textil no presenta, en la práctica, ninguna rigidez en absoluto. De manera correspondiente, aumentar el peso en gramos disminuye la capacidad de flujo de resina (si únicamente se aumenta el número de mechas) o aumenta la zona de flujo abierta (si se aumenta el tamaño de las mechas) en el material textil de infusión de modo que pierde su integridad. Dicho de otro modo, en muchas aplicaciones debe utilizarse un material textil de infusión, que no es exactamente el deseado, sino un compromiso entre la capacidad de flujo de resina y el peso en gramos. Una característica adicional que debe tenerse en cuenta es la falta de uniformidad del producto final, es decir, el refuerzo. Si el material textil de infusión contiene más cavidades abiertas que las propias capas de refuerzo, lo que ocurre muy a menudo, en el producto final las cavidades abiertas se llenan de resina. Por tanto, la proporción de resina es claramente mayor en las ubicaciones de lo(s) material(es) textil(es) de infusión, lo que provoca zonas de menor resistencia mecánica en el refuerzo.

La técnica anterior asimismo divulga otras estructuras en las que las mechas se utilizan básicamente de la misma manera que en el documento US, sin embargo, las mechas están rodeadas por un bobinado de hilo de poliéster alrededor de las mechas para hacer que las mechas no sean compresibles. Al hacer que las mechas devengan rígidas de la manera mencionada anteriormente, se logran propiedades de flujo de resina adecuadas, pero la manera asimismo presenta inconvenientes. En primer lugar, el bobinado del hilo de poliéster (PE) alrededor de las mechas no es gratuito. En segundo lugar, la disponibilidad de mechas aplicables es muy limitada, por lo que el diámetro del paquete de mechas-hilos de PE no puede elegirse libremente. En tercer lugar, el bobinado de un hilo de PE alrededor de las mechas hace que las mechas sean un paquete bastante apretado, por lo que existe un riesgo potencial de que la resina no pueda empapar las mechas lo suficientemente bien. En la práctica, la combinación de estas dos últimas áreas de problema en las mechas con PE enrolladas impide que, por un lado, el usuario elija el mejor diámetro posible para su aplicación, y por otro lado, la utilización de mechas con PE enrolladas gruesas. Por tanto, puede observarse que la utilización de mechas en productos de infusión o medios de infusión da como resultado por lo menos una de varias etapas del método, trabajo manual, utilización de material que se desperdiciará, etc., todo lo cual significa un aumento de gastos que en cierto modo son innecesarios.

Los diversos problemas relacionados con la utilización de mechas como medio de creación de canales de flujo se abordan en el documento EP-B1-2874803, que da a conocer un refuerzo unidireccional o multiaxial cosido para la fabricación de materiales compuestos reforzados con fibras mediante uno de procedimiento de moldeo por transferencia de resina y procedimiento de moldeo por infusión por vacío, comprendiendo el refuerzo unidireccional o multiaxial cosido por lo menos una capa de mechas unidireccionales continuas dispuestas en el refuerzo y monoo multifilamentos, estando dispuestos los mono- o multifilamentos de manera transversal a las mechas unidireccionales y formando a los lados de los mismos pasos de flujo que se extienden desde un borde del refuerzo unidireccional o multiaxial cosido hasta el borde opuesto del mismo para facilitar, cuando se empapa una pila de refuerzos con resina, el flujo de resina en una dirección transversal a la dirección de las mechas unidireccionales, uniéndose la por lo menos una capa y los mono- o multifilamentos entre sí mediante cosido, presentando los monoo multifilamentos un diámetro de 70 - 300 |im bajo compresión.

El refuerzo comentado en el documento anterior está dirigido para su utilización en la producción de cordones de larguero de palas de turbinas eólicas, que presentan una longitud de decenas de metros y una anchura de unas pocas decenas de centímetros. Por tanto, al disponer la alimentación de resina en el molde a lo largo de toda la longitud del cordón de larguero, es decir, en un lado de la pila de capas de refuerzos, la resina únicamente necesita fluir unas pocas decenas de centímetros para impregnar toda la pila de capas de refuerzo. Por tanto, la distancia de empapado es tan corta que incluso una velocidad de impregnación relativamente lenta se considera aceptable. Un motivo para la lenta velocidad de impregnación es el pequeño diámetro de los mono- o multifilamentos unidos, siendo necesario el pequeño diámetro en vista de las propiedades de resistencia mecánica requeridas por los cordones de larguero, es decir, la utilización del menor diámetro posible minimiza el riesgo de microfisuras en el laminado de cordón de larguero.

El documento EP-B1-2918398 analiza un material compuesto reforzado con fibras para fabricar un componente para una turbina eólica, que comprende una pluralidad de primeras fibras, estando dispuestas las fibras en una configuración unidireccional o biaxial, una pluralidad de segundas fibras, estando dispuestas las segundas fibras de manera perpendicular a una dirección longitudinal de las primeras fibras, y una resina que impregna la primera y la segunda fibras, donde un módulo E de la resina es igual a un módulo E de las segundas fibras de tal manera que cuando el material compuesto reforzado con fibras se estira en la dirección longitudinal, se permite que las segundas fibras se contraigan a la misma velocidad que la resina.

Para ser más específico el documento EP-B1-2918398 analiza, por un lado, un material compuesto reforzado unidireccional que presenta o bien las segundas fibras transversales a las primeras fibras de refuerzo o bien las segundas fibras en zigzag a través de la(s) capa(s) de las primeras fibras de refuerzo, o bien, por otro lado, un material compuesto reforzado biaxial donde las fibras de refuerzo están dispuestas en ángulos de /- 45 grados con respecto a la dirección de las segundas fibras y sujetándose las segundas fibras sobre las dos capas de las primeras fibras de refuerzo por medio de cosido. El zigzagueo de los monofilamentos a la manera del documento europeo no parece razonable, ya que la infusión de resina tiene lugar normalmente desde un lado del refuerzo hacia el otro, y la disposición de los monofilamentos en una orientación diferente a la paralela entre sí forma tanto canales ensanchados en los que la resina apenas puede entrar (ya que apenas hay ninguna abertura entre los monofilamentos) como canales convergentes en los que los monofilamentos convergentes y el propio espacio convergente añaden resistencia al flujo y reducen la velocidad a la que la resina es capaz de avanzar.

Por tanto, ambos documentos europeos de la técnica anterior citados anteriormente utiliza medios de formación de pasos de flujo dispuestos en una dirección transversal a las fibras o mechas de refuerzo. Los medios de formación de pasos de flujo pueden estar formados por un único monofilamento o un multifilamento unido, es decir, un haz de filamentos. Una construcción de este tipo se limita, en la práctica, a permitir que la resina fluya en una única dirección, lo que no puede considerarse suficiente en la fabricación de artículos que presentan una forma compleja o de área amplia.

Dicho de otro modo, la técnica anterior sugiere, por un lado, la utilización de hilos o mechas multifilamento dispuestos en dos direcciones transversales entre sí y cosidos entre sí para formar un material textil de rejilla abierta para proporcionar una rejilla abierta entre las capas de refuerzo de un refuerzo, y por otro lado, la utilización de mono- o multifilamentos unidos para disponer pasos de flujo para la resina en una única dirección transversal a la dirección de las mechas de refuerzo.

Sin embargo, la práctica ha demostrado que los refuerzos cosidos actuales presentan varias áreas problemáticas, como, por ejemplo:

- los canales de flujo proporcionados en los refuerzos o en conexión con los mismos se diseñan o bien para objetos largo y estrechos donde la resina debe fluir únicamente en una dirección, es decir, la ruta más corta a través del objeto, o bien para objetos más o menos redondos o cuadrados, donde es suficiente que la resina fluya a un ritmo similar en todas las direcciones, por tanto, la técnica anterior no considera objetos que presenten una forma compleja que requiera una velocidad de infusión diferente en diferentes direcciones,

- la utilización de materiales textiles tejidos de la técnica anterior como medios de infusión está limitada a unas pocas combinaciones de peso en gramos - capacidad de flujo de resina aplicables,

- en materiales textiles de infusión de la técnica anterior los canales de flujo de resina estaban en la dirección de las mechas, lo que no asegura una infusión apropiada y fiable de resina en todo el producto,

- la aplicabilidad de las mechas como medios para disponer canales de flujo en el refuerzo es muy limitada,

- las mechas presentan problemas en su compresibilidad, en su infusión de resina y en su diámetro, tal como se expone anteriormente,

- los materiales textiles de infusión de la técnica anterior contienen a menudo grandes zonas abiertas que, asimismo en el producto final, se llenan con resina, lo que hace que el producto final presente una estructura no uniforme con cambios en los valores de resistencia mecánica, y

- la utilización de mechas como medios para disponer canales de flujo requiere varias etapas de producción, lo que significa un aumento del tiempo y los costes de producción.

La utilización de mono- o multifilamentos unidos ha demostrado ser una manera tan ideal para proporcionar canales de flujo de resina junto con refuerzos unidireccionales en la producción de cordones de larguero de palas de turbinas eólicas que sólo presentaba un problema menor, concretamente, el riesgo de formación de microfisuras cuando se producen rizos en las mechas. Sin embargo, en la producción de cordones de larguero se resolvió el problema utilizando mono- o multifilamentos muy delgados, es decir, siendo el diámetro menor de 300 |im.

A pesar del problema mencionado anteriormente, se decidió someter a prueba la utilización de mono- o multifilamentos unidos en conexión con otros tipos de productos, es decir, productos multiaxiales que requieren una capacidad de sustentación de carga en más de una dirección y que presentan un área más amplia en comparación con los cordones de larguero. Pronto se descubrió que la capacidad de flujo de resina de la clase de mono- o multifilamentos unidos utilizados en el documento EP-B1-2874803 no era suficiente en la fabricación de paneles de camiones o autobuses o cascos de embarcaciones.

Sin embargo, sorprendentemente, se descubrió que el riesgo de formar microfisuras en refuerzos multiaxiales se redujo considerablemente incluso aunque se aumentó el diámetro de los mono- o multifilamentos unidos. La conclusión fue, ya que los diversos paneles, cascos de embarcaciones o materiales laminados en sándwich (“sandwich laminates”) se sometieron a carga en diferentes direcciones y, por tanto, requirieron la utilización de refuerzos multiaxiales, que por lo menos un motivo para el hallazgo es que, en un producto biaxial o cualquier producto multiaxial, las mechas de las capas vecinas en cualquier caso están ligeramente dobladas cuando se cruzan entre sí, por lo que el posible doblado o rizado adicional provocado por monofilamentos ya no presenta, en la práctica, mucha influencia. Otro factor que reduce la tendencia de formación de microfisuras se refiere a la optimización del peso, ya que los diversos paneles, por ejemplo, no presentan requisitos de peso estrictos como los cordones de larguero. Por tanto, se aprendió que los mono- o multifilamentos que presentan un mayor diámetro pueden utilizarse en refuerzos multiaxiales, por lo que los canales de flujo de resina pueden ampliarse y, de ese modo, aumentarse la velocidad de flujo de resina.

Definiciones

Las siguientes explicaciones ilustrativas se proporcionan para facilitar la comprensión de determinados términos utilizados frecuentemente en la presente solicitud.

Peso por unidad de superficie - Peso (masa) por unidad de superficie de un material textil.

Aglutinante - Un material polimérico en diversas formas como polvo, película o líquido. Los aglutinantes pueden estar compuestos por uno o varios aglutinantes individuales que presentan diferentes características en cuanto a propiedades químicas o físicas como rigidez, punto de fusión, estructura polimérica, Tg, etc. El aglutinante se utiliza para fijar la estructura de fibras para formar una banda y finalmente el refuerzo. Los aglutinantes adecuados son materiales epoxídicos termoplásticos, copoliésteres, poliésteres insaturados bisfenólicos o sus mezclas, únicamente por nombrar algunos ejemplos.

Material textil - un material tejido flexible que consiste en una red de fibras naturales o artificiales sintéticas, a menudo denominada hiladura o hilo. Los materiales textiles se forman, por ejemplo, mediante tejido, tricotado, ganchillo, anudado, punzonado o prensado de fibras entre sí (fieltro).

Producto/capa de infusión - un material textil o material no tejido que está provisto de canales para facilitar el flujo de resina en el plano del producto. Se utiliza colocándolo entre capas de refuerzo para introducir resina en toda la zona del refuerzo de modo que la resina pueda absorberse fácilmente por las capas de refuerzo vecinas.

Laminado - un material que puede construirse impregnando una o más capas de refuerzo utilizando una mezcla adecuada de resina y endurecedor y dejar que se endurezca por reacción química o descenso de la temperatura. El laminado es una estructura reforzada con fibras compuesta por una matriz reforzada con fibras finas de, por ejemplo, vidrio, carbono, aramida, etc. La matriz puede ser un material epoxídico, un plástico termoendurecible (más a menudo material epoxídico, poliéster o éster vinílico) o un termoplástico. Las utilizaciones finales comunes de los refuerzos de fibra de vidrio incluyen embarcaciones, piezas de automóviles, palas de turbinas eólicas, etc.

Matriz - material que une los refuerzos entre sí para formar un material compuesto. Los materiales compuestos utilizan polímeros especialmente formulados, como resina epoxídica termoendurecible, resina de poliéster insaturado o éster vinílico, y resinas de fenol-formaldehído o una resina termoplástica (ver “polímero”), únicamente por mencionar algunos ejemplos.

Monofilamento - un hilo que se compone de un único filamento continuo normalmente fabricado de material sintético, tal como poliamida (por ejemplo, nailon), poli(tereftalato de etileno), polipropileno, poli(tereftalato de butileno), etc.

Multifilamento - un hilo o una hiladura que se compone de una multitud de filamentos continuos normalmente fabricados de material sintético, tal como poliamida (nailon), poli(tereftalato de etileno), polipropileno, poli(tereftalato de butileno), etc. Especialmente, en relación con la presente invención, debe hacerse una distinción entre multifilamentos compresibles sueltos formados por filamentos independientes y multifilamentos unidos donde los filamentos están unidos entre sí para hacer que el multifilamento unido se comporte como un monofilamento.

Polímero - generalmente incluye, por ejemplo, homopolímeros, copolímeros, tales como, por ejemplo, copolímeros de bloque, de injerto, al azar y alternantes, terpolímeros, etc., y mezclas y modificaciones de los mismos. Además, a menos que se limite específicamente de otro modo, el término “polímero” incluye todas las configuraciones geométricas posibles del material. Estas configuraciones incluyen, por ejemplo, simetrías isotácticas, sindiotácticas y al azar.

Refuerzo - una banda que comprende fibras de refuerzo, estando las fibras ancladas entre sí mediante medios apropiados. A menudo se fabrican como bandas continuas. Existen varias formas de fabricar el refuerzo en orientaciones unidireccionales, multiaxiales o al azar, por ejemplo, a través de las técnicas de procesamiento textil de tejido, tricotado, trenzado y cosido o mediante la unión con un aglutinante apropiado.

Fibras de refuerzo - fibras utilizadas junto con una matriz en la fabricación de materiales compuestos. Las fibras son habitualmente fibras sintéticas como de vidrio (incluyendo todas sus variantes), de carbono (con todas sus variantes) o de aramida, que pueden utilizarse tanto como filamentos continuos como fibras discontinuas. Asimismo se ha utilizado una amplia gama de fibras naturales tales como el sisal, fibra de lino, el yute, el coco, el kenaf, el cáñamo o el basalto, solo por nombrar algunos.

Moldeo por transferencia de resina (RTM) - un procedimiento que presenta dos superficies de molde por el que una resina se bombea normalmente a bajas viscosidades y bajas o altas presiones al interior de un conjunto de matriz de molde cerrado que contiene a menudo una preforma de refuerzo seco, es decir, para infundir resina en el preforma y para producir una pieza de material compuesto reforzada con fibras.

Mecha - un haz largo y estrecho sin retorcer de fibras o filamentos continuos, particularmente fibras de vidrio. En la presente solicitud, sinónimo de estopa, por lo que la selección de fibras no sólo contiene fibras de vidrio, sino asimismo fibras de carbono, basalto y aramida, más generalmente fibras continuas sintéticas.

Grupo de mechas o grupo de estopas - una o más estopas o mechas que están estrechamente espaciadas.

Hilo de cosido - un hilo formado, por ejemplo, por 24 o 48 filamentos individuales fabricados de poliéster texturizado. El hilo de cosido utilizado normalmente en la fabricación de refuerzos unidireccionales presenta normalmente una densidad de masa lineal de 76 o 110 dtex. El diámetro de un filamento individual es normalmente de 5-10 |im.

Número de tex - una unidad de medida del SI para la densidad de masa lineal de los hilos y se define como la masa en gramos por 1000 metros. Es más probable que tex se utilice en Canadá y Europa continental, mientras que el denier sigue siendo más común en los Estados Unidos y el Reino Unido. El código de la unidad es “tex”. La unidad utilizada más comúnmente en relación con las fibras sintéticas artificiales es en realidad el decitex, abreviado dtex, que es la masa en gramos por 10.000 metros.

Textil - definición general de diversos tipos de artículos, incluyendo láminas, bandas, materiales textiles y esteras que presentan una o más capas, estando formadas las capas por hiladuras unidireccionales o multidireccionales.

Termoplástico - un polímero que es fusible, que se ablanda cuando se expone al calor y que vuelve generalmente a su estado no ablandado cuando se enfría a temperatura ambiente. Los materiales termoplásticos incluyen, por ejemplo, poli(cloruros de vinilo), algunos poliésteres, poliamidas, polifluorocarbonos, poliolefinas, algunos poliuretanos, poliestirenos, poli(alcohol vinílico), caprolactamas, copolímeros de etileno y por lo menos un monómero vinílico (por ejemplo, poli(etilenvinilacetatos), ésteres de celulosa y resinas acrílicas.

Termoestable - un material polimérico que cura irreversiblemente. El curado puede realizarse a través de calor (generalmente por encima de los 200 grados Celsius), a través de una reacción química (material epoxídico de dos partes, por ejemplo) o mediante irradiación, tal como el procesamiento por haz de electrones.

Hiladura - haz retorcido de fibras o filamentos unitarios, hilo.

Estopa - en la industria de los materiales compuestos, una estopa es un haz no retorcido de filamentos continuos, y se refiere a fibras sintéticas, particularmente fibras de carbono (asimismo denominado grafito). Las estopas se designan por el número de fibras que contienen, por ejemplo, una estopa de 12K contienen aproximadamente 12.000 fibras. En este caso es sinónimo de mecha.

Estabilidad de manipulación transversal - una fuerza que impide que un refuerzo unidireccional se deforme o se rompa en pedazos. Necesario cuando se sitúa un refuerzo en un molde encima de otro refuerzo y se mueve el refuerzo en una dirección transversal a su dirección longitudinal.

Dirección transversal - cualquier dirección que no es paralela a la dirección de referencia, que se desvía preferentemente por lo menos 5 grados, más preferentemente por lo menos 10 grados, de la manera más preferente por lo menos 15 grados de la dirección de referencia.

Refuerzo unidireccional (UD) - refuerzo en el que todas las mechas o estopas discurren en la misma dirección, en este caso particular en dirección longitudinal, pero un refuerzo UD asimismo puede ser transversal, es decir, orientado en una dirección de 90°. En los refuerzos UD de la técnica anterior estas mechas están a menudo unidas por medio de cosido y, normalmente, utilizan alguna capa ligera adicional de hilos de base cortados o hilos multifilamento continuos para mantener las mechas unidas e impedir que se rompan, o por medio de tejido donde los hilos de trama dan estabilidad estructural. El hilo de urdimbre asimismo puede recubrirse mediante fusión en caliente. Otra manera de unir las mechas o estopas entre sí es la utilización de un aglutinante, por ejemplo, un aglutinante termoplástico o termoestable. Asimismo en ese caso pueden utilizarse las capas de estabilización adicionales mencionadas anteriormente.

Infusión por vacío - Un procedimiento que utiliza un molde de un solo lado que da forma al producto final. En el lado inferior se encuentra un molde rígido y en el lado superior una membrana flexible o bolsa de vacío. Cuando se aplica vacío/succión a la cavidad del molde, el aire escapa de la cavidad, después de lo cual se permite que la resina sea infundida por la succión (o asistida adicionalmente por una pequeña sobrepresión en el lado de alimentación, un rasgo distintivo del RTM ligero) para empapar por completo los refuerzos y eliminar todos los vacíos de aire en la estructura laminada.

Distancia de empapado - La posición del frente de flujo o, en realidad, la distancia medida desde el lugar donde la resina entró en la pila de refuerzo hasta la posición actual.

Hilo - Un multifilamento largo y continuo, a menudo retorcido, adecuado para su utilización en la producción de materiales textiles, costura, ganchillo, tricotado, tejido, cosido, bordado y fabricación de cuerdas. Los hilos pueden fabricarse a partir de fibras naturales o sintéticas continuas o discontinuas.

Dirección Z - La dirección perpendicular al plano de la capa o la pila de capas, es decir, la dirección del grosor.

Breve sumario de la invención

Un objetivo de la presente invención es ofrecer una solución a por lo menos uno de los problemas mencionados anteriormente.

Otro objetivo de la presente invención es desarrollar un nuevo refuerzo multiaxial cosido que presenta una excelente permeabilidad a la resina en más de una dirección transversal a las orientaciones de los filamentos de refuerzo.

Un objetivo adicional de la presente invención es desarrollar un nuevo refuerzo multiaxial cosido en el que puede controlarse el flujo de resina en diferentes direcciones.

Un objetivo aún adicional de la presente invención es acelerar la producción de refuerzos multiaxiales mediante la capacidad de producir un refuerzo multiaxial en una única etapa de producción.

Un objetivo todavía adicional de la presente invención es desarrollar un nuevo producto de infusión cuya capacidad de flujo de resina y peso en gramos pueden seleccionarse libremente, es decir, independientemente uno del otro.

La permeabilidad a la resina requerida del refuerzo y la retirada de gas requerida del refuerzo de la presente invención se aseguran según la presente invención utilizando por lo menos dos conjuntos de hilos mono- o multifilamento dispuestos entre capas de refuerzo de por sí unidireccionales y orientadas de manera transversal entre sí para formar pasos de flujo para la resina para disponer una zona de flujo libre en más de una dirección transversal a la dirección de las mechas de refuerzo tanto para que escape el aire del refuerzo como para que la resina impregne o empape el producto de manera eficaz.

Se resuelve por lo menos uno de los problemas de la técnica anterior y se consigue por lo menos uno de los objetivos por medio de un refuerzo multiaxial cosido para la fabricación de materiales compuestos reforzados con fibras mediante uno de procedimiento de moldeo por transferencia de resina y procedimiento de moldeo por infusión por vacío según la reivindicación 1.

De manera similar, por lo menos uno de los problemas de la técnica anterior se resuelve y por lo menos uno de los objetivos se logra por medio de un método de producción de un refuerzo multiaxial cosido para materiales compuestos reforzados con fibras según la reivindicación 14.

Otros rasgos característicos del refuerzo multiaxial cosido de la presente invención y el método de su fabricación se dan a conocer en las reivindicaciones de patente adjuntas.

Con la presente invención pueden alcanzarse por lo menos algunas de las siguientes ventajas

- la permeabilidad de los refuerzos multiaxiales cosidos se mejora hasta un nivel tal que facilita un buen flujo de resina,

- la utilización de monofilamentos en productos de infusión asegura que la capacidad de flujo de resina y el peso en gramos pueden seleccionarse libremente, independientemente uno del otro, para todas las aplicaciones,

- la distancia que avanza la resina en la dirección transversal en un determinado periodo de tiempo aumenta considerablemente, en los experimentos realizados, hasta por lo menos 2 veces,

- el tiempo necesario para la impregnación se reduce considerablemente, en los experimentos efectuados, hasta por lo menos una cuarta parte del tiempo necesario para los refuerzos de la técnica anterior,

- los pasos de flujo de resina en dos direcciones diferentes aseguran que la resina alcance todas las partes del refuerzo aunque un canal en la dirección de flujo de resina primaria pueda bloquearse por algún motivo,

- un refuerzo más uniforme debido a una distribución de resina más uniforme por todo el refuerzo, y

- las propiedades de flujo de resina en diferentes direcciones pueden ajustarse variando por lo menos uno de la dirección y el diámetro de los mono- o multifilamentos unidos.

Breve descripción de los dibujos

A continuación, el refuerzo multiaxial cosido de la presente invención y el método de su producción se explican con mayor detalle haciendo referencia a las figuras adjuntas, en las que

Las figuras 1a y 1b ilustran esquemáticamente una comparación entre los comportamientos de los mono- y multifilamentos de la técnica anterior, en este caso un hilo monofilamento y un hilo multifilamento bajo compresión entre dos capas de refuerzo de mechas,

las figuras 2a a 2d ilustran diversas opciones para reemplazar un monofilamento por un multifilamento unido, es decir, un haz de monofilamentos unidos entre sí,

la figura 3 ilustra esquemáticamente el procedimiento de producción del refuerzo multiaxial cosido según una forma de realización preferida de la presente invención,

las figuras 4a a 4c ilustran esquemáticamente secciones transversales del refuerzo biaxial fabricado de la manera descrita en la figura 3, y

la figura 5 compara un refuerzo cosido de la técnica anterior con dos refuerzos cosidos de la presente invención en vista de la distancia de flujo de resina en la dirección transversal.

Descripción detallada de los dibujos

Las figuras 1a y 1b ilustran esquemáticamente la comparación de la sección transversal entre los comportamientos de un monofilamento o un multifilamento unido del documento EP-B1-2874803 y un hilo multifilamento de la técnica anterior (como el utilizado en el documento US-A-2005/0037678) bajo compresión del procedimiento de infusión por vacío entre dos capas de refuerzo de mechas. La figura 1a ilustra una sección transversal de dos capas de refuerzo solapantes 2 y 4 compuestas por haces de mechas unidireccionales cosidas por medio de costura transversal (no representada) juntas como un refuerzo que presenta un monofilamento 6 dispuesto en ángulo recto a las mechas UD entre las capas 2 y 4 de las mismas. La figura 1b representa las mismas capas de refuerzo 2 y 4 compuestas por haces de mechas unidireccionales cosidas por medio de cosido transversal juntas como un refuerzo que presenta un hilo 8 multifilamento dispuesto en ángulos rectos a las mechas entre las capas 2 y 4 de las mismas. La figura 1a representa cómo el monofilamento todavía empuja o mantiene separadas las mechas de los refuerzos 2 y 4 de tal manera que se forman pasos de flujo abiertos 10 entre los refuerzos 2 y 4 a los lados del monofilamento 6. La figura 1b representa las mechas de los refuerzos 2 y 4 separadas por empuje de una manera igual a la figura 1a, es decir, el grosor de los dos refuerzos con el monofilamento o multifilamento transversal es el mismo. Sin embargo, puede observarse que el hilo 8 multifilamento necesario para empujar o mantener separadas las mechas es de un tamaño y un área de sección transversal totalmente diferentes. Se ha transformado a una forma ovalada o plana bajo compresión de tal manera que, en la práctica, no existen pasos de flujo 12 reales en los lados del hilo 8 multifilamento.

El motivo es que los hilos multifilamento están compuestos por decenas o cientos de filamentos individuales, presentando cada filamento un diámetro de 5-10 |im. Cuando el hilo multifilamento se somete a presión de compresión, es decir, en la fase de infusión por vacío en el molde, los filamentos de los hilos multifilamento se fuerzan a moverse lateralmente de modo que la dimensión en la dirección Z del hilo multifilamento es una fracción del diámetro original aparente del multifilamento incluso si se retuerce. La torsión es normalmente bastante baja, del orden de 20-40 vueltas por metro, ya que es importante que la resina sea capaz de penetrar asimismo entre los filamentos de hilo retorcido para evitar puntos secos. Según las pruebas realizadas, se aprendió que un hilo multifilamento, es decir, un hilo de poliéster que presenta un grosor de 130 |im bajo compresión con 0,5 bar (pequeña en comparación con la compresión por infusión de 0.95 bar), presenta un número de dtex de 1120 dtex mientras que un monofilamento que presenta un diámetro similar de 130 |im con y sin compresión presenta un número de dtex mucho menor de 167. Un hilo de fibra de vidrio puede presentar en las mismas condiciones un número de dtex de aproximadamente 18 veces en comparación con el de un monofilamento. Aunque las dimensiones no son necesariamente las mismas que en la presente invención, las enseñanzas siguen siendo las mismas, es decir, una mecha suelta se aplana de la misma manera independientemente de su diámetro original. Esto significa, en vista del flujo de resina, que cada filamento que se mueve hacia los lados disminuye la sección transversal de la cavidad en el lado del hilo multifilamento de tal manera que la sección transversal del canal es finalmente, en la práctica, insignificante. Esto impide que la resina fluya a través de estos huecos o canales.

Los hilos con alta torsión, del orden de 150 TPM (TPM = vueltas por metro) o más, podrían ser eficaces para resistir el efecto de compresión del vacío. Sin embargo, no están favorecidos en la utilización final del material compuesto debido a sus propiedades de penetración de resina lenta e incompleta y asimismo debido a que sus fibras están en formación de bobina con una respuesta elástica desfavorable bajo carga de tracción en comparación con sus hilos de mecha no retorcidos adyacentes. Además, los hilos retorcidos son de carácter rígido, lo que conduce a rizos en las mechas UD de refuerzo. Cuando se utilizan hilos retorcidos, su torsión es relativamente baja normalmente, es decir, del orden de 20-40 TPM, ya que es importante que la resina sea capaz de penetrar entre los filamentos del hilo retorcido.

Por tanto, la utilización de multifilamentos retorcidos no es recomendable de ninguna manera ya que o bien el multifilamento que presenta una baja torsión puede aplanarse y perder de ese modo su capacidad para formar pasos de flujo para la resina o bien el multifilamento que presenta una alta torsión puede no ser capaz de absorber resina. El mismo problema asimismo puede observarse si se enrolla un hilo en el multifilamento para hacer que el multifilamento sea incompresible. Cuanto más rígido e incompresible se haga el multifilamento, más débil será su capacidad para absorber resina. Además, como ya se ha mencionado anteriormente, la utilización de mechas de fibra de vidrio como multifilamento reduce la variabilidad del diámetro, ya que no existen demasiados “tamaños” en mechas por lo demás aplicables. Para resolver el problema anterior, se recomienda la utilización de multifilamentos unidos, tal como se analiza en relación con las figuras 2a a 2d.

El término ya utilizado anteriormente “multifilamentos unidos” se refiere a un multifilamento, que está formado por un haz de monofilamentos unidos entre sí por medios químicos. Tal como se muestra en las figuras 2a a 2d, el multifilamento unido comprende, por ejemplo, 3 filamentos, posiblemente 5 o más filamentos dispuestos en comunicación entre sí de tal manera que se deja un espacio deseado que presenta una dimensión en la dirección Z entre los refuerzos cuando se colocan uno encima del otro.

Otra opción es disponer un número de monofilamentos en comunicación entre sí de tal manera que la sección transversal del haz permanezca sustancialmente igual bajo compresión. En la práctica, significa que los monofilamentos tienen que estar, según una forma de realización preferida adicional de la presente invención, fijados entre sí, tal como se ilustra en las figuras 2a a 2d, por lo que se forman multifilamentos unidos más compactos y la relación de aspecto (relación anchura-altura) del haz de monofilamentos es fácilmente inferior a 2,0. La relación de aspecto o anchura-altura se determina a partir de la sección transversal de los mono- o multifilamentos unidos de tal manera que la altura se mide en la dirección de compresión (es decir, en perpendicular al plano del refuerzo) y la anchura en ángulos rectos con la misma. Los monofilamentos del haz pueden tratarse térmicamente o pulverizarse durante su fase de aplicación mediante un aglutinante líquido de tal manera que los monofilamentos se unan entre sí tal como se muestra en la figura 2a, y, por tanto, no son capaces de moverse bajo compresión. El haz de monofilamentos asimismo puede estar incrustado en un material de recubrimiento apropiado tal como se representa en la figura 2b, o los monofilamentos de un haz pueden ser monofilamentos bicomponente recubiertos con un aglutinante específico tal como se representa en la figura 2c. En todos los casos anteriores es ventajoso que el aglutinante utilizado en la unión de los monofilamentos sea compatible con la matriz de resina del futuro laminado. Otra condición previa para el material aglutinante es que los multifilamentos unidos resultantes sean lo más flexibles posible para impedir la formación de rizos en el laminado. Además, los monofilamentos pueden fusionarse entre sí tal como se muestra en la figura 2d. Cuando se utilizan tales multifilamentos unidos, el diámetro, o realmente la dimensión en la dirección Z, de los multifilamentos unidos es del orden de 50 - 2000 |im, preferentemente de 100 - 1000 |im, más preferentemente entre 150 - 900 |im, 200 - 700 |im o 200 - 500 |im. Otros intervalos preferidos son 500-1000 |im, 500-900 |im y 500-800 |im.

Así, para asegurar que los pasos de flujo formados por los diversos mono- o multifilamentos unidos sean tan eficientes como sea posible en relación con la cantidad de materia extraña llevada al refuerzo por los mono- o multifilamentos unidos, el haz de monofilamentos debe ser lo más compacto posible, lo que significa que su relación de aspecto (relación anchura/altura) debe ser igual a o menor de 2,0, preferentemente menor de 1,5, de la manera más preferente tan próxima a 1,0 como sea posible, cuando los mono- o multifilamentos unidos se someten a vacío, es decir, compresión en la fase de empapado o impregnación. La relación de aspecto 2 significa, por ejemplo, dos monofilamentos dispuestos uno al lado del otro.

Los mono- o multifilamentos unidos están formados preferentemente por monofilamentos de poliamida (PA), copoliamida o copoliéster (co-PET) que pueden presentar, por ejemplo, una sección transversal redonda, cuadrada u ovalada o una sección transversal en X o hueca. Los mono- o multifilamentos unidos asimismo pueden ser bicomponente o multicomponente. Dicho de otro modo, como los mono- o multifilamentos unidos se fabrican a partir de un material polimérico adecuado mediante, por ejemplo, extrusión, la sección transversal de los mono- o multifilamentos unidos puede seleccionarse, en la práctica, libremente para optimizar las propiedades de flujo de resina. A partir de la presente invención, es ventajoso utilizar una sección transversal de mono- o multifilamentos unidos de este tipo que cree una sección transversal geométrica máxima o maximice la distancia entre las mechas de refuerzo en dos capas de refuerzo solapantes con un volumen dado, mientras se mantiene la cantidad de material que no es de refuerzo (el polímero monofilamento) en un mínimo.

En cuanto a la forma y el tamaño de los mono- o multifilamentos unidos, así como a su colocación sobre las capas de refuerzo, es decir, su distancia lateral entre sí, todas estas características (entre otras) tienen que considerarse cuidadosamente en vista de la impregnación y empapado apropiados de la pila de refuerzo con resina. Los pasos de flujo de resina formados a los lados de los mono- o multifilamentos unidos no deben estar demasiado abiertos para proporcionar a la resina tiempo suficiente para impregnar las mechas y no fluir directamente desde el lado de la pila de refuerzo donde se introduce la resina hasta el lado opuesto de la pila de refuerzo. Naturalmente, cuanto más corta es la distancia entre mono- o multifilamentos unidos adyacentes, más abiertos, es decir, de mayor sección transversal, pueden estar los pasos de flujo transversal en los lados de los mono-o multifilamentos unidos, y viceversa. Otro aspecto que debe tenerse en cuenta es el grosor o el peso en gramos de la capa de refuerzo. Cuanto más gruesa sea la capa de refuerzo, más tiempo tardará en empapar adecuadamente la capa de refuerzo con resina. Con la presente invención es posible ajustar la permeabilidad del refuerzo para asegurarse de que las fibras de refuerzo individuales estarán bien impregnadas y no se dejarán zonas secas o huecos entre las fibras.

Una propiedad ideal para el material polimérico para los mono- o multifilamentos unidos es que el material no retarde el curado o no presente ningún efecto negativo de otro modo sobre las propiedades químicas, térmicas o mecánicas de la resina, que forma la matriz. En los experimentos realizados se han utilizado mono- o multifilamentos unidos de poliamida (PA), co-poliamida o co-PET. Sin embargo, asimismo pueden utilizarse otros materiales que funcionan de la manera deseada.

Otra propiedad opcional preferida para el material polimérico para los mono- o multifilamentos unidos es que el material sea, por lo menos parcialmente, soluble en la resina. Sin embargo, la solubilidad debe ser tan débil o lenta para que el refuerzo tenga tiempo de impregnarse por la resina antes de que los mono- o multifilamentos unidos “desaparezcan” o “colapsen”. Sin embargo, la ventaja de los mono- o multifilamentos unidos por lo menos parcialmente solubles es que los canales formados por los mono- o multifilamentos unidos se desvanecen/desaparecen, y el producto, así como la matriz, deviene incluso más homogéneo que cuando se utilizan mono- o multifilamentos unidos no solubles. Como ejemplo de las variantes analizadas anteriormente, puede mencionarse una estructura de mono- o multifilamentos unidos bicomponente que comprende un monofilamento o un haz de monofilamentos, provista de una capa exterior de material polimérico con diferentes propiedades, siendo la capa exterior soluble en el material de matriz. La solubilidad de la capa exterior se selecciona preferentemente de tal manera que se disuelva en la resina después de que la resina se haya impregnado la pila de refuerzos. La ventaja de esta estructura de monofilamento es que la parte de núcleo de los propios monofilamentos puede presentar un diámetro de 200 |im, y el grosor de la capa exterior de 150 |im. De ese modo, el diámetro de monofilamento bicomponente es durante la impregnación de 500 |im, y después de la disolución de la capa exterior de solo 200 |im, por lo que las mechas en el producto final se aproximan entre sí. Esto minimiza incluso más el riesgo de fallo prematuro del laminado a prácticamente cero en las uniones entre los mono- o multifilamentos y las mechas.

La figura 3 ilustra esquemáticamente el procedimiento de producción del refuerzo multiaxial cosido según una forma de realización preferida de la presente invención. La fabricación de un refuerzo multiaxial cosido se realiza tal como sigue. Para comenzar, se forma una primera capa de refuerzo 20 de mechas unidireccionales 20' ( preferentemente, pero no necesariamente, de mechas o estopas de fibra de vidrio o de fibra de carbono o de fibras de aramida, así como de fibra de lino, cáñamo, yute, sisal, coco, kenaf, basalto u otras fibras naturales) tirando de las mechas 20' de los paquetes 22 y disponiéndose las mismas una al lado de la otra o a una distancia controlada entre sí dependiendo del peso por unidad de superficie objetivo en una primera dirección axial, en este caso 45 (opcionalmente asimismo, por ejemplo, 0 o 60) grados. En adelante, el término “mechas” se utiliza para referirse a todas estas estopas, mechas, fibras, etc. que se utilizan en la fabricación de refuerzos unidireccionales. Por tanto, las mechas se disponen una al lado de la otra en una o más capas de refuerzo de mechas.

A continuación, sobre la primera capa de refuerzo 20 se coloca desde los medios de alimentación 24 un primer conjunto 26 de mono- o multifilamentos unidos que discurren en la dirección de la máquina, es decir, en una dirección de desplazamiento del refuerzo que va a producirse, o por lo menos en una dirección transversal a las mechas 20' de la primera capa de refuerzo 20. A continuación, se coloca un segundo conjunto 28 de mono- o multifilamentos desde los medios de alimentación 30 sobre la primera capa de refuerzo 20 y sobre el primer conjunto 26 de mono- o multifilamentos unidos, preferentemente, pero no necesariamente, de manera transversal a la primera dirección axial de la primera capa de refuerzo 20. Naturalmente, el orden en el que el primer y segundo conjuntos de mono- o multifilamentos unidos se colocan sobre la primera capa de refuerzo 20 puede seleccionarse libremente. Después de eso, se forma una segunda capa de refuerzo 32 de mechas unidireccionales 32' tirando de ellas de los paquetes 34 y disponiéndose las mismas una al lado de la otra o a una distancia controlada entre sí dependiendo del peso por unidad de superficie objetivo en una segunda dirección axial, en este caso -45 (opcionalmente asimismo, por ejemplo 90 o -60) grados. Así, los mono- o multifilamentos unidos de ambos conjuntos 24 y 26 permanecen entre las dos capas de refuerzo 20 y 28, por lo que los mono- o multifilamentos unidos del primer y segundo conjuntos están en contacto directo entre sí. Los mono- o multifilamentos unidos de la presente invención presentan un diámetro de 50 - 2000 |im, preferentemente de 100 - 1000 |im, y más preferentemente de 150 - 900 |im, 200 - 700 |im o 200 - 500 |im. Otros intervalos preferidos son 500-1000 |im, 500-900 |im y 500-800 |im. El diámetro, o grosor en la dirección Z, es ideal en caso de que la viscosidad de la mezcla de resina infundida-agente de curado esté en el nivel de 200 - 350 mPas a temperatura ambiente. Si la viscosidad difiere claramente de esto, puede ser necesario ajustar la distancia entre los mono- o multifilamentos unidos o el grosor/diámetro en la dirección Z de los mismos. En este caso, el término “transversal” significa principalmente cualquier dirección no paralela. Sin embargo, si y cuando se necesita cierto margen de seguridad, el término “transversal”, por ejemplo con respecto a la dirección de los mono- o multifilamentos unidos, significa cualquier dirección que se desvíe por lo menos 5, 10 o 15 grados de la dirección de la primera y segunda direcciones axiales de las mechas de refuerzo de la primera y la segunda capas de refuerzo. El propósito de la desviación es impedir que los mono- o multifilamentos unidos se orienten localmente entre las mechas, por lo que el objetivo de facilitar el flujo de resina se perdería o por lo menos se vería seriamente comprometido. El mismo desplazamiento angular asimismo se aplica a las direcciones de los primer y segundo conjuntos de mono- o multifilamentos unidos, es decir, deben formar, preferentemente, pero no necesariamente, un ángulo de por lo menos 5, 10 o 15 grados, asimismo.

Sin embargo, como una segunda forma de realización complementaria de la presente invención, debe entenderse que los conjuntos de mono- o multifilamentos unidos pueden disponerse de tal manera que el primer conjunto de mono- o multifilamentos unidos presente una orientación de filamento transversal a la primera dirección axial de la primera capa de refuerzo pero paralela a la segunda dirección axial de la segunda capa de refuerzo. De manera correspondiente, el segundo conjunto de mono- o multifilamentos unidos puede presentar una orientación de filamento en paralelo a la primera dirección axial de la primera capa de refuerzo pero transversal a la segunda dirección axial de la segunda capa de refuerzo. En este caso, la idea es, naturalmente, que los mono- o multifilamentos unidos del primer conjunto de mono- o multifilamentos unidos, debido a su rigidez, no sean capaces de doblarse en la zona abierta entre dos mono- o multifilamentos unidos adyacentes del segundo conjunto de mono- o multifilamentos unidos para alcanzar la superficie de la segunda capa de refuerzo y bloquear de ese modo el flujo de resina entre el mono o multifilamento y la capa de refuerzo, y viceversa. Naturalmente, cuanto más corta es la distancia entre los mono- o multifilamentos unidos vecinos de un conjunto, menor es la rigidez requerida de los mono- o multifilamentos unidos del otro conjunto. Así, para optimizar las propiedades de flujo de resina de los mono- o multifilamentos unidos, ha de tenerse en cuenta el diámetro y la rigidez de los mismos, así como la distancia entre los mono- o multifilamentos unidos vecinos y ha de seleccionarse la mejor combinación de los mismos para satisfacer de la mejor manera los requisitos de cada aplicación particular.

Los mono- o multifilamentos unidos del segundo conjunto 28, y asimismo los del primer conjunto 26, si la dirección del primer conjunto 26 no es paralela a la dirección de desplazamiento del refuerzo que va a producirse, pueden disponerse sobre la primera capa de refuerzo 20 utilizando un sistema de transporte de hilo bien conocido de máquinas de producción multiaxial, es decir, por medio de una herramienta que se desplaza de manera transversal hacia atrás y hacia delante por encima de la primera capa de refuerzo que coloca un determinado número de mono- o multifilamentos unidos sobre la primera capa de refuerzo de una vez. La colocación puede, por ejemplo, facilitarse con un manipulador de movimiento servolineal con una disposición de alimentación de mono- o multifilamentos unidos.

Una característica ventajosa de la presente invención es que ambos conjuntos de mono- o multifilamentos unidos se colocan sobre la primera capa de refuerzo 20 cada uno en una formación recta y paralela, es decir, los monoo multifilamentos unidos del primer conjunto 26 discurren de manera lineal y uniforme en la dirección deseada, preferentemente en su mayoría en la dirección del desplazamiento del refuerzo 38 que va a producirse, y el segundo conjunto 28 de mono- o multifilamentos unidos discurre de manera lineal y uniforme desde un borde de la capa de refuerzo 20 hasta el borde opuesto de la misma, dicho de otro modo, los mono- o multifilamentos unidos, por ejemplo, no forman bucles hallados normalmente en patrones de tricotado. La formación esencialmente recta, es decir, lineal y plana de mono- o multifilamentos unidos a través de las mechas de refuerzo unidireccionales asegura un tiempo de flujo de resina más corto entre los bordes de refuerzo ya que la línea recta es la vía más corta entre dos puntos. Independientemente de la posición y dirección reales de los mono- o multifilamentos unidos de los dos conjuntos, estos se disponen a intervalos regulares, es decir, a una distancia lateral o separación entre sí de aproximadamente 2 a 50 mm, preferentemente 5-25 mm, más preferentemente a aproximadamente 5 15 mm. La distancia exacta debe optimizarse según la viscosidad de la resina y el peso en gramos de la capa de refuerzo, únicamente por nombrar algunas variables.

Sin embargo, debe entenderse que la exposición anterior se refiere al método más simple de fabricación de un refuerzo multiaxial, en este caso biaxial. Básicamente, el mismo método puede aplicarse en la fabricación de refuerzos que presentan varias capas de refuerzo unidireccionales en sí mismas. Si va a fabricarse un refuerzo multiaxial que presente más de dos capas de refuerzo, se necesitan tantos medios adicionales para formar nuevas capas de refuerzo. Además, como se prefiere, pero no siempre es necesario, que ambos conjuntos transversales de mono- o multifilamentos deban disponerse entre cada par de capas de refuerzo, cada capa de refuerzo adicional requiere medios de alimentación para ambos conjuntos de mono- o multifilamentos unidos. Además, cuando se disponen los mono- o multifilamentos unidos debe recordarse que no deben ser ni paralelos ni casi paralelos a las mechas de refuerzo de la capa de refuerzo más próxima, es decir, la capa de refuerzo sobre la que están descansando, pero, preferentemente pero no necesariamente, debe disponerse entre ellas la inclinación de por lo menos 5, 10 o 15 grados. Sin embargo, los mono- o multifilamentos unidos pueden ser paralelos a las mechas de refuerzo de la capa de refuerzo más alejada.

Según la reivindicación 1, los conjuntos de mono- o multifilamentos unidos presentan diferentes diámetros. Los diferentes diámetros ayudan a controlar el flujo de resina entre las capas de refuerzo. Si, por ejemplo, se supone que el diámetro del primer conjunto de mono- o multifilamentos unidos es de 300 |im y que el del segundo conjunto de mono- o multifilamentos unidos es de 600 |im, los experimentos realizados muestran que la resina avanza en la dirección de los mono- o multifilamentos unidos más gruesos más rápido o avanza una determinada distancia más rápido. Cuando se utilizan tales mono- o multifilamentos unidos, el diámetro, o realmente la dimensión en la dirección Z, de los mono- o multifilamentos unidos del conjunto de mono- o multifilamentos unidos que presentan un menor diámetro puede variar entre 50 y 1000 |im, preferentemente entre 150 y 900 |im, más preferentemente entre 200 y 700 |im. Esta característica se utiliza cuando el refuerzo que va a producirse presenta una forma compleja y de área amplia. La estructura detallada del refuerzo se analiza con mayor detalle en relación con las figuras 4b y 4c.

Asimismo debe entenderse como una forma de realización complementaria adicional de la presente invención que los mono- o multifilamentos unidos pueden disponerse asimismo en la(s) superficie(s) superior(es) y/o inferior(es) del refuerzo, es decir, los mono- o multifilamentos unidos pueden no únicamente encontrarse entre las capas de refuerzo. Las mismas reglas para colocar los mono- o multifilamentos unidos en las superficies superior e inferior de los refuerzos que cuando se colocan entre las capas de refuerzo asimismo se aplican en este caso, es decir, la orientación de los mono- o multifilamentos unidos puede no ser la misma que la de las mechas de la capa de refuerzo más próxima.

Según una forma de realización complementaria adicional de la presente invención, pueden analizarse refuerzos triaxiales y cuadraxiales. Un refuerzo triaxial se produce añadiendo una tercera capa de refuerzo que presenta mechas en una tercera dirección axial, o bien por debajo de la primera capa de refuerzo o bien encima de la segunda capa de refuerzo en comparación con la producción analizada en relación con la figura 3. Se produce un refuerzo cuadraxial añadiendo una tercera capa de refuerzo que presenta mechas en una tercera dirección axial por debajo de la primera capa de refuerzo y una cuarta capa de refuerzo que presenta mechas en una cuarta dirección axial encima de la segunda capa de refuerzo en comparación con la producción analizada en relación con la figura 3. Además, si se desea o se considera necesario, puede proporcionarse por lo menos un conjunto de mono- o multifilamentos unidos entre la tercera capa de refuerzo y la capa de refuerzo adyacente más próxima, así como entre la cuarta capa de refuerzo y la capa de refuerzo adyacente más próxima. Asimismo se aplican en este caso las mismas reglas que en las formas de realización anteriores, es decir, que los mono- o multifilamentos unidos de cada conjunto de mono- o multifilamentos unidos dispuestos entre dos capas de refuerzo pueden no ser paralelos a las mechas de la capa de refuerzo más próxima, pero, preferentemente pero no necesariamente, debe disponerse entre ellos la inclinación de por lo menos 5, 10 o 15 grados.

Después de que se dispongan unos encima de otros un número deseado de capas de refuerzo y un número deseado de conjuntos de mono- o multifilamentos unidos, la pila de capas de refuerzo se lleva a una etapa de unión 36 en la que se cosen las capas de refuerzo y los conjuntos de mono- o multifilamentos unidos colocados entre ellas, las puntadas 38 se representan con líneas discontinuas, entre sí para formar un refuerzo unitario 40 que presenta mechas en configuración multiaxial. Después de eso, el refuerzo multiaxial 40 se enrolla en 42 para la entrega a un cliente.

Cuando se unen los refuerzos multiaxiales de las formas de realización anteriores mediante cosido, el posicionamiento de los mono- o multifilamentos unidos, más específicamente la longitud de las puntadas y la distancia o separación entre mono- o multifilamentos unidos adyacentes o vecinos deben disponerse de tal manera que como máximo un mono- o multifilamento unido quede dentro de la puntada. En teoría, esto significa que la longitud de una puntada es menor que el hueco entre mono- o multifilamentos unidos contiguos. Sin embargo, como la disposición de los mono- o multifilamentos unidos no da como resultado necesariamente mono- o multifilamentos unidos que discurren de manera exactamente lineal, la longitud de puntada debe ser claramente menor que el hueco entre mono- o multifilamentos unidos vecinos. El motivo de esta medida de precaución es que si dos o más mono- o multifilamentos unidos están ubicados dentro de una puntada, el hilo de coser estira los mono- o multifilamentos unidos entre sí, es decir, uno al lado del otro, por lo que un hueco real hasta los siguientes mono- o multifilamentos unidos adyacentes es demasiado largo para la infusión adecuada de resina.

Tal como se representa esquemáticamente en la figura 1a de la técnica anterior, los mono- o multifilamentos unidos 6 utilizados entre las capas de refuerzo 2 y 4 para mejorar tanto la permeabilidad de la pila de refuerzos a la resina en dirección transversal como la eliminación de aire entre la pila de capas de refuerzo crean pequeños pasos de flujo 10 en sus dos lados y entre las mechas unidireccionales de refuerzo.

La pila de refuerzos de la presente invención, tal como se representa en las figuras 4a a 4c, funciona en la fase de infusión de tal manera que la resina de infusión fluirá a través de los pasos de flujo 10' de manera transversal a las mechas de refuerzo 32' y entonces penetrará entre los filamentos o mechas de refuerzo individuales y asegurará un flujo de resina rápido y una buena impregnación. Durante la infusión, la resina que avanza empuja las burbujas de aire restantes a lo largo de las cámaras o cavidades en el interior de la estructura de refuerzo hasta los pasos de flujo y finalmente fuera del producto. Tanto el avance de la resina como la eliminación del aire pueden facilitarse adicionalmente presurizando la alimentación de la resina en caso de que los moldes superiores rígidos estén en utilización como en RTM o RTM ligero (aunque se utilicen rara vez) en los primeros extremos de los pasos de flujo y/o disponiendo vacío en los extremos opuestos de los pasos de flujo. Una vez los mono- o multifilamentos unidos de los dos conjuntos se disponen de manera transversal entre sí, los mono- o multifilamentos pueden orientarse en la dirección deseada, por lo que la dirección del flujo de resina puede controlarse mejor que en los productos de la técnica anterior. Esto es especialmente cierto si el diámetro del primer conjunto de mono- o multifilamentos unidos es diferente del del segundo conjunto de mono- o multifilamentos unidos. Dicho de otro modo, el flujo de resina puede, por ejemplo, orientarse en la dirección de la dimensión más corta o más larga del producto que va a fabricarse dependiendo de la aplicación.

Independientemente del diámetro o de la sección transversal detallada u otra estructura de los mono- o multifilamentos transversales, resulta evidente que los mono- o multifilamentos unidos no proporcionan, según la presente invención, ninguna estabilidad transversal particular al refuerzo, sino que la estabilidad está asegurada únicamente por la utilización de puntadas.

Las figuras 4a a 4c representan esquemáticamente, por una parte, el efecto que los mono- o multifilamentos unidos dispuestos de manera transversal entre sí provocan al refuerzo y, por otra parte, el efecto que provoca el diámetro variable de los mono- o multifilamentos unidos. La figura 4a representa una sección transversal del refuerzo de la presente invención tomada en la dirección axial de las mechas 32' de la segunda capa de refuerzo y la del primer conjunto 26 de mono- o multifilamentos unidos, estando orientadas las mechas 20' de la primera capa de refuerzo y el segundo conjunto 28 de mono- o multifilamentos unidos en ángulos rectos tanto con respecto a las mechas 32' de la segunda capa de refuerzo como con respecto a los mono- o multifilamentos unidos del primer conjunto 26 de mono- o multifilamentos unidos. Se muestra que tanto las mechas 32' de la segunda capa de refuerzo como el primer conjunto 26 de mono- o multifilamentos unidos se doblan bajo compresión en la fase de infusión. En la forma de realización de la figura 4a, los mono- o multifilamentos unidos de ambos conjuntos 26 y 28 presentan el mismo diámetro. La figura 4b es similar en todos los demás aspectos, pero el primer conjunto 26' de mono- o multifilamentos unidos presenta entonces un diámetro menor que el del segundo conjunto 28 de mono- o multifilamentos unidos. Comparando las figuras a título de ejemplo, es fácil apreciar que el mono- o multifilamento unido más delgado (del primer conjunto 26') se dobla más y, de ese modo, se reduce ligeramente la zona de flujo de la sección transversal de los canales de flujo de resina 10' en la dirección de los mono- o multifilamentos unidos más gruesos (del segundo conjunto 28). Sin embargo, lo que es más importante es que la zona de flujo de la sección transversal en la dirección de los mono- o multifilamentos unidos más delgados (del primer conjunto 26') se reduzca más, ya que las mechas dobladas 32' de la segunda capa de refuerzo son, como mínimo, casi capaces de entrar en contacto con aquellos 20' de la primera capa de refuerzo en el punto X. De ese modo, el flujo de resina en la dirección de los mono- o multifilamentos unidos más delgados (del primer conjunto 26') está más restringido que en la dirección de los mono- o multifilamentos unidos más gruesos (del segundo conjunto 28). Básicamente se muestra lo mismo en la figura 4c en la que la sección transversal se toma de tal manera que el primer conjunto más delgado 26' de mono- o multifilamentos unidos provenga de la izquierda hacia el observador y el segundo conjunto más grueso 28 de mono- o multifilamentos unidos de la derecha hacia el observador

La figura 5 es un gráfico que compara las propiedades de empapado o flujo de resina de tres refuerzos biaxiales fabricados según el método analizado en la figura 3. Dicho de otro modo, las capas de refuerzo estaban formadas por dos capas de refuerzo unidireccionales de /- 45 grados y los monofilamentos dispuestos en orientaciones de 0 y 90 grados entre los mismos. El experimento se realizó de tal manera que se prepararon tres refuerzos biaxiales diferentes. En la fabricación de los refuerzos, se utilizaron las mismas mechas unidireccionales, el mismo hilo de coser y la mismo clase y tipo de puntada. La única diferencia era en los diámetros de los conjuntos de monofilamentos que se colocaron con una separación de 10 mm y se dispusieron en un ángulo de 0 y 90 grados en relación con la dirección de desplazamiento del refuerzo que iba a producirse entre las dos capas de refuerzo de mechas UD. Los diámetros de monofilamento utilizados en el experimento fueron de 140 |im, 300 |im y 600 |im. En el gráfico, el eje X representa el tiempo utilizado para la impregnación y el eje Y la distancia que la resina pudo avanzar.

Para el experimento, se cortó una lámina de 70 cm por 70 cm de refuerzo biaxial de la presente invención de cada refuerzo biaxial de tal manera que las mechas formaran ángulos de /-45 grados con los lados de la lámina y los mono- o multifilamentos unidos fuesen paralelos a los lados de la lámina, es decir, en ángulos de 0/90 grados. En cada experimento, se colocó la lámina en un molde de prueba que comprendía el lado inferior de la lámina de vidrio de tal manera que la película de plástico cubriese el refuerzo. El paquete se hizo hermético con la masa de sellado habitual. Después de eso, se sometió el molde a vacío de -0.95 bar para la eliminación de aire durante 10 minutos, después de lo cual se introdujo resina epoxídica que presentaba una viscosidad de 300 mPas de manera transversal a mechas de refuerzo en el molde a una temperatura ambiente de 23 °C. Se elaboró un gráfico registrando la distancia de empapado que ha avanzado la resina en función del tiempo.

La figura 5 ilustra la distancia de empapado que se ha desplazado la resina en función del tiempo. La posición del frente de flujo sigue normalmente la bien conocida ley de Darcy en la que la posición es inversamente proporcional a la raíz cuadrada del tiempo. Por tanto, existe un determinado valor máximo, que puede aproximarse de manera infinita, pero nunca alcanzarse. La diferencia de permeabilidad determina la distancia real del frente de flujo, es decir, la distancia de empapado, si se mantienen constantes otros parámetros como la viscosidad y la temperatura. El gráfico más inferior A representa un refuerzo biaxial convencional en el que el diámetro de monofilamento era de 140 |im, el gráfico B en el centro representa un refuerzo biaxial en el que el diámetro de monofilamento era de 300 |im, y el gráfico más superior C representa un refuerzo biaxial en el que el diámetro de monofilamento era de 600 |im. El gráfico B en el centro es, de hecho, bastante similar al del producto de la técnica anterior analizado en el párrafo [0013] anterior. Tal como puede apreciarse en la figura 5, en el refuerzo en el que el diámetro de monofilamento era de 140 |im, la velocidad a la que avanza la resina en el refuerzo es muy lenta, es decir, para avanzar 20 cm la resina necesita unos 26 minutos, lo que es bastante inapropiado en la fabricación de objetos complejos y de área amplia. Puesto que el gráfico más inferior es casi horizontal a los 40 minutos, se espera que incluso un aumento considerable en el tiempo de impregnación no aumente mucho la distancia de impregnación. Por tanto, el experimento muestra que los monofilamentos delgados, incluso cuando se disponen en dos direcciones transversales entre las capas de refuerzo, no mejoran la propiedad de empapado de un refuerzo multiaxial. En el segundo experimento, en el que el diámetro de monofilamento era de 300 |im, la velocidad de empapado era mejor y corresponde bastante bien al producto de la técnica anterior. Sin embargo, la resina todavía requiere 20 minutos para avanzar unos 50 cm y 40 minutos para avanzar unos 70 cm. Aumentando el tiempo de empapado, la distancia de empapado todavía aumentaría en unos pocos cm. En el tercer experimento, en el que el diámetro de monofilamento era de 600 |im, llevó un poco más de 10 minutos que la resina avanzara aproximadamente 70 cm. Dicho de otro modo, la velocidad de empapado se cuadruplicó en comparación con el producto de la técnica anterior o el experimento con monofilamentos de 300 |im. Al aumentar el tiempo de empapado, la distancia de empapado aumentaría significativamente. Dicho de otro modo, los experimentos realizados sugieren que, si se necesita una distancia de impregnación larga, la utilización de mono- o multifilamentos unidos relativamente gruesos según la presente invención reduce el tiempo de empapado a aproximadamente una cuarta parte en comparación con los refuerzos de la técnica anterior. Otra forma de aumentar la distancia de empapado en un determinado periodo de tiempo es reducir la distancia entre mono- o multifilamentos unidos adyacentes a 5 mm, por ejemplo. Esto reduciría, si se compara con los ejemplos de la figura 5, el tiempo necesario para hacer que la resina avance aproximadamente 70 cm en aproximadamente 5 minutos.

Los experimentos anteriores muestran claramente la enorme ventaja que aporta el nuevo diseño de presentar pasos de flujo en dos direcciones transversales o no paralelas. Y tal como se ha expuesto anteriormente, no es sólo una cuestión de una infusión “de alta velocidad” que aumenta la velocidad de producción significativamente, sino asimismo una cuestión de una retirada de gas muy eficaz desde la pila de refuerzos que asegura un laminado libre de huecos sin zonas secas o semiimpregnadas, y una cuestión de un laminado que presenta mejores propiedades de resistencia y fatiga que los materiales laminados de la técnica anterior utilizados para los mismos fines.

El refuerzo multiaxial de la presente invención puede utilizarse con todas las clases de métodos de infusión, incluyendo, pero sin limitarse a, métodos de infusión por vacío, de RTM ligero o de RTM. Otros casos de laminación en los que la impregnación con resina es crítica o de lo contrario se retrasa por fibras dispuestas estrechamente u otros materiales presentes en la estructura laminada, tales como materiales en sándwich, materiales ignífugos, cargas, pigmentos, etc., en los que la viscosidad de la resina puede ser extremadamente alta, pueden mejorarse por medio del refuerzo de la presente invención.

Los refuerzos multiaxiales de la presente invención pueden utilizarse en la fabricación tanto de preformas como de productos finales, es decir, materiales laminados como, por ejemplo, palas de turbinas eólicas, embarcaciones, equipamiento deportivo, tanques de almacenamiento, paneles de autobuses, remolques, trenes y camiones, etc. Las preformas pueden fabricarse a partir de por lo menos dos capas de refuerzo de por sí unidireccionales disponiendo las capas de refuerzo una encima de la otra de tal manera que las direcciones axiales de las mismas formen un ángulo (para refuerzos biaxiales preferentemente, pero no necesariamente /-45 grados, /-60 grados o 0/90 grados), posicionando los mono- o multifilamentos unidos en por lo menos dos direcciones transversales entre las capas de refuerzo de tal manera que la dirección de los mono- o multifilamentos unidos no es paralela a la dimensión axial de las mechas de la capa de refuerzo más próxima, mediante cosido del refuerzo multiaxial, y finalmente utilizando un aglutinante apropiado para unir el refuerzo entre sí para formar la preforma.

De una manera similar puede fabricarse un laminado del refuerzo multiaxial de la invención o de la preforma expuesta anteriormente. En el método de fabricación del laminado, por lo menos dos refuerzos multiaxiales, o preformas, se disponen uno encima del otro en el molde, se posiciona una cubierta sobre los refuerzos multiaxiales, se cierra el molde, y se proporciona una diferencia de presión para evacuar el aire del molde y para impregnar los refuerzos multiaxiales con resina.

El refuerzo multiaxial de la presente invención asimismo puede utilizarse en relación con la fabricación de materiales laminados de tipo sándwich. Los materiales laminados de tipo sándwich están formados por por lo menos una capa exterior, que está dispuesta sobre una cara de capa de grosor o de núcleo. Sin embargo, tales materiales laminados presentan normalmente dos capas exteriores dispuestas en ambas caras opuestas de una capa de núcleo o de grosor. La(s) capa(s) exterior(es) está(n) formada(s), cada una, por uno o más refuerzos multiaxiales de la presente invención dispuestos, opcionalmente, en relación con una o más de otras capas de refuerzo. preferentemente, pero no necesariamente, el refuerzo multiaxial de la presente invención actúa como medios de infusión que introducen resina por toda el área del refuerzo que va a absorberse en las otras capas de refuerzo opcionales. Un laminado de tipo sándwich de este tipo puede utilizarse en paneles de autobuses, camiones, remolques o embarcaciones. En tales materiales laminados, la capa de grosor o de núcleo dispuesta en relación con una capa exterior o entre las capas exteriores puede estar formada por por lo menos uno de espumas de PVC, de P<e>y madera de balsa. El refuerzo multiaxial de la presente invención asimismo puede utilizarse en estructuras en las que son necesarias más de dos capas de refuerzo como, por ejemplo, en suelos de autobuses o remolques o fondos de embarcaciones.

Una utilización opcional adicional puede hallarse en estructuras laminadas reemplazando la utilización de mallas de la técnica anterior. Las mallas son estructuras de red abierta, que están posicionadas en uno o ambos lados (superior o inferior) de una pila de refuerzos en un molde. El fin de las mallas es permitir que la resina se introduzca rápidamente en toda la superficie del refuerzo desde donde se supone que tiene lugar la infusión de resina a lo largo de la pila de refuerzos. Sin embargo, la utilización de mallas presenta varios inconvenientes. En primer lugar, la malla tiene que retirarse del molde antes de que se deje curar la resina, lo que significa trabajo manual, por ejemplo. En segundo lugar, la malla utilizada una vez no puede volver a utilizarse ya que la resina se cura en la malla. Y, en tercer lugar, una cantidad considerable de resina se adhiere a la malla y asimismo se desperdicia. Ahora, colocando el refuerzo biaxial de la presente invención entre las capas de otros refuerzos, trabaja como una malla, es decir, extiende la resina por todo el refuerzo como las mallas, pero no presenta ninguna de las desventajas de las mallas, ya que forma una de las capas de refuerzo que pueden permanecer en el refuerzo. La única contrapartida puede ser un peso ligeramente aumentado.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Refuerzo multiaxial cosido para la fabricación de materiales compuestos reforzados con fibras mediante uno de un procedimiento de moldeo por transferencia de resina y un procedimiento de moldeo por infusión por vacío, comprendiendo el refuerzo multiaxial cosido (38) por lo menos una primera capa de refuerzo (20) de mechas unidireccionales continuas (20') que presentan una primera dirección axial, una segunda capa de refuerzo (32) de mechas unidireccionales continuas (32') que presentan una segunda dirección axial y un primer conjunto (26) de mono- o multifilamentos unidos; dejando la primera dirección axial y la segunda dirección axial un ángulo entre las mismas; estando los mono- o multifilamentos unidos del primer conjunto (26) dispuestos entre las primera y segunda capas de refuerzo (20, 32), estando unidas entre sí las primera y segunda capas de refuerzo (20, 32) y los mono- o multifilamentos unidos del primer conjunto (26) por medio de cosido (36), caracterizado por que un segundo conjunto (28) de mono- o multifilamentos unidos dispuestos entre las primera y segunda capas de refuerzo (20, 32) en una dirección transversal a los mono- o multifilamentos unidos del primer conjunto (26) de mono- o multifilamentos unidos y uno (26') de los conjuntos de mono- o multifilamentos unidos presenta un diámetro diferente al del otro conjunto (28) de mono- o multifilamentos unidos.

2. Refuerzo multiaxial cosido según la reivindicación 1, caracterizado por que los mono- o multifilamentos unidos del primer conjunto (26) y los del segundo conjunto (28) son transversales a la dirección axial de las mechas de refuerzo que forman la capa de refuerzo más próxima (20, 32).

3. Refuerzo multiaxial cosido según la reivindicación 1 o 2, caracterizado por que los mono- o multifilamentos unidos del primer conjunto (26) y los del segundo conjunto (28) son paralelos a la dirección axial de las mechas de refuerzo que forman la capa de refuerzo más alejada (20, 32).

4. Refuerzo multiaxial cosido según la reivindicación 1, 2 o 3, caracterizado por que los mono- o multifilamentos unidos del segundo conjunto (28) se extienden desde un borde del refuerzo multiaxial cosido (38) hasta el borde opuesto del mismo.

5. Refuerzo unidireccional o multiaxial cosido según la reivindicación 1 o 2, caracterizado por que los mono- o multifilamentos unidos de los primer y segundo conjuntos (26, 28) están dispuestos en un ángulo de 5 grados o más con respecto a las primera y segunda direcciones axiales.

6. Refuerzo multiaxial cosido según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que los mono- o multifilamentos (6) unidos presentan un diámetro de 50 - 2000 |im, preferentemente entre 100 y 1000 |im y más preferentemente entre 150 y 900 |im.

7. Refuerzo multiaxial cosido según la reivindicación 1, caracterizado por que uno (26') de los conjuntos de monoo multifilamentos unidos presenta un diámetro que varía entre 50 y 1000 |im, preferentemente entre 150 y 900 |im, más preferentemente entre 200 y 700 |im.

8. Refuerzo multiaxial cosido según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el refuerzo multiaxial (38) que presenta una superficie superior y una superficie inferior, y un tercer conjunto de monoo multifilamentos unidos que está dispuesto sobre por lo menos una de la superficie superior y la superficie inferior del refuerzo multiaxial (38).

9. Refuerzo multiaxial cosido según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que los mono- o multifilamentos unidos de cada conjunto están dispuestos a una separación de 2 - 50 mm entre sí.

10. Refuerzo multiaxial cosido según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que los mono- o multifilamentos (6) unidos presentan una relación de aspecto de menos de 2, preferentemente menos de 1,5.

11. Refuerzo multiaxial cosido según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que cada puntada presenta una longitud y por que la distancia o separación entre los mono- o multifilamentos unidos adyacentes o vecinos es más larga que la longitud de puntada.

12. Refuerzo multiaxial cosido según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que las mechas (20', 32') de las capas de refuerzo (20, 32) son fibras artificiales o naturales, es decir fibras como vidrio, carbono, aramida, basalto, fibra de lino, cáñamo, yute, lino.

13. Refuerzo multiaxial cosido según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que los primer y segundo conjuntos (26, 26', 28) de mono- o multifilamentos unidos forman unos pasos de flujo (10') para la resina a los lados de los mono- o multifilamentos unidos de los mismos, y facilitando así, cuando se empapa una pila de refuerzos (38) con resina, el flujo de resina en direcciones transversales a la dirección de las mechas unidireccionales (20', 32').

14. Método de producción de un refuerzo multiaxial cosido para materiales compuestos reforzados con fibras, que comprende las etapas siguientes:

a) colocar unas mechas continuas (20') de manera unidireccional una al lado de la otra en una primera dirección axial para formar una primera capa de refuerzo (20),

b) colocar un primer conjunto (26) de mono- o multifilamentos unidos sobre la primera capa de refuerzo (20) en una dirección transversal a la dirección axial de las mechas unidireccionales (20') de la primera capa de refuerzo (20),

c) colocar un segundo conjunto (28) de mono- o multifilamentos unidos sobre la primera capa de refuerzo (20) y sobre el primer conjunto (26) de mono- o multifilamentos unidos en una dirección transversal tanto a los mono- o multifilamentos unidos del primer conjunto (26) como a la dirección axial de las mechas unidireccionales (32') que forman la segunda capa de refuerzo (32) en la etapa d),

d) colocar unas mechas continuas (32') de manera unidireccional una al lado de la otra en una segunda dirección axial sobre la primera capa de refuerzo (20) y sobre el primer conjunto (26) y el segundo conjunto (28) de mono- o multifilamentos unidos para formar una segunda capa de refuerzo (32),

e) coser las primera y segunda capas de refuerzo (20, 32) y el primer conjunto (26) y el segundo conjunto (28) de mono- o multifilamentos unidos entre las mismas entre sí para formar un refuerzo multiaxial (38) con una superficie superior y una superficie inferior,

f) repetir las etapas a) a c) antes de la etapa d) para añadir una o más capas al refuerzo multiaxial.

15. Método según la reivindicación 14, caracterizado por, antes de la etapa a), colocar unas mechas continuas de manera unidireccional una al lado de la otra en una tercera dirección axial para formar una tercera capa de refuerzo cuando se produce un refuerzo triaxial.

16. Método según la reivindicación 15, caracterizado por, después de la etapa d), colocar unas mechas continuas de manera unidireccional una al lado de la otra en una cuarta dirección axial para formar una cuarta capa de refuerzo cuando se produce un refuerzo cuadraxial.

17. Método según la reivindicación 14, caracterizado por, en las etapas b) y c), colocar los mono- o multifilamentos unidos del primer conjunto (26) y el segundo conjunto (28) en ángulos que se desvían por lo menos 5 grados de la primera dirección axial y la segunda dirección axial de las mechas unidireccionales (20', 32').

18. Método según la reivindicación 14, caracterizado por, en las etapas b) y c), colocar los mono- o multifilamentos unidos del primer conjunto (26) y del segundo conjunto (28) de manera que los mono- o multifilamentos de por lo menos un conjunto son paralelos a la dirección axial de las mechas de refuerzo de una capa de refuerzo más alejada.

19. Método según la reivindicación 14, caracterizado por proporcionar un tercer conjunto de mono- o multifilamentos unidos sobre por lo menos una de las superficies superior e inferior del refuerzo multiaxial.

20. Laminado en sándwich que presenta una capa de núcleo con una cara, caracterizado por por lo menos un refuerzo multiaxial cosido según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13 dispuesto sobre la cara de la capa de núcleo.

21. Laminado en sándwich según la reivindicación 20, caracterizado por unos refuerzos multiaxiales cosidos según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13, dispuestos sobre ambas caras de la capa de núcleo.

22. Laminado en sándwich según la reivindicación 20 o 21, caracterizado por unas capas de refuerzo adicionales proporcionadas en conexión con los refuerzos multiaxiales cosidos según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13.

23. Utilización del refuerzo multiaxial según las reivindicaciones 1 a 13 como una capa de infusión.