ES2254284T3 - Componentes desarrollables de materiales compuestos fibrosos, procedimiento para su fabricacion y su uso. - Google Patents
Componentes desarrollables de materiales compuestos fibrosos, procedimiento para su fabricacion y su uso.Info
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Abstract
Procedimiento para fabricar componentes (1) de materiales compuestos fibrosos por arrollamiento de al menos una capa de una tela (2; 4) y al menos dos capas de hilos (3), hilados (3), mechas (3) o cintas (3), estando impregnados al menos la tela (2; 4) o al menos los hilos, hilados, mechas o cintas (3) con una resina aún no endurecida, sobre un mandril temporal conformador, de modo que el estrato exterior del componente esté constituido por una capa de hilos, hilados, mechas o cintas (3) arrollados, y por endurecimiento del componente obtenido (1) después del proceso de arrollamiento, caracterizado porque se arrolla cada capa de hilos, hilados, mechas o cintas (3) con una tensión del hilo de al menos la misma magnitud en comparación con la capa precedente de hilos, hilados, mechas o cintas (3).
Description
Componentes desarrollables de materiales
compuestos fibrosos, procedimiento para su fabricación y su uso.
Esta invención concierne a componentes
desarrollables de un material compuesto fibroso, a un procedimiento
para su fabricación y a su uso.
Bajo el término de "componentes
desarrollables" se entiende en el sentido de esta invención un
componente tridimensional cuyo cuerpo puede ser desarrollado en un
plano por transformación geométrica y representado gráficamente de
esta manera. Bajo tales componentes caen, por ejemplo tubos o
cilindros que presentan una sección transversal circular, ovalada o
bien poligonal, por ejemplo rectangular o cuadrada, y que son
interiormente huecos.
La fabricación de componentes tubulares de
materiales compuestos fibrosos es en principio conocida. Tales
componentes se fabrican, por ejemplo, laminando una sobre otra
varias capas de tela impregnadas con una resina, preferiblemente
una resina artificial, o sea, los llamados materiales
preimpregnados. La fabricación de materiales compuestos fibrosos
desarrollables que estén exentos de defectos estructurales es
difícil y se realiza según un complicado procedimiento de varias
etapas. Para obtener productos exentos de grietas y de pliegues se
colocan o arrollan para ello en general aproximadamente 2 a 4 capas
de tela dispuestas una sobre otra. A continuación, se tiene que
someter el cuerpo así obtenido a un tratamiento en el que se
endurece la resina contenida en el mismo. Antes de proseguir el
proceso de fabricación se tiene que lijar en general la superficie
del cuerpo endurecido para eliminar irregularidades presentes en
ella y prepararla para recibir otras capas de material
preimpregnado. Este endurecimiento intermedio se realiza
frecuentemente en unión de la conformación y compactación por medio
del procedimiento de bolsa de vacío conocido en el mundo
especializado, para el cual es necesario un dispositivo especial.
Además, un autoclave empleado para el procedimiento de la bolsa de
vacío es ajustado en este caso a las condiciones de endurecimiento
deseadas. Después de este endurecimiento intermedio, que consume
también mucho tiempo, se aplican más capas de tela sobre la
superficie. Esta secuencia del procedimiento se mantiene hasta que
se haya alcanzado el espesor de pared deseado del cuerpo que debe
fabricarse. En la fabricación de cuerpos de material compuesto
fibroso de alta calidad se tienen que realizar hasta tres o bien
más de tales procesos de arrollamiento con endurecimientos
intermedios. Por tanto, este procedimiento requiere mucho tiempo y
es muy costoso. Esto tiene la consecuencia de que, por motivos de
coste, los componentes fabricados según este procedimiento se
utilizan únicamente allí donde componentes de otros materiales se
comportan muy desfavorablemente o fallan.
Se conoce por el documento
US-A-5 638 870 un componente de
forma tubular que se ha fabricado a partir de una tela que se
compone de fibras de refuerzo que se extienden en la dirección de
urdimbre de la tela, la cual corresponde a la dirección axial del
cuerpo de forma tubular, y de fibras de resina termoplásticas que se
extienden en la dirección de la trama de la tela y están trenzadas
con las fibras de refuerzo. Un ejemplo de la constitución del
componente conocido por este documento comprende una primera y una
segunda capas de tela, entre las cuales está dispuesta una capa
intermedia de fibras uniformemente orientadas. Esta capa de fibras
uniformemente orientadas se ha fabricado a partir de haces de fibras
que presentan fibras de refuerzo y fibras de resina termoplásticas.
La estructura compuesta así fabricada se aplica sobre un núcleo
(mandril) y a continuación se efectúa la conformación bajo presión
y calor, montándose alrededor de la estructura compuesta, desde
fuera, un molde para efectuar la conformación exterior.
Desventajas de este procedimiento son, por un
lado, la naturaleza complicada del mismo, y por otro lado, la
necesidad de tener que emplear una herramienta de conformación
exterior.
Se conocen también técnicas de arrollamiento para
fabricar componentes de forma tubular. El documento
US-A-5 047 104 describe perfiles
macizos o huecos de materiales fibrosos que se impregnan con resina
líquida y alrededor de los cuales se arrollan después fibras o
monofilamentos no impregnados de materiales orgánicos. Estos
materiales orgánicos se seleccionan de modo que las fuerzas de
contracción sean aún activas antes de que la resina reactiva
empleada alcance la fase de gel. Es suficiente que los materiales
fibrosos primeramente citados queden cubiertos por las fibras de
arrollamiento en tan sólo aproximadamente un 12%. Las fibras
orgánicas aplicadas se contraen en un paso de endurecimiento
siguiente y penetran en la resina. Mediante este modo de proceder es
posible producir en los componentes unas secciones transversales
exactas de forma circular, no teniendo que emplearse unidades de
conformación externas. Tales componentes son adecuados especialmente
como cables o alambres para reforzar hormigón. Presentan también
una alta resistencia a la intemperie.
El documento
EP-A-0 443 470 describe un
componente de materiales compuestos fibrosos con una zona de forma
tubular y al menos una brida plana. Sobre un mandril se aplica un
arrollamiento con cordones fibrosos que se cruzan en ángulo con el
eje del núcleo. A continuación, se efectúa en los extremos de la
zona tubular un ensanchamiento cónico por medio de un cuerpo de
expansión. El arrollamiento se arrolla, a ambos lados de la zona de
forma tubular, sobre sendos cuerpos de expansión de esta clase, y
sobre la zona de forma tubular del arrollamiento se asienta desde
fuera una herramienta de conformación.
El documento
DE-A-40 21 547 describe un
procedimiento para fabricar cuerpos compuestos fibrosos, en el que
se arrollan fibras casi sin poros alrededor de un cuerpo de soporte.
Se emplean para ello cintas fibrosas en las que las fibras
individuales están rodeadas con material de matriz sin formación de
cavidades. Se pueden arrollar también fibras individuales envueltas
sin huecos con material de matriz. En el prensado isostático en
caliente subsiguiente se unen el material de matriz, las fibras y el
cuerpo de soporte mediante deformación por fluencia. Empleando
cintas fibrosas que presentan una sección transversal
sustancialmente rectangular, se logra una incrustación del estrato
de la cinta fibrosa en el material de matriz, con lo que se evita el
desplazamiento de las fibras cuando se emplee el componente.
Además, debido a la sección transversal rectangular de la cinta
fibrosa es posible un arrollamiento exento de espacios
intermedios.
El documento
GB-A-2 127 771 describe la
fabricación de cuerpos alargados de forma irregular, a cuyo fin se
coloca sobre un núcleo temporal una primera capa compuesta de varios
segmentos de tela alargados que contienen un gran número de fibras
que se extienden continuamente por toda la longitud del cuerpo, por
ejemplo fibras de carbono, y a continuación se arrolla alrededor de
esta capa una segunda capa de hilado sinfín, extendiéndose el
hilado sinfín sustancialmente en ángulo recto con las fibras
continuas de los segmentos de tela. Se añaden otros estratos
alternantes de segmentos de tela e hilados sinfín arrollados
perpendicularmente a éstos hasta que se alcance el espesor deseado.
Conforme a una segunda variante se arrollan capas de tela sobre un
núcleo con adaptación a la forma posterior del cuerpo hasta que se
consiga el espesor deseado. Por tanto, el núcleo está
sustancialmente cubierto por la tela, que contiene un gran número de
hilos de urdimbre que están arrollados periféricamente alrededor
del núcleo, y un gran número de hilos de trama que se cruzan con
dichos hilos de urdimbre y que están dispuestos ortogonalmente a
éstos y se extienden por toda la longitud del cuerpo. Los cuerpos
obtenidos según una de estas dos variantes se impregnan después con
termoplastos o duroplastos y se endurece la resina. Sigue
eventualmente una carbonización. Característica esencial de ambas
variantes es que las capas arrolladas se aplican en estado seco y
se impregnan en un paso posterior del procedimiento.
En esta construcción seca se tienen que fijar la
tela o los segmentos de tela para impedir que resbalen.
En un desarrollo ulterior las capas arrolladas
una sobre otra son provistas de perforaciones pasantes que
facilitan la penetración de la resina durante la impregnación y la
salida de componentes volátiles durante la carbonización.
El documento DE-A 19 49 115
describe un procedimiento y un dispositivo para fabricar tubos
compuestos con alta resistencia frente a tensiones de tracción y
esfuerzos flectores. Fibras impregnadas con resina artificial, por
ejemplo fibras de vidrio, fibras de carbono o fibras de armadura
similares, son arrolladas bajo una alta tensión predeterminada, en
forma de espiral o de círculo, en dirección periférica, sobre un
tubo interior de metal, material cerámico, plástico o cemento,
controlándose la tensión en cada fibra de modo que en todas las
fibras se presente sustancialmente la misma tensión. Para fibras de
vidrio la tensión es de al menos 1.400 kg/cm^{2}.
El procedimiento según la invención comprende las
etapas de impregnar las fibras con resina, disponer las fibras
impregnadas al menos en parte alrededor del rodillo tensor
giratorio, retirar las fibras impregnadas del rodillo tensor por
giro del tubo interior, aplicando las fibras por adherencia un par
de giros sobre el rodillo tensor y obligando así a éste a girar, y
aplicar un par de frenado sobre el rodillo tensor. Se pueden prever
también varios rodillos tensores en la dirección de avance de las
fibras, aplicándose sobre cada una un par de frenado. De esta
manera, se pueden producir tensiones muy altas en las fibras
impregnadas de resina.
El dispositivo para fabricar los tubos compuestos
comprende medios para hacer girar el tubo interior alrededor de su
eje longitudinal, una reserva de material fibroso, de la cual puede
retirarse al mismo tiempo un gran número de fibras y éstas pueden
arrollarse sobre el tubo interior rotativo, un recipiente con resina
para impregnar las fibras retiradas antes del arrollamiento sobre
el tubo interior, al menos un rodillo tensor giratorio alrededor
del cual se arrollan al menos en parte las fibras impregnadas, de
modo que las fibras apliquen por adherencia un par de giro sobre el
rodillo tensor y hagan así que gire éste, dispositivos para aplicar
un par de frenado variable sobre cada rodillo tensor y,
opcionalmente, rastrillos para desplegar en abanico los haces de
fibras y dispositivos de guía para aplanar los haces de fibras.
La tensión en las fibras arrolladas es provocada
por la tensión que reina en las fibras durante la colocación de las
mismas sobre el rodillo tensor, por el par de frenado aplicado sobre
el rodillo tensor y por el par de giro por adherencia de las fibras
sobre el rodillo tensor. Este último viene determinado por el
contenido de resina de las fibras impregnadas. Es óptimo un
contenido de resina, referido a la masa, de 14 a 16%.
El documento EP-A 0 934 820
revela un material estratificado con gran resistencia a la
compresión, buena resistencia al calor y reducida permeabilidad
frente a fluidos, que está constituido por capas de láminas de
grafito y láminas metálicas dispuestas una sobre otra alternando y
en paralelo y en el que las láminas de grafito están unidas con las
láminas de metal. El material estratificado está limitado hacia
arriba y hacia abajo por láminas metálicas que están cubiertas y
unidas completamente en sus lados planos orientados hacia fuera con
una lámina hermética al gas a base de un polímero orgánico, por
ejemplo PTFE, con una resistencia a temperaturas permanentes de al
menos 150ºC. Preferiblemente, las uniones entre las láminas están
exentas de pegamento. Las láminas metálicas están soldadas
térmicamente, por ejemplo, con las láminas de plástico,
eventualmente bajo acción de presión, y las láminas de grafito se
han prensado con las láminas metálicas a elevada temperatura. El
material estratificado según la invención se emplea
predominantemente para la fabricación de juntas planas.
El documento
US-A-4 555 113 describe la
fabricación de un vástago, por ejemplo para palos de golf, en el que
se aplican sobre un mandril una capa de resina y sobre ésta una
tela. Sobre esta estructura se arrollan dos clases diferentes de
cintas de carbono en forma de espiral y con direcciones de
arrollamiento contrarias una a otra, de modo que se obtienen por
esta técnica de arrollamiento muchas zonas de cruce. A continuación,
se cubre la superficie del cuerpo arrollado con una cinta de
celofana y se endurece la resina. Se retiran después la cinta de
celofana y el mandril de moldeo interior, con lo que se obtiene el
vástago deseado.
Los procedimientos antes citados adolecen del
inconveniente de que la secuencia del procedimiento comprende
muchos pasos que no sólo requieren mucho tiempo, sino que también
son costosos. En particular, en muchos de los procedimientos de
fabricación usuales se tiene que realizar la construcción de la
pared de los cuerpos arrollados en varios pasos para evitar alabeos
y sitios defectuosos en la estructura de la pared. Es decir,
después de la aplicación de un número determinado relativamente
pequeño de capas de arrollamiento se tiene que retirar el cuerpo
arrollado de la máquina bobinadora y se tiene que rellenar éste con
resina y dejar que se endurezca la resina o, en caso de que el
cuerpo arrollado contenga ya resina, sólo se tiene que endurecer la
resina. Para eliminar irregularidades de la superficie del cuerpo
arrollado y garantizar una buena adherencia de las capas de
arrollamiento subsiguientes, se tiene que lijar todavía la
superficie del cuerpo arrollado. El cuerpo arrollado así tratado
tiene que sujetarse después nuevamente en la máquina bobinadora y
entonces prosigue el arrollamiento. En muchos casos, este proceso
tiene que repetirse varias veces para obtener un cuerpo arrollado
terminado. Otro problema es la recompactación del cuerpo arrollado.
Por esto se entiende la compactación y consolidación adicionales de
un cuerpo arrollado que contiene resina. Se recurre para ello a la
técnica conocida de la bolsa de vacío en la que, según una variante,
después de hacer el vacío en el componente que se encuentra en la
bolsa de vacío, la presión atmosférica exterior de aproximadamente 1
bar actúa con efecto de compactación. Conforme a una segunda
variante preferida, en la que la bolsa de vacío se encuentra en un
autoclave, se comprime adicionalmente un medio de presión después de
la puesta bajo vacío, de modo que se puede reforzar la presión de
compactación en cualquier grado dentro de límites determinados. Sin
embargo, a consecuencia de esta compactación, se presentan
frecuentemente formaciones de pliegues y exfoliaciones en los
estratos de los cuerpos compuestos. Se originan así forzosamente
sitios defectuosos que perjudican especialmente a las propiedades
mecánicas y eléctricas de los cuerpos compuestos. Una fabricación de
cuerpos compuestos de alta calidad con niveles de propiedades
reproducibles es posible de esta manera solamente con un coste
desproporcionadamente grande. Por ejemplo, elementos de
calentamiento eléctrico fabricados por vías convencionales tienen
frecuentemente resistencias eléctricas desiguales entre ellos y
también dentro de ellos, con lo que disminuye su valor de uso. Por
este motivo, los componentes portantes fabricados de manera
convencional tienen que construirse con un mayor coeficiente de
seguridad, lo que conduce también a un incremento de los costes.
Por tanto, la invención se basa en el problema de
crear un procedimiento técnicamente más sencillo y menos costoso
para producir componentes desarrollables de materiales compuestos
fibrosos que, además, estén exentos de sitios defectuosos a
consecuencia de la formación de pliegues o el desplazamiento de
partes de material arrollado y presenten propiedades mecánicas y
eléctricas más homogéneas y mejoradas, así como que muestren un
comportamiento mejorado durante su mecanización por vía mecánica.
Además, se pretende crear un componente desarrollable estable con
excelentes propiedades mecánicas, químicas y eléctricas y se
pretende indicar usos especialmente favorables para el mismo.
Para resolver estos problemas técnicos se indica
según la invención que aquí se describe un procedimiento para
fabricar componentes desarrollables de materiales compuestos
fibrosos por aplicación de al menos una capa de una tela impregnada
con una resina o un material preimpregnado y, a continuación, al
menos una capa respectiva de hilos, hilados, mechas o cintas
arrollados, impregnados con una resina o exentos de resina, sobre
un mandril temporal de conformación, empleando una tensión del hilo
al menos constante durante el arrollamiento de cada capa de hilos,
hilaidos, mechas o cintas, estando constituido el estrato exterior
del componente por los hilos, hilados, mechas o cintas arrollados y
endureciéndose o endureciéndose y carbonizándose o endureciéndose y
carbonizándose y grafitizándose el componente obtenido después del
proceso de arrollamiento.
Los términos siguientes tendrán el significado
siguiente en el sentido de la invención:
Se fabrican hilados por retorcido o hilado de
fibras sinfín o fibras cortadas. Para su empleo en el procedimiento
según la invención han de tener una resistencia a la tracción que
haga posible un arrollamiento bajo una tensión del hilo de al menos
10 N.
Mechas son cordones textiles formados por
filamentos sinfín o fibras individuales dispuestos en paralelo y no
retorcidos unos con otros.
Las cintas están constituida por mechas, hilados
o hilos yuxtapuestos en paralelo, no estando las mechas, hilados o
hilos unidos unos con otros ni fijados en su posición por medio de
hilos auxiliares que discurren transversalmente a la dirección
longitudinal de las cintas.
Según la invención, se describe una combinación
de procedimientos de laminación y de arrollamiento en sí conocidos
empleando al menos dos materiales determinados y observando
condiciones determinadas. Esencial para la invención es que el
arrollamiento de todas las capas de hilos, hilados, mechas o cintas
se realiza aplicando una tensión del hilo al menos constante que se
ha elegido tan grande que la capa situada debajo o las capas
situadas debajo a base de la tela impregnada con resina o el
material preimpregnado sean presionadas y compactadas y/o fijadas
en sus posiciones. Preferiblemente, las capas de los hilos, hilados,
mechas o cintas se arrollan de modo que cada capa se arrolle con
una tensión del hilo que sea mayor que la tensión del hilo con la
cual se ha arrollado la capa previamente arrollada de hilos,
torcidos, mechas o cintas. Otra característica de la invención es
que el última estrato de arrollamiento más exterior está constituido
siempre por una capa de hilos o torcidos o mechas o cintas. Debido
a este modo de proceder es posible lograr una compactación del
componente óptima y uniforme en toda la longitud y sección
transversal. Mediante el procedimiento se fabrican de manera
correspondiente componentes que presentan una estructura uniforme
exenta de defectos y en los que se consigue una distribución
uniforme de los datos característicos mecánicos y eléctricos, tanto
en dirección axial como en dirección radial, a un nivel más alto.
Ya no son necesarios una recompactación y un endurecimiento
separados entre la aplicación de las capas de arrollamiento, con la
consecuencia de interrupciones del proceso de arrollamiento que
requieren su tiempo. Empleando el procedimiento según la invención
no es necesario tampoco trabajar según el procedimiento de la bolsa
de vacío relativamente exigente en tiempo y caro. En consecuencia,
el procedimiento según la invención es considerablemente más
racional y rentable y con él resultan accesibles componentes de
calidad considerablemente mejorada. En particular, se pueden evitar
las desventajas de los procedimientos conocidos (tubos solamente de
material preimpregnado de tela o tubo solamente de arrollamientos de
mechas), aprovechándose, sin embargo, sus ventajas.
Los componentes desarrollables según la invención
pueden emplearse en muchos sectores. Se prefieren en estado
carbonizado o grafitizado como tubos de protección, tubos de
calentamiento, tubos de gas caliente, aislamientos térmicos, por
ejemplo en la fabricación de materiales semiconductores, como
toberas, pero también como tubos portantes, perfiles de apoyo o
matrices de prensado en caliente. Se pueden procesar mecánicamente
de forma excelente y con precisión de cotas, por ejemplo mediante
aserrado, torneado, fresado o taladrado, de modo que pueden ser
provistos de conductos de paso, agujeros de observación, conexiones
de bridas u otros dispositivos o bien pueden fabricarse a partir de
ellos, por ejemplo, elementos de calentamiento en forma de meandros.
Es incluso posible hincar clavos a través de tales componentes sin
destruirlos. Es de destacar también su idoneidad como componentes,
especialmente tubos para cualquier uso en el sector de la química,
puesto que los componentes de esta invención presentan una alta
resistencia química. Además, los componentes poseen una alta
resistencia al impacto y una alta resistencia a la compresión. En
componentes tubulares grafitizados la resistencia a la compresión
está en el rango de aproximadamente 400 N/mm^{2} y, por tanto, es
más alta en un factor de 3 a 4 que en los tubos fabricados por los
procedimientos de arrollamiento conocidos. Esta mayor resistencia y
mayor densidad es posible especialmente por la recompactación con
los hilos, hilados, mechas o cintas. Componentes únicamente
endurecidos, no carbonizados y no grafitizados, pueden ser
empleados, cuando tienen forma de rodillo, por ejemplo como
rodillos de transporte, apoyo, guía, presionado o aplicación para
la producción o elaboración ulterior de bandas de material, tales
como papel, películas, textiles o productos de
imprenta.
imprenta.
Por tanto, se ve que, según el procedimiento de
acuerdo con la invención, existe un gran número de posibilidades
para fabricar componentes desarrollables y que tales componentes
pueden crearse a propósito según sea necesario. Magnitudes de
influencia esenciales son aquí, en primer lugar, la secuencia de las
capas en el proceso de arrollamiento, así como su constitución y
calidad, en segundo lugar la selección de las telas, materiales
preimpregnados y materiales fibrosos y filamentosos empleados, en
tercer lugar la elección de las resinas o portadores de carbono
empleados, en cuarto lugar la elección de la tensión del hilo al
arrollar las capas de hilos, hilados, mechas o cintas, y en quinto
lugar el tratamiento posterior después de obtener el componente
arrollado y endurecido, es decir si aún se carboniza o se carboniza
y grafitiza el componente y, por último, si se recompacta aún el
componente después de la carbonización o después de la
grafitización, es decir si se rellena el sistema de poros abiertos
del componente con un agente de impregnación por medio de uno o más
pasos de impregnación y se carboniza o grafitiza después una vez más
el componente. Variando los factores de influencia citados se puede
conseguir un gran número de variantes de fabricación que caen todas
dentro del alcance de la invención.
Por lo que concierne a la secuencia de las capas
de arrollamiento, puede seguir a una capa de tela o material
preimpregnado una capa de hilo, hilado, mecha o cinta. Sin embargo,
pueden unirse también a estas dos capas en forma alternante, y esto
es preferible, otras capas de tela o material preimpregnado y de
hilos, torcidos, mechas o cintas. Según otra variante, se arrollan
primero, por ejemplo, más de una capa de una tela o material
preimpregnado sobre el mandril o núcleo temporal y luego se arrolla
sobre estas al menos dos capas de tela o material preimpregnado una
capa de hilo, hilado, mecha o cinta. Es posible aquí también que
esta estructura formada por más de una capa de tela o material
preimpregnado y una capa de hilo, hilado, mecha o cinta se repita
una o más veces en dirección radial. Según una variante nuevamente
modificada, la secuencia de las capas no es constante como en los
ejemplos precedentes, sino que se elige libremente. Según esto, es
posible, por ejemplo, aplicar primero dos capas de un material
preimpregnado, luego una capa de un hilo, hilado, mecha o cinta,
luego tres capas de una tela o material preimpregnado, después
nuevamente una capa de un hilo, hilado, mecha o cinta y,
finalmente, una capa de una tela o material preimpregnado, seguida
por una última capa exterior de hilo, hilado, mecha o cinta. Como
se describirá aún seguidamente, entre las capas de arrollamiento
aquí descritas pueden introducirse todavía por arrollamiento unas
capas de fieltro adecuado o de película adecuada o bien de ambos
materiales. La tela empleada para el arrollamiento puede estar
exenta de resina. Sin embargo, está preferiblemente impregnada con
una resina no endurecida y tiene entonces el carácter de material
preimpregnado. Cuando se habla, en el sentido de esta invención, de
capa de arrollamiento de hilo, hilado, mecha o cinta, se trata
preferiblemente de dos capas de arrollamiento de hilo, hilado, mecha
o cinta aplicadas cruzándose una con otra bajo un ángulo
determinado. Sin embargo, es posible también que tal capa de
arrollamiento consista solamente en una capa de hilo, hilado, mecha
o cinta. Los hilos, hilados, mechas o cintas empleados pueden estar
impregnados o revestidos con una resina que no esté endurecida, o
bien se utilizan sin un revestimiento de resina. Según una de las
variantes preferidas, el componente desarrollable se fabrica a
partir de estratos alternantes de material preimpregnado de tela y
mechas o cintas, arrollándose las distintas capas de mecha o de
cinta con tensión de tracción o de hilo creciente desde la capa
interior hasta la capa exterior. Se obtiene así, análogamente a lo
que ocurre en un torno de cable, un refuerzo del efecto de
compactación en las capas situadas debajo.
Se pueden emplear telas de los diferentes tipos
de ligamento, como, por ejemplo, tafetán, sarga o satén. Se
prefieren la sarga y el tafetán. Las telas pueden consistir en todas
las clases de fibra usuales en tanto los componentes se empleen
solamente en estado endurecido. Sin embargo, pueden consistir
también en fibras o filamentos metálicos, por ejemplo de molibdeno.
Cuando los componentes deban estar carbonizados o carbonizados y
grafitizados, las telas consisten en fibras de celulosa,
poliacrilonitrilo, molibdeno o, preferiblemente, carbono o grafito.
Según una variante especialmente preferida que conduce a componentes
susceptibles de ser sometidos a cargas sumamente altas, las telas
están constituidas por mechas de fibras de carbono grafitizadas,
especialmente fibras de grafito de alto
módulo.
módulo.
Fibras de carbono son en el sentido de la
invención aquellas fibras constituidas por carbono que se han
calentado hasta temperaturas de menos de 1.800ºC, preferiblemente
hasta 1.000 a 1.400ºC. Fibras de grafito son aquellas fibras
constituidas por carbono que se han calentado a temperaturas de al
menos 1.800ºC, preferiblemente a temperaturas de 2.200 a 2.700ºC.
Para la carbonización se calientan los componentes en atmósfera no
oxidante a temperaturas en el intervalo de 800 a 1.600ºC,
preferiblemente de 900 a 1.400ºC. Para la grafitización se
calientan dichos componentes en condiciones no oxidantes a
temperaturas en el intervalo de 1.800 a 3.000ºC, preferiblemente de
2.000 a 2.700ºC.
Los hilados empleados para el procedimiento según
la invención consisten en fibras cortadas hiladas unas con otras a
base de lana, celulosa, poliacrilonitrilo o carbono. Para la
fabricación de componentes de muy alta calidad se emplean hilados
de carbono grafitizados.
Los hilos empleados para el procedimiento pueden
haberse fabricado por retorcido de hilados o de mechas. Las mechas
empleadas según la invención están constituidas por monofilamentos
de celulosa, poliacrilonitrilo o fibras de carbono o de grafito
dispuestos en paralelo unos con otros. En casos especiales, se
pueden emplear también fibras metálicas, por ejemplo filamentos
metálicos con contenido de molibdeno. Se emplean preferiblemente
mechas constituidas por muchísimos filamentos de carbono o de
grafito, concretamente por un número de filamentos de carbono o de
grafito en el intervalo de 3.000 a 60.000. Se emplean
preferiblemente mechas con un número de monofilamentos de 6.000 a
24.000 constituidos por una fibra de grafito que se ha fabricado a
base de poliacrilonitrilo. La mecha de filamentos de carbono o de
grafito tiene preferiblemente una resistencia a la tracción en el
intervalo de 2.000 a 3.600 MPa y preferiblemente una densidad en el
intervalo de 1,75 a 1,90 g/cm^{3}.
Las cintas consisten en varios hilos, hilados o
mechas yuxtapuestos que pueden estar también fijados en su posición
por elementos de unión transversales textiles.
Mediante el arrollamiento de las capas de hilo,
hilado, mecha o cinta se compactan las capas del componente
situadas debajo y se homogeneiza la distribución de las fibras y la
resina en las capas de tela o de material impregnado.
Cuando deban fabricarse componentes para
aplicaciones a temperaturas por encima de 1.800ºC, es ventajoso
emplear todos los componentes textiles necesarios para ello en
calidad gratificada. Se evita así una deformación de los
componentes durante el proceso de fabricación.
Como resinas para impregnar las telas y
eventualmente los hilos, hilados, mechas o cintas y para fabricar
el material preimpregnado pueden emplearse todas las resinas
naturales y artificiales conocidas para ello por el estado de la
técnica, pero también peces o mezclas de pez-resina.
Sin embargo, se utilizan preferiblemente resinas de epóxido, furano
y fenol, prefiriéndose especialmente las resinas fenólicas cuando
los componentes deban ser aún carbonizados o carbonizados y
grafitizados después del endurecimiento.
Cuando un componente arrollado y endurecido ha
sido liberado del núcleo de arrollamiento y carbonizado, se le
recompacta aún en muchos casos para mejorar sus propiedades físicas,
especialmente su resistencia. Se entiende por esto un rellenado del
sistema de poros accesible a líquidos con una resina, especialmente
una resina artificial o con una pez, y una carbonización o una
carbonización y grafitización subsiguientes de la resina o pez así
introducida. Para este paso del procedimiento, que puede realizarse
también varias veces e igualmente con componentes grafitizados, se
emplean preferiblemente resinas fenólicas o peces con un residuo
grande de carbono al ser carbonizados o bien mezclas de resinas
artificiales y peces.
Las tensiones de tracción empleadas durante el
arrollamiento de los hilos, hilados, mechas o cintas, en lo que
sigue llamadas tensiones del hilo, pueden variarse dentro de un
rango grande. La tensión de hilo concretamente aplicada depende del
grado de compactación deseado por el arrollamiento para las capas
que deben ser arrolladas una sobre otra, lo que tiene una sensible
influencia sobre la resistencia y la estabilidad del componente a
fabricar. Las tensiones de hilo empleadas varían en el intervalo de
10 a 300 N. Así, por ejemplo, es posible aplicar una tensión de
hilo, hilado, mecha o cinta de tan sólo aproximadamente 10 a 20 N,
según la resistencia del hilo, hilado, mecha o cinta o la
sensibilidad a la presión del material situado debajo de esta capa
de arrollamiento, pero son posibles también tensiones de hilo más
altas. Se emplean tensiones de hilo relativamente bajas en el
intervalo de 10 a 200 N, preferiblemente 10 a 100 N, por ejemplo,
cuando los componentes desarrollables contienen capas de fieltro o
de lámina de grafito que pueden contraerse bajo una presión radial
demasiado grande, con la consecuencia de la formación de faltas de
homogeneidad dentro del componente. Un ejemplo de esto serían
cilindros o envolventes para fines de aislamiento térmico. Para la
fabricación de tubos o componentes sometidos a altas cargas
mecánicas es conveniente emplear tensiones del hilo en el intervalo
de aproximadamente 100 a 250 N.
Los componentes desarrollables pueden fabricarse,
por ejemplo, para su empleo como rodillos de transporte, apoyo,
guía, presionado o aplicación para producir o elaborar ulteriormente
bandas de material, como papel, películas, textiles o productos de
imprenta en forma de plásticos reforzados con materiales fibrosos
que no están carbonizados ni grafitizados. Estos se sacan para ello
de la máquina bobinadora después del arrollamiento de las capas y
se someten a un proceso de endurecimiento de la resina de
conformidad con uno de los procedimientos conocidos. Se obtiene
entonces una sólida matriz de resina a través de la cual se integran
las partes constituyentes textiles en el componente y se unen unas
con otras a través de puentes de resina endurecida de modo que
resulta un componente de material compuesto de alta calidad. Siguen
luego solamente los pasos del proceso en sí conocidos para retirar
el núcleo o mandril de arrollamiento y mecanizar y, en su caso,
tratar posteriormente los lados frontales y las superficies.
Para determinados esfuerzos mayores o para
aplicaciones a altas temperaturas, los componentes desarrollables
consisten en carbono o grafito, preferiblemente en carbono reforzado
con fibras de carbono o de grafito o en grafito reforzado con
fibras de grafito. Para fabricar tales componentes se carbonizan los
componentes fabricados empleando materiales de refuerzo textiles
adecuados y resinas adecuadas, en estado endurecido no carbonizado
y con exclusión de sustancias de efecto oxidante. En casos
determinados, pueden ser empleados ya en este estado después de la
mecanización de acabado. Cuando su nivel de datos en el estado
simplemente carbonizado no satisfaga los requisitos, estos cuerpos
pueden ser recompactados una o más veces por impregnación y
carbonización subsiguiente, con lo que se produce una considerable
mejora del nivel de datos, especialmente de los valores de
resistencia. Cuando lo requiera el perfil de requisitos para los
componentes desarrollables, se fabrican cuerpos de grafito
reforzados con fibras de grafito. A este fin, se someten aún
componentes en estado carbonizado a un tratamiento de
grafitización. Por supuesto, en este caso se puede partir también de
un componente únicamente endurecido y en un paso de trabajo se
pueden recorrer sucesivamente los pasos de carbonización y
grafitización. Los cuerpos grafitizados pueden recompactarse después
según sea necesario en la forma anteriormente descrita, pudiendo
carbonizarse solamente o bien carbonizarse y grafitizarse el cuerpo
grafitizado impregnado con el portador de carbono. En la fabricación
de componentes reforzados de carbono y de grafito se emplean ya en
el arrollamiento de los cuerpos arrollados telas y mechas
preferiblemente grafitizadas para aprovechar en y para el
componente el alto módulo de elasticidad y las excelentes
propiedades de resistencia de las fibras de grafito, especialmente
las llamadas fibras de grafito de alto módulo, e impedir una
deformación de los componentes durante el proceso de
fabricación.
Se sigue de lo anterior que el procedimiento
según la invención puede realizarse en un gran número de variantes
y que, por consiguiente, se pueden fabricar un gran número de clases
diferentes de componentes desarrollables con perfiles de
propiedades en parte muy diferentes. El experto, basándose en sus
conocimientos y en los requisitos técnicos impuestos al componente,
tiene que decidir cuál de las diferentes variantes del procedimiento
es la que se emplea. Eventualmente, el experto se servirá de
ensayos sencillos realizados por él
\hbox{empleando las
enseñanzas que aquí se han dado.}
El espesor de pared de los componentes
arrollables puede estar en el intervalo de algunos milímetros hasta
120 mm. En componentes que se han construido solamente a base de
telas, materiales preimpregnados, hilos, hilados, mechas, cintas y
resina, el espesor de pared está preferiblemente en el intervalo de
3 a 30 mm, y en componentes que, al igual que en el caso de cuerpos
para su utilización en dispositivos de alta temperatura, contienen
adicionalmente capas de fieltro o películas, se emplean
preferiblemente espesores de pared en el intervalo de 30 a 80
mm.
Según la finalidad de uso de los componentes
fabricados, se tiene que, además de la capa o las capas arrolladas
de tela o material preimpregnado de tela y de la capa o las capas de
hilos, hilados, mechas o cintas, se pueden incorporar también en el
componente una o varias capas de un fieltro. Como material para
estos fieltros son adecuados, por un lado, fieltros de fibra de
carbono o fieltros de fibra de grafito que se han fabricado a
partir de fieltros de fibra de celulosa o de fieltros de fibra de
poliacrilonitrilo por carbonización o por carbonización y
grafitización. Otra clase de fieltros de fibra de carbono o de
grafito que puede emplearse aquí ha sido fabricada a partir de
fibras de pez carbonizadas o grafitizadas por agujado formando
fieltros o por grafitización de un fieltro fabricado a partir de
fibras de pez carbonizadas. Sin embargo, se pueden emplear también
fieltros cerámicos, por ejemplo fieltros de fibras de óxido de
aluminio, fibras de basalto o lana mineral o fieltros a base de
fibras de celulosa o de poliacrilonitrilo. Cuando en un componente
desarrollable y que contiene capas de fieltro importa especialmente
un buen poder de aislamiento térmico, se emplean preferiblemente
fieltros de grafito que se han fabricado a partir de fieltros de
celulosa. Se puede apreciar que puede emplearse un gran número de
fieltros diferentes con propiedades diferentes, en cuyo caso el
empleo de un material de fieltro determinado depende de la
finalidad de uso del componente y, preferiblemente, de los
requisitos de temperatura impuestos al mismo. La elección del
espesor de una capa de fieltro o de varias capas de fieltro, aparte
de depender de las necesidades técnicas que resulten de la finalidad
de uso prevista, depende también de las dimensiones finales del
componente que ha de fabricarse. En general, el espesor de una capa
de fieltro después del arrollamiento está en el intervalo de 2 a 20
mm, preferiblemente en el intervalo de 5 a 10 mm. Se emplean
preferiblemente espesores de hasta 20 mm cuando deban fabricarse
componentes con mayores espesores de pared.
En lugar de fieltro o bien adicionalmente a la
capa o a las capas de fieltro, el componente desarrollable según la
invención puede contener también una o más capas de material laminar
que se arrollan igualmente. Es especialmente adecuada aquí una
lámina de grafito que sea resistente a altas temperaturas,
químicamente estable y hermética a los gases y líquidos y que
aguante un tratamiento de grafitización sin variación de sus
propiedades. Sin embargo, se pueden utilizar también láminas
metálicas, por ejemplo a base de molibdeno o de cobre, cuando lo
requiera la finalidad de uso. Es importante que el respectivo
material laminar empleado esté adaptado a las condiciones térmicas
y químicas a las que deberá exponerse el componente durante el
proceso de fabricación y durante la utilización prevista. Empleando
láminas se pueden fabricar, por ejemplo, componentes desarrollables
tales como tubos o cilindros que sean herméticos a gases y líquidos,
presenten una excelente estabilidad química frente a medios de no
oxidantes a poco oxidantes y tengan un buen poder de aislamiento
térmico incluso en el rango de temperatura de más de 2.000ºC. Tales
componentes se emplean en la técnica de viajes espaciales, de alta
temperatura y de semiconductores. El espesor de la lámina se
selecciona también de conformidad con los requisitos de fabricación
y utilización del componente desarrollable. Usualmente, se utiliza
una lámina de un espesor de 0,2 a 1 mm, prefiriéndose un espesor de
la lámina de aproximadamente 0,5 mm. En casos especiales o con
grandes diámetros de los componentes es posible también, por
supuesto, emplear láminas con un espesor de más de 1 mm.
El espesor de una capa de material preimpregnado
de tela puede estar en el intervalo de 0,20 a 2,00 mm, eligiéndose
preferiblemente un espesor de aproximadamente 0,5 a 1,0 mm. Si se
emplea una tela muy fina, puede ser favorable laminar varias capas
de material preimpregnado de tela una sobre otra, colocándose
preferiblemente tres o cuatro capas una sobre otra. Esta pluralidad
de capas de tela pueden tener un espesor total de, por ejemplo,
aproximadamente 2 mm. Si se disponen varias capas de material
preimpregnado de tela una sobre otra, estas capas no tienen que
presentar el mismo espesor. Se aplica una consideración
correspondiente para capas de arrollamiento a base de hilos,
hilados, mechas, cintas, así como de fieltros o láminas.
La relación de las capas de tela o de material
preimpregnado de tela a las capas de hilos, hilados, mechas o
cintas está preferiblemente en el intervalo de 1:1 a 4:1. Según el
diámetro o el espesor de pared del componente desarrollable que ha
de producirse, se puede prever también un número mayor de capas.
El ángulo en el arrollamiento de los hilos,
hilados, mechas o cintas está preferiblemente en el intervalo de
\pm 20 a \pm 90º con respecto al eje de arrollamiento, es decir,
al eje longitudinal del componente desarrollable. Se puede ajustar
un ángulo de arrollamiento diferente para cada capa de hilos,
hilados, mechas o cintas. Mediante una elección adecuada de los
ángulos de arrollamiento se puede influir especialmente sobre las
propiedades mecánicas y eléctricas determinadas del componente
desarrollable. Por consiguiente, la elección del ángulo de
arrollamiento depende de las propiedades del componente que deba
fabricarse. Se ajustan ángulos de arrollamiento en el rango de
\pm 20º cuando el componente ha de aguantar especialmente
esfuerzos flectores. Ángulos de arrollamiento en el intervalo de
\pm 80º a \pm 90º dan lugar a que el componente fabricado pueda
absorber grandes presiones desde dentro. Esto es importante
especialmente para el uso del componente como matrices de prensado
en caliente. El bobinado bajo ángulos de 70 a 90º puede efectuarse
sin una corona de clavijas. Sin embargo, con ángulos de
arrollamiento de menos de 70º se tienen que emplear coronas de
clavijas que impidan que se deslicen o se desplacen los hilos,
hilados, mechas o cintas.
La velocidad durante el arrollamiento de las
capas está preferiblemente en el intervalo de aproximadamente 20 a
200 m/min. La elección de la velocidad utilizada se ajusta en primer
lugar al diámetro del componente que se ha de fabricar. En
principio, se cumple que la velocidad se ajusta preferiblemente
tanto más lenta cuanto más grande sea el diámetro del
componente.
En lo que sigue, se explica con más detalle la
invención con ayuda de algunos ejemplos seleccionados:
Para la construcción del componente desarrollable
se empleó un material preimpregnado de tela con contenida de resina
fenólica, cuya tela se había fabricado en ligamento sarga a partir
de una mecha de fibras de grafito que estaba constituida por 6.000
monofilamentos. El peso específico de la tela ascendió a 420
g/m^{2}.
Para el arrollamiento sobre las capas de material
impregnado de tela se empleó una mecha que constaba de 24.000
monofilamentos de grafito de alto módulo. Los monofilamentos tenían
una densidad de 1,8 g/cm^{3} (medida según DIN 65569 y una
resistencia a la tracción de aproximadamente 2.400 MPa (medida con
ayuda de DIN ENV 1007-4). El alargamiento a la
rotura de estas fibras está en el intervalo de 0,6 a 1,0% (medido
con ayuda de DIN ENV 1007-4). Estos materiales
preimpregnados de tela y mechas fueron arrollados en una máquina
bobinadora sobre un mandril de 200 mm de diámetro, cuya superficie
había sido provista previamente de un agente de separación, con la
secuencia siguiente de capas y con las tensiones siguientes del hilo
de la mecha:
| 1ª capa | Material preimpregnado | Espesor de estrato 0,6 mm |
| 2ª capa | Mecha (tensión de tracción 70 N) | Espesor de estrato 1,2 mm |
| 3ª capa | Material preimpregnado | Espesor de estrato 0,6 mm |
| 4ª capa | Mecha (tensión de tracción 80 N) | Espesor de estrato 1,3 mm |
| 5ª capa | Material preimpregnado | Espesor de estrato 0,6 mm |
| 6ª capa | Mecha (tensión de tracción 90 N) | Espesor de estrato 1,2 mm |
El ángulo de arrollamiento de la mecha ascendió a
± 80º en cada capa con respecto al eje longitudinal del componente,
es decir que se arrolló una capa de mecha bajo un ángulo de \pm80º
y sobre ésta se arrolló una capa de mecha bajo un ángulo de -80º.
El cuerpo arrollado situado sobre el mandril de arrollamiento fue
retirado después de la máquina bobinadora y endurecido en un honro
de endurecimiento a 190ºC, empleándose un tiempo de calentamiento
de 4 horas y un tiempo de retención de 2 horas. Después del
enfriamiento del componente endurecido se extrajo, es decir, se
retiró, el mandril de arrollamiento y se mecanizó previamente el
componente hasta una longitud predeterminada. A continuación, se
carbonizó el componente en atmósfera no oxidante en el transcurso
de una semana, empleándose una temperatura final de 950ºC y un
tiempo de retención de 24 horas. El componente carbonizado fue
impregnado seguidamente una vez con pez aplicando el procedimiento
de vacío-presión y utilizando una presión de
impregnación de 6 bares y a continuación fue carbonizado una vez más
como ya se ha descrito anteriormente. El componente recompactado y
carbonizado fue grafitizado seguidamente en condiciones no oxidantes
a una temperatura de 2.000ºC. Después del enfriamiento y extracción
del horno de grafitización se mecanizó el componente por fresado y
torneado hasta obtener un elemento de calentamiento de forma
cilíndrica con incisiones de forma de meandros para un horno con
atmósfera desde gas protector a alta temperatura.
El componente que se describe a continuación
estaba previsto para su empleo como cilindro de aislamiento y de
protección en un horno con atmósfera de gas protector a alta
temperatura.
Para la construcción de este componente
desarrollable de forma tubular, que debía obtener un diámetro
interior de 600 mm, un espesor de pared de 40 mm y una longitud de
800 mm, se empleó un material preimpregnado de tela con contenido
de resina fenólica, como en el ejemplo 1, idéntico con respecto al
ligamento (sarga) y a la base fibrosa (fibra de grafito). Sin
embargo, a diferencia del ejemplo anterior, en este ejemplo la tela
estaba constituida por mechas de 12.000 filamentos y tenía un
espesor de solamente 0,5 mm y un peso específico de 440 g/m^{2}.
La mecha empleada para el arrollamiento sobrepuesto estaba
constituida por 12.000 monofilamentos de grafito de alto módulo que
presentaban una densidad de aproximadamente 1,83 g/cm^{3} (según
DIN 65569) y, referido al monofilamento, una resistencia a la
tracción de aproximadamente 3.000 MPa (basándose en DIN ENV
1007-4). Además, se arrollaron aquí aún capas de
lámina de grafito y de fieltro de grafito. La lámina de grafito
tenía un espesor de 0,5 mm, una densidad aparente, basándose en DIN
ISO 536, de 1,0 g/cm^{3} y un peso específico de 1.000 g/m^{2}.
Para unir mejor las capas laminares con las capas de material
preimpregnado que las siguen se embadurnó el lado de contacto de
las láminas de grafito con una resina adhesiva antes del
arrollamiento de las capas de material preimpregnado siguientes. El
fieltro de grafito se había fabricado por carbonización y
grafitización a partir de un fieltro constituido por fibras de
celulosa. Tenía un espesor de 10 mm y un peso específico de
aproximadamente 1.000 g/m^{2} según DIN 53854. Estos materiales
preimpregnados de tela, mechas, láminas de grafito y fieltros de
grafito fueron arrollados en una máquina bobinadora sobre un
mandril de 600 mm de diámetro, cuya superficie había sido provista
previamente de un agente de separación, con la secuencia de capas
siguiente y con las tensiones siguientes del hilo de la mecha:
| 1ª secuencia de capas | Cuatro estratos de material preimpregnado, espesor total de los estratos 2 mm |
| 2ª capa | Un estrato doble de mecha, 0,5 mm de espesor, tensión del hilo 100 N, ángulo de |
| arrollamiento 1º estrato +80º, 2º estrato -80º | |
| 3ª capa | Un estrato de lámina de grafito, espesor de estrato 0,5 mm |
| 4ª capa | Un estrato de fieltro de grafito, espesor de estrato 10 mm |
| 5ª capa | Un estrato de lámina de grafito, espesor de estrato 0,5 mm |
| 6ª capa | Un estrato de material preimpregnado, espesor de estrato 0,5 mm |
| 7ª capa | Un estrato doble de mecha, 0,5 mm de espesor, tensión del hilo 100 N, ángulo de |
| arrollamiento 1º estrato +80º, 2º estrato -80º | |
| 8ª capa | Un estrato de fieltro de grafito, espesor de estrato 10 mm |
| 9ª capa | Un estrato de lámina de grafito, espesor de estrato 0,5 mm |
| 10ª capa | Un estrato de material preimpregnado, espesor de estrato 0,5 mm |
| 11ª capa | Un estrato doble de mecha, 0,5 mm de espesor, tensión del hilo 120 N, ángulo de |
| arrollamiento 1º estrato +80º, 2º estrato -80º | |
| 12ª capa | Un estrato de fieltro de grafito, espesor de estrato 10 mm |
| 13ª capa | Un estrato de lámina de grafito, espesor de estrato 0,5 mm |
| 14ª capa | Un estrato de material preimpregnado, espesor de estrato 0,5 mm |
| 15ª capa | Cuatro estratos dobles de mecha, espesor total de los estratos 2,0 mm, tensión del |
| hilo 130 N, ángulo de arrollamiento \pm 80º |
El componente constituido por las capas antes
citadas tenía después del arrollamiento un espesor total de 40 mm.
El cuerpo arrollado situado sobre el mandril de arrollamiento fue
retirado de la máquina bobinadora y endurecido, carbonizado y
grafitizado como se ha de descrito en el Ejemplo 1. Sin embargo, en
contraste con el modo de procedimiento según el Ejemplo 1, el
componente no fue recompactado en estado carbonizado. El componente
grafitizado fue mecanizado después hasta la longitud prefijada y
provisto de taladros para dispositivos de medida y manipulación.
Las capas incorporadas de fieltro confieren al componente excelentes
propiedades de aislamiento térmico. En una tanda de ensayos reinaba
en el interior del cilindro una temperatura de 1.600ºC y fuera del
mismo una temperatura de sólo más de 400ºC. Además, el cilindro
actuó como barrera de vapor y de gas debido a las capas incorporadas
de láminas de grafito.
Para la construcción del componente desarrollable
se empleó un material preimpregnado de tela con contenido de resina
fenólica, cuya tela se había fabricado en ligamento sarga a partir
de una mecha de fibras de grafito que constaba de 6.000
monofilamentos. El peso específico de la tela ascendió a 420
g/m^{2}. La mecha empleada estaba constituida por 12.000
monofilamentos de grafito de alto módulo que presentaban una
densidad de aproximadamente 1,83 g/cm^{3} (según DIN 65569) y,
referido al monofilamento, una resistencia a la tracción de
aproximadamente 3.000 MPa (basándose en DIN ENV
1007-4). El alargamiento a la rotura de estas fibras
está en el intervalo de 0,6 a 1% (medido en base a DIN ENV
1007-4). Estos materiales preimpregnados de tela y
mechas fueron arrollados en una máquina bobinadora sobre un mandril
de 1145 mm de diámetro, cuya superficie había sido provista
previamente de un agente de separación, con la secuencia de capas
siguiente y con las tensiones siguientes del hilo de la mecha:
| 1ª capa | Tres estratos de material preimpregnado de tela, espesor total de los estratos 1,5 mm |
| 2ª capa | Un estrato doble de mecha, ángulos de arrollamiento +80º y -80º, tensión del hilo 90 N por mecha, |
| espesor de estrato 1,3 mm | |
| 3ª capa | Tres estratos de material preimpregnado de tela, espesor total de los estratos 3,5 mm |
| 4ª capa | Un estrato sencillo de mecha, ángulo de arrollamiento +80º, tensión del hilo 180 N, espesor del |
| estrato 0,7 mm |
El cuerpo arrollado situado sobre el mandril de
arrollamiento fue retirado de la máquina bobinadora y endurecido,
carbonizado y grafitizado como se ha descrito en el Ejemplo 1. Sin
embargo, en contraste con el modo de proceder según el Ejemplo 1,
no se compactó el componente en el estado carbonizado. El componente
desarrollable fabricado tenía un diámetro exterior de 1.150 mm, un
diámetro interior de 1.140 mm y una longitud de 850 mm. Deberá
emplearse como escudo térmico en un horno para fabricar
semiconductores.
En este ejemplo de realización se fabricó sobre
un equipo de arrollamiento usual que tenía a ambos lados del
mandril sendas coronas de clavijas para retener y posicionar la
mecha que debía ser arrollada, una pieza bruta para el componente
desarrollable que contenía, entre otras cosas, capas de mecha con un
ángulo de arrollamiento de 20º. Sobre un mandril con un diámetro de
210 mm se arrolló como primera capa un material preimpregnado de
una tela en ligamento sarga 2/2 a base de mechas de fibras de
grafito (3.000 filamentos por mecha) con un peso específico de 225
g/m^{2}, que se había impregnado con una resina fenólica de tipo
resol (peso específico del material preimpregnado, 433 g/m^{2})
con un espesor del estrato de 0,3 mm. Sobre este primer estrato se
arrolló seguidamente una mecha con una tensión del hilo de 70 N
empleando ángulos de arrollamiento de, en primer lugar, +20º y, en
segundo lugar, -20º. El espesor de esta segunda capa de
arrollamiento, que estaba constituida por dos estratos de mecha,
ascendió a 1,2 mm. La mecha empleada estaba constituida por 24.000
filamentos de grafito. Los filamentos de la mecha tenían una
densidad aparente de 1,8 g/cm^{3} (según DIN 65569), una
resistencia a la tracción (basándose en DIN ENV
1007-4) de 2.400 MPa y un alargamiento a la rotura
(basándose en DIN ENV 1007-4) de 0,6 a 1,0%. Sobre
esta segunda capa se arrolló una tercera capa de 0,3 mm de espesor
del mismo material preimpregnado que el que se había empleado para
la primera capa de arrollamiento. A esta tercera capa siguió una
cuarta capa de 1,2 mm de espesor a base de una mecha como la que se
había empleado para la segunda capa. Esta capa estaba constituida
también, al igual que la segunda capa, por dos estratos de una
mecha que se había arrollado con un ángulo de arrollamiento de, por
un lado, +20º y, por otro lado, -20º. A diferencia de esta segunda
capa, la tensión del hilo durante el arrollamiento ascendió aquí a
80 N. Como quinta capa siguió luego una capa de material
preimpregnado con un espesor de 0,3 mm, que correspondía en
material y estructura a la capa de material preimpregnado de las
capas primera y tercera. El remate exterior estaba formado por una
sexta capa de una mecha que se arrolló como capa doble bajo ángulos
de arrollamiento de más y menos 80º bajo una tensión del hilo de 90
N. Se empleó para ello la misma mecha que se había utilizado para
las capas precedentes segunda y cuarta. Después del proceso de
arrollamiento se endureció el cuerpo arrollado, luego se retiró
éste del mandril de arrollamiento, seguidamente se le carbonizó a
900ºC y a continuación se le grafitizó a 2.000ºC. El componente
desarrollable así fabricado servía como rodillo portante altamente
rígido a la presión en un horno con atmósfera de gas protector a
alta temperatura.
En lo que sigue, se describe con más detalle la
invención a título de ejemplo y ayudándose de figuras representadas
sólo esquemáticamente:
Las figuras 1, 2 y 3 muestran vistas de la
estructura de componentes desarrollables según la invención
constituidos por capas de materiales arrollados en sección
transversal perpendicular al eje longitudinal de los componentes, y
la figura 4 reproduce con ayuda de un esquema de flujo las
posibilidades de pasadas del procedimiento según las cuales se
pueden fabricar componentes desarrollables conforme a la
invención.
En la figura 1 se reproduce un componente 1 de
carbono reforzado con fibras de grafito que está diseñado para una
carga de presión interior. En la fabricación del componente 1 se
bobinó el estrato más interior 1 de un material preimpregnado que
contenía resina fenólica, cuya tela de base presentaba un ligamento
sarga y el cual se había fabricado a partir de mechas de filamentos
de grafito de alto módulo.
En este caso, se efectuó el arrollamiento de modo
que los hilos de urdimbre de la tela estaban orientados en
dirección perpendicular al eje longitudinal del componente. El
segundo estrato 3l; 3r está constituido por dos capas 3l y 3r.
Estaba constituido durante el arrollamiento por una mecha de
filamentos de grafito de alto módulo que contenía resina fenólica y
que se había arrollado una vez con una inclinación de -85º 3l y
otra vez con una inclinación de +85º 3r, referido al eje
longitudinal del componente. Seguía luego un tercer estrato 4 a
base de un material preimpregnado con una resina fenólica, cuya tela
de base se había fabricado a partir de mechas de filamentos de
grafito de alto módulo y se había tejido en ligamento tafetán. A
este estrato 4 seguía después nuevamente como cuarto estrato una
capa doble 3'l; 3'r que estaba estructurada como el segundo estrato
3l; 3r, pero que se había arrollado con mayor tensión de hilo que la
de éste. A continuación de este cuarto estrato se había arrollado
como quinto estrato 2' una capa de un material preimpregnado que
correspondía en estructura y orientación al material preimpregnado 2
del primer estrato. Como sexto estrato más exterior 5 se había
arrollado con un ángulo de arrollamiento de 90º, referida al eje
longitudinal del componente, una cinta que contenía resina
fenólica, constituida por cinco mechas de filamentos de grafito de
alto módulo con una tensión del hilo que era mayor que la tensión
con la que se había arrollado la mecha 3l; 3r del cuarto estrato.
El cuerpo arrollado fue sometido a un tratamiento de endurecimiento
y carbonizado después de sacar el mandril de arrollamiento.
En la figura 2 se ha representado un componente
desarrollable 1' que deberá utilizarse como cilindro aislante
térmico con barrera al vapor y al gas en un horno de atmósfera
gaseosa protectora a alta temperatura. En lo que sigue, se describe
con qué y cómo se han construido los distintos estratos durante la
fabricación antes del endurecimiento de los constituyentes de
resina. Después del endurecimiento se carbonizó y grafitizó el
componente. El primer estrato estaba constituido por tres capas 4;
4'; 4'' de una tela de ligamento tafetán constituida por fibras de
grafito e impregnada con una resina epoxídica. Sobre ésta se habían
arrollado como segundo estrato 3l; 3r dos capas 3l y 3r de un hilo
grafitizado de fibras cortadas de carbono que contenía resina
epoxídica, con una tensión del hilo de 40 N, bajo ángulos de -80º 3l
y de +80º 3r. El tercer estrato 6 estaba constituido por un fieltro
de celulosa grafitizado con un espesor de 8 mm que no se había
impregnado con resina. A este tercer estrato 6 seguía un cuarto
estrato 7 de una chapa de molibdeno 7 de 0,2 mm de espesor, cuyos
extremos se solapaban un poco en el sitio de empalme de la banda de
chapa. El quinto estrato 3'r; 3'l situado encima estaba constituido
por dos capas 3'r y 3'l de una mecha de filamentos de grafito que
contenía resina fenólica y que se había aplicado, por un lado, bajo
un ángulo de arrollamiento de +80º 3'r y, por otro lado, bajo un
ángulo de arrollamiento de -80º 3'l, referido al eje longitudinal
del componente, con una tensión del hilo de 120 N. Como sexto
estrato 2; 2' seguía una capa doble 2; 2' a base de un material
preimpregnado que contenía resina fenólica y cuya base textil era
una tela de un hilo de grafito en ligamento sarga. El séptimo
estrato exterior 3''r; 3''l estaba constituido por dos mechas de
filamentos de grafito arrolladas, por un lado, bajo un ángulo de
+80º 3''r y, por otro lado, bajo un ángulo de -80º 3''l e
impregnadas con una resina fenólica, cuyas mechas se habían
arrollado con una tensión del hilo de 150 N.
La figura 3 muestra un componente desarrollable
1'', que se ha diseñado para esfuerzos flectores, después de su
arrollamiento en estado no endurecido. Este componente podría
emplearse después del endurecimiento y la mecanización final en
forma de un cilindro o rodillo de plástico reforzado con fibras de
carbono para el transporte o la elaboración ulterior de bandas
continuas, como películas, papel o textiles, a temperaturas
ambiente usuales. Según otra variante de uso, este componente
tendría que poder ser aún carbonizado y grafitizado después del
endurecimiento de la resina contenida en el cuerpo de base. El
estrato interior 2i; 2i' está constituido por dos capas 2i y 2i' de
un material preimpregnado de tela con contenido de resina fenólica a
base de una tela en ligamento sarga constituida por mechas de
filamentos de grafito de alto módulo. El arrollamiento se realizó
de modo que los hilos de urdimbre de la tela estaban orientados en
dirección paralela al eje longitudinal del cuerpo arrollado. El
segundo estrato 3l; 3r estaba constituido por dos capas de mechas 3l
y 3r de filamentos de grafito de alto módulo impregnados con resina
fenólica, que se habían arrollado empleando dos coronas de clavijas
bajo una tensión del hilo de 30 N, por un lado, bajo un ángulo de
-20º 3l y, por otro lado, bajo un ángulo de +20º 3r, referido al
eje longitudinal del componente. El tercer estrato siguiente 2m
estaba constituido por una capa de un material preimpregnado con
contenido de resina fenólica que correspondía en estructura y
orientación al material preimpregnado que se había empleado para el
primer estrato 2; 2i'. El cuarto estrato 3'l; 3'r estaba
constituido por dos capas 3'l y 3'r a base de una mecha que
correspondía en estructura y pretratamiento a la mecha empleada
para el segundo estrato (3l; 3r). Sin embargo, a diferencia de ésta,
la mecha fue arrollada aquí bajo un ángulo de arrollamiento de -75º
3'l y de +75º 3'r bajo una tensión del hilo de 140 N. El quinto
estrato subsiguiente 2a; 2a' estaba constituido por tres capas 2a y
2a' de material preimpregnado de tela que correspondían en
estructura y orientación al material preimpregnado de tela que se
había utilizado en el primer estrato 2i; 2i' y en el tercer estrato
2m. El sexto estrato exterior 3''l; 3''r, que consta también de dos
capas 3''l y 3''r, se formó nuevamente por medio de una mecha de
filamentos de grafito de alto módulo que contenía resina fenólica,
pero que se había arrollado, por un lado, bajo un ángulo de -85º
3''l y, por otro lado, bajo un ángulo de +85º 3''r con respecto al
eje longitudinal del componente.
Los pasos del procedimiento deducibles de la
figura 4 pueden realizarse en equipos conocidos del estado de la
técnica. Por este motivo, no es necesaria una descripción más exacta
de los mismos en este sitio. El esquema de bloques muestra dos
recipientes de reserva I y II. El recipiente I contiene materiales
de partida exentos de resina, como tela, hilos, hilados, mechas,
cintas y fieltros o láminas. El recipiente II contiene materiales
de partida que llevan resina, como tela, hilos, hilados, mechas,
cintas y fieltros o láminas. Para fabricar componentes
desarrollables se arrollan telas exentas de resina provenientes de
la reserva I en la longitud de arrollamiento III sobre un mandril
temporal y luego se recubren por arrollamiento con hilos, hilados,
mechas o cintas impregnados con resina provenientes de la reserva
II. Se pueden arrollar también materiales preimpregnados de la
reserva II sobre el mandril y luego se pueden recubrir éstos por
arrollamiento con hilos, hilados, mechas o cintas exentos de resina
provenientes de la reserva I. Tales cuerpos arrollados se impregnan
a veces con una resina después del arrollamiento, lo que no ha sido
representado. Sin embargo, se elaboran preferiblemente materiales
preimpregnados e hilos, hilados, mechas o cintas impregnados con
resina provenientes de la reserva II sobre un equipo de
arrollamiento III para obtener un cuerpo de producto previo. Si se
deben integrar láminas o fieltros adicionales en el cuerpo
arrollado, éstos están en general, pero no exclusivamente, exentos
de resina y provienen de la reserva I. En algunas aplicaciones,
especialmente las láminas son provistas durante el arrollamiento
III, sobre al menos una de las superficies planas, de una capa
adherente de resina. Las diferentes posibilidades según las cuales
se pueden combinar y disponer durante el arrollamiento las
diferentes materias primas de las reservas I y II han sido
expuestas en la descripción de la invención, a la cual se remite al
lector en este punto. Los cuerpos arrollados obtenidos después del
proceso de arrollamiento III llegan luego a un dispositivo IV en el
que se endurece la porción de resina contenida en ellos. Según una
variante, los cuerpos de plástico así obtenidos reforzados con
materiales fibrosos pueden ser elaborados adicionalmente en
instalaciones de mecanización mecánica y de refinamiento ulterior V
para obtener piezas acabadas. Según otra variante, los componentes
desarrollables liberados del núcleo de arrollamiento y que contiene
resina endurecida son alimentados a una instalación VI en la que
todos sus constituyentes carbonizables se transforman en carbono.
Según una posibilidad, los cuerpos de carbono así obtenidos son
elaborados adicionalmente en instalaciones de mecanización mecánica
y de refinamiento ulterior VII para obtener piezas acabadas.
Conforme a una segunda posibilidad, los cuerpos, que, después del
proceso de pirólisis de la carbonización, tienen poros accesibles a
líquidos, son impregnados en una instalación de impregnación VIII
con un agente líquido adecuado que contiene carbono y el cuerpo
impregnado es carbonizado una vez más para carbonizar el portador de
carbono infiltrado en una instalación de carbonización. Este
procedimiento, llamado recompactación, que produce una mejora del
perfil de propiedades del componente, puede realizarse también más
de una vez. Tales componentes recompactados VIII + IX y únicamente
carbonizados pueden ser elaborados ulteriormente también en
instalaciones VII para obtener piezas acabadas, lo que no se ha
representado. Sin embargo, se someten preferiblemente en la
instalación X a un tratamiento de grafitización. A esta instalación
X llegan también de la instalación VI los componentes carbonizados
que no deberán ser transformados VII de nuevo directamente en piezas
terminadas ni recompactados VIII + IX. Los componentes grafitizados
así obtenidos pueden ser recompactados VIII + IX una vez más, lo que
ocurre solamente cuando puedan parecer justificados los requisitos
y el coste, y luego son alimentados a uno de los posibles pasos de
elaboración ulterior (VII, no representado, o X). Sin embargo, es
preferible que los componentes sean elaborados ulteriormente
después de la grafitización en instalaciones XI para obtener piezas
acabadas.
| 1; 1'; 1'' | Componente desarrollable |
| 2; 2' | Material preimpregnado de tela con ligamento sarga |
| 2i; 2i'; 2m; | |
| 2a; 2a' | Material preimpregnado de tela con ligamento sarga (figura 3) |
| 3l; 3'l; 3''l | Hilo, hilado, mecha, cinta, ángulo de arrollamiento inclinado hacia la izquierda |
| 3r; 3'r; 3''r | Hilo, hilado, mecha, cinta, ángulo de arrollamiento inclinado hacia la derecha |
| 4; 4'; 4'' | Material preimpregnado de tela con ligamento tafetán |
| 5 | Cinta de mechas |
| 6 | Fieltro |
| 7 | Lámina, lámina de grafito, lámina de metal |
| I | Reserva, material exento de resina |
| II | Reserva, material conteniendo resina |
| III | Dispositivo de arrollamiento, arrollamiento |
| IV | Dispositivo para endurecer la resina, endurecimiento de la resina |
| V | Instalaciones para la transformación ulterior en piezas acabadas según IV |
| VI | Instalación de carbonización, carbonización, según IV |
| VII | Instalaciones para la transformación ulterior en piezas acabadas según VI o IX |
| VIII | Instalación de impregnación con portador de carbono líquido, impregnación, según VI o X |
| IX | Instalación de carbonización, carbonización, según VIII |
| X | Instalación de grafitización, grafitización, según VI o XI |
| XI | Instalación para la transformación ulterior en piezas acabadas según X |
Claims (23)
1. Procedimiento para fabricar componentes (1) de
materiales compuestos fibrosos por arrollamiento de al menos una
capa de una tela (2; 4) y al menos dos capas de hilos (3), hilados
(3), mechas (3) o cintas (3), estando impregnados al menos la tela
(2; 4) o al menos los hilos, hilados, mechas o cintas (3) con una
resina aún no endurecida, sobre un mandril temporal conformador, de
modo que el estrato exterior del componente esté constituido por
una capa de hilos, hilados, mechas o cintas (3) arrollados, y por
endurecimiento del componente obtenido (1) después del proceso de
arrollamiento, caracterizado porque se arrolla cada capa de
hilos, hilados, mechas o cintas (3) con una tensión del hilo de al
menos la misma magnitud en comparación con la capa precedente de
hilos, hilados, mechas o
cintas (3).
cintas (3).
2. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque se fabrica el componente (1) a partir de
dos o más capas de tela (2; 4) y dos o más capas de hilos, hilados,
mechas o cintas (3), y porque se arrolla cada capa de hilos,
hilados, mechas o cintas (3) con una tensión del hilo mayor en
comparación con la capa precedente de hilos, hilados, mechas o
cintas (3).
3. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 y 2, caracterizado porque tanto las telas
(2, 4) como los hilos (3), los hilados (3), las mechas (3) o las
cintas (3) están impregnados de una resina que aún no está
endurecida.
4. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2,
caracterizado porque el componente obtenido (1) se somete
después del endurecimiento a uno de los tratamientos siguientes:
carbonización
carbonización y recompactación subsiguiente
carbonización y grafitización subsiguiente
carbonización, grafitización y recompactación
subsiguiente.
5. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque se aplican
adicionalmente una o más capas de fieltro (6) durante el
arrollamiento.
6. Procedimiento según la reivindicación 5,
caracterizado porque se aplica al menos un fieltro (6) del
grupo de fieltros de fibras de carbono, fibras de grafito, fibras
de celulosa, fibras de poliacrilonitrilo, fibras de cerámica.
7. Procedimiento según una o más de las
reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque se aplican
adicionalmente una o más capas de lámina (7) durante el
arrollamiento.
8. Procedimiento según la reivindicación 7,
caracterizado porque se aplica al menos una lámina (7) del
grupo de lámina de grafito o lámina de metal.
9. Procedimiento según la reivindicación 8,
caracterizado porque se aplica al menos una lámina (7) que
contiene molibdeno.
10. Procedimiento según una o más de las
reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque la tela está
constituida por fibras de carbono, grafito o molibdeno y los hilos,
hilados, mechas o cintas (3) están constituidos por monofilamentos
o fibras de carbono, grafito o molibdeno.
11. Procedimiento según una o más de las
reivindicaciones 1 a 10, caracterizado porque se emplea para
el arrollamiento una tela que se ha impregnado, obteniendo un
material preimpregnado de tela (2; 4), con resina fenólica, resina
epoxídica, pez o mezclas de éstos, no estando aún endurecida la
resina.
12. Procedimiento según una o más de las
reivindicaciones 1 a 11, caracterizado porque se arrollan
capas de material preimpregnado (2; 4) que presentan en el estado
de partida un espesor en el intervalo de 0,20 a 2,00 mm.
13. Procedimiento según la reivindicación 12,
caracterizado porque el espesor de las capas de material
preimpregnado (2; 4) en el estado de partida es de 0,50 a 1,00
mm.
14. Procedimiento según una o más de las
reivindicaciones 1 a 13, caracterizado porque las mechas (3)
constan de 10.000 a 60.000 monofilamentos.
15. Procedimiento según la reivindicación 14,
caracterizado porque las mechas (3) constan de monofilamentos
de carbono o de grafito que tienen una densidad de 1,75 a 1,90
g/cm^{3}.
16. Procedimiento según la reivindicación 15,
caracterizado porque las mechas (3) tienen una resistencia a
la tracción en el intervalo de 2.200 a 5.000 MPa.
17. Procedimiento según una o más de las
reivindicaciones 1 a 16, caracterizado porque se conduce el
arrollamiento de modo que la relación del número de capas de
material preimpregnado de tela (2; 4) a las capas de arrollamientos
(3) de hilo, hilado, mecha o cinta sea de 1:1 a 4:1.
18. Procedimiento según una o más de las
reivindicaciones 1 a 17, caracterizado porque se arrollan
hilos, hilados, mechas o cintas (3) bajo un ángulo en el intervalo
de +/- 20 a +/- 90º.
19. Procedimiento según una o más de las
reivindicaciones 1 a 18, caracterizado porque el
arrollamiento de los hilos, hilados, mechas o cintas (3) se realiza
con una velocidad en el intervalo de 20 a 200 m/min y con una
tensión del hilo en el intervalo de 10 a 250 N por cada hilo,
hilado, mecha o cinta (3).
20. Componente (1) fabricado según el
procedimiento de las reivindicaciones 1 a 19, caracterizado
por la estructura siguiente, en la que las capas en la secuencia
están indicadas de dentro a fuera:
21. Componente (1) fabricado según el
procedimiento de las reivindicaciones 1 a 19, caracterizado
por la estructura siguiente, en la que las capas en la secuencia
están indicadas de dentro a fuera:
22. Componente (1) fabricado según el
procedimiento de las reivindicaciones 1 a 19, caracterizado
por la estructura siguiente, en la que las capas en la secuencia
están indicadas de dentro a fuera:
23. Uso de un componente desarrollable (1)
obtenible por un procedimiento según las reivindicaciones 1 a 19
como cilindro de aislamiento térmico, tubo de protección, elemento
de calentamiento, tubo portante, matriz de prensado en caliente o
cuerpo aislante térmico.
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