ES2644260T3 - Aparato de moldeo de materiales composites - Google Patents

Description

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DESCRIPCION

Aparato de moldeo de materiales composites

El aparato descrito en esta patente permite fabricar un producto composite moldeado y que conserve su forma el tiempo necesario para la polimerizacion de la matriz. Permite formar, comprimir, conservar la forma y modificar la temperatura de un composite con matriz polimerizable contenido entre dos membranas flexibles y extensibles. Las caracterlsticas de este util permiten moldear un producto sin que el composite entre en contacto con el molde y sin bolsas de aire residuales entre el molde y el material composite. Ademas, el coste del molde en este procedimiento no es exponencial en funcion de las presiones y temperaturas de presion necesarias para obtener un composite de alta calidad. El aparato de la patente utiliza unas soluciones tecnicas originales y permite un ciclo de fabricacion del composite que aporta respuestas a diversos problemas recurrentes durante la fabricacion de productos de composites con matriz polimerizable. Las ganancias son significativas en terminos de tiempo de trabajo, de coste del molde y de calidad del producto terminado en comparacion con otros procedimientos conocidos.

Este tipo de producto de composite, habitualmente, se realiza con unas presas en las que se insertan unos moldes metalicos o de resina. El coste y la dificultad de realizacion de los moldes, as! como los costosos materiales que los componen encarecen los productos terminados. La calidad del acabado de los moldes determina la calidad de acabado de la superficie de la pieza y esto aumenta la dificultada de fabricacion y aumenta el coste. Este tipo de produccion esta adaptada principalmente a producciones de grandes series. En la mayorla de los procedimientos, el composite esta en contacto directo con el molde y esto impone unas operaciones de preparation y mantenimiento del molde entre las fases de fabricacion. La colocation de refuerzos impregnados o no impone una fase manual cuyo control depende de la competencia del operario. Unos procedimientos conocidos y controlados como el "RTM" (por sus siglas en ingles de "Resin Transfert Moulding" moldeo por transferencia de resina) permiten realizar piezas rapidamente con una calidad constante, pero vuelven el compactado de los refuerzos imposible lo que impide la fabricacion de piezas de alta calidad mecanica.

La fabricacion de piezas de composite por estratificacion, infusion o inyeccion en moldes abiertos impone un acabado perfecto del molde cuyo coste ya es de por si elevado. El considerable tiempo de trabajo debido a las numerosas operaciones sucesivas necesarias para la fabricacion de la pieza terminada sube el coste unitario.

Este procedimiento es conveniente para series pequenas de gran valor anadido. Las repercusiones de los gastos de utillaje en los precios de las piezas es una de las razones que hace que este procedimiento sea rentable para piezas de gran tamano para las que el moldeo en una unica operation representa un aumento de productividad. Los ejemplos mas conocidos son los de los cascos y puentes de barcos de recreo o de piscinas de poliester.

Otra categorla de utillajes esta constituida por las presas de membrana que compactan y retienen el composite sobre el molde utilizando las propiedades flsicas de un fluido. Ya se trate de aire durante una simple toma al vaclo o de un gas o un llquido en una camara cerrada, el principio sigue siendo el mismo: el composite esta en contacto con el molde sobre el que esta aplicado y presionado por la presion del fluido. La evacuation del aire entre el molde y el composite sigue siendo un problema a solucionar para todos los procedimientos. La cobertura de los tejidos de refuerzo sobre el molde antes o despues de la impregnation por la matriz y la preparacion del propio molde siguen siendo operaciones largas y delicadas. Los autoclaves utilizados en la mayorla de las fabricaciones que imponen una calidad mecanica optima, se clasifican en la categorla de prensas de membrana, considerando que los problemas que plantean y las ventajas que aportan son muy similares.

El documento EP-A1-0410599 describe un procedimiento de moldeo de materiales composites, con una superficie de conformado del material, colocandose el material a moldear entre dos membranas. Un sistema de aplicacion de presion por la parte de arriba del molde garantiza la deformation del material para su conformation en el molde. Esta aplicacion de presion esta compensada por un vaclo por la parte de abajo del molde.

El documento WO-A1-00/53400 tambien muestra un aparato de moldeo pero en el que el material composite esta directamente en contacto con el molde.

El documento US 5.108.532 presenta sustancialmente las mismas caracterlsticas que el documento EP-A1-0410599 con una aplicacion de vaclo por la parte de abajo del molde.

El documento DE-A1-102004025704 muestra un aparato complejo de moldeo en el que el molde descansa sobre un lecho de arena.

El aparato objeto de la patente (Fig. 1) vista en section (Q) (Fig.2 a fig. 10) esta constituido por una camara inferior (D) y una camara superior (E) dispuestas, cada una, a un lado y otro del molde (A) y retenidas con relation a un chasis (B) rlgido que permite la conformacion de la parte periferica del molde durante la fase de compresion. El chasis (B) es lo bastante rlgido y estable dimensionalmente como para garantizar que la zona del molde (A) retenida por el chasis permanecera en el llmite de tolerancia de la forma deseada durante toda la operacion de fabricacion efectuada con el aparato. Las camara superior (E) e inferior (D) tendran la capacidad de resistir las tensiones de funcionamiento del aparato, pero podran ser flexibles o rlgidas a partir del momento en el que permitan obtener las presiones de funcionamiento deseadas. La estanqueidad de la camara inferior (D) se realiza bien mediante la

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insercion de una membrana flexible retenida en la periferia con relacion al chasis (B) bien mediante una estanqueidad de la superficie de la parte inferior del molde (A) que garantiza de este modo la estanqueidad de la camara inferior (D). En un modo de realizacion no cubierto por la invencion, se puede prescindir de la camara inferior (D) (Fig. 4) a condicion de que el chasis (B) retenga el molde (A) por toda su superficie inferior (Fig. 2) considerando que el chasis (B) garantizara la retention del molde (A) en los llmites de deformation fijados para el producto terminado y esto durante todas las fases de fabrication, as! como, si fuera necesario, la estanqueidad de la parte del chasis (B) que sustituye la camara inferior (D) del aparato.

El composite (C) esta contenido entre dos membranas (G, F) estancas, flexibles y extensibles, a la matriz polimerizable del composite y que se adhieren o no a la matriz del composite y que separan la camara (E) del molde (A). Los elementos composites (C) que constituyen la pieza final estan contenidos entre estas dos membranas (G, F). Las membranas (G, F) pueden formar parte o no del producto final. Las membranas (G, F) se mantienen en la periferia de la camara (E) de compresion de manera que la presion de un fluido pueda controlarse en las zonas de alrededor de las membranas (G, F), del lado de la camara (E) o del lado del molde (A). De este modo, durante la operation de conformado, la extension isobarica progresiva y controlada del conjunto o de una parte de las membranas (G, F) que contienen el composite (C) empujadas por un fluido contenido en la camara formada entre la membrana (F) y la camara (E) para hacer que se presionen contra el molde (A) se hace limitando los riesgos de pliegues o deformaciones parasitas en los refuerzo del composite (C) o en la superficie de las membranas (G, F). En ese caso, la deformacion de las fibras del refuerzo puede modelizarse y es mas facil calcular las caracterlsticas mecanicas del material composite terminado.

Las membranas (G, F) utilizadas para contener el composite (C) y/o separar las zonas en el aparato pueden estar compuestas por materiales flexibles deformables y resistentes al calor como, por ejemplo, las membranas de silicona disenadas para este uso y empleadas en la mayorla de las prensas de membrana. En el aparato que se describe en esta patente, las membranas (G, F) tambien pueden estar compuestas por materiales baratos y considerados como consumibles. Ciertas pellculas flexibles extensibles tienen propiedades de deformacion bajo presion a ciertas temperaturas que hacen que adopten la forma del molde (A), la mayor parte del tiempo sin posibilidad de volver a su forma inicial tras el final de la operacion de compresion, pero conservan su estanqueidad durante las fases de compresion y de polimerizacion de la matriz.

La zona entre las membranas (G, F) que contiene el composite (C) esta cerrada o no segun la manera en la que sera fabricado el composite (C). El composite (C) puede fabricarse, entre las membranas (G, F) mediante cualquier procedimiento tradicional. El procedimiento empleado podra ser, por ejemplo; una estratificacion por aplicacion manual de una matriz sobre un refuerzo, aplicando o no vaclo al resultado; una cobertura manual de los tejidos preimpregnados; una infusion o inyeccion de la matriz en un refuerzo, antes o despues de la conformation del refuerzo y de manera mas general, cualquier tipo de procedimiento con la unica condicion de que esta construction se realice entre las dos membranas (G, F) flexibles y extensibles. El composite (C) contenido entre las dos membranas (G, F) se conforma en un molde (A) como lo harla una chapa metalica en un procedimiento de hidroconformado o entre un molde y un contramolde como una chapa en una prensa de embuticion. A continuation, se conserva la forma del composite (C) mediante el fluido a presion contenido en la camara (E) contra la membrana (F) el tiempo necesario para la polimerizacion de la matriz hasta obtener una pieza conformada al molde (A) y dimensionalmente estable.

Las caracterlsticas principales del molde (A) son la capacidad de los materiales que lo constituyen para resistir a la presion de los fluidos en la camara del aparato y una porosidad de la superficie, al menos sobre las superficies donde la pieza se ha formado.

La presion de un fluido en la camara superior (E) viene a conformar las membranas (G, F) que contienen el composite (C) en la superficie del molde (A). La porosidad del molde (A) permite conformar las membranas (G, F) y el composite (C) que contienen contra la superficie del molde sin que sea necesario habilitar orificios de ventilation en el molde. El aire se puede expulsar de la zona (L) entre la membrana (G) y el molde (A) mediante el gradiente de presion entre el interior de la zona (L) y el exterior. La creation de un vacio en la zona (L) comprendida entre el molde (A) y la membrana (G) puede realizarse completamente, sea cual sea la forma de la pieza, a condicion de tener cerrada la periferia del molde y de haberlo equipado con accesorios que permitan el uso de una bomba de vaclo para garantizar la creacion de un vaclo en la zona (L). De este modo, ninguna bolsa de aire puede quedar aprisionada entre el molde (A) y la membrana (G) que contiene el composite (C) en contacto con el molde durante la fase de conformacion.

La porosidad de la superficie del molde (A) tambien permite variar en cualquier momento y de manera homogenea la presion de un fluido entre el molde (A) y la membrana (G) en contacto con el molde (A).

Gracias a la porosidad de la superficie del molde (A), el desmoldeo de la pieza (C) una vez formada, puede realizarse ejerciendo una sobrepresion en la zona (L) entre el molde (A) y la membrana (G) en contacto con el molde (A). La porosidad de superficie del molde (A) permite distribuir la presion sobre la membrana (G) de manera homogenea y evitar asl, durante la extraction, los inevitables deslaminados si las propiedades mecanicas del composite (C) aun no son las optimas.

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El molde (A) puede realizarse con numerosos materiales que tienen las dos caracterlsticas enunciadas antes, es decir: porosidad de superficie y la resistencia a la presion y a la temperatura de funcionamiento del aparato.

En la practica, la superficie o la totalidad del molde (A) puede realizarse con unos materiales poco costosos como espumas porosas o aglomerados de madera o bien estar constituido por un material recubierto con un tratamiento superficial que permita el drenaje de un fluido hacia el exterior de la superficie sobre la que se conforma el composite (C).

Unas zonas del aparato estan delimitadas por las membranas (G, F), la camara y el molde (A). En estas zonas, el tipo de fluido, su presion y su temperatura pueden controlarse por separado gracias a unos orificios de acceso y a un conjunto de perifericos adaptados.

Durante la operacion de compresion, el molde (A) esta limitado por sus caras superior e inferior por la accion de los fluidos contenidos en el interior de las camaras (D, E) o limitado en su cara superior por la accion del fluido en la camara superior (E) sobre la membrana (F) y retenido por su cara inferior por un soporte rlgido (P) solidario con el chasis (B) de retencion.

Cuando el molde (A) esta retenido por el chasis (B) entre las camaras superiores (E) e inferiores (D) del aparato y que unos fluidos aplican una presion sobre sus superficies inferior y superior, las presiones pueden controlarse sobre estas dos caras del molde (A) mientras su periferia esta retenida con una forma predefinida por el chasis (B) del aparato. De esta manera, una importante rigidez estructural ya no es un parametro principal para el diseno del molde (A) puesto que es posible controlar su deformacion entre la periferia y el centro modificando las presiones de los fluidos contenidos en las camaras superiores (E) e inferiores (D).

En este util, teniendo en consideracion la rigidez del chasis (B) que garantiza la retencion de la periferia del molde (A), la presion aplicada sobre el molde (A) puede descomponerse en dos componentes.

La primera es la resultante de todas las fuerzas normales al plano formado por el chasis (B) del aparato que retienen el molde (A); estas presiones pueden equilibrarse y en todos los casos su diferencial puede controlarse regulando las presiones en las camaras inferiores (D) y superiores (E) del aparato. Para estas fuerzas, la resistencia a la deformacion bajo presion del o de los materiales que constituyen el molde (A) es el unico criterio que nos interesa.

La segunda es la resultante horizontal de las fuerzas generadas por la aplicacion de presion de los fluidos en las camaras (D, E). En el caso de unos moldes con un hueco importante, estas fuerzas paralelas al plano del chasis (B) de retencion pueden ser importantes y provocar unas tracciones en el molde (A) que pueden llegar hasta la ruptura del o de los materiales que lo constituyen. Para resolver este problema, el molde (A) estara dotado con uno o varios refuerzos (H) paralelos al plano en el que el chasis (B) retiene el molde (A) en posicion, realizados con un material resistente a las tensiones de traccion generadas sobre el mismo por el aparato. Estos refuerzos (H), solidarios con el molde (A), pueden estar constituidos, por ejemplo, por unas placas de fibras de composite y resina o por unas chapas metalicas. De tal manera que gracias a la accion de estos refuerzos (H), las tensiones en el molde (A) pueden descomponerse y resumirse en tensiones de compresion sobre las caras opuestas a las camaras (D, E) que contienen los fluidos, en tensiones de traccion paralelas al plano en el que el chasis (B) del aparato retiene el molde. Estas ultimas fuerzas se retoman en traccion en el plano de refuerzo y en cizallamiento en el material del molde (A) situado en las zonas retenidas en la periferia del molde por el chasis (B) del aparato.

La introduccion, en las camaras (D, E) de llquidos incompresibles correspondientes al volumen teorico exacto de las cavidades definidas cuando el material composite (C) se conforma en el molde (A) permite, cuando se aplica presion sobre los llquidos, garantizar la perfecta conformacion de la pieza en el molde (A). Un liquido incompresible utilizado para gestionar la conformacion del composite (C) y someter las camaras (D, E) a presion tiene ademas la ventaja de permitir el uso de altas presiones de trabajo sin que el sistema presente un riesgo de explosion, a la inversa de los autoclaves en los que se somete a presion una gran cantidad de gas. Esto simplifica tanto el cumplimiento de las normas de seguridad del aparato como el control y mantenimiento del mismo.

La presion puede variar de manera independiente en todas las zonas cerradas del aparato. De esta manera, la deformacion de las membranas (G) y (F) que contienen el composite (C) puede controlarse y optimizarse.

La importancia de esta funcion se debe al hecho de que la operacion de conformado del composite (C) se efectuara de manera diferente segun la forma del molde (A) y, por tanto, de la tension a la que sometera a las membranas (G) y (F) que contienen el composite durante la fase de conformacion del material composite (C) sobre el molde (A). La presion en la camara (E) puede ser elevada, de manera a compactar al maximo posible el material composite (C) antes de la polimerizacion de la matriz, reducir al mlnimo las bolsas de aire o de vaclo en el interior del material composite (C) y optimizar el posicionamiento de los refuerzos entre si, as! como el posicionamiento del conjunto de materiales que constituyen el composite (C) en el molde (A). Esta presion habitualmente se obtiene en unos hornos autoclaves mediante el aumento de la presion del aire en torno a la pieza hasta unas presiones de aproximadamente 0,8 a 1 MPa que habitualmente se usan para unas piezas mecanicas destinadas a ser sometidas a grandes tensiones. Estas camaras de alta presion son muy delicadas y costosas de realizar, habida cuenta del riesgo de explosion en caso de rotura de la camara. En el aparato objeto de la patente, la sobrepresion se puede obtener con la ayuda de un fluido no compresible en estado liquido, tal como agua o aceite. Esta caracterlstica hace que sea facil

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aplicar presion y el importante calor masico de algunos de estos fluidos permite obtener una regulacion eficaz de la temperatura en el aparato. De este modo, se puede mantener la temperatura baja para bloquear o ralentizar la polimerizacion de la matriz del composite o aumentarse de manera regulada durante la fase de polimerizacion de la matriz.

Segun las temperaturas de formacion y coccion deseadas se elegiran distintos fluidos. Se pueden usar varios fluidos en funcion de las aplicaciones o de las fases sucesivas de una misma fabricacion (agua a partir de 0 °C y mas para la formacion y aceite a mas de 100 °C para la coccion, por ejemplo). Pueden retenerse varios moldes (A) (Fig. 3) con sus juegos de membranas (G) y (F) en el mismo chasis (B) conservando en el aparato las mismas funcionalidades de trabajo que con un unico molde (A). La unica limitacion consiste en trabajar con unos moldes (A) para los que las presiones de trabajo sean compatibles.

Se pueden habilitar unas zonas o puntos de referencia fijos en el molde (A) de manera a permitir su colocacion en un punto de referencia normalizado. Gracias a estos puntos de referencia y a la porosidad de la superficie del molde (A), el composite (C) obtenido tras la conformacion en el molde (A) y polimerizacion de la matriz se puede retener en posicion por depresion sobre el molde (A), el cual esta posicionado sobre un centro de mecanizado digital. El mecanizado de acabado se puede realizar rapidamente, en las mejores condiciones de retencion y de precision. El molde (A) puede servir, por tanto, alternativamente de molde (A) de formacion y de soporte para la retencion de la pieza formada durante su mecanizado en un centro de mecanizado digital. El molde (A) tambien puede usarse como conformador reteniendo una pieza mediante la aplicacion de vaclo sobre este mientras la matriz se polimeriza u otras piezas se ensamblan en la pieza as! retenida.

Para retener el molde (A) en su forma inicial durante el trabajo en el aparato, se pueden usar dos soluciones.

La primera consiste en poner el molde (A) en el aparato de tal manera que una vez que el molde (A) esta retenido en la periferia por el chasis (B) y antes de que las camaras (D, E) se sometan a presion, el molde (A) tenga la forma final deseada. A continuacion, la deformacion de las camaras (D, E) con relacion al chasis (B), durante la aplicacion de presion, sera identica en ambos lados del molde (A) cuando las camaras superiores (E) e inferiores (D) esten a la misma presion. De esta manera, el aumento de la presion en el aparato causara una variacion de volumen identica para las camaras (D, E) mientras que el molde (A) permanece fijo con respecto al chasis (B) del aparato.

La segunda solucion consiste en introducir un sistema de medicion de la posicion del molde (A) con respecto al chasis (B) que permita saber en todo momento la posicion de ciertos puntos de referencia del molde (A) con respecto al chasis (B) que constituye la zona de referencia del aparato. Gracias a este sistema, sera posible hacer variar la presion por separado en las camaras superior (E) e inferior (D) de manera a regular la posicion del molde (A) con relacion al chasis (B) y, por tanto, a su propia zona periferica que esta retenida por este mismo chasis.

Es posible separar la superficie del molde (A) (Fig. 6) sobre la que el composite (C) debe conformarse en varias zonas, con la ayuda de juntas (J) que permiten determinar diferentes zonas (I), en las que las presiones de los fluidos podran regularse por separado. La camara (E) enfrente del molde (A) podra compartimentarse a su vez, si fuera necesario, frente a frente de unas separaciones de las zonas (I) efectuadas en el molde. Lo mismo se aplica, si fuera necesario, para la camara (D) situada en la cara inferior del molde (A) que puede separase en zonas independientes (L). Esto permite diferenciar las presiones de formacion o de compactado a demanda. Este equipo tambien permite realizar unas fases de aplicacion de vaclo y compactado sucesivas para un mismo molde (A). Obteniendose el equilibrio zona a zona en las caras superior e inferior del molde (A), esta operacion de compresion con presiones diferenciadas puede obtenerse controlando las deformaciones del molde (A) as! como su posicion con relacion al chasis (B).

Para fabricar unas piezas huecas (Fig. 7), es posible instalar unos moldes (A) no de manera a realizar unas fabricaciones independientes superpuestas como se indica mas adelante, sino con las caras sobre las cuales el composite (C) debe conformarse frente a frente. Las membranas (G) y (F) que contienen el composite (C) se disponen en el aparato entre los dos moldes (A). Unas bolsas (N) flexibles y extensibles se dispondran en el composite (C) contenido entre las dos membranas (G) y (F). Estas bolsas (N) estaran equipadas de tal manera que sea posible introducir un fluido en cada una de entre ellas y de hacer variar la presion conjunta o independientemente. Tras la polimerizacion y segun las posibilidades de acceso ofrecidas por el producto terminado mecanizado en las zonas que contienen las bolsas (N), las bolsas podran bien retirarse del producto terminado o bien dejarse permanentemente en el interior de este producto. En este tipo de fabricacion, el principio general de funcionamiento del aparato permanece identico al principio descrito mas adelante.

Mediante la inyeccion de espuma o por formacion de un material polimerizable entre dos membranas (G) y (F) que determinan la forma de la pieza terminada, es posible fabricar un contramolde (M) o un molde conformador sin pasar por un mecanizado. Los moldeos obtenidos con este procedimiento pueden servir de contramolde (M) (Fig. 5) para la conformacion del composite (C) durante la operacion de formado o para conformar las piezas una vez que han salido del aparato, en tanto que esto sea necesario, hasta el final de la polimerizacion de la matriz que, segun el tipo de matriz usado y las condiciones de temperatura, puede variar de unos minutos a varios dlas.

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En el caso en el que se use un contramolde (M) total o parcial con relacion a la superficie sobre la que el composite (C) debe conformarse durante la operacion de fabricacion, estara contenido en una zona del aparato delimitada, por una parte, por la membrana (F) que contiene el composite (C) y, por otra parte, por una membrana (D) que lo separa de la camara (E) del aparato. La presion de los fluidos en la zona entre estas dos membranas (F) y (G) y en la camara (E) puede regularse de manera separada. En un primer tiempo, la forma del contramolde (M) esta empujada por la presion del fluido contenido en la camara superior (E) contra el molde (A). Si la situacion permaneciera en el mismo estado, la presion serla maxima sobre las superficies normales a la camara (E) y en contacto con el contramolde (M) y nula en las superficies perpendiculares a la camara. Todas las superficies con unos angulos intermedios estarlan limitadas de manera diferente en funcion del angulo y espesor del composite (C). En el aparato, la primera conformacion de los refuerzos o de los refuerzos y de la matriz no polimerizada, segun los casos, se puede hacer con ayuda del contramolde (M) que garantiza una primera colocacion. En un segundo tiempo, se introduce un fluido, compresible o no, entre las membranas inferior (F) y superior (P) que contienen el contramolde (M). La aplicacion de presion en este fluido provoca una aplicacion homogenea de presion en las membranas (F) y (g) que contienen el composite (C) contra el molde (A) durante la fase de polimerizacion de la matriz como serla el caso en un autoclave. Esta caracterlstica diferencia nuestro procedimiento del procedimiento "RTM" (por sus siglas en ingles de "Resin Transfert Moulding" moldeo por transferencia de resina). En el "RTM", el molde y el contramolde estan fijos y la cantidad de matriz se determina en cuanto se procede al cierre del molde y del contramolde. En nuestro procedimiento, la aplicacion de presion en la membrana (F) gracias a un fluido permite un compactado del composite (C) y una colocacion de las fibras, as! como una optimizacion de la cantidad de matriz y de refuerzo, exactamente tal y como es el caso en un autoclave.

En el caso en el que se use el contramolde (M), el compactado del composite (C) con la ayuda del fluido contenido en la camara que contiene el contramolde puede generar un espacio entre el contramolde y la membrana (F) que contiene el composite. Este espacio puede deberse a una mala optimizacion del compactado en la zona considerada o a una forma del molde (A) que no permite una conformacion durante el traslado del contramolde (M). En este caso y si fuera necesario para darle a la pieza terminada una cota precisa, es posible realizar la primera aplicacion del composite (C) que, se conformara, se compactara y luego se polimerizara hasta que se efectue una segunda inyeccion de resina entre la membrana (F) que contiene el composite situada del lado del contramolde (M) y el composite ya polimerizado. Debido a ello, la parte de la pieza obtenida durante la primera fase conservara sus propiedades mecanicas y la pieza final se ajustara a la forma deseada en una unica operacion.

En el caso de que la matriz se aplique en el refuerzo en estado llquido, es decir, en el caso en el que no se utilicen tejidos preimpregnados cuya relacion de refuerzo y matriz se haya optimizado, es posible, en el aparato descrito, tras haber obtenido una impregnacion por infusion, inyeccion o aplicacion manual de la matriz sobre el refuerzo, realizar un compactado como se ha descrito anteriormente. Despues de esta fase, cuyo efecto principal es el de optimizar el reparto y la posicion de la matriz y del refuerzo, es posible, abriendo la zona entre las membranas (F) y (G) que contienen el composite (C) bien al exterior, bien a una zona con una fuerte depresion con respecto a la presion establecida en las camaras (D, E) del aparato, hacer fluir hacia esta zona exterior al aparato una parte de la matriz cuya cantidad estuviera en exceso hasta obtener la relacion ideal deseada entre matriz y refuerzo. Tras esta fase, se pueden dejar las aberturas abiertas o cerradas para retomar el compactado del composite (C) sin riesgo de hacer fluir mas parte de la matriz hacia el exterior del aparato.

Los problemas encontrados durante la produccion de cantidades importantes de piezas de composite con el sistema "RTM" estan vinculados al desgaste del molde, lo que conlleva el uso de unos moldes metalicos para las grandes series y al control de la temperatura entre las diferentes series de fabricacion, lo que se revela diflcil y muy costoso energeticamente, considerando la inercia termica de los materiales utilizados para la fabricacion de los moldes, ya se trate de metales o de resinas. El desgaste se debe en parte al mantenimiento del molde que comprende unas fases de preparation y limpieza que conllevan una abrasion y una agresion qulmica de las superficies. El desgaste se debe tambien al rozamiento de los refuerzos sobre el molde durante el cierre de la camara en el que la matriz debe inyectarse. Para evitar que este desgaste adquiera unas proporciones demasiado importantes, se usan unos aparatos especialmente disenados para formar los refuerzos en los moldes. Ademas, para una calidad optima en la fabricacion de un composite termoendurecible, es fundamental controlar el ciclo de temperatura durante la polimerizacion con el fin de optimizar la calidad del composite obtenido. Los moldes metalicos o de resina requieren mucha energla para enfriarse al final del ciclo y su inercia termica conlleva unos tiempos muy largos de recuperation de la temperatura optima. Este inconveniente conlleva automaticamente una bajada de la calidad durante la produccion de grandes cantidades de piezas de composite con los procedimientos tradicionales y largos plazos de fabricacion. En el aparato que se describe en la patente, el composite (C) no esta directamente en contacto con el molde (A) y la election de membranas que conlleven poca abrasion durante la conformacion permite acumular un ahorro de tiempo, al evitar el preformado y la conservation del molde (A) que no esta sometido a las agresiones que representan la limpieza y la aplicacion de un desmoldante qulmico sobre sus superficies, as! como, a la abrasion generada por la friction con unos materiales tan duros y abrasivos como la fibra de vidrio, de aramida o de carbono que constituyen los refuerzos de las piezas de composite.

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Como el problema de la adherencia de la matriz al molde ya no se plantea, la eleccion de los materiales o combinaciones de materiales posibles para fabricar el molde esta mucho menos limitada con el procedimiento descrito en la presente memoria que con los procedimientos conocidos. Las ceramicas son unos materiales que pueden ser porosos o microporosos, disponibles en forma de cemento o de ladrillos, mecanizables con unas herramientas controladas para fabricar unas piezas con la forma deseada y que resisten a la compresion a presiones muy elevadas. Su uso esta perfectamente adaptado, por tanto, a la fabricacion de moldes para el aparato descrito.

Asociados a un refuerzo (H) que presenta una importante resistencia a la traccion y poco alargamiento como se ha descrito antes, estas ceramicas aportan ventajas determinantes para la fabricacion de grandes series realizadas con el aparato descrito en esta patente. La primera cualidad es la posibilidad de obtener un acabado optimo de la superficie, conservando una microporosidad de la ceramica propicia para la evacuacion del volumen de fluido aprisionado entre la membrana (G) y el molde (A). La segunda cualidad es una dureza superficial que limita el desgaste del molde (A) considerando, ademas, que solo esta sometido a las tensiones debidas al contacto con la membrana (G) durante el ciclo de fabricacion. La tercera cualidad es la capacidad de aislamiento termico de las ceramicas que permite controlar la temperatura de los composites durante la polimerizacion de la matriz unicamente con la ayuda de la temperatura de los fluidos contenido en las camaras (D, E) al influir muy poco las variaciones de temperatura del molde (A) sobre el procedimiento. De esta manera, es posible realizar cada fase de fabricacion a una temperatura inducida principalmente por el efecto de los fluidos usados en el aparato sin una incidencia notable del aumento o reduccion de temperatura del volumen del molde (A), como es el caso con los moldes de metal o de resina usados en los procedimientos conocidos. Al ser las ceramicas un aislante de muy alta calidad, protegen de la transmision de calor al refuerzo inferior (H) que garantiza la resistencia a la traccion del molde (A) durante el aumento de presion.

Debido a este hecho, es posible la asociacion de materiales como los composites de la matriz y el refuerzo y, de manera mas particular, de resina epoxi o fenolica y fibra de carbono, en lugar de un refuerzo metalico incluso en el caso de usar fluidos a muy alta temperatura con el fin de acelerar los ciclos de polimerizacion de la matriz del composite. Las resinas epoxi o fenolicas que vinculan las fibras de carbono pierden sus cualidades mecanicas mas alla de cierta temperatura, generalmente comprendida entre 80 y 200 grados, dependiendo de las resinas y es posible trabajar de manera continuada con un molde de ceramica reforzado por su cara inferior con un refuerzo sin que la cara inferior aumente de temperatura por encima de los llmites de resistencia de las resinas mencionadas. Gracias al aislamiento termico ofrecido por la ceramica es posible controlar las deformaciones debidas a las diferencias en el coeficiente de dilatacion de los materiales que constituyen el molde (A). Bien el aislamiento termico garantizado por la ceramica es suficiente como para que las diferencias de temperatura en el transcurso del ciclo induzcan una deformacion insignificante con respecto a los llmites fijados por el pliego de condiciones del composite y del molde; bien es necesario, considerando el uso, durante las fases de produccion, de fluidos empleados a muy alta temperatura o a muy baja temperatura, incluyendo el caso de choques termicos vinculados a la sucesion en un plazo de tiempo muy breve de fluidos muy calientes y muy frlos en las camaras (D, E) del aparato, instalar un dispositivo en la construccion del molde (A) que permita con un equipo y perifericos adaptados, calentar o refrigerar ciertas zonas del molde (A). El aislamiento termico garantizado por la ceramica reducira considerablemente la necesidad de regulacion termica en el interior del molde (A) para obtener el resultado esperado, en materia de control de la estabilidad, en cuanto a la forma del molde (A).

Los materiales ceramicos porosos o microporosos tienen una excelente resistencia a la compresion a las presiones usadas en la industria para la conformacion y el compactado de los composites. Soportan peor las tensiones de flexion, torsion y traccion. Como ya se ha visto antes, es posible asociarlos con unos refuerzos a los que estan vinculados y que garantizan la resistencia del molde (A) a la traccion y al chasis periferico (B) cuya rigidez garantiza el control de la torsion, la presion en la camara inferior (D) o al soporte de la bandeja (Fig. 4) (B) que controla la flexion del molde (A).

Otra solucion consiste en integrar el molde poroso al menos sobre la superficie sobre la que el composite (C) se forma en el aparato, equipado con unas vlas y unos perifericos que permiten la evacuacion de fluidos hacia el exterior de la camara del aparato (de la Fig. 8 a la fig. 10), entre la membrana (G) y, bien una bandeja (B)(Fig. 8), bien un tabique rlgido cuya forma esta controlada por un fluido (Y Fig. 9), bien una membrana flexible (Z) (Fig. 10) que delimita una camara en el que es posible controlar la presion de un fluido. La forma de la parte periferica del molde es tal que cuando el aparato esta en su presion de servicio, el molde recibe sobre el conjunto de su superficie exterior una presion isobarica aplicada por la membrana (G) sobre su cara superior y por la membrana (Z) (Fig. 10) sobre su cara inferior o una presion isobarica sobre su cara superior equilibrada por la resistencia de la bandeja (B) (Fig. 8) o del tabique (Y) (Fig. 9) sobre su cara inferior.

Claims (16)

1. 5

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   REIVINDICACIONES

   1. Aparato destinado a formar y compactar un composite (C) dotado de una matriz, incluyendo dicho aparato:

   dos membranas (G, F) flexibles y extensibles adecuadas para contener el composite (C) que se adhieren o no al composite (C) y para retenerlo sobre un molde (A) de conformacion durante la polimerizacion de la matriz, estando el molde (A) constituido por uno o varios materiales resistentes a la compresion a la presion aplicada por la membrana (F) sobre el composite (C),

   un chasis (B) que retiene las dos membranas (G, F) y el molde (A) en su periferia y relativamente entre ellos, una camara superior (E) que recibe un primer fluido cuya presion es variable en el interior de la camara superior (E), estando la camara superior (E) separada del molde (A) por las dos membranas (G, F), caracterizado porque incluye una camara inferior (D) que recibe un segundo fluido y unos medios de regulacion de la presion de dicho segundo fluido en el interior de la camara (D) configurados para hacer que la presion de dicho segundo fluido varle en la superficie inferior del molde (A) y, por consiguiente, para controlar la deformacion del molde (A) mientras la presion del primer fluido varla en la camara superior (E), estando las camaras superior (E) e inferior (D) dispuestas a un lado y otro del molde (A),

   y en el que el molde (A) se retiene en la periferia con relacion al chasis (B) y es poroso al menos en la superficie en la que el composite (C) es adecuado para ser conformado, con el fin de eliminar cualquier fluido contenido entre el molde (A) y la membrana (G) por gradiente de presion del primer y segundo fluidos durante la conformacion del composite (C) en la superficie del molde (A).
2. 2. Aparato segun la reivindicacion 1 caracterizado porque al menos una de las dos membranas (G, F) es de un material adherente al composite (C) para formar el revestimiento de la superficie de una pieza final por adherencia a la matriz durante la polimerizacion de la misma.
3. 3. Aparato segun las reivindicaciones 1 y 2 que comprende un refuerzo (H) retenido en la periferia por el chasis (B)

   que presenta una resistencia a la traccion configurada para que su alargamiento durante la aplicacion de presion en los fluidos del interior del aparato sea en todos los casos inferior al llmite de ruptura en traccion del o de los

   materiales que constituyen el volumen del molde (A) sobre el que el composite (C) es adecuado para formarse

   cuando el aparato esta en su intervalo de temperatura y presion de servicio.
4. 4. Aparato segun una cualquiera de las reivindicaciones 1, 2 y 3 que comprende unas vlas habilitadas en la periferia de las membranas (G, F), permitiendo las vlas, gracias a unos perifericos adaptados, controlar la creacion de un vaclo completo o relativo de la zona comprendida entre las membranas (G, F), controlar la inyeccion de la matriz del composite (C) entre las membranas (G, F) y controlar el drenaje hacia el exterior del volumen comprendido entre las membranas (G, F) de un exceso eventual de la matriz por el hecho de un gradiente de presion entre la presion en las camaras en el interior del aparato y la presion predominante en la zona hacia la cual se extrae la matriz.
5. 5. Aparato segun una cualquiera de las reivindicaciones 1, 2, 3 y 4 que comprende unas zonas en el molde (A)

   delimitadas por unas juntas de estanqueidad (J) en la superficie del molde, enfrente o no de bolsas separadas en unas camaras de compresion superior (K) e inferior (L), de manera que la presion de un fluido pueda gestionarse por separado en las distintas camaras comprendidas entre las zonas del molde (A) as! delimitadas y la membrana

   inferior (G) que contiene el composite (C) y que se encuentra en contacto con el molde (A) a la vez que se conserva

   la posibilidad de controlar la deformacion del molde sobre el que el composite (C) es adecuado para conformarse con relacion al chasis (B) influyendo sobre la presion de fluidos en el interior de las bolsas en la camara inferior (L) y superior (K).
6. 6. Aparato segun una de las reivindicaciones 1 a 5 caracterizado por el hecho de que el volumen del molde (A) es de ceramica porosa o microporosa.
7. 7. Aparato segun una de las reivindicaciones 1 a 6 caracterizado por el hecho de que al menos la superficie del molde sobre la cual el composite (C) esta formado es de ceramica porosa o microporosa.
8. 8. Aparato segun las reivindicaciones 3, 6 y 7 caracterizado por el hecho de que el refuerzo (H) integrado en el molde (A) y que garantiza la resistencia a la traccion del molde (A) esta constituido por una matriz de composite y fibra de carbono.
9. 9. Aparato segun las reivindicaciones 3, 6, 7 y 8 en el que el molde (A) comprende un revestimiento de ceramica de aislamiento termico de la superficie de conformado del composite (C) para reducir la amplitud termica en la masa del molde (A) que permite el uso de materiales que tienen unos coeficientes de dilatacion diferentes para la fabricacion del molde (A) sin consecuencias debidas a las temperaturas de los fluidos utilizados en el aparato.
10. 10. Aparato segun las reivindicaciones 3, 6, 7, 8 y 9 que comprende unos equipos configurados para calentar o refrigerar el molde (A) para controlar la dilatacion de los materiales que constituyen el molde (A) independientemente de las temperaturas de los fluidos usados en el aparato.
11. 11. Aparato segun las reivindicaciones 1, 2, 4, 5, 6, 7, 9 y 10, caracterizado porque el molde (A), poroso al menos

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    en la superficie de conformado del composite (C), esta instalado en el aparato, equipado con unas vlas y unos perifericos que permiten la evacuacion de fluidos hacia el exterior de la camara del aparato, entre la membrana (G) y, bien una bandeja (B), bien un tabique rlgido (Y) cuya forma esta controlada por un fluido, bien una membrana flexible (Z) que delimita una camara en la que es posible controlar la presion de un fluido; la forma de la parte periferica del molde (A) es tal que cuando el aparato esta a su presion de servicio, el molde (A) recibe una presion isobarica aplicada por la membrana (G) sobre su cara superior y la membrana (Z) sobre su cara inferior o una presion isobarica sobre su cara superior equilibrada por la resistencia de la bandeja (B) o del tabique (Y) sobre su cara inferior.
12. 12. Aparato segun una de las reivindicaciones anteriores, en el que el primer y segundo fluido son unos llquidos incompresibles.
13. 13. Procedimiento de formacion y compactado de un composite (C) que incluye una matriz, que comprende el uso de un aparato segun una de las reivindicaciones anteriores y la conformacion y retencion del composite (C) en el molde (A) durante la polimerizacion de la matriz.
14. 14. Procedimiento segun la reivindicacion anterior que incluye una regulacion de la presion y de la temperatura de los fluidos en las zonas del aparato donde circulan unos fluidos con la ayuda de accesos y perifericos adaptados.
15. 15. Procedimiento segun una de las dos reivindicaciones anteriores que comprende la retencion en su posicion del composite (C) tras la polimerizacion de la matriz mediante una aplicacion de depresion en la zona entre el molde (A) y el composite (C) debido a la porosidad de la superficie del molde (A) que permite controlar de manera homogenea la presion de un fluido entre el composite (C) y el molde (A).
16. 16. Procedimiento segun una de las reivindicaciones 13 o 14 en el que un contramolde (M) que tiene caracterlsticas similares a las del molde (A) se introduce enfrente del molde (A), separado del composite (C) por una membrana (F); y en el que, durante la siguiente fase, la membrana que recubre el contramolde (M) es empujada por un fluido hacia el molde (A) para homogeneizar la presion soportada por las membranas que contienen el composite (C), manteniendose la presion el tiempo necesario para la polimerizacion total o parcial de la matriz, tras lo cual, bien se inyecta o infunde una resina polimerizable entre el composite (C) y la membrana superior (F) que contiene el composite (C) sobre la cara enfrentada al contramolde (M) con el fin de conformar la parte de la pieza enfrente del mismo con la forma del contramolde (M), bien se hincha una vejiga (N) con la ayuda de las vlas y perifericos adaptados para desplazar los elementos del composite contenidos entre las membranas (G, F) hacia el molde (A) para una parte y hacia el contramolde (M) para la otra parte; el contramolde (M) que presenta una porosidad superficial al menos sobre la zona enfrente de la cual se conforma el composite (C) de manera que la presion del fluido que permite el compactado del composite (C) sobre el molde (A) pueda controlarse de manera homogenea sobre toda la superficie y permitir el desplazamiento regular de la membrana (F) hacia el contramolde (M) y la evacuacion del fluido contenido entre la membrana (F) y el contramolde (M) hacia el exterior de la zona de compresion por gradiente de presion durante la fase de inyeccion de resina tras la polimerizacion completa o parcial del composite (C) compactado durante la primera fase o durante el hinchado de la vejiga que permite desplazar el composite entre les membranas (G, F).