“Pieza multicapa, método de fabricación de una pieza multicapa y utillaje”

SECTOR DE LA TÉCNICA

La presente invención se relaciona con piezas multicapa que comprenden materiales termoplásticos y termoestables y con métodos de fabricación de dichas piezas multicapa.

ESTADO ANTERIOR DE LA TÉCNICA

Con la entrada del vehículo eléctrico, los fabricantes de vehículos se enfrentan a nuevos retos debido a la necesidad de nuevos materiales más ligeros en sustitución de los actuales. En la actualidad se está trabajando en la sustitución del aluminio por materiales del tipo “Sheet Molding Compound” (SMC) debido a las ventajas que este material presenta: alta durabilidad, buen rendimiento mecánico, libertad de diseño en la fabricación de geometrías complejas y su bajo peso. Además, este tipo de material SMC puede adaptarse para satisfacer con precisión las necesidades de procesamiento y uso final. El SMC permite una alta personalización vahando el tipo y la cantidad de ingredientes. Se pueden agregar muchos aditivos como de blindaje, pigmentos, retardantes de fuego, etc. al compuesto sin debilitar el rendimiento mecánico ampliando el rango de aplicaciones finales. No obstante, una pieza de SMC en un vehículo eléctrico tiene problemas de vibración y, por lo tanto, genera ruido.

En el estado de la técnica es conocido el uso de materiales termoplásticos como elementos que disminuyen la vibración.

EP3597702 A1 describe el uso de un material termoplástico del tipo elastómero termoplástico (TPE) para su unión a una capa de plástico reforzado con fibras de carbono. En dicho documento se describen distintos TPE que permiten la adhesión con el plástico reforzado.

DE202011004780 U1 describe el uso de elementos adhesivos que comprenden una estructura bicapa, siendo una de las capas adhesiva y otra de las capas de plástico rígido. EXPOSICIÓN DE LA INVENCIÓN

El objeto de la invención es el de proporcionar una pieza multicapa, un método para la fabricación de una pieza multicapa y un utillaje configurado para su uso en el método, según se define en las reivindicaciones.

Un aspecto de la invención se refiere a una pieza multicapa que comprende una primera capa de un polímero termoestable del tipo SMC, una segunda capa de un elastómero termoplástico (TPE), y una tercera capa intermedia formada por la integración y el enlazamiento del polímero termoestable y el polímero termoplástico.

Otro aspecto de la invención se refiere a un método de fabricación de una pieza multicapa que comprende una primera capa de un polímero termoestable del tipo SMC y una segunda capa de un elastómero termoplástico (TPE), comprendiendo el método las siguientes etapas: una primera etapa de generación de una capa que comprende un polímero termoestable del tipo SMC estando al menos una parte de dicha capa no curada; una segunda etapa de incorporación de un elastómero termoplástico fundido sobre al menos dicha parte no curada de la capa de polímero termoestable provocando o una penetración del elastómero en los intersticios de la parte no curada de la primera capa; o la curación de al menos dicha parte de dicha capa no curada; y o la generación de una capa que comprende un anclaje mecánico basado en la inserción del elastómero termoplástico en los intersticios de la parte no curada de polímero termoestable, así como una unión química entre el polímero termoestable y el elastómero termoplástico debido a la presencia de grupos químicos afines; y una tercera etapa de enfriamiento del elastómero termoplástico generándose la capa que comprende elastómero termoplástico.

Otro aspecto de la invención se refiere a un utillaje configurado para su uso en el método de la invención y comprende al menos un molde en cuyo interior se llevan a cabo las distintas etapas del método de la invención.

Con la pieza multicapa de la invención se consigue una pieza con una unión mejorada de la capa termoestable y la capa termoplástica. Esta pieza además es más manejable de cara a su posterior uso en la fabricación de productos que llevan incorporada la pieza de la invención. La capa SMC aporta la rigidez necesaria y la capa del elastómero termoplástico (TPE) mientras tanto aporta las propiedades antivibratorias necesarias para evitar el ruido. Por otro lado, el hecho de que la pieza disponga de una capa de TPE le permitirá la adhesión a otros componentes mediante la unión por fusión de la capa del TPE.

Con el método de la invención por otro lado se consiguen las siguientes ventajas:

Una disminución del tiempo de fabricación de las piezas multicapa. Se eliminan etapas de impregnación de adhesivos para la unión entre el SMC y TPE.

Un control de los grosores de las distintas capas de la pieza multicapa.

La opción de incorporar la capa del elastómero termoplástico sobre una zona localizada de la capa de SMC, es decir, permite la localización del TPE en zonas concretas de la capa de SMC.

Una optimización del consumo de energía durante la fabricación ya que se utiliza el calor desprendido por el termoplástico fundido para el curado final del polímero termoestable.

El utillaje de la invención además permite aplicar el método de una manera sencilla, práctica, eficiente y efectiva.

Estas y otras ventajas y características de la invención se harán evidentes a la vista de las figuras y de la descripción detallada de la invención.

DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

La Figura 1 muestra una representación esquemática de la pieza multicapa de la invención.

La Figura 2 muestra una representación esquemática de las etapas del método de la invención.

La Figura 3 muestra una representación de una realización del utillaje de la invención.

EXPOSICIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN

Tal y como se muestra en la Figura 1, la pieza multicapa 10 de la invención comprende una primera capa 11 de un polímero termoestable del tipo SMC, una segunda capa 12 de un elastómero termoplástico (TPE), y una tercera capa 13 intermedia formada por la integración y el enlazamiento del polímero termoestable y el elastómero termoplástico.

El SMC, según la “European Alliance for SMC BMC”, se refiere a materiales compuestos de una resina termoestable reforzados con fibras cortadas que se presenta en forma de lámina maleable y preparados para su transformación mediante moldeo por compresión. La resina termoestable sufre una reacción de entrecruzamiento cuando el material se cura bajo presión y temperatura durante el moldeo por compresión, obteniendo las propiedades finales del compuesto.

El SMC suele comprender al menos los siguientes ingredientes:

(1) Resina termoestable

(2) Fibras de refuerzo

(3) Agente espesante

(4) Iniciador (agente de curado)

(5) Inhibidor (estabilizador)

(6) Un agente de desmoldeo

En el contexto de la invención, por integración y enlazamiento del polímero termoestable y el elastómero termoplástico se refiere al anclaje mecánico basado en la inserción del elastómero termoplástico en los intersticios del polímero termoestable, así como una unión química entre el polímero termoestable y el elastómero termoplástico debido a la presencia de grupos químicos afines.

La segunda capa 12 es preferentemente un TPS o TPU o TPA o TPC o TPO o TPV o una mezcla de los mismos. De esta manera se ofrece versatilidad en cuanto a la selección del TPE más indicado para el entorno en donde se vaya a utilizar, dependiendo de la temperatura de uso, frecuencias de atenuación de vibración, etc.

Respecto a la capa 11 , preferentemente comprende una matriz termoestable que comprende una base y entre un 20-60% en peso de fibras discontinuas de vidrio y/o carbono de longitudes comprendidas entre 10 y 40 mm.

Esta base preferentemente es una base fenólica, de vinil éster, de poliéster, de epoxi, de poliuretano o una mezcla de las mismas.

Para una mejor durabilidad de la unión de las capas 11 y 12, preferentemente, el grosor de la tercera capa 13 es de un máximo del 25% del grosor correspondiente a la capa 11 , 12 de menor grosor. En una realización, este grosor es de entre 10 y 25 %, preferentemente entre 10 y 15%. En una realización preferente, el grosor de la capa 11 es menor a 15 mm, preferiblemente entre 1 y 10 mm. Muy preferiblemente, entre 1 y 6 mm.

Con respecto al grosor de la primera capa 11 y la segunda capa 12, en una realización preferente, el grosor de la primera capa 11 es igual o mayor que el grosor de la segunda capa 12.

Respecto a la combinación de los materiales del tipo SMC y TPE, a continuación se incluyen distintas realizaciones que ofrecen buenos resultados en cuanto a la integración y el enlazamiento del polímero termoestable y el polímero termoplástico de la capa 13.

Estas combinaciones no son limitativas. La invención comprende cualquier combinación que permita una unión química entre el polímero termoestable y el elastómero termoplástico debido a la presencia de grupos químicos afines.

Otro aspecto de la invención se refiere a un método de fabricación de una pieza multicapa que comprende una primera capa 11 de un polímero termoestable del tipo SMC y una segunda capa 12 de un elastómero termoplástico (TPE), que comprende las siguientes etapas, tal y como se muestra esquemáticamente en la Figura 2: una primera etapa 21 de generación de una capa que comprende polímero termoestable del tipo SMC estando al menos una parte 112 de dicha capa no curada; una segunda etapa 22 de incorporación de elastómero termoplástico fundido sobre al menos dicha parte no curada de la capa de polímero termoestable provocando o una penetración del elastómero en los intersticios 111 de la parte no curada de la primera capa 11 ; o la curación de al menos dicha parte de dicha capa no curada debido a que la temperatura del elastómero termoplástico fundido es igual o superior a la temperatura de curado del polímero termoestable SMC; y o la generación de una capa 13 que comprende un anclaje mecánico basado en la inserción del elastómero termoplástico en los intersticios 111 de la parte no curada de polímero termoestable así como una unión química entre el polímero termoestable y el elastómero termoplástico debido a la presencia de grupos químicos afines; y una tercera etapa 23 de enfriamiento del elastómero termoplástico generándose la capa 12 que comprende elastómero termoplástico. Esta etapa de enfriamiento provoca la solidificación final del elastómero presente en la pieza multicapa y por lo tanto una mejor manipulación de la pieza multicapa fabricada.

La pieza multicapa de la invención por lo tanto también puede fabricarse según el método de la invención. Para evitar repeticiones innecesarias, las características descritas para la pieza multicapa de la invención, tales como el tipo de material, las combinaciones de materiales y los grosores de las capas, se consideran descritas también para las respectivas realizaciones del método de la invención.

En una realización, la segunda etapa 22 y la tercera etapa 23 se hacen simultáneamente, optimizándose aún más el tiempo de fabricación de la pieza multicapa.

En una realización, la primera etapa se realiza mediante la aplicación de calor sobre dos caras o zonas 113,112 opuestas de la capa 11 de polímero termoestable, siendo la temperatura aplicada sobre una de las caras 113 una temperatura igual o mayor a la temperatura de curado del polímero y siendo la temperatura aplicada sobre la otra cara 112 una temperatura inferior a la temperatura de curado. En una realización preferente, el calor aplicado sobre una de las caras (113) tiene una temperatura entre 130°C y 180°C y el calor aplicado sobre la otra cara (112) tiene una temperatura entre 30°C y 80°C. Estas temperaturas se establecen en base al grosor de la capa 11 y el grosor de la capa 13 que se pretende generar.

En una realización que denominamos inyección-compresión, la incorporación del elastómero termoplástico fundido sobre al menos la parte no curada de la capa 11 es mediante la inyección del elastómero termoplástico fundido. A medida que el elastómero termoplástico se inyecta por encima de su temperatura de fusión, por un lado, los grupos reactivos del SMC no curado reaccionan con los grupos químicos del elastómero termoplástico fundido generando un enlace químico entre ellos. En una realización preferente, tras la incorporación o junto con la incorporación del elastómero termoplástico fundido sobre al menos la parte no curada de la capa 11 se aplica una compresión. Esta compresión permite que el elastómero termoplástico, aún no solidificado, penetre aún más dentro del SMC no curado y genere un anclaje mecánico entre ambos materiales en el momento de solidificación y curado de ambos materiales.

En otra realización que denominamos fusión-compresión, la incorporación del elastómero termoplástico fundido sobre al menos la parte no curada de la capa 11 es mediante la colocación del elastómero en estado sólido y posterior fusión de dicho elastómero sobre dicha al menos una parte de dicha capa 11 no curada y compresión. En una realización preferente, esta fusión y compresión se realiza simultáneamente. Durante esta etapa, los grupos reactivos del SMC no curado pueden reaccionar con los grupos químicos del elastómero termoplástico fundido generando un enlace químico entre ellos. La presión de moldeo por compresión permite que el TPE fundido penetre dentro del SMC no curado y genere un anclaje mecánico entre ellos en el momento de su solidificación. En una realización preferente, la fusión del elastómero sobre al menos una parte de dicha capa 11 no curada se realiza aplicando calor a una temperatura superior a la temperatura de fusión del elastómero, y sobre la parte curada de dicha capa 11 calor a una temperatura de entre 30 y 150°C, mientras se aplica la compresión. De esta manera se asegura la completa curación del SMC y solidificación del TPE que se introduce en los intersticios 111.

En una realización, la etapa de enfriamiento del elastómero termoplástico se realiza bajo presión o aplicando presión. De esta manera se evita la entrada de aire dentro de la pieza, evitando así la generación de burbujas que pueden afectar a la apariencia y a las propiedades mecánicas de la pieza obtenida por el método.

En una realización, la tercera etapa 23 de enfriamiento del elastómero termoplástico se realiza aplicando una temperatura entre 30 y 80°C sobre el elastómero termoplástico.

Otro aspecto de la invención se refiere a un utillaje configurado para su uso en el método de la invención, que comprende al menos un molde en cuyo interior se llevan a cabo las distintas etapas del método.

Tal y como se muestra en la Figura 3, en una realización, el utillaje 30 comprende al menos dos moldes 31 ,32 empleándose dichos dos moldes 31 ,32 para llevar a cabo las distintas etapas del método.

La Figura 3 muestra una realización en donde los al menos dos moldes 31 ,32 están apilados y fijados uno al otro. Esta realización presenta la ventaja de una mejor optimización del espacio y tiempo de fabricación.

Con respecto a los moldes 31 ,32, tal y como se muestra en la Figura 3, en una realización, cada molde 31 ,32 comprende un primer semimolde 301 y un segundo semimolde 302 acoplables entre ellos, en donde dicho primer semimolde 301 y segundo semimolde 303 generan una cavidad 303 cuando están desacoplados donde se disponen las capas 11 , 12, 13 según las distintas etapas del método.

En una realización, cada semimolde 301 ,302 está configurado para calentarse o enfriarse dependiendo de la etapa del método. El calentamiento, preferiblemente se realiza mediante medios tales como medios líquidos calientes como son el aceite y el agua caliente, resistencias eléctricas, inducción, vapor, microondas y/o sus combinaciones. Como medios de enfriamiento, preferiblemente se realiza mediante la absorción de calor por parte de medios líquidos como son el agua y aceite.

En una realización de fusión-compresión, el utillaje comprende al menos dos moldes 31 y 32 apilados uno encima del otro y fijados entre ellos. Uno de los moldes 32 se utiliza para las etapas 21 y 22 y el otro molde 31 se utiliza para la etapa 23 e incluso para generar una lámina de TPE para posteriormente utilizarlo en la realización del método fusión-comprensión en el molde 32. Para esta realización, los semimoldes están configurados para aplicar las siguientes temperaturas:

En una realización de inyección-comprensión, el utillaje comprende al menos dos moldes 31 y 32 apilados uno encima del otro y fijados entre ellos. En un molde 32 se realiza la etapa 21 y en el otro molde 31 se realizan las etapas 22 y 23. Para esta realización, los semimoldes están configurados para aplicar las siguientes temperaturas:

A continuación, se describen algunos ejemplos ilustrativos que ponen de manifiesto las características y ventajas de la invención, no obstante, no se deben interpretar como limitativos del objeto de la invención tal como está definido en las reivindicaciones.

Ejemplos:

Ejemplo 1: Fabricación de una pieza multicapa en donde la primera capa comprende un SMC de tipo poliéster con 30% en peso de fibras discontinuas de vidrio y una segunda capa de elastómero termoplástico tipo TPS, donde el grosor de la capa de SMC es de 2 mm y la capa de elastómero termoplástico es de 1 mm:

1.1. Método de fabricación mediante fusión-compresión

1.1.1. Primera etapa: generación de una capa que comprende polímero termoestable del tipo SMC estando al menos una parte de dicha capa no curada:

La temperatura empleada para generar la capa curada de SMC ha sido 145°C, mientras que la temperatura empleada para generar la capa de SMC no curada ha sido 50°C. Durante esta etapa se aplica compresión. Tiempo empleado: 1 min

1.1.2. Segunda etapa: incorporación del elastómero termoplástico fundido sobre al menos la parte no curada de la capa SMC mediante la colocación del elastómero en estado sólido y posterior fusión y compresión:

La temperatura empleada sobre la parte curada de la capa de SMC ha sido 130°C mientras que se ha aplicado una temperatura de 200°C en la parte donde se incorpora la capa de TPS. Tiempo empleado: 3 min

1.1.3. Tercera etapa: Enfriamiento

Se ha aplicado una temperatura de 50°C durante 2 minutos sobre la pieza. .2. Método de fabricación mediante inyección

1.2.1. Primera etapa: generación de una capa que comprende polímero termoestable del tipo SMC estando al menos una parte de dicha capa no curada

Igual que en el punto 1.1.1.

1.2.2. Segunda etapa: incorporación del TPS fundido sobre al menos la parte no curada de la capa mediante inyección del elastómero termoplástico fundido y tercera etapa de enfriamiento realizados simultáneamente:

La temperatura empleada sobre la parte curada de la capa de SMC ha sido 50°C mientras que se ha aplicado una temperatura de 50°C en la parte donde se ha inyectado la capa de TPS. Tiempo: 1 min

1.3. Método de fabricación inyección-compresión

Igual que en el ejemplo 1.2. pero durante la segunda etapa y tercera etapa además se realiza una compresión.

Ejemplo 2: Fabricación de una pieza multicapa en donde la primera capa comprende un SMC de base epoxi con 57% en peso de fibras discontinuas de carbono y una segunda capa de TPE de tipo TPV que contiene PA como matriz termoplástica, donde el grosor de la capa de SMC es de 2 mm y la capa de elastómero termoplástico es de 1 mm:

2.1 Método de fabricación mediante fusión-compresión

2.1.1 Primera etapa: generación de una capa que comprende polímero termoestable del tipo SMC estando al menos una parte de dicha capa no curada:

La temperatura empleada para generar la capa curada de SMC ha sido 155°C, mientras que la temperatura empleada para generar la capa de SMC no curada ha sido 50°C. Durante esta etapa se aplica compresión. Tiempo empleado: 1 min

2.1.2 Segunda etapa: Incorporación del elastómero termoplástico fundido sobre al menos la parte no curada de la capa SMC es mediante la colocación del elastómero en estado sólido y posterior fusión y compresión:

La temperatura empleada sobre la parte curada de la capa de SMC ha sido 140°C mientras que se ha aplicado una temperatura de 260°C en la parte donde se coloca la capa de TPV. Tiempo empleado: 3 min

2.1.3 Tercera etapa: Enfriamiento

Se ha aplicado una temperatura de 80°C durante 2 minutos sobre la pieza.

2.2 Método de fabricación inyección

2.2.1 Primera etapa: generación de una capa que comprende polímero termoestable del tipo SMC estando al menos una parte de dicha capa no curada

Igual que en el punto 2.1.1. 2.2.2 Segunda etapa de incorporación del TPV fundido sobre al menos la parte no curada de la capa es mediante inyección del elastómero termoplástico fundido y tercera etapa de enfriamiento realizados simultáneamente:

La temperatura empleada sobre la parte curada de la capa de SMC ha sido 80°C mientras que se ha aplicado una temperatura de 80°C en la parte donde se ha inyectado la capa de TPV. Tiempo: 1 min

2.3 Método de fabricación inyección-compresión Igual que en el ejemplo 2.2. pero durante la segunda etapa y tercera etapa además se realiza una compresión.