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TECNOLOGIA I (Productos) Curso Lectivo Año 2015 Responsables de Cátedra: Ing. Felipe Olivo Ing. Matías Martínez Gamba D.I. Carolina Díaz Azorín D.I. Alejandra Jaimerena D.I. Ana Membibre

Horario de cursada: miércoles de 14:30 a 18:30 hs Lugar de cursada: Sede Anexa FAUD, España 3951. Edublog: http://tecno1productos.blogspot.com.ar/ E-mail: [email protected] Facebook: https://www.facebook.com/tecnologia.unoproductos

PROGRAMA UNIDAD 1. - MATERIALES 1.1.- Selección de materiales, 1.2.- Propiedades de los materiales, 1.3.- Estados y cambio de la materia, 1.4.- Densidad y peso específico, 1.5.- Propiedades físico-mecánicas, químicas y tecnológicas, 1.6.- Conceptos sobre rugosidad superficial, 1.7.- Conceptos de economía en la fabricación. UNIDAD 2. - METALES 2.1.- Introducción, 2.2.- Metales ferrosos, 2.3.- Metales no ferrosos, 2.4.- Metales base aluminio, 2.5.- Metales base cobre, 2.6.- Otros metales no ferrosos, 2.7.- Obtención de metales, 2.8.- Obtención de productos terminados y semiterminados. UNIDAD 2.1. - FUNDICIÓN 2.1.1.- Introducción, 2.1.2.- Materiales de moldeo, 2.1.3.- Fabricación de moldes y noyos, 2.1.4.- Equipos y operación para el moldeo en máquinas, 2.1.5.- Sistemas especiales de moldeo, 2.1.6.- Fusión y colada del metal. UNIDAD 2.2. - FORJA 2.2.1.- Introducción, 2.2.2.- Fundamentos de la forja, 2.2.3.- Forja en frío, 2.2.4.- Forja en caliente, 2.2.5.- Operaciones de forja, 2.2.6.- Condiciones de trabajo. UNIDAD 2.3. - CONFORMADO 2.3.1.- Introducción, 2.3.2.- Estampado, 2.3.3.- Punzonado y corte, 2.3.4.- Doblado y curvado, 2.3.5.- Arrollado, bordonado, cercado, perfilado y engrapado, 2.3.6.- Embutido, estirado y extrusión. UNIDAD 2.4. - SOLDADURA 2.4.1.- Introducción, 2.4.2.- Tipos de uniones soldadas, 2.4.3.- Soldadura por arco eléctrico, 2.4.4.- Soldadura por resistencia eléctrica, 2.4.5.- Soldadura por fricción, 2.4.6.- Soldadura y corte por llama de gas, 2.4.7.- Soldadura por explosión, 2.4.8.- Soldering y brazing, 2.4.9.Corte por chorro de agua. UNIDAD 2.5. - MECANIZADO: Obtención de formas con pérdida de viruta 2.5.1.- Introducción, 2.5.2.- Máquinas herramientas, 2.5.3.- Herramientas de corte, 2.5.4.Control en máquinas herramientas; 2.5.1.- Torneado: 2.5.1.1.- Introducción, 2.5.1.2.Aspectos elementales del torno, 2.5.1.3.- Operaciones en el torno, 2.5.1.4.- Clases de tornos; 2.5.2.- Fresado: 2.5.2.1.- Introducción, 2.5.2.2.- Tipos de fresas, 2.5.2.3.- Clases de fresadoras; 2.5.3.- Limado: 2.5.3.1.- Introducción, 2.5.3.2.- Máquinas limadoras, 2.5.3.3.-

Máquinas cepilladoras, 2.5.3.4.- Mortajadoras, 2.5.3.5.- Brochadoras; 2.5.4.- Taladrado: 2.5.4.1.- Introducción, 2.5.4.2.- Máquinas taladradoras, 2.5.4.3.- Mechas y brocas; 2.5.5.Rectificado: 2.5.5.1.- Introducción, 2.5.5.2.- Muelas, 2.5.5.3. Trabajos y tipos de rectificadoras. UNIDAD 3. - PLÁSTICOS 3.1.- Introducción, 3.2.- Polímeros, 3.3.- Aditivos, 3.4.- Mezclas, 3.5.- Procesamiento, 3.6.Extrusión, 3.7.- Inyección, 3.8.- Rotomoldeo, 3.9.- Soplado, 3.10.- Termoformado, 3.11.Colada, 3.12.- Compresión, 3.13.- Transferencia, 3.14.- RIM, 3.15.- Calandrado y plastificado. UNIDAD 4. - MATERIALES COMPUESTOS 4.1.- Introducción, 4.2.- Comportamiento mecánico, 4.3.- Tipos de MC, 4.4.- Semiterminados, 4.5.- Terminados en molde abierto, 4.6.- Terminados en molde cerrado, 4.7.- Relación costo / beneficio. UNIDAD 5. - CERÁMICOS 5.1.- Introducción, 5.2.- Cerámicos tradicionales y avanzados, 5.3.- Fases de producción, 5.4.- Procesado de cerámicos, 5.5.- Prensado, 5.6.- Colado, 5.7.- Conformado plástico, 5.8.Técnicas avanzadas, 5.9.- Fabricación de vidrios. UNIDAD 6. - MADERAS 6.1.- Introducción, 6.2.- Conceptos forestales de interés 6.3.- Estructura de la Madera, 6.4.Propiedades de la Madera, 6.5.- Tipos de Maderas, 6.6.- Maderas Argentinas, 6.7.- Atributos visuales de la madera, 6.7.1.- Color, 6.7.2.- Textura, 6.7.3.- Cesía, 6.8.- Transformación de la Madera en Materia Prima. 6.8.1.-Cadena de valor, 6.8.2.- Fases de la transformación, 6.8.3.Modos de Comercialización, 6.9.- Procesamiento de Maderas, 6.9.1.- Técnicas Aditivas, 6.9.2. -Técnicas Sustractivas, 6.9.3.- Técnicas de Conformado. UNIDAD 7. - ADHESIVOS 7.1.- Introducción, 7.2.- Tratamiento superficial previo, 7.3.- Procedimiento de encolado, 7.4.Tipos de adhesivos, 7.5.- Comportamiento mecánico de las uniones. UNIDAD 8. - PINTURAS 8.1.- Tipos de pintura, 8.2.- Selección del sistema de pintura, 8.3.- Preparación superficial, 8.4.- Pintado por pulverizado, 8.5.- Pintado por flujo, 8.6.- Pintado por inmersión, 8.7.Pintado por electrotécnicas, 8.8.- Pintado por polvos, 8.9.- Control de calidad en pinturas, 8.10.- Pinturas sobre acero estructural. UNIDAD 9. - TRATAMIENTOS SUPERFICIALES 9.1.- Introducción, 9.2.- Electrodeposición, 9.3.- Electroless plating, 9.4.- Anodizado, 9.5.- Hot Dipping, 9.6.- Pulverizado Térmico, 9.7.- Deposición Física (PVD) y Química (CVD) de Vapor, 9.8.- Implantación Iónica, 9.9.- Tratamientos superficiales con Láser.

REQUISITOS DE APROBACIÓN: Es requisito para cursar la materia aparecer en el listado de “Inscripción a Cursada” generado por División alumnos. Según el sistema de correlatividades del Plan de Estudios 2007 de la Carrera de Diseño Industrial (OCS 1864), es necesario tener aprobada Diseño 1 y Lenguaje Proyectual 1 y cursada Tecnología Gral. y Matemática para inscribirse a la materia. Aquellos alumnos que no se encuentren en dicho listado no se le evaluarán los prácticos, así como tampoco se le tomarán los parciales. La asistencia a clases será obligatoria, contemplando al menos un 75%. La materia no tiene régimen promocional, se aprueba mediante un examen final. Para estar habilitado se toman dos parciales, con sus respectivos recuperatorios en caso de ser necesario, debiendo estar aprobados. Estos no tendrán nota y solo podrán ser Aprobados o No Aprobados. Se contempla un flotante para solo uno de los parciales (en primera o segunda instancia) desaprobado o ausente. Para poder rendir los parciales, se deben tener los prácticos

aprobados en término. Los alumnos que hayan aprobado ambos parciales y tengan la totalidad de los trabajos prácticos aprobados, se los considera “habilitados” y están en condiciones de rendir el examen final bajo la condición de alumnos regulares.

SITUACIONES DE PRUEBAS A UTILIZAR PARA LA EVALUACIÓN: Trabajos Prácticos: La cursada exige la entrega y aprobación de la totalidad de los trabajos prácticos. En caso de desaprobación deben ser recuperados. Dicha recuperación implica la reelaboración de todo el tp y la entrega del original. Para su realización se proponen el trabajo en grupos de hasta 3 alumnos y un formato de entrega de láminas A3 en carpeta A4 plegadas según formato IRAM, y su réplica digital en archivo PDF. Estos trabajos prácticos proponen tareas de síntesis de los temas abordados en las clases teóricas, análisis tecnológico de productos, diseño de objetos desde una perspectiva tecnológica e investigación de la oferta productiva regional. Exámenes Parciales: Corresponde un examen parcial por cuatrimestre, aprobándose con nota 6 (seis) con opción a recuperatorio en caso de ausencia o desaprobación. El recuperatorio presenta el mismo formato del parcial y se ofrece una opción de examen flotante para solo uno de los parciales. Se tratan de exámenes escritos a desarrollar de forma individual durante 2hs. Consta de una primera parte con 10 preguntas de opción múltiple y de una segunda parte con 2 ó 3 preguntas de desarrollo que se recomienda resolver de modo gráfico escrito. Examen Final: Una vez que los alumnos aprueban la cursada a partir de la asistencia a clase, la aprobación de los exámenes parciales y los trabajos prácticos se eleva la “Aprobación de la cursada” a División Alumnos de la FAUD. A partir de ese momento, los alumnos están en condiciones de rendir examen final en cualquiera de las fechas de exámen, previo cumplimento con la inscripción dispuesta por la UNMdP. El examen final consta de una instancia escrita donde se abordan preguntas de desarrollo y luego de una defensa oral. Es fundamental asistir con los trabajos prácticos desarrollados durante la cursada (o en su defecto, una copia).

HORARIO DE CONSULTAS: De Lunes a Viernes, de 8:30 a 12:30 hs. / 14:30 a 18:30 hs. Div. Metalurgia – INTEMA Facultad de Ingeniería, Juan B. Justo 4302

UNIDAD 4. - PLASTICOS 4.1. Introducción, 4.2. Polímeros, 4.3. Aditivos, 4.4. Mezclas, 4.5. Procesamiento, 4.6. Extrusión, 4.7. Inyección, 4.8. Rotomoldeo, 4.9. Soplado, 4.10. Termoformado, 4.11. Colada, 4.12. Compresión, 4.13. Transferencia, 4.14. RIM, 4.15. Calandrado y plastificado. 4.1. INTRODUCCION La palabra polímero significa literalmente "muchas partes" de una unidad molecular denominada monómero, que se repiten de a cientos de veces en una estructura en cadena. Estos materiales, de enorme trascendencia industrial, son la materia prima de las piezas plásticas. Luego, los materiales son poliméricos y las piezas plásticas. Los materiales poliméricos son cada vez mas utilizados industrialmente gracias a varias de sus virtudes. Iniciada a principios del siglo XX, y por lo tanto en plena “Era de los Plásticos”, las principales ventajas son su bajo costo y disponibilidad, su baja densidad, su fácil procesabilidad, así como sus comportamientos desde el punto de vista de uso funcional y estructural. Son materiales que suelen ser utilizados para fabricar piezas con excelentes relaciones costo / beneficio. Sin embargo, y como cualquier material, tienen debilidades. Mas allá de algunas desventajas comparativas elementales frente a los metales y aún entre mismos polímeros, su mayor problema esta ligado a sus bajas prestaciones frente a solicitaciones mecánicas, sobre todo cuando la selección del material esta orientada hacia un comportamiento fundamentalmente estructural, ya sea cuando es solicitado por cargas estáticas y/o dinámicas. También es sabido que dicho comportamiento tampoco es enteramente confiable, ya que es fuertemente dependiente de varios factores, tales como las propiedades del polímero base, del tipo, porcentaje y mezclas de sus indispensables aditivos, de la forma de procesamiento, y a menudo de hasta prematuros decaimientos ya sea producto del medio al que estén expuestos (oxidaciones en caso de estar en el medio ambiente), de la temperatura de procesamiento y de servicio, de la exposición a rayos UV, etc. Esto se menciona porque se estima que hoy en día se cuenta con un universo disponible de mas de 15.000 materiales poliméricos para la selección de materiales, oferta que por otro lado esta en constante evolución; por lo tanto, cada vez tiene mayor importancia el hecho de trabajar con equipos multidisciplinarios, de tal forma de ajustar el producto, incrementando las prestaciones del material y de la pieza, aumentando por lo tanto los márgenes de rentabilidad. Desde el punto de vista estratégico-comercial, conocimientos de procesamiento en estos tipos de materiales permiten agregar valor agregado a un sinfín de productos. Los polímeros pueden dividirse en tres clases: • Termoplásticos: materiales que se reblandecen al calentarlos. Las cadenas de polímero, aunque pueden interaccionar entre sí, permanecen químicamente diferenciadas. Las fuerzas de unión entre las cadenas son de tipo secundario. • Termorrígidos o termoestables: existen fuerzas intermoleculares intensas, las cadenas se diseñan para entrecruzarse, es decir, para establecer enlaces químicos entre sí, hecho que ocurre cuando el polímero se calienta durante su proceso final. Tecnología I - U4 - Plásticos - 1

Gracias a este entrecruzamiento, las cadenas de polímero se traban en una red tridimensional, lo que impide que tales polímeros se moldeen de nuevo mediante calentamiento. Presentan alta resistencia mecánica y térmica. • Elastómeros, o gomas, presentan la característica de deformarse elásticamente con deformaciones superiores al 100% y luego recuperar su longitud inicial cuando se elimina la carga. Son materiales de gran importancia en la industria moderna. El látex, que se extrae del árbol Hevea Brasiliensis es aún muy demandado (aproximadamente el 30% del mercado mundial de gomas), debido a sus propiedades elásticas superiores. El otro 70% está cubierto por las gomas sintéticas. Aunque las propiedades entre los polímeros varían, todos consisten en largas cadenas moleculares con átomos de C unidos por medio de fuertes enlaces covalentes. Estas largas cadenas están unidas entre sí por débiles enlaces de Van der Waals y/o de puente de hidrógeno para los termoplásticos, o por mas enlaces covalentes entrecruzados para los termorrígidos. El punto de fusión de los enlaces débiles es bajo, y sus propiedades son muy dependientes de la temperatura. Esta es una característica importante que los diferencia de los metales y los cerámicos, y es la razón por la cual necesitan consideraciones de diseño diferentes. Luego, el peso molecular - Molecular Weight - MW de estos materiales es un valor determinante en sus propiedades. El concepto macromolecular para polímeros se puede ajustar a lo que se observa en la tabla I, que muestra un crecimiento progresivo de las cadenas de hidrocarburos. La tabla deja percibir el cambio de propiedades de los distintos compuestos a medida que las cadenas van aumentando su longitud, desde elementos sumamente volátiles como los gases (metano, etano, etc.), pasando por líquidos de distinta densidad, hasta los sumamente densos como los polímeros. El caso mas extremo de la longitud de la cadena, pero en este caso de carbono puro, sería el grafito o el diamante. Tamaño cadena

Material

Usos

C1 - C4

Gases

Varios usos

C5 - C12

Líquidos livianos: aeronaftas, naftas

Motores a explosión interna

Líquidos pesados: Fuel oil; Kerosene

Motores a explosión interna

Aceites líquidos

Lubricantes livianos y pesados

Grasas sólidas

Lubricantes sólidos

Ceras; Parafinas

Modelos, velas, antideslizantes

C1000 +

Polímeros

Varios usos

C→∞ (C puro)

Grafito; Diamante

Varios usos

C15 - C20 C20 + C50 + C100 +

Tabla I. Materiales en función de la longitud de las cadenas de hidrocarburos.

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Los polímeros, tal como los metales, en algunos casos pueden tener grados de ordenamiento, por lo que se los puede encontrar en forma amorfa y/o semicristalina. El grado de cristalinidad, que dependerá de su composición química y del modo en que solidificó, incidirá sobre las propiedades mecánicas. De hecho, esto hace que aún sean materiales impredecibles: variaciones de 5 % en la cristalinidad incrementan o disminuyen un 100% en sus PM. La mayoría de los polímeros se obtiene a partir del petróleo, mas precisamente de los hidrocarburos, ya que la tecnología necesaria para obtenerlos a partir del carbón está aun muy poco desarrollada. Como cualquier otro material, son usuales sus aleaciones, ya sea con el agregado de aditivos y/o otros polímeros, conformando entonces co-polímeros. En cuanto a la energía necesaria para su producción es menor que la de los metales: el aluminio, por ejemplo, necesita el doble de energía que la mayoría de los polímeros. Los polímeros tienen temperaturas características de transición, es decir que les cambian sus propiedades para ser procesados. Estas, que en la figura 1 se relacionan con el módulo elástico del material E, son: Tg – T glass – T transición vítrea: encima de la cual el material deja de ser rígido. Tm – T melt – T fusión: encima de la cual el material esta “fundido”. Td – T destrucción: por encima de la cual el material se degrada.

Figura 1. Módulo de elasticidad vs T. Para dar una idea de la potencialidad y complejidad de dichos materiales, se toma la definición de la American Society of Testing Materials, que dice: "Llámese polímero a uno cualquiera de un numeroso grupo de materiales, que consiste o contiene, como ingrediente esencial, una sustancia orgánica de alto peso molecular, el cual, siendo sólido en su estado definitivo, en algún momento de su manufactura, bien sea por forja, extrusión, moldeado, inyección, etc., ha sido o puede estar en forma pastosa o simplemente líquida, por lo general, gracias a la aplicación individual o conjunta de calor y presión". Por último, para la selección de materiales es usual apoyarse en www.campusplastics.com que significa CAMPUS®: Computer Aided Material Preselection by Uniform Standards. Iniciado en 1988, esta en continua evolución.


4.2. POLIMEROS Los polímeros, materiales de alto peso molecular, se dividen en tres grandes grupos: termoplásticos, termorrígidos y elastómeros, mas allá que todos estos pueden estar además espumados. Estos materiales estarán fuertemente afectados por: - Tipo de material y las condiciones en las que se lo procesó durante el moldeo. - Tipo de molde y condiciones del molde durante el llenado. - Parámetros de la propia operación de moldeo. 4.2.1. Termoplásticos Los termoplásticos pueden ser moldeados en todo momento, ya que son permanentemente fusibles cuando su temperatura se incrementa por encima de Tm, y por supuesto ese “estado fundido” dependerá de la estructura e identidad química del polímero. Este estado, a menudo asociado a la definición de materiales viscoelásticos, está directamente relacionado a la disminución de la viscosidad del material con el incremento de la temperatura, siendo esto de vital importancia desde el punto de vista tecnológico. Si bien es cierto que cuanto menor es la viscosidad de un material mejor es su procesabilidad (o colabilidad en el caso de operaciones de inyección), se debe estar atento, ya que ese incremento de temperatura (Tm+∆T o Tg+∆T) tiende a degradar el peso molecular de las cadenas poliméricas, y por lo tanto sus propiedades mecánicas. El índice de colabilidad del polímero se indica mediante un dado valor de MFI/MVR (Melt Flow Index – Indice de fluidez del fundido / Melt Volume Rate – Indice volumétrico de fluidez del fundido), según ISO 1133. Los materiales termoplásticos moldeables derivan de polímeros naturales, tal como la celulosa, o están preparados de materiales sintéticos caracterizados por moléculas lineales. Se los suele disponer en forma de gránulos denominados “pellets” (“fideos municiones”), los cuales se los dispone de bolsas de 25 kg o a granel, en súper bolsas de 1 Tn. 4.2.1.1. Polietileno - PE Generalmente flexible, al tacto es semejante a la cera y tiene amplia utilización en artículos moldeados que han de estar en contacto con productos alimenticios. Son de baja absorción acuosa, estable resistencia química y excepcionales cualidades dieléctricas. A temperaturas entre 204°C y 232°C es muy fluido, con valores muy altos de MFI, pudiéndose lograr espesores muy delgados, del orden de 300 μm. Su contracción en los distintos tipos de moldes es mayor que en otros termoplásticos. Las temperaturas de molde son de máxima importancia para la apariencia de la pieza terminada, consiguiéndose un acabado satinado y suave a Tmolde entre 71ºC y 82ºC. Los PE de alta densidad (High Density Polyethilenes-HDPEs) son opacos, químicamente inertes y resistentes tanto a bajas como a altas temperaturas; además, en caso de ser utilizados como recubrimientos, establecen una eficaz barrera contra la humedad, impermeabilizando y por lo tanto eliminando los problemas de corrosión del material recubierto.


El término HDPE generalmente incluye PE con una densidad de alrededor 0,95 gr/cm . Si bien las moléculas en PE de baja densidad se encuentran en forma desordenada, en los HDPE las cadenas se encuentran ordenadas, incrementando las propiedades mecánicas. Las propiedades físicas de los HDPE son también afectadas por el MW del polímero. A medida que el peso molecular se incrementa, lo mismo ocurre con las propiedades mecánicas, aunque el polímero se vuelve mas difícil de procesar. Un HDPE con alto peso molecular se define como High Molecular Weight HDPE (HMW-HDPE). La combinación de un alto peso molecular con una alta densidad definen PE capaces de soportar grandes solicitaciones, así como ser resistentes a la abrasión. PE con valores de 10 veces de PM respecto de HMW-HDPE también son viables y son los Ultra HMW-HDPE (UHMW-HDPE); estos tienen los mayores valores posibles (que cualquier polímero disponible) tanto en resistencia a la abrasión, como en comportamiento frente a impacto. Los mayores usos de los HMWHDPE son en tuberías y en grandes piezas sopladas, aunque también en forma de placas y hasta películas finas. Químicamente el material se define a partir de una molécula de etano, luego deriva en un monómero básico como el etileno y por último, al material polimérico, en este caso el polietileno (figura 2). Solo se analiza este ejemplo ya que no es objetivo del curso este tipo de conocimientos. 3

Figura 2. Molécula, monómero y polímero con base polietileno. Una idea de la resistencia al impacto para estos y otros termoplásticos se puede observar en la figura 3, donde se aprecian incrementos del orden de magnitud.

Figura 3. Energías absorbidas, ensayos de impacto de Charpy para distintos polímeros.


4.2.1.2. Polipropileno - PP El PP es un material de amplio uso tecnológico, con una producción anual global por encima de 50 Mton. Comúnmente de estructura lineal, esto hace que sea fundamental para el orden del material, que bajo determinadas condiciones de enfriamiento podrá tomar una estructura semi-cristalina. Partiendo del arreglo molecular que define al monómero de propileno –CH2=CH–CH3–, el material presenta múltiples ventajas: baja densidad – δamorfo=0,85 gr/cm3; δcristal.=0,94 gr/cm3; δmdia= 0,902 gr/cm3, alta tenacidad, alta resistencia a temperatura, alta resistencia química, buena procesabilidad y alta estabilidad dimensional luego de ser procesado. Este material es excelente para ser procesado de varias formas, siendo la inyección una de las mas importantes. Piezas típicas inyectadas de PP se encuentran en todo tipo de artículos para el hogar, en la industria del automóvil (sobre todo en aquellas piezas externas de uso típicamente estructural, tales como paragolpes y deflectores, así como también en interiores, tales como torpedos, partes de consola, etc.), artículos deportivos, todo tipo de juguetes, carcasas de electrodomésticos, etc. La baja densidad y su alta tenacidad hacen que sea talvez el polímero para inyección mayoritariamente seleccionado. Su mayor problema radica en su temperatura de transición vítrea Tg alrededor de 0ºC, que compromete la utilización con temperaturas bajo 0ºC. Al ser el PP un material que cristaliza, en dichas zonas, además de adolecer de Tg (figura 4), poseen un menor volumen específico. Esto hace que si una pieza tiene un espesor considerable, en el interior de la misma y generalmente situado en el eje térmico de la pieza, resulte en una apreciable reducción del volumen que resulta en un estado de tensiones predominantemente normales de tracción, mientras que las zonas cercanas a la superficie presentan esfuerzos normales de compresión. Esto hace que se opte por inyectar PP en espesores delgados, inclusive manteniendo altas velocidades de enfriamiento, a través de moldes refrigerados. Esto no solo evita grandes diferencias de cristalinidad entre superficie y bulk, sino que además fundamentalmente disminuyen los ciclos de inyección, aspecto que en la industria es fuertemente condicionante. De hecho, a menudo, por incrementar dicha velocidad de enfriamiento, se genera un efecto contraproducente, ya que la estructura superficial resulta muy fina, creando estados tensionales que derivan en deformaciones permanentes que se producen de manera prácticamente instantánea.

Figura 4. Volumen específico vs. temperatura para PP amorfos, semicristalinos y 100% cristalinos.


4.2.1.3. Cloruro de polivinilo - PVC El PVC se usa desde hace mas de 80 años, cuando el PVC flexible fue introducido a mediados de la década de 1930. Luego, entre 1950 y 1960, se comenzó a utilizar en forma rígida, creciendo sostenidamente a partir de esa fecha. En la actualidad, el PVC (tanto en forma flexible como en rígida), esta entre los tres polímeros mas utilizados en términos de volumen, junto a los PE y los PP. Su forma química es la siguiente: ...-CH2-CHCl-CH2-CHCl-CH2-...; y se parte de la combinación de ClNa (cloruro de sodio) con un gas natural de tipo metano (CH4). Las propiedades que caracterizan a los PVC es su baja combustibilidad, baja conductividad eléctrica, alta tenacidad, resistencia a la tracción y a la flexión, alta estabilidad dimensional, baja viscosidad en estado líquido y buenas propiedades frente al envejecimiento, manteniendo el color y la forma. El PVC en forma rígida se utiliza en caños de distribución de agua (tanto a gran escala como en instalaciones domiciliarias), en marcos de ventanas, carcazas de electrodomésticos, muebles para exteriores, cortinas de enrollar, pisos y para todo tipo de blisters y/o contenedores de comida, tal como los Tupperware. Tiene buenas prestaciones desde el punto de vista del comportamiento estructural, por lo que es también utilizado para la fabricación de paragolpes para vehículos. El PVC en forma flexible se utiliza generalmente en el recubrimiento de cables eléctricos, en sellos (mecánicos, no de escritorio), muebles para exteriores, ruedas, zapatos y en pisos de tipo carpeta flexible. Aleaciones o mezclas a partir del PVC son usuales, tal como algunos materiales de tipo gomoso. Estos pueden ser aleaciones de PVC y MBS (MetacrilatoButadieno-Estireno), o PVC y Butilacrilato (acrílicos mas modificadores) o PVC y etilenos (PE Clorinados o Etilenovinil Acetato). Otros modificantes se agregan para aumentar la Tg del PVC. 4.2.1.4. Poliestireno - PS Los PS son compuestos termoplásticos producto de disolver polibutadieno, en forma de goma, con un monómero estireno, previo a la polimerización. Con ilimitado surtido de colores y precio favorable, se emplean en la fabricación de artículos de todos los tamaños, incluyendo piezas de bastante peso. Las desventajas de los PS son sus bajas propiedades a altas temperaturas, así como también su baja resistencia química. Los PS se utilizan en incontables productos y esto es debido a su baja absorción de agua, a sus propiedades estables como materiales aislantes eléctricos, su facilidad de conformado y además su bajo costo. Su principal utilización esta orientada a productos de packagin, juguetes, productos recreativos, muebles, etc. En los últimos años, debido a la optimización del material de partida, se obtienen PS de alta tenacidad, ignífugos (resistentes a la aplicación de llama directa), además de poder ser reforzados mediante el agregado de fibras. El poliestireno tiene excelentes características de moldeo y todas las tecnologías de moldeo aplicables a termoplásticos pueden ser utilizadas. Esto incluye moldeo por inyección, extrusión, soplado (inyección + soplado o extrusión + soplado) y termoformado. Tecnología I - U4 - Plásticos - 7

4.2.1.5. Acrílico Los acrílicos son termoplásticos formados a partir de varios polímeros y co-polímeros, en los que los monómeros, pertenecen principalmente a las familias de esteracrilatos y metacrilatos; estos se pueden crear individualmente o a partir de la combinación de ambas familias. De alta dureza y propiedades de transparencia, los acrílicos pueden estar puros o modificados. El material de partida puede estar en forma líquida (generalmente de alta densidad) y se los encuentra en forma de semielaborados en formas de placas o en piezas terminadas. Los acrílicos puros son notables por sus características ópticas y por su resistencia al envejecimiento. La ausencia de color hace que un buen acrílico sea capaz de transmitir casi la totalidad de un haz de luz visible; también es altamente resistente a los rayos solares, evitando el color amarillo propio del envejecimiento de los polímeros. En el caso que se necesite un acrílico no transparente, el mismo no perderá sus propiedades frente a los rayos solares. Es usual que las placas se las proteja con un film de PE para evitar ralladuras tempranas. Los acrílicos modificados obtienen valores de resistencia del orden de 20 veces mayor a los acrílicos sin modificar. Modificándose a partir de agregados de Butadieno, el acrílico gana en resistencia pero pierde transparencia. De todas formas, la resistencia al envejecimiento de un acrílico modificado es mayor que en la mayoría de los otros termoplásticos. 4.2.1.6. Poliamida – PA Nylon Las poliamidas, también conocidas como Nylon, son polímeros sintéticos que contienen grupos amidas del tipo -CONH-. Es usual que se denominen los diferentes tipos de Nylons en función de la cantidad de carbonos presentes en la estructura; los mas comunes son Nylon 6, Nylon 6/6 y Nylon 11. Usualmente son polímeros semicristalinos con temperaturas de fusión entre 175°C y 300°C, según el tipo de Nylon. El Nylon 6/6 y el Nylon 6 son los mas utilizados comercialmente. Sus puntos de fusión son 268°C y 228°C respectivamente. Estos Nylons son altamente receptivos a diferentes modificadores. Con el agregado de estos, los Nylons pierden cristalinidad (no desde el punto de vista de la transparencia sino desde la estructura cristalina), por lo que ganan flexibilidad, mejora la estabilidad térmica y fotosensible y se aumentan las propiedades de procesado. También es usual el agregado de fibras para mejorar las propiedades mecánicas. Nylons moldeados y/o extrudados son utilizados en cualquier industria moderna. Se hallan entre los mejores termoplásticos de la ingeniería. Aplicaciones de Nylons no reforzados se observan en aislaciones de conectores y cables eléctricos y en la construcción de engranajes para transmitir movimientos de baja potencia (engranajes típicos de electrodomésticos). Nylons reforzados con fibras de vidrio son utilizados en la confección de ventiladores para radiadores, para cubas que contienen líquido de frenos, etc. Los Nylons destinados para uso eléctrico y electrónico constituyen alrededor del 11 % del mercado mundial. Las aplicaciones incluyen plugs, conectores y soportes de antena. A su vez, y debido a su excelente comportamiento antifricción, es usual para cojinetes o bujes. Otros productos Tecnología I - U4 - Plásticos - 8

usuales fabricados con Nylon son botas y fijaciones de sky, en aislantes de utensillos de cocina y en juguetes. Lógicamente, el film extrudado de Nylon es ampliamente utilizado en todo tipo de espesor, ya sea el tipo de bolsa que se quiera generar, y no es mas que la auténtica bolsita de Nylon. Otra utilización muy usual es a través de la generación de un filamento de Nylon, materia prima del cual se tejen todo tipo de medias; también se utilizan en la combinación con otros tipos de fibras. Por último, su alta resistencia a los agentes químicos, así como al ataque micro-biológico, lo hacen apropiado para usos medicinales; en este caso, el de uso medicinal, a los Nylons se los denomina como poliamidas. En la figura 5 se observa un típico diagrama tensión σ / deformación - ε para materiales poliméricos, en esta caso un nylon 6/6.

Figura 5. Diagrama σ / ε para nylon 6/6.

4.2.1.7. Policarbonato - PC Los policarbonatos son termoplásticos amorfos de alta performance, con excelentes propiedades frente al impacto, sumamente traslúcidos, resistentes al calor y con alta estabilidad dimensional. Son de base poliéster con el agregado de ácidos carbónicos que se le incorporan para obtener policarbonatos con mejores propiedades. A su vez, los policarbonatos se utilizan como aleantes en varios polímeros comerciales; las aleaciones mas usuales son los PC + PS, los PC + ABS y por último, los PC + anihídrico Estireno - maleico. Una gran particularidad de estos materiales es su nula aberración, por lo que se puede disponer de placas de hasta mas de 100 mm de espesor sin que haya pérdidas es sus comportamientos funcionales de tipo ópticos. Aparte de tener muy buenas propiedades al impacto, posee muy baja y uniforme contracción. Las propiedades eléctricas de los PC son muy buenas; lógicamente la conductividad eléctrica es muy baja y además la constante dieléctrica del material es independiente de la temperatura. Otras propiedades atribuibles a los PC incluyen excelente colorabilidad, facilidad para ser pulido, capacidad de ser esterilizado (y no deformarse con dichas T), además de propiedades ignífugas. Las propiedades arriba mencionadas hacen a los PC utilizables en un amplio rango. El mayor mercado de los PC incluyen carcasas de equipos electrónicos (tal como el hardware plástico en PC), partes de electrodomésticos, partes de heladeras (estantes y interiores), asientos en transportes públicos, equipamiento deportivo (cascos protectores, vidrios de lentes), equipamiento médico y productos en forma de placas (letreros comerciales y paneles de interiores para aviones).


4.2.1.8. Poliuretano Termoplástico - TPUR Los poliuretanos representan una gran familia de polímeros, mostrando una amplia variedad de usos y propiedades. Estos polímeros están basados en la reacción de un isocianato orgánico con compuestos a partir de grupos oxhidrilos. Los poliuretanos pueden ser termoplásticos TPUR o termorrígidos PUR, además de poder ser rígidos, o blandos y flexibles; la selección del material se determinará en función del tipo de solicitación que tenga la pieza diseñada. La certera combinación de di-isocianatos, poliols (o polialcoholes, alcoholes con extensiones oxhidrilos OH) y modificadores (comportándose como prolongadores de cadenas) generan poliuretanos termoplásticos TPUR. Estos, a su vez pueden ser reforzados con diferentes fibras que pueden ser de vidrio o de algún otro polímero de mayor rigidez. Algunas de sus principales aplicaciones son en las botellas de agua mineral, en láminas extrudadas de poco espesor y por lo tanto con gran flexibilidad, para equipamiento deportivo (generando un material plástico de gran similitud con el cuero) y como protector de cables eléctricos. 4.2.1.9. Acrilonitrilo Butadieno Estireno - ABS Los copolímeros ABS pertenecen a una versátil familia de termoplásticos ingenieriles, producido por la combinación de tres monómeros: acrilonitrilo (estructura tipo – CH2=CH–CN3–), butadieno (estructura tipo –CH2=CH–CH=CH2–) y estireno (estructura tipo –CH2=CH–C6H6– (benceno)); cada uno de estos monómeros es un importante componente dentro del ABS. El acrilonitrilo le confiere alta resistencia mecánica, alta resistencia química y alta dureza; el butadieno le otorga buena tenacidad y resistencia al impacto; por último, el estireno le mejora las propiedades para ser procesado, aparte de darle rigidez. Los ABS son sistemas de dos fases. La fase matriz, es decir la fase continua, esta formada por la combinación del estireno y el acrilonitrilo. La segunda fase, inmersa en la matriz, está formada por partículas de polybutadieno. Piezas plásticas de ABS se obtienen por inyección o por extrusión (en este caso semi elaborados). La primera diferencia para elegir uno de los dos tipos de proceso es el MFI, que lógicamente será mayor para el caso de inyección. Luego, hay diferentes tipos de ABS y los mismos se distinguen o por su capacidad a resistir el impacto (de medio, alto y muy alto impacto) o por su terminación superficial (de alta, baja 0 muy baja rugosidad). Los productos de ABS pueden soportar altas temperaturas, pueden ser recubiertos, pueden ser claros o translucidos y poseen propiedades ignífugas. El ABS también puede formar partes de aleaciones o blends poliméricos. Usados en miles de aplicaciones, se utilizan desde recubrimientos de herramientas hasta tubos conductores de fluidos. 4.2.1.10. Otros termoplásticos • Polimetilmetacrilato – PMMA


Es un termoplástico sintetizado a partir de metilmetacrilato. Tiene excep-cionales propiedades ópticas. Se dispone en forma de granos, planchas, solu-ciones y emulsiones. Son similares a los acrílicos. • Politetrafluoretileno – PTFE Teflón Miembros de la familia de los polímeros fluorcarbonados, se obtienen a partir de la polimerización del tetrafluoretileno. Estos son característicos por su extrema inalterabilidad frente a un medio agresivo, su alta estabilidad térmica y sus altas propiedades antiadherentes. Su uso es prácticamente industrial, sobre todo en la fabricación de bujes, soportes de ejes móviles y en todo tipo de vajillas domésticas. • Politetilen tereptalato – PET Polietilenos con agregados tereptalato, se caracterizan por su alta transparencia, resistencia al impacto, su baja reactividad química. Estas propiedades lo hacen apto para todo tipo de contenedor alimenticio, mas allá que del mismo no se espera una gran vida útil una vez que entra en servicio. • Poliarilato – PAR Son poliesteres aromáticos; tienen una estructura molecular amorfa, son tenaces, resistentes al calor y tienen alta estabilidad dimensional. • Polietiletilcetona – PEEK; Polietilcetona – PEK; Polietilcetonacetona – PEKK Son cadenas lineales con unidades aromáticas. Son compuestos que pueden trabajar hasta temperaturas de 250°C. • Polisulfona – PSU Las estructuras de estos polímeros son unidades aromáticas bencénicas, unidas entre ellas por tres grupos químicos diferentes: un grupo sulfona (SO2), un eter (CH3-CCH3) y un grupo isopropileno. Son característicos por su alta resistencia, por su comportamiento a alta temperatura, de los mas altos en los termoplásticos ≈ 300°C), su baja conductividad eléctrica y su transparencia. Puede ser moldeado por extrusión y por inyección, incluyendo además etapas de soplado. • Poliarilsulfona – PAS Son grupos fenólicos y bifenólicos ligados térmicamente con grupos sulfona. Tienen excelentes propiedades desde bajas a altas temperaturas, es decir desde -220°C hasta 260°C. Tienen buenas propiedades al impacto, así como su resistencia a la degradación frente a distintos solventes. Pueden ser procesados por inyección, extrusión, compresión, soldados por ultrasonido e inclusive mecanizados. • Polietilsulfona – PES Tecnología I - U4 - Plásticos - 11

Son resistentes a altas temperaturas; tienen buena transparencia y alta resistencia a la llama. Es uno de los polímeros de menor generación de humos. Tecnológicamente se los suele extrudar o inyectar. • Polibutileno Son polímeros altamente cristalinos, basados en uniones de butilenos. Similar al PP, tienen mayor tenacidad y flexibilidad que estos. • Polimida – PI Es un polímero producido a partir de la reacción de una estructura aromática dianhídrica con otra aromática diamina. Es similar a la poliamida y la única diferencia es el número de H presente en la molécula. Generalmente es utilizado como adhesivo, o como matriz ligante de diferentes fibras. • Polietilimida – PEI Son amorfos de alta perfomance con estructura química que consiste en la repetición de estructuras aromáticas imidas con grupos etil. • Polifenol Oxide – PPO; Polifenol Ether – PPE Son termoplásticos lineales y no-cristalinos. Tienen un amplio rango en la temperatura de utilización y la misma varía desde -170°C hasta 190°C. Son altamente resistentes ya sea en medios ácidos o básicos, además de ser procesados fácilmente por extrusión o inyección. • Polivinil Acetato – PVAC Son obtenidos a partir de la condensación de alcoholes polivinílicos con un aldehido. Pueden ser procesadas por colada ordinaria (es decir por gravedad, en molde permanente), por inyección y por extrusión. Además se utiliza para recubrimientos plásticos, es decir plastificantes de papel, tela, etc. Lógicamente, una de sus características es la ausencia de color. • Polivinil Alcohol – PVAL Son compuestos a partir de supuestos alcoholes vinílicos; se obtienen de la hidrólisis parcial o completa de esteres polivinílicos. Usualmente es un sólido transparente, insoluble en la mayoría de solventes orgánicos y aceites, pero perfectamente solubles en agua. Es usado en adhesivos. • Polivinil Butiral – PVB Es un derivado de esteres polivinílicos, donde unos, o todos, de los grupos ácidos son reemplazados por grupos oxihidrilos (grupos OH) y estos, a su vez, son


reemplazados, en parte, por grupos butiral, a partir de una reacción con un butiraldehido. No presenta coloración, es flexible, y como uso principal se lo utiliza como capa intermedia entre láminas de vidrio, de manera de que si el mismo se rompe, los fragmentos no se dispersan sino que quedan adheridos a la estructura. 4.2.2. Termorrígidos Los plásticos termorrígidos generalmente se conforman a partir de resinas, generando compuestos de alta resistencia. Con el calor y la presión presente en el proceso de moldeado, estas resinas reaccionan formando una estructura de cadenas cruzadas. Estas estructuras, frente a altas temperaturas, y debido a su estabilidad térmica, mantienen excelentes propiedades frente a la variabilidad dimensional. Los materiales termorrígidos, también llamados termofijos, suelen prepararse con resinas sintéticas. Estas son resistentes a altas temperaturas, ya que antes de perder rigidez (o ablandarse, como un termoplástico), se degradan; esto significa que no se funden, sino que se queman. Las resinas son a veces modificadas mediante resinas naturales o polímeros de bajo costo, con el fin de desarrollar determinadas propiedades específicas, como disminuir la temperatura de fusión, mejorar la flexibilidad, o reducir el costo total de los materiales moldeables. Las mas importantes son: resina fenólica, resina epoxi, resinas de Poliuretano - PUR y resinas poliéster. 4.2.2.1. Resina fenólica Las resinas fenólicas son producto de la reacción entre un fenol y un formaldehido. Fenoles substitutos (de la misma forma pero con diferentes elementos) o diferentes aldehidos, pueden ser incorporados para modificar determinadas propiedades, tales como la reactividad (velocidad a la que polimeriza) o la flexibilidad de la resina. Otra forma de variar las propiedades puede generarse variando la relación fenol / aldehído. Debido a que las resinas en estado puro son sumamente frágiles, una importante variedad de refuerzos en formas de fibras son agregadas a las resinas para mejorar sus propiedades tecnológicas. Usualmente se utiliza un agregado de refuerzos entre un 10 % y hasta 65 % (en casos especiales) del total de la mezcla. Refuerzos con fibras naturales (maderas o celulósicas) le dan a la resina un buen balance de propiedades, manteniendo un bajo costo y aumentando la degradación. Refuerzos de fibras de vidrio generan excelentes propiedades de rigidez y propiedades mecánicas, incluyendo resistencia frente a alto impacto. Modificantes, lubricantes y colorantes también son utilizados. Las aplicaciones en las que se utilizan las resinas son sumamente amplias. Desde matrices de fundición (lógicamente para solidificación de materiales de bajo punto de fusión, tales como ceras, polímeros de bajo punto de fusión, etc.), adhesivos, recubrimientos en formas de láminas, todo tipo de piezas que puedan moldearse y que deban resistir altas temperaturas (tal como elementos de electrodomésticos expuestos a temperaturas: tostadoras eléctricas, mangos, etc.).


4.2.2.2. Resina Epoxi Se generan mediante la combinación entre uno o mas grupos epóxidos (estructura en forma de anillo, con dos átomos de C y uno de O) y un reactivo que realice el curado de la resina; estos pueden ser aminas, alcoholes, fenoles, anhídridos o mercaptanos. En función del tipo de agregado, la reacción de curado puede necesitar, o no, temperatura. Con densidades alrededor de 1,1 gr/cm3, su contracción luego del conformado es muy baja, entre 1 y 5%. Con buena adhesividad frente a 2º fases, su gran desventaja es su alto costo. Las resinas epoxis generalmente se utilizan con el agregado de fibras para mejorar sus propiedades mecánicas. Otra utilización de las mismas se encuentra en adhesivos estructurales. 4.2.2.3. Poliuretano – PUR Los PUR termorrígidos son utilizados como espumas, recubrimientos y adhesivos. El consumo de espumas abarca el 50 % de la utilización de los poliuretanos en el mundo; a su vez, un 50 % de la producción de espumas se utiliza en la fabricación de colchones y en almohadones para recubrimientos de muebles; el otro 50 % de las espumas se utiliza en aisladores térmicos, ya sea en automóviles y construcciones civiles, o del tipo utilizado para aislar heladeras y freezers; estas espumas, para evitar su propia contaminación, son de celda cerrada. Otros PUR tienen la ventaja de tener una estructura interior espumada, mientras que la superficie es de alta densidad, sin presencia de poros, generando de esa manera un recubrimiento perfectamente impermeable; este tipo de aplicación se utiliza por ejemplo en todo tipo de salvavidas, así como en asientos de bicicletas. También se los puede reforzar mediante el agregado de refuerzos y/o fibras; las fibras de vidrio son refuerzos típicos en los PUR. Con buen comportamiento estructural, piezas de PUR inyectadas son ampliamente usadas en la industria automotriz, y se puede observar en todo tipo de paneles internos, consolas y paragolpes. 4.2.2.4. Resinas Poliéster Típicas para ser reforzadas con fibras, estas resinas polimerizan sin necesidad de temperatura y a bajas presiones. A menudo insaturadas, son de alta tenacidad, de buena resistencia química y con muy buena capacidad de ser coloreables. También se pueden elaborar productos semielaborados como barras y/o perfiles. Con densidades entre 1,1 y 1,4 gr/cm3, durante el curado contraen entre 5 y 12 %, lo que atenta contra la estabilidad dimensional. 4.2.3. Elastómeros Los elastómeros, o gomas, son materiales poliméricos que frente a diversos esfuerzos admiten grandes deformaciones y, una vez eliminados dichos esfuerzos, retornan casi totalmente a sus dimensiones originales. Los hay de diversos tipos, pero únicamente se mencionarán los elastómeros de uso industrial tal como las gomas naturales, las base poli-isopropeno, las base butadieno-estireno, las base Tecnología I - U4 - Plásticos - 14

butadieno-nitrilo, las base polivinylcloruro (neoprene) y las base silicona. Un uso muy expandido ha sido y es el de las gomas de mascar, donde naturalmente tanto sus polímeros base como sus aditivos deben ser totalmente inocuos. 4.2.3.1. Gomas naturales Las gomas naturales se producen comercialmente a partir del látex presente en el Hevea Brasiliensis, árbol que en la actualidad es cultivado en las regiones tropicales del Sudeste Asiático. La savia de dicho árbol, de aspecto similar al de la leche, poseen en suspensión muy pequeñas partículas de goma (≈ 15% en peso) y luego de ser coagula mediante un ácido fórmico, en centros de procesado. Este material coagulado luego es comprimido entre rodillos para remover el agua y conformar una plancha. Posteriormente se lo seca con aire caliente o mediante calor a partir de humos de combustión. En la actualidad, las gomas naturales ocupan un 25% del mercado total de los elastómeros. El vulcanizado es el proceso químico en que las moléculas son unidas entre ellas mediante enlaces covalentes para restringir movimientos e incrementar las propiedades mecánicas. En 1839, Goodyear desarrolló un proceso de vulcanizado de gomas naturales utilizando un preparado de azufre y carbonato de plomo, notando que partiendo de dicho termoplástico, y con el agregado de presión y temperatura, se obtenía un elastómero. Lógicamente, estos materiales admiten innumerables posibilidades de ser modificados, fundamentalmente con rellenos, plastificantes y antioxidantes. Los porcentajes típicos de azufre son del 3% y a medida que este se incrementa, el material va perdiendo flexibilidad; estructuras totalmente rígidas son factibles con 45% de S (figura 6). Las temperaturas de vulcanizado están entre los 100 y 200°C. El uso de rellenos, tal como el negro de humo, no solo disminuye el costo al material sino que además le incrementa la resistencia a la tracción. Figura 6. Diagrama σ-ε de una goma natural, sin y con vulcanizado.

4.2.3.2. Gomas butadieno-estireno De las gomas sintéticas, las gomas BSR (copolímero butadieno-estireno) son las mas utilizadas, y de hecho son las que se utilizan en la fabricación de neumáticos. Este material también se vulcaniza con azufre; la presencia de estireno le da a la goma resistencia y tenacidad. Estas gomas son de menor costo que las gomas naturales. Tienen buena resistencia a la abrasión, pero necesitan mayor temperatura para vulcanizar. Una desventajas de estas gomas, así como las naturales, es su alta absorción (y por ende degradación) a solventes, aceites y naftas.


4.2.3.3. Gomas butadieno-nitrilo Estas gomas son copolímeros butadieno-acrilonitrilo. La presencia de los grupos nitrilo provee buena resistencia frente al ataque de los aceites y solventes, así como también a la abrasión y al comportamiento a alta temperatura. Una desventaja es su menor deformación. Estas son de mayor costo y solo se utilizan en aquellos casos en donde hay presencia de naftas, por ejemplo sellos de tapas, mangueras, etc. 4.2.3.4. Gomas neoprene Estas gomas reemplazan un doble enlace del carbono con un átomo de cloro, por lo que se transforman en PVC ultra plastificados; esta configuración atómica le otorga gran resistencia al ataque del O (y por ende H2O), del calor y de la luz (rayos UV). Las desventajas son dos: su baja flexibilidad frente a muy bajas temperaturas y su alto costo. Los usos típicos son en recubrimientos de conductores y cables, en la confección de trajes de agua y elementos inmovilizadores (tobilleras, rodilleras, etc) y en la industria automotriz. 4.2.3.5. Gomas siliconas Como su nombre lo indica, estas gomas tienen silicio en su configuración molecular. Por lo tanto, la cadena es base Si y de dos de sus enlaces se cuelgan moléculas de CH3. Estas gomas tienen la ventaja de que pueden ser utilizadas en un amplio rango de temperatura y los usos típicos son en selladores, aislantes eléctricos, etc. En la tabla II se observan diferentes propiedades para los principales elastómeros. Observar las bajas resistencias y las enormes deformaciones.

Densidad 3

T admisible

Resistencia Deformación [Mpa] [%]

[gr/cm ]

[°C]

Goma natural

0.93

-50 a 82

17 - 24

750 - 850

Butadieno-estireno

0.94

-50 a 82

1.4 - 24

400 - 600

1

-50 a 120

3-6

450 - 500

Neoprene

1.25

-30 a 115

20 - 30

800 - 900

Siliconas

1.1 - 1.6

-115 a 315

3-8

100 - 500

Butadieno-nitrilo

Tabla II. Algunas propiedades de determinados elastómeros. 4.2.4. ESPUMAS Las espumas son materiales poliméricos que, por adición de algún agente, procede a liberar una determinada cantidad de gas, modificando notablemente sus propiedades. Las hay de celda abierta y de celda cerrada, así como flexibles y rígidas. Generalmente se las utilizan en aislaciones (térmicas y/o acústicas),


embalajes, refuerzos estructurales y en piezas que necesitan disminuir la densidad del material. Las diferentes formas de obtener las espumas son: -

Incorporación de un solvente, que al evaporarse forma la espuma.

-

Disolución de un gas en la mezcla, que expande al bajar la presión.

-

Burbujeo de aire durante la solidificación.

-

Generación de un gas, que se crea a través de un aditivo.

-

Adición de pequeñas esferas que contienen un agente expansor.

Se observará que como polímero base se dispone de una gran variedad de opciones, de la misma forma que los agregados para espumar. Los aditivos mas comunes son: retardadores de llama, anti-aglomerantes, colorantes y reguladores de tamaño de células. En este tipo de materiales, los retardadores de llama son fundamentales debido a que son de amplio uso, sobre todo en ambientes cerrados y en la industria del transporte. Si bien es cierto que las espumas pueden llegar a tener una leve inflamación, estas llamas se extinguen rápidamente y no son capaces de provocar gases, que a menudo son tóxicos y mortales. Si bien hay una gran cantidad de estos agentes, una primera selección de estos materiales se puede determinar con un simple ensayo de combustión, midiendo el tipo y cantidad de gases producto del ensayo. El uso de antiaglomerantes es fundamental ya que estos materiales tienden a formar grumos, por lo tanto perdiendo uniformidad en las propiedades. De la misma forma, el uso de colorantes, ya sea en forma de tinturas (solubles en el polímero base) o de pigmentos (insolubles en el polímero base), son de amplia utilización, sobre todo en espumas utilizadas en la industria textil. Por último, la presencia de reguladores de tamaño de células será fundamental para determinar las propiedades mecánicas del material, además de su densidad y la interconectividad de las celdas. Esto se observa en la figura 7, en donde celdas cerrada se pueden transformar celdas abiertas.

Figura 7. Espumas de celda abierta / cerrada. 4.2.4.1. Espumas de poliestireno Se obtiene por extrusión del PS conteniendo un agente expansivo. Se presenta en forma de producto semiterminado, ya sea en placas (rígido) o rollos (flexible), o en piezas terminadas, directamente moldeadas con la forma final. Si bien como polímero base hay distintas opciones (PS amorfo, PS isotático, PS irradiado, PS95%-PE5%, PS70/80%-Acrílico20/30%, etc.), el agente de soplado es gas pentano, generalmente presente entre 6-8 %, determinando la densidad del material, y siendo


el mas denso el de menor porcentaje de agente espumante. La mas usual de las espumas de poliestireno son las comúnmente llamadas ‘expandidas’. Este material, comúnmente denominado "telgopor", en un principio se encuentra en forma de perlas de pequeño tamaño y gran fluidez, que contienen un agente expansor que se libera cuando se aumenta la temperatura. Se obtienen densidades muy bajas, por debajo de 0,1 gr/cm3, aunque se los encuentra en PS Exp de alta y baja densidad. Generalmente hay una pre-expansión (por calentamiento) y una expansión final (por vapor, entre 110-135°C), en moldes de aluminio. Se promueve un enfriamiento posterior, y la temperatura de desmoldeo será inferior a 50°C, para evitar expansiones tardías. Al ser de celda cerrada, son espumas de baja permeabilidad al vapor de agua y baja absorción de agua; además tienen bajo coeficiente de conductividad térmica y esto los hace de suma utilidad como material aislante para bajas temperaturas. Tiene buena capacidad para absorber impacto, y se lo usa como protector en embalajes. Por último, y por su baja densidad, se lo utiliza en piezas para asegurar flotabilidad, aunque muy bien revestidos con algún otro polímero de manera de incrementar sus prácticamente nulas propiedades mecánicas. En la figura 8 se observan distintas aspectos del PS Exp.

Figura 8. PS Exp: bolsa de pellets, detalle de material y sillón.

4.2.4.2. Espumas de resina urea/formaldehído Se realiza insuflando aire a medida que cura la resina. Con densidades entre 0,01 y 0,024 gr/cm3, su mayor utilización es para la aislación térmica a bajas temperaturas. No tóxicas y no combustibles, fundamental para no promover incendios, no admiten mas de 55°C, ya que por encima de esa temperatura la resina empieza a contraer. Tal como se observa en la figura 9 se puede aplicar ya sea en forma continua o mediante la provisión de bloques, que fácilmente son cortados para dar la dimensión apropiada. Además de utilizarse como aislantes en tubos, debido a su estabilidad a los rayos solares y a su alta absorción de agua, se las utiliza como soportes (alfombras) portadores de semillas para cultivar diferentes especies de flores.

Figura 9. Aplicación de espumas de tipo U-F en forma continua. Tecnología I - U4 - Plásticos - 18

4.2.4.3. Espumas epoxi Espumas rígidas, se fabrican en forma de placa o 'in situ'. Se utilizan en paneles, estructuras sandwich, como absorbedores de impacto y en sistemas de flotación. Estas espumas presentan muy buena adherencia a films de PE, a hormigón, a fibras textiles, etc. Además del agente expansor, suelen estar cargadas, ya sea para disminuir su costo o para cambiar sus propiedades. La densidad δ, por ejemplo, puede variar desde 0,6 gr/cm3, en caso de cargar un 33% de microesferas de vidrio, hasta 1,7 gr/cm3 en caso de cargar un 33% de arena común, base Si, 200 Mesh. 4.2.4.4. Espumas vinílicas – Espumas de PVC Estas espumas base polivinyl-cloruro están directamente relacionadas con la tecnología de fabricación del PVC común. De la misma forma, tiene capacidad de admitir distintos aditivos, sobre todo plastificantes, que transforman espumas rígidas a flexibles, con poca dependencia del espesor de las placas. Tal como se ve mas adelante en elastómeros, si estas espumas además están muy modificadas con plastificante, entonces se convierten en neoprene. Si bien se puede obtener en forma de placas (por moldeo bajo presión, tal como se observa en la figura 10), lo usual es que se calandren sobre un sustrato en PVC. Figura 10. Planchas de espumas de PVC moldeadas a presión en molde cerrado. Las aplicaciones son múltiples y en continua expansión: aislantes térmicos en la industria textil y en la industria del calzado; absorbentes de impacto en bajas cargas (suelas espumadas para zapatillas de footing, respaldos de PVC colaminados para revestir suelos); elementos flotadores de baja densidad para usos náuticos y marítimos (ya sea para salvavidas o para boyas de redes de pesca, etc. (figura 11)). Sin embargo, el último y mas sofisticado uso es en la industria aeroespacial, consiguiendo materiales compuestos de tipo sándwich, entre dos placas de aluminio.

Figura 11. Salvavidas y elementos flotantes de uso náutico.


4.2.4.5. Espumas de silicona Estas espumas son de alto costo, pero particularmente deseadas cuando son necesarias propiedades tales como excelente estabilidad térmica en un amplio rango (desde -70 hasta 200°C y en algunos casos, se las ha ensayado a 340°C durante 3 años, sin perder sus propiedades), buenas propiedades a la resistencia eléctrica, y fundamentalmente para usos biomédicos, en diferentes protesis, debido a que son fisiológicamente inertes. 4.2.4.6. Espumas de poliuretano Estas espumas se pueden encontrar en estado rígido o flexible. Son sumamente utilizadas y estas comparten, con el PE, el PS, el PVC, etc, el exponencial desarrollo de los polímeros en estos últimos 30 años. Las ventajas de estas espumas son: baja densidad y alta relación peso/resistencia; estructura celular uniforme; texturas suaves al tacto; alta tenacidad y elasticidad bajo cargas dinámicas. Utilizables en el rango de temperaturas entre 0 – 120°C, una primera decoloración temprana cuando están expuestas a los rayos solares no indican pérdidas de propiedades mecánicas. Desde ya que admiten todo tipo de modificantes. En la figura 12 se observa un corte de una espuma flexible, en donde por el efecto de una condición de sendas superficies, se obtienen distintas condiciones tal como en la zona 2 en donde hay una densidad de poros mucho menor en la superficie, o la zona 3, con una condición de extrema suavidad. Figura 12. Espuma flexible en tres zonas.

El uso mas común de estas espumas esta en la materia prima de los almohadones y de los colchones; a su vez, estos pueden ser extraídos de grandes planchas o inyectados directamente con la geometría deseada. Algunas ventajas de estas espumas son su gran durabilidad, no toman olores, no provocan alergias y la facilidad de limpieza. Para definir las propiedades se los obtiene de diferentes densidades. También son muy comunes en la industria automotriz en la generación de butacas, apoya cabezas y respaldos en paragolpes. Una curiosa utilización en los automóviles, sobre todo los de competición, es que están situadas dentro de los tanques de naftas, ocupando solo un 5%, pero en este caso al ser de celda abierta, permite la libre circulación de combustible; ocurre que en caso de accidente, el derrame no es instantáneo sino que da tiempo a que se pueda arrestar el fuego. 4.2.4.7. Espumas inorgánicas Vidrios celulares: son espumados de celdas totalmente herméticas. Incombustibles, impermeables y totalmente inorgánicos, se los utiliza en la industria química y en la industria de la construcción. El tamaño de los poros, en este caso deseados, pueden Tecnología I - U4 - Plásticos - 20

variar entre 0.5 – 4 mm, dependiendo del efecto del agente espumante. Las aplicaciones son múltiples debido a su resistencia a la temperatura y como aislante eléctrico. La desventaja, como cualquier vidrio, es su prácticamente nula capacidad de absorber deformaciones. Refractarios celulares: sabido es que una fase discontinua en un material refractario le disminuye la conductividad térmica, es decir que le incrementa la refractariedad. Y si bien una estructura abierta facilita la erosión, la idea es que el ladrillo refractario tenga una fina pared densa y un importante respaldo poroso. En hornos de calentamiento y mantenimiento son comunes los ladrillos de alúmina espumada. Hormigón espumado: este tipo de material esta siendo muy utilizado en la actualidad. En estos materiales las celdas deben estar cerradas. La forma usual para obtener este material es por agregado de polvos de Al2O3 y materiales alcalinos a la mezcla de cemento y agua. Esto promueve H y se forman burbujas que no pueden escapar del concreto. Estos hormigones son de densidad variables, y lógicamente serán mas densos aquellos que tengan mayores solicitaciones (tales como losas portantes) y menos densos aquellos que se utilizan en tabiques, techos, placas aislantes, etc. 4.3. ADITIVOS Los polímeros son materiales que suelen admitir una gran cantidad de distintos aditivos. Existen aditivos para facilitar las tareas de procesamiento (lubricantes), para evitar degradaciones en el peso molecular durante el procesamiento (estabilizadores de temperatura de procesamiento), para modificar el comportamiento estructural (plastificantes, estabilizadores de temperatura de servicio, refuerzos), para disminuir el costo del material (cargas del tipo relleno), para variar aspectos funcionales (colorantes, odorizantes, antimicrobiales, modificadores de superficie, etc), y hasta los ligados a temas de seguridad (retardadores de llama, inhibidores de humo, etc.) Se dispone de una amplia variedad de aditivos mejorar determinadas propiedades en los polímeros base. Una buena combinación de estos aditivos produce un efecto sinérgico que es deseable; sin embargo, y a menudo, la suma de aditivos puede tener en efecto negativo, disminuyendo determinadas propiedades en ciertos casos. Si bien algunos de estos generalmente se agregan en pequeñas cantidades, otros se pueden agregar por encima del 50% en peso. 4.3.1. Lubricantes Se utilizan para el procesamiento del polímero en si, disminuyendo la viscosidad del mismo por encima de Tm, otorgándole ‘lubricación’ a las moléculas entre sí. También se los denomina ‘agentes de partición’. Esos aditivos se solapan con los modificadores superficiales, sobre todo aquellos de interfaz polímero sólido / metal, donde se busca algún agente que facilite el desmoldado de la pieza de la matriz. 4.3.2. Plastificantes El rol principal de los plastificantes es reducir la rigidez del polímero, en definitiva, hacerlo más flexible. El caso típico de un polímero susceptible al uso de plastificantes Tecnología I - U4 - Plásticos - 21

es el PVC ya que a este se lo puede encontrar desde totalmente rígido, por ejemplo para piezas de uso estructural, hasta muy flexible, por ejemplo cuando aparece como recubrimiento aislante de cables conductores. Hay casos en que estos aditivos, generalmente de costo menor que el polímero base, se utilizan como material de carga para disminuir el costo de la aleación. A los plastificantes generalmente se los puede agregar en dos etapas: una primera donde actúa además como lubricante (homogeneizando el material) y una segunda, donde se completa el % necesario, actuando como “extensor”. 4.3.3. Cargas: rellenos Las cargas son típicas en los polímeros, aunque en esta unidad se ven las cargas como rellenos y no como refuerzos. La principal diferencia es que las cargas, si bien pueden tener alguna incidencia sobre el comportamiento estructural y/o funcional, a estos se los suele agregar para disminuir el costo de la aleación. Por otro lado, cargas en forma de refuerzos, típicas en resinas termorrígidas para incrementarles las PM, se agregan en fibras, conformando materiales compuestos. Dicho tema se analiza en la siguiente. Entonces, materiales inorgánicos y/u orgánicos se deben distribuir uniformemente dentro de la matriz polimérica base. Estos, en función de su forma, se los puede clasificar en: partículas (P), fibras cortas (F), discos/placas (D) y en fibras largas o cintas. Estos materiales que actúan como carga deben ser estables a las temperaturas de proceso del material, aunque a menudo su grado de adhesión con la matriz no es la mejor. Los rellenos particulados y/o en discos generalmente son carbonato de calcio (CaCO3), sílice, caolín, talco, esferas de vidrio y negro de humo. CaCO3: generalmente es de muy bajo costo y se encuentra en forma natural en tamaño del orden a 1μm; suele ser ventajoso para la inyección, ya que favorece del desmoldado de la pieza y además disminuye la absorción de agua. Las cargas de sílice también son de bajo costo, aunque tienen la ventaja/desventaja de volver abrasiva a la superficie de la pieza. En caso de ser una desventaja, se deberá darle algún recubrimiento superficial a la pieza en cuestión. Caolín: el mayor componente de las arcillas, básicamente involucra a los alúminosilicatos. Las partículas generalmente son placas en un tamaño desde 1 a 10 μm. Talco: silicato de magnesio hidrolizado, se utiliza en forma de placas con la gran ventaja del muy bajo efecto abrasivo sobre la superficie de la pieza. Esferas de vidrio: muy pequeñas, comúnmente llamadas microesferas, son disponibles en un amplio rango de tamaños, con Ø desde 1 μm hasta 1 mm. La característica suave propia del vidrio hace que estas cargas otorguen buena terminación superficial sobre las piezas, pero es un aditivo de mayor costo en comparación de otros rellenos particulados. Sin embargo, el problema es la alta densidad del vidrio respecto del polímero base; por ejemplo, una pieza polimérica (con δp= 1 gr/cm3) y con un volumen de 1000 cm3, sin carga, pesará: (1000 cm3 x 1 gr/cm3) = 1 kg


Ahora, si se le agrega un 30 % en volumen de carga en esferas de vidrio (δv= 3 gr/cm3) para disminuir el costo, llegaría a pesar: (700 cm3 x 1 gr/cm3) + (300 cm3 x 3 gr/cm3) = 1,6 kg Pero últimamente, esto no solo se soluciona sino que se mejora en función de que ya hay tecnologías para obtener microesferas huecas, es decir con una δme= 0,15 gr/cm3, y que en definitiva, para el caso anterior, llevaría el peso de la pieza a: (700 cm3 x 1 gr/cm3) + (300 cm3 x 0,15 gr/cm3) = 0,745 kg Negro de humo: muy utilizado como carga y refuerzo en los elastómeros, así como colorante en forma de pigmento (negro desde ya) y como protector de rayos UV. Su tamaño es muy pequeño, de 0,03 a 0,3 μm, y su estructura porosa hace que se forme una buena unión con los elastómeros. En los últimos tiempos se ha comenzado a cargar a determinadas piezas plásticas como rellenos orgánicos, además de lo antedicho, le otorga al material una mayor velocidad de degradación. Se intuye que la baja biodegradabilidad de los polímeros es un tema delicado. 4.3.4. Estabilizadores térmicos Los estabilizadores tienden a mantener el peso molecular del polímero frente a las principales fuentes de degradación que son la temperatura, los rayos UV y el oxígeno. Los efectos de la temperatura, tanto de procesamiento como de servicio, pueden ser altamente perjudiciales. La T de procesamiento incidirá directamente sobre las PM del material, ya que suele acortar las cadenas poliméricas, disminuyéndole el PM. Luego, la T en servicio atentará contra la pieza plástica, pudiendo generar una degradación temprana, además de modificar su comportamiento mecánico. Por otro lado, altas T pueden producir productos químicos altamente corrosivos y a menudo tóxicos, que atacan por lo tanto a los herramentales y a los operarios. En PVC es clásico, produciéndose ácido hidroclórico (HCl), particularmente indeseable. La idea de estos aditivos es agregar elementos de aleación que minimizan la degradación por temperatura. La mayoría de estos estabilizadores son compuestos de base metálica: C-Sn, C-An y C-Pb. 4.3.5. Estabilizadores y absorbedores de rayos UV y luz La radiación de los rayos de luz, en particular la ultravioleta UV, tiende a iniciar una degradación química, a menudo llamada oxidación o foto oxidación. Los principales polímeros susceptibles a esta oxidación son los PE, los PP, los PS, los PVC y los PET. Los estudios para analizar los mecanismos de foto oxidación, a menudo diferencian a los estabilizadores de luz propiamente dichos, que tienden a controlar el progreso de la degradación, de los absorbedores, que si bien los reconocen, tienden a minimizar los efectos. Los estabilizadores y absorbedores son obviamente importantes para las aplicaciones en piezas plásticas expuestas al medio exterior, y generalmente se los agregan en rangos de 0,1 / 0,6 %. Tecnología I - U4 - Plásticos - 23

4.3.6. Antioxidantes Este tipo de aditivos a menudo va solapado en los anteriores, pero tal vez el término que mejor define a la degradación por oxidación es el envejecimiento. Esta ruptura progresiva de las cadenas, de alguna manera fisura en forma temprana, luego agrieta a la pieza y por último le provoca rajaduras que suelen desechar la pieza. Esta oxidación también puede degradar a la pieza estéticamente, ya que le suele cambiar la coloración, y en el caso de los polímeros translúcidos, le hacen perder la transparencia. 4.3.7. Colorantes Una gran ventaja de los polímeros respecto de los metales es que las piezas plásticas pueden fabricarse en atractivos colores, sin necesitar una etapa posterior de terminación. Un gran número de propiedades y características se deben tener en cuenta cuando se discuten el tema de colorantes: permanencia del teñido; brillantez; transparencia, translucidez u opacidad; dispersión del colorante; migración del colorante; toxicidad; resistencia química y térmica; resistencia a rayos UV del colorante. Los aditivos utilizados para dar color se dividen en dos categorías: pigmentos y tinturas. Los pigmentos son sólidos, en tamaños de ≈ 0,01 a 1 μm, y prácticamente insolubles en el polímero. Para tener un buen efecto colorante, deben estar finamente dispersos y distribuidos, generalmente en cantidades no mayores al 1%. En cantidades mayores, ya actúan como relleno, a menudo mal elegidos ya que naturalmente tienen un mayor costo que el polímero base, y disminuyen determinadas propiedades. Estos pueden venir en forma de polvos o encapsulados, y son cómodos para cargar en las tolvas con los pellets del polímero base. Los pigmentos pueden ser orgánicos o inorgánicos. Los inorgánicos son los más comunes, dividiéndose a su vez en dos ramas: los de base carbono C, ennegrecedores, protectores a rayos UV y actuantes como relleno y los de base metal, siendo el dióxido de titanio (TiO2 ) blanqueador y los óxidos (de Fe, Ti, Cr, etc.) los colorantes. Las tinturas consisten en relativamente pequeñas moléculas compatibles con las moléculas poliméricas, por lo que da una alta solubilidad entre ellas y una dispersión a nivel molecular. Estas generalmente se agregan en forma líquida y a menudo vienen diluidas en un solvente de forma de favorecer la incorporación al polímero. Las tinturas son típicas para dar tonos a polímeros translúcidos, tal como el acrílico, acetatos y celofanes. Efectos de fluorescencia (típicos tonos fuertes), fosforescencia (capacidad de almacenar luz y luego emitirla durante un periodo de tiempo, perlitizantes (perlas distribuidas en un polímero translúcido) y efectos de metalizado son posibles agregando determinados componentes al polímero base mas el colorante en cuestión.


4.3.8. Retardadores de llama Para muchas aplicaciones, retardadores de llama (FR, flame retardants) o reducidores de humo (SS, smoke suppressant) serán indispensables. Las utilizaciones típicas son en aplicaciones eléctricas, para vehículos de transporte público y en la industria de la construcción, en donde las fatalidades frente a los incendios no suelen ocurrir por el fuego en si, sino por las intoxicaciones generadas por los humos producto de la combustión, generalmente de aquellos materiales tales como espumados y/o lienzos. De todas formas, el tema de la propagación de llama en polímeros aún no esta bien comprendido y si bien prácticamente todos los polímeros son combustibles si suficiente oxígeno y calor están disponibles, su comportamiento es muy diferente; algo de esto se vio en Tecnología General con el tema de identificación de polímeros mediante llama. FR y SS los hay de dos tipos: de base mineral o de base orgánica. El más usual de los de base mineral es la alúmina trihidratada, que a alta temperatura libera agua, disminuyendo la temperatura y evitando la propagación del fuego. Por otro lado, estos aditivos se los puede agregar una vez que la pieza esta terminada, tal como ocurre con los buzos antiflama. 4.3.9. Antimicrobiales Microorganismos que crecen a partir del C tales como bacteria, hongos, musgos, algas, etc., pueden aparecer en polímeros cuando las superficies de los mismos se encuentran en determinadas condiciones de humedad y temperatura. Esto debe ser tenido en cuanta en aplicaciones poliméricas tales como humidificadores, vaporizadores, carcasas y filtros en componentes de equipos de aire acondicionado, etc. El crecimiento de dichos microorganismos puede ser evitado por medio de estos aditivos, que pueden estar en forma líquida o en sólidos, en forma de polvos. Un gran espectro de estos aditivos están disponibles bajo diferentes formas tales como bioestabilizadores, bioácidos, fungicidas, etc. 4.3.10. Odorizantes Estos aditivos, en forma de odorizantes o simplemente fragancias, a menudo son incorporados para darle a los productos olores específicos. El caso típico son las gomas de borrar, así como suelas de zapatillas, apliques poliméricos en indumentaria, etc. También se utilizan para controlar y/o enmascarar determinados olores cuestionables, en este caso bajo formas de desodorizantes. Estos también pueden cumplir un importante rol como aditivo antimicrobial. 4.3.11. Modificadores superficiales Estos aditivos son necesarios para múltiples usos y se definirán en función de las interfases. Interfase polímero fundido / metal caliente: sobre las superficies metálicas de los herramentales (por ej. matrices de inyección, dados de extrusión, cilindros de calandrado, etc.) lógicamente hay un efecto de “pegoteado” con el polímero que debe ser evitado. Esto se logra con “lubricantes externos” y su rol es diferente a de Tecnología I - U4 - Plásticos - 25

los “lubricantes internos”, que solo buscan mejorar la fluidez del polímero dentro del conformador en cuestión. Estos ‘lubricantes externos’ son importantes en la industria del PVC. Interfaz polímero sólido / metal frío: estos aditivos, utilizados en las mismas interfases que los anteriores, solo se agregan con el fin de promover un mejor desmoldado entre pieza y matriz. Interfaz polímero sólido / polímero sólido: se debe agregar en caso de que dos superficies poliméricas estén en contacto aún cuado el proceso de polimerización no haya terminado. Esto tendera a una adhesión entre superficies, tal como ocurre en el enrollado de una bobina de un film de PE o en el apilado de placas de acrílico y es comparable al efecto de contacto entre dos piezas pintadas y que aún la pintura no haya secado totalmente. La mejor solución es la de agregar una barrera no reactiva o poner los polímeros en contacto luego de un determinado tiempo en donde las reacciones aún pendientes no favorezcan un efecto de pegado. Interfaz polímero sólido / estática: se agregan con el fin de disminuir la polarización de cargas estáticas, a menudo generadas por la fricción entre polímero y herramental metálico. Tambien se los puede agregar en la fabricación de fibras textiles para disminuir dicho efecto. Interfaz polímero sólido / líquido: este aditivo es típico en todo tipo de lentes, pero sobre todo en las ópticas de la industria automotriz que se fabrican con PC translúcidos, en donde se desea o que el líquido ‘moje’ toda la superficie (generando una capa líquida de espesor uniforme y por lo tanto sin aberraciones), eliminando la presencia de gotas sobre la superficie uniforme o que se generen grandes gotas, manteniendo seca un importante porcentaje de la superficie. 4.4. MEZCLAS Naturalmente, en caso de ser necesario agregar un determinado aditivo, o combinar distintos polímeros base, es preciso tener una buena distribución y una buena dispersión para obtener un material homogéneo (es decir con las mismas propiedades en todo su volumen). En la figura 13 se observa la distinción entre distribución y dispersión para una misma mezcla. Para lograr dichas cualidades se utilizan máquinas mezcladoras.

Figura 13. Diferencias entre distribución y dispersión de una mezcla.


Las mezcladoras se utilizan cuando la selección de materiales establece un grado que no se haya disponible por los distintos fabricantes. Estos procesos suelen ser delicados ya que no solo incrementan el costo de la pieza, sino que suelen ser operaciones que le pueden modificar las PM del material. Un caso típico donde se utilizan estos procesos es en la fabricación de elastómeros, donde al menos 4 o 5 aditivos son necesarios que actúen conjuntamente para darle las propiedades de elasticidad, resistencia, buenas propiedades al desgaste, etc. Mezcladoras Los mas simples de estos equipos son tambores los cuales usualmente giran alrededor de un eje mediante un par de rodillos. Estos equipos, usados para mezclas secas, son de proceso lento aunque efectivo si la demanda no es crítica. En la figura 14 y 15 se observa un equipo de tambor simple de doble cono y otro de tipo V respectivamente.

Figura 14. Mezcladora de tambor simple.

Figura 15. Mezcladora de tipo V.

En las mezcladoras a cinta, tal cual se ve en la figura 16, el principio de funcionamiento es por agitación de los polvos, pero tanto el cilindro como las hojas de acero en forma de cinta permanecen quietos. También los hay con cintas móviles, que giran dentro del cilindro, continuamente arrojando material desde los extremos hacia el centro del tambor; estas cintas se mueven en forma lenta, a no mas de 100 rpm. Estos tipos de mezcladores pueden estar calefaccionados si lo que se busca es una mezcla seca de PVC.

Figura 16. Mezcladora a cinta. Tecnología I - U4 - Plásticos - 27

Estos polímeros, además de contener PVC propiamente dicho, suelen tener agregados de polvos plastificadores aparte de estabilizadores en pequeñas proporciones. Cuando estos ingredientes son mezclados por encima de 100°C, los plastificadores son absorbidos por el polímero propiamente dicho, evitando de esa forma un flujo de carga libre de polvos. Una máquina mas rápida y sofisticada, especialmente diseñada para la preparación de mezclas secas de PVC, es la mezcladora de alta velocidad. Constan de un eje del cual una dada cantidad de hojas de acero (blades), giran a altísimas velocidades (por encima de 3.000 rpm) y hacen circular la mezcla, pudiendo alcanzar por la propia fricción entre materiales en algunos casos temperaturas de hasta 200°C. Este equipo hace por lo tanto innecesario un sistema de calentamiento externo y a menudo se lo debe refrigerar para evitar que la temperatura sea superior a la Tm de la mezcla; si bien una forma para evitar esta refrigeración es disminuir el número de revoluciones de las hojas impulsoras, dicha solución no es buena si lo que se desea es incrementar la producción. Cuando se necesitan mezclas tipo masa, es decir que la mezcla no es seca sino húmeda, frecuentemente se utilizan mezcladores Banbury´s. Las mezclas mas usuales de este tipo se encuentran en compuestos del tipo resinas poliéster insaturadas con refuerzos de fibras de vidrio; mientras que la resina se encuentra en estado líquido de alta densidad, las fibras están en estado sólido. Dada la alta resistencia que ofrece la masa, ni las mezcladoras de cinta ni las de alta velocidad son de utilidad; el perfil de los tornillos (figura 17) tiene la capacidad de introducir las fibras dentro de la resina. Estas mezcladoras fueron inicialmente diseñadas y aún hoy son utilizadas en procesos alimenticios. Figura 17. Mezcladoras tipo Banbury. Por último, ciertas pinturas plásticas, dada la viscosidad de las mismas, necesitan un refinamiento instantáneamente antes de ser aplicadas. Esto se logra mediante mezcladoras a bolillas (figura 18); estas son de acero o cerámicas y vienen de distintos tamaños, según el tipo de pintura, y girando dentro del tambor y disuelven las formaciones de grumos. Si se busca una aplicación de extrema suavidad, serán necesarias varias horas de funcionamiento. Un ejemplo doméstico y simplificado son las bolillas que se hallan dentro de las pinturas en aerosol. Figura 18. Mezcladora de bolillas. El tambor contiene el material a mezclar /


refinar y a las bolillas mezcladoras / moledoras. Y sin ser específicamente mezcladoras, pero cumpliendo el rol de tales, existen extrusoras, tal como se ven mas adelante, en donde dentro de la máquina se produce la homogenización del material base con los aditivos. Estas máquinas, que tienden a modificar el peso molecular del material, son de alto costo, y solo se justifican en determinadas mezclas. Son extrusoras de doble tornillo, con cambios en las orientaciones de los helicoides, de manera que se establece una contracorriente que favorece el mezclado. Desde ya que una vez extruído el material en especie de fideos de 2-3 mm de diámetro, se los tronza en longitudes de no mas de 4 mm, de forma tal de reconvertirlos en “pellets”. 4.5. PROCESAMIENTO Los termoplásticos son usualmente calentados para ablandarlos, luego se les da forma y mas tarde se los enfría. En cambio en el caso de los termorrígidos se usa un proceso que permite la reacción química para el entrecruzamiento de las cadenas de polímeros, y luego la polimerización final tiene lugar mediante la aplicación de calor y presión. Las técnicas de procesamiento mas usuales son: • Extrusión

• Inyección

• Rotomoldeo

• Soplado

• Termoformado

• Moldeo por colada

• Moldeo por compresión

• Moldeado por transferencia

• Inyección Reactiva RIM

• Calandrado

• Plastificado. 4.6. EXTRUSION En principio el proceso de extrusión es el forzado de un polímero termoplástico que, en estado fundido y/o pastoso, pasa a través de una matriz (o boquilla, o dado) por medio de presión; desde ya que la forma de esta matriz será la forma aproximada del perfil obtenido. Un aspecto fundamental de este proceso es que es continuo; significa que mientras al sistema se lo alimente no dejará de producir. Este proceso, usado por años para metales, consta de un tornillo que conduce al polímero desde un estado sólido hasta un estado viscoso, donde su composición ya es homogénea. La amplia mayoría de las extrusoras utilizan un único tornillo, tal cual se ve en la figura 19. La máquina consiste esencialmente en un tornillo firmemente ajustado a una camisa calefaccionada, en donde el tornillo gira con sus filetes prácticamente deslizando sobre las paredes de dicha camisa. El grado elegido, en forma de gránulos sólidos, comúnmente llamados pellets, es introducido a temperatura ambiente por la tolva que se sitúa en el extremo opuesto del dado de extrusión, y evolucionará a lo largo de la extrusora homogeneizándose de tal manera que emerja plastificado del otro extremo. El incremento de temperatura necesario para alcanzar el estado fundido, es decir por encima de Tm, se da de dos maneras: por las resistencias eléctricas que se sitúan a lo largo de la camisa que envuelve al tornillo y las cuales son seteadas para que progresivamente caliente a los pellets, y Tecnología I - U4 - Plásticos - 29

por la propia fricción de dichos pellets, tanto con los filetes del tornillo como contra las paredes de la camisa. Máquinas extrusoras Generalmente de tornillo, este puede tener un único, o dos filetes, a lo largo de su longitud. El diámetro del vástago del tornillo no es constante en toda su longitud, aunque si lo es en la última sección, la de dosaje. Luego, como el vástago varía su diámetro pero los filetes siempre están prácticamente tocando el cilindro, entonces estos últimos varían su altura, disminuyéndola a medida que se aleja de la tolva de alimentación.

Figura 19. Extrusora a tornillo. Una consecuencia del cambio de diámetro del vástago es el incremento de la presión a lo largo de la extrusora; tal como se ve en la figura 20, es fácil advertir que si una dada cantidad se va comprimiendo (debido a que el diámetro del vástago del tornillo se incrementa) entonces hay un aumento de presión.

Figura 20. Incremento de la presión a lo largo del tornillo de una extrusora y las tres zonas del mismo. Un verdadero tornillo se observa en la figura 21, en donde se aprecian zonas de tornillo invertido para favorecer la mezcla; también se observa la colocación de las Tecnología I - U4 - Plásticos - 30

termocuplas, las cuales indicarán la temperatura del fundido. Para algunas aplicaciones es necesario disminuir la presión dentro de cilindro ya que a menudo dichos valores son muy altos; hay extrusoras con válvula de escape y por lo tanto el tornillo tiene una zona de descompresión; lógicamente la presión luego vuelve a crecer. En algunas mezclas, aparte de disminuir la presión se eliminan pequeñas cantidades de agua (residente en los gránulos de alimentación, en forma de humedad).

Figura 21. Tornillo de extrusora con sus diferentes zonas. Las zonas de una extrusora son cuatro; las tres primeras se encuentran a lo largo del tornillo y la cuarta es la matriz de extrusión propiamente dicha. Son:

Zona de alimentación (Feed section): es la primera zona, y aparte de recibir el

material desde la tolva, la misión mas importante es la de ir precalentando al mismo y prepararlo para las zonas subsiguientes. Usualmente, salvo en el caso de PVC, la profundidad del vástago del tornillo es constante y tanto esta magnitud como la velocidad de avance del tornillo definirán una correcta o incorrecta tasa de alimentación.

Zona de compresión (Compression section): esta zona tiene dos funciones y también

se la denomina zona de transición. En primer término expele el aire que se encuentra entre los gránulos y en segundo término le aporta al material la temperatura necesaria para la fusión, modificándose de esta forma la densidad del material. Por lo tanto se necesitará un tipo diferente de extrusora (o mas bien del diseño del tornillo) para cada tipo de polímero. El PE, que fusiona gradualmente, necesita un tornillo con un cambio de diámetro gradual; en cambio si un polímero fusiona repentinamente, tal cual el nylon, se utiliza un tornillo con un cambio brusco de diámetro. Por último, en el PVC, un polímero difícil de extruír, la fusión debe ser mas gradual que en los polietilenos.

Zona de dosaje (Metering section): generalmente, salvo en el caso del PVC, el

diámetro del tornillo se mantiene constante en esta última zona. La función es terminar de homogeneizar el material, suministrándolo al dado de extrusión a una dada temperatura y presión.

Zona de matriz (Die section): esta parte de la extrusora (figura 22), aparte de definir

la forma con que va a salir el polímero extruido, contiene antes de dicha matriz un


filtro (breaker plate), usualmente de dos o tres capas. Estos filtros (figura 23) se utilizan para: • Atrapar suciedades, partículas poliméricas que no fusionaron y fundamentalmente todo tipo de materiales extraños, sobre todo metálicos, que pueden llegar a dañar el dado de extrusión. • Mantener presión constante, indispensable para el correcto funcionamiento del dado. • Eliminar la memoria de fusión del polímero; dado que los polímeros son producto de largas cadenas de C, si estas cadenas son alineadas mediante una extrusión, a veces tienden a tomar su estado inicial, generalmente de cadenas entrelazadas; por eso es que se habla de memoria de fusión. Al hacerlas pasar por un filtro se las va orientando de tal forma que una vez que pasen a través de la matriz, el material no tienda a reacomodarse. Figura 22. Dado de extrusión.

Figura 23. Filtro previo al dado. En los últimos tiempos son usuales las extrusoras de doble tornillo, que no solo tienen un buen rendimiento, sino que además actúan homogeneizando al material previo al extrudado, actuando por lo tanto como una mezcladora adicional. Las extrusoras, tal como las inyectoras, se encuentran en permanente y plena evolución: cabezales porta dados múltiples, así como cabezales rotantes, permiten la obtención de semielaborados de todo tipo. Un ejemplo de esto, referido en este caso a un grado singular, se observa en la figura 24, donde los perfiles extrudados son polímeros termoplásticos muy cargados con polvos de madera.

Figura 24. Extrusión de perfiles símil madera.


Respecto de los diseños recomendados, la idea es mantener espesores constantes, de tal manera que el enfriamiento del perfil sea homogéneo (figura 25). l Figura 25. Recomendaciones elementales de diseño para perfiles. 4.6.1. Casos especiales en procesos de extrusión 4.6.1.1. Tubos extruidos Para extruir ciertos tubos, aparte de la matriz propiamente dicha, se suele acompañar a la misma con algún sistema auxiliar. En estos casos, y en función del diseño, se debe dar prioridad al diámetro interno del tubo o al diámetro externo. Si se requiere un diámetro interno de exactitud, el tubo extruido, aún por encima de Tg y por lo tanto deformable, se lo hace pasar a través de un mandril con el diámetro necesario; esto se aprecia en la figura 26. Figura 26. Extrusión de tubos; mandril calibrador para ∅ interno. Si se requiere calibrar el diámetro externo con una determinada exactitud, se encuentran dos versiones básicas (figura 27): la primera cuando el tubo recién extruido es presionado hacia las paredes de un mandril externo mediante la inyección de aire a presión y la segunda cuando el tubo se adhiere (pero no se pega, ya que va deslizando) a la pared del mandril externo debido a una depresión generada por vacío.

Figura 27. Extrusión de tubos; Calibrado ∅ externo, por aire inyectado a presión y por depresión generada por vacío.

4.6.1.2. Planchas extruídas En la figura 28 se pueden apreciar sendas extrusoras con la particularidad de que una obtiene planchas de espesores menores a 0,5 mm. y la otra mayores a ese espesor. Estas extrusoras tienen, una vez que sale el material extruido, equipos calandradores en donde se calibran los espesores. Un aspecto fundamental de dichas extrusoras radica en el diseño del dado extrusor, en donde la superficie geométrica Tecnología I - U4 - Plásticos - 33

del mismo no suele concordar con el diseño final deseado, ya que contempla las contracciones por temperatura y hasta por memoria de forma. La principal diferencia entre los equipos es que mientras el material de espesor fino se puede bobinar, mientras que el material extruido que tiene un determinado espesor tal que no admite deformaciones se debe cortar mediante un sistema de cuchillas.

Figura 28. Extrusión de planchas; espesores gruesos y espesores finos. 4.6.1.3. Recubrimientos por extrusión Este tipo de extrusión se utiliza para cubrir con un determinado polímero un dado material. Lo forma mas usual es el recubrimiento de conductores eléctricos, generalmente con polímeros de tipo PVC o polietilenos. En la figura 29 se observa el esquema del proceso. El cable desnudo de cobre entra por uno de los extremos de la matriz de extruir, desfasado 90° respecto del tornillo de la extrusora. Una vez que el polímero pasa a través del filtro, gira un ángulo recto y recubre al cable. El cable, que es trefilado (significa que esta siendo arrastrado desde la punta), saldrá con un recubrimiento de un diámetro exterior tal cual sea el de la matriz de la extrusora.

Figura 29. Recubrimiento de un conductor eléctrico por extrusión. Tecnología I - U4 - Plásticos - 34

Es intuitivo darse cuenta que debe tener una perfecta sincronización entre el avance del cable y el flujo de la extrusora, evitando de esa forma espesores menores a los de diseño (si es que el avance del cable es mas rápido o el flujo de extrusión es bajo) o rebalses de polímero en la matriz (si el avance del cable es mas lento o el flujo de extrusión es alto). En la figura 30, un conductor eléctrico con multi cobertores.

Figura 30. Conductor eléctrico con múltiples cobertores.

4.6.1.4. Espesores extrafinos: extrusión + soplado - Bolsas de polietileno El material a extruir se lo hace pasar a través de una matriz con forma de anillo. Al mismo tiempo se hace pasar, mediante grandes ventiladores, una gran masa de aire que infla el interior del tubo. Un sistema de arrastre de alguna forma elimina la burbuja, teniendo la delicadeza que el polietileno esté lo suficientemente frío como para que no se peguen las superficies entre sí; también se puede agregar algún modificador superficial que elimine el ‘pegoteo’. Una vez que el material ya esta aplanado, se lo recolecta mediante bobinas. Como este método es continuo, se debe tener en cuenta un sistema de recolección apropiado (figura 31). Generalmente son bobinas que mientras una recolecta, la otra (recién bobinada y por lo tanto llena) es reemplazada por una vacía. En la figura 32, extrudado + soplado para obtener un film de PE.

Figura 31. Extrusión + soplado. Figura 32. Film de PE. Tecnología I - U4 - Plásticos - 35

4.7. Inyección Los termoplásticos, materiales perfectamente reversibles respecto de su cambio de fase por encima de una determinada temperatura de fusión Tm, son masivamente utilizados en la tecnología actual por medio de operaciones de inyección. La microestructura, y por lo tanto el comportamiento mecánico, de termoplásticos inyectados, estará influenciada por: • Tipo de termoplástico base, temperatura de inyección (Ti=Tm+ΔT), presencia de aditivos, etc. • Tipo de molde, forma y tamaño; temperatura de molde, canales de refrigeración (tiempo de solidificación, velocidad de enfriamiento); líneas de flujo, líneas de soldadura (weld lines - WL, o knit lines), aire atrapado; tensiones residuales, etc. • Forma de inyección y parámetros (velocidad de llenado, presión de llenado, etc.) Las variables que influyen sobre las operaciones de inyección se dividen entre variables de máquina, variables de material y variables de pieza a inyectar. Las mismas son: a. Variables de máquina: a.1. Temperatura de inyección: generada por fricción del material contra las paredes del tornillo y por calentamiento a lo largo del tornillo por medio de resistencias. a.2. Tiempo de inyección: flujo de ingreso del material dentro de la cavidad de moldeo. a.3. Presión de inyección (Pmax) y presión secundaria (P2), o segunda presión, o de mantenimiento. a.4. Temperatura de molde. a.5. Tiempos de aplicación: Pmax, P2 y de solidificación. b. Variables de material: b.1. Peso molecular o MFI (Melt Flow Index). b.2. Viscosidad, que será función de la Ti. c. Variables de pieza: c.1. Forma y tamaño de la cavidad a llenar. c.2. Tipos y cantidad de puntos de inyección. Ciclo de inyección El ciclo de inyección se observa en la figura 33.

Figura 33. Diagrama de un ciclo de inyección. Tecnología I - U4 - Plásticos - 36

i. Inyección: el sistema de inyección avanza hasta encontrarse con la boca de entrada del sistema de inyección del molde, y el tornillo o el pistón avanzan (según sea el tipo de máquina), obligando al material a ingresar a la cavidad de moldeo. En principio se trata de una operación rápida, con un caudal másico de inyección desde 0.5 kg/seg. En este punto se define una variable fundamental, que es la temperatura de inyección: Ti = Tm + ∆T, siendo ∆T el sobrecalentamiento del material por encima de su temperatura de fusión. Esta temperatura, por otro lado, no es un dato preciso, sino que no solo es variable para cada material, sino que para cada material se le pueden adjudicar distintos valores, según sea su forma de determinación. En esta etapa se alcanza el máximo de presión (Pm) dentro de la cavidad de moldeo. ii. Presurización - P2: necesaria para reducir la contracción, tanto la de cambio de estado (líquido/sólido) como la de estado sólido, puede ser mantenida desde el 100 % de la Pm hasta valores por debajo de 50% de Pm. Esta etapa se mantiene hasta que al menos los canales de alimentación hayan solidificado. iii. Enfriamiento: luego de la solidificción de al menos el canal de alimentación, el cilindro retrocede (por lo tanto P2=0). En ese momento comienza el ciclo de enfriamiento, el que finaliza cuando la temperatura de la pieza es tal que permita la extracción de la pieza sin que haya distorsiones ni por solidificación, ni por la propia acción de los pines eyectores. iv. Abertura de molde y eyección: en esta etapa el molde se abre y la pieza de desmolda por medio de la acción de pines eyectores. Estos pines, siempre esbeltos y por lo tanto expuestos a problemáticas generados por interferencias de ajuste y/o desalineación, actúan sobre las caras negativas de la pieza inyectada, generando improntas que serán cada vez menos visibles a medida que ∆T sea cada vez mayor, respecto de: Teye. = Tt – ∆T. v. Tiempo muerto: etapa orientada hacia aquellas operaciones en que es necesario establecer un tiempo necesario para preparar la cavidad para un nuevo ciclo. vi. Cerrado de molde: etapa que finaliza el final del ciclo, debe ser lo mas rápida posible. Siendo esta operación condicionada por la propia inercia de las matrices (a menudo de gran tamaño), debe ser lo suficientemente suave como para que no haya interferencias entre las partes de la matriz durante el avance. Inyectoras La unidad de inyección es esencialmente similar a una extrusora, si bien un par de diferencias, una de ellas en donde cambia el sistema de empuje ya que si bien las hay de tornillo (figura 34), también las hay de pistón (figura 35). En principio el sistema de inyección no es continuo, si bien puede estar produciendo durante miles de ciclos, con solo la precaución de ir llenando la tolva cada determinada cantidad de ciclos. De la misma forma que en la extrusora de tronillo, a medida que los pellets avanzan se alcanza la temperatura de fusión, logrando el paso a estado “líquido”. Un detalle a tener en cuenta es la presencia de la válvula selladora; esta impide que cuando se produce la inyección haya un flujo negativo, es decir que se vuelva el material hacia el cilindro y no hacia la matriz. En la figura 36 se observa un esquema mientras que una inyectora real se observa en la figura 37. Tecnología I - U4 - Plásticos - 37

Figura 34. Inyectora a tornillo.

Figura 35. Inyectora a pistón.

Figura 36. Esquema de inyectora.

Figura 37. Inyectora 2.000 gr capacidad Al ser varios termoplásticos materiales de excelente procesabilidad, es posible obtener espesores por inyección de hasta 0,25 mm, o menos. Esto es debido a que determinados grados tienen muy altos MFI, por lo que su viscosidad es muy baja (sobre todo cuanto el material esta bastante por encima de Tm), lo que permite una gran colabilidad. Por ejemplo, secciones esbeltas pueden ser inyectadas con PP con mayor éxito respecto de otros termoplásticos. A este tipo de piezas, se las suele denominar como inyectados profundos. Normalmente se utilizan altas velocidad de inyección, y esto da como resultado una mayor homogeneidad de temperatura del material dentro de la cavidad de moldeo. Si el tiempo de llenado, o en definitiva el flujo de entrada, es Tecnología I - U4 - Plásticos - 38

lento, el frente frío se puede llegar a congelar (sobre todo en zonas esbeltas) y/o generar pliegues (“skin marks”). Cuando dos de estos frentes se encuentran, y el material no tiene la suficiente cantidad de calor como para homogeneizar ese cambio de estado, se estará en presencia de una línea de soldadura – WL, las cuales, naturalmente, siempre son zonas de debilidad. En la figura 38 se observan dos formas de tener WL: en el primer caso, para piezas grandes que serán coladas por mas de un pico, y en el segundo, en el caso de insertos dentro de la matriz que dividan el frente de llenado.

Figura 38. Líneas de soldadura y/o WL - Weld Lines. A medida que el polímero tenga mayor viscosidad, mayor será la presión necesaria para mantener el molde hermético. Esta fuerza de cierre dependerá de la carga. Los valores de la tabla III son típicos; estos, por Fuerza de cierto elevadísimos, hacen de la inyección una ciencia Capacidad cierre aparte, aparte de limitar el proceso para determinados [gr] volúmenes o de lo contrario contar con máquinas difíciles [Tn] de imaginar. 30 10

Tabla III. Fuerza de cierre de las matrices en función al volumen a inyectar de termoplástico.

120

125

350

250

800

375

1500

650

8500

2500

Matrices de inyección Este tipo de matrices no difieren mucho de las matrices utilizadas para el moldeo de metales en fundición a presión. Un correcto diseño deberá tener en cuenta la división de la matriz que permitan una fácil tarea de desmolde, una vez que la pieza esta solidificada. La extracción de las piezas podrá ser manual o mecánica. Para evitar defectos sobre las piezas se debe practicar algún escape para permitir que el aire atrapado dentro de la matriz escape a medida que ingresa el polímero fundido; un pequeño fresado, es decir una canaleta de un diámetro de no mas de 0,05 mm., se practica por una de las superficies hasta llegar a la cavidad a llenar. Constructivamente, siempre se diseñará la matriz de acuerdo a la máxima capacidad con la que cuente la inyectora. Esto significa que si una inyectora da golpes de hasta 1.800 gr, la idea es utilizar dicha capacidad en cada golpe; por Tecnología I - U4 - Plásticos - 39

ejemplo, si las piezas son de 100 gr cada una y el sistema de alimentación no sobrepasa los 150 gr, entonces se deberían ubicar al menos 16 piezas en la matriz de inyección. En la figura 39 se observa una matriz de dos placas. Una de las placas es fija, en este caso la derecha y la que admite el pico de la inyectora, queda inmóvil durante todo el proceso mientras que la izquierda hace el movimiento que determina la apertura y cierre de matriz. A su vez tiene unos pines eyectores que se deslizan en la misma dirección y sentido que la placa móvil; este dispositivo es para facilitar el desmolde de las piezas. Como se ve, la matriz esta rodeada de canales por los cuales corre agua de refrigeración con el fin de acelerar el proceso de solidificación. Sin embargo, las piezas obtenidas en los primeros ciclos suelen tener defectos; esto es debido a que la temperatura de la matriz no esta aún estabilizada. Si la temperatura de trabajo es por ejemplo 55°C, esto es porque el material se inyecta a 180°C, el agua que corre por los canales esta a 30°C y como los procesos no son continuos se toma en cuenta la temperatura ambiente; la conjunción de todas estas temperaturas estabilizará en 55°C, pero luego de un determinado número de ciclos. De la misma forma que cualquier molde, el mismo contará con un bebedero pero que en las inyectoras se denomina toberas de admisión; estas toberas pueden ser múltiples y significa que una cavidad se puede llenar desde varios lados.

Figura 39. Matriz de dos placas. En la figura 40 se observa una matriz que logra la misma pieza que la matriz anterior pero al ser de tres placas tiene la habilidad de poder separar la pieza obtenida de los recortes, ya sean bebederos, distribuidores, alimentadores, etc. Aparte de acelerar la producción, tiene la ventaja que al haber un troquelado entre pieza y recorte, instantáneamente separa las piezas terminadas de los recortes a reprocesar. Desde ya que si bien la matriz es mas efectiva, también lo es su grado de complejidad, por lo que aumenta su costo. En la figura 41, un molde de inyección instalado y abierto, y un molde para la obtención de un simple par de ojotas.

Figura 40. Matriz tres placas. Tecnología I - U4 - Plásticos - 40

Figura 41. Moldes de inyección. Como en todos los casos tecnológicos, son operaciones muy versátiles. En la figura 42 se observa la inyección sobre insertos metálicos. No se considera necesario definir ejemplos, pero si los espesores que deberían tener las zonas cercanas a dichos insertos, así como trabas y moleteados en los insertos, de tal manera de incrementar el anclaje mecánico.

Figura 42. Insertos metálicos contenidos en piezas inyectadas. 4.8. Rotomoldeo El rotomoldeo es un proceso donde un molde es alimentado con un determinado polímero, el cual en algún momento y durante la rotación del molde, estará en estado líquido (por encima de Tm en caso de que sea un termoplástico y a T ambiente en caso de una resina termorrígida). Es un proceso económico que no requiere aplicación de esfuerzos sobre el material, produce piezas huecas, sin costuras, sin esfuerzos residuales, con espesor de pared uniforme y con amplias posibilidades de diseño de producto (figura 43).

Figura 43. Piezas por rotomoldeo: baño químico. Tecnología I - U4 - Plásticos - 41

Esta técnica de procesamiento ofrece alta versatilidad de producción, y representa una opción interesante, comparada con procesos similares de transformación, como el moldeo por inyección, termoformado o soplado. Una particularidad de esta técnica es que solo calibra la pared exterior de la pieza rotomoldeada, mientras que la pared interior muestra detalles de cómo fue la última solidificación (a menudo con presencia de ondas, estableciendo puntuales diferencias en el espesor). Entre las ventajas del proceso, además de una distribución uniforme del material en el molde, se garantiza homogeneidad en el espesor de las paredes de la pieza. En aristas y esquinas, generalmente sometidas a impactos durante el servicio, no solo no se adelgazan, sino que hasta se puede incrementar el espesor mediante algún detalle en el molde. Además, las piezas se fabrican sin costuras ni juntas, y el proceso de rotación biaxial garantiza isotropía en las propiedades. Como el material no es sometido a presiones durante su transformación, el producto final no tiene esfuerzos residuales. Por otro lado, es posible producir en una sola pieza un producto que anteriormente se hacía ensamblando cuatro o cinco partes conformadas por otros métodos, inyectadas por ejemplo. Los parámetros de proceso se pueden controlar para producir piezas de casi cualquier tamaño, desde máscaras faciales (de unos pocos gramos) hasta carcasas o juegos para niños de gran tamaño. Como en el proceso no se manejan altas presiones de transformación, el molde suele ser liviano, versátil y con menores requerimientos de resistencia que en otros procesos, como en procesos por inyección. Debido a que los tiempos para fabricar el herramental son menores, la hacen una técnica rentable aún para partidas pequeñas. Piezas obtenidas por rotomoldeos sucesivos pueden tener más de una pared. Los espacios intermedios pueden ir rellenos de polímeros espumados, los cuales suelen actuar como aislantes (térmico, de ruidos y hasta de vibraciones). Proceso El rotomoldeo es un proceso simple de cuatro etapas, que usa un molde cerrado de paredes delgadas y alta capacidad de transferencia de calor. En general se coloca una cantidad conocida del polímero que luego rotará simultáneamente en dos ejes perpendiculares; durante la rotación lenta del molde, el material se fundirá adhiriéndose a las paredes calientes y cubriendo toda la superficie homogéneamente, con la intención que este distribuido en toda la superficie con un espesor lo mas uniforme posible; luego, se lo enfría y se los desmolda. El esquema se observa en la figura 45. i. Llenado del molde: en el molde se introduce exactamente la cantidad necesaria de material plástico a procesar, que generalmente es un termoplástico (mas sus aditivos) en polvo finamente molido (figura 44). El material es montado en un molde abierto y frío cubierto previamente en su interior con algún agente desmoldante. Luego el molde es cerrado y llevado al interior de un horno para ser calentado. ii. Calentamiento y rotación del molde: una vez cargado el molde, se somete a la aplicación de calor y simultáneamente se hace rotar sobre dos ejes perpendiculares a fin de permitir que el material se vaya adhiriendo poco a poco a la pared interna y se Tecnología I - U4 - Plásticos - 42

fusione en una masa continua. El ciclo de calentamiento es la etapa de mayor duración en el proceso de rotomoldeo; normalmente toma entre 7min y 15min. La duración de esta etapa está directamente relacionada con el espesor deseado de la pieza final, ya que a medida que el plástico se deposita sobre las paredes del molde. Debido a su baja conductividad térmica, actúa como aislante, disminuyendo la velocidad de enfriamiento.

Figura 44. Carga de polvos poliméricos para obtener una pieza por rotomoldeo. iii. Enfriamiento y rotación del molde: luego se procede a enfriar el molde, para que endurezca el material; durante esta etapa continúa la rotación, para evitar variaciones de espesor por escurrimientos generados por la propia gravedad. Para acelerar el enfriamiento es usual rociar agua sobre el exterior del molde. iv. Desmoldado: una vez solidificada la pieza terminada, se procede a extraerla del molde y se puede iniciar un nuevo ciclo de producción. Esta última etapa, aparentemente muy sencilla, puede llegar a requerir métodos de alta tecnología cuando las piezas fabricadas tienen diseños intrincados o son de gran tamaño.

Figura 45. Esquema progresivo de la obtención de una pieza por rotomoldeo. Maquinaria y equipos En las máquinas para rotomoldeo hay tres parámetros fundamentales: capacidad de calentamiento, tiempo promedio por ciclo y la velocidad de rotación del molde (generalmente no mayor de 60 rpm). La optimización y ajuste de estas variables, ha dado origen a las diferentes clases de máquinas que se usan hoy en día. Las principales son las siguientes: a.- Máquinas de giro y vaivén (Rock and Roll): fueron las primeras, con un giro de 360° respecto de un eje, mientras que el segundo eje solo presenta un movimiento de 45° a la izquierda y a la derecha (efecto de vaivén). Como sistema de calentamiento generalmente se emplean mecheros de gas u hornos. Las máquinas de giro y vaivén resultan prácticas para la fabricación de piezas grandes. Tecnología I - U4 - Plásticos - 43

b.- Máquinas de horno tipo caja (Box oven machines): la rotación se produce dentro de horno de calentamiento, mientras que para el enfriamiento directamente se puede sumergir el molde en un baño de agua. Con este tipo de máquinas se fabrican todo tipo de pelotas, juguetes y autopartes (figura 46, esquema y figura 47, máquina real).

Figura 46. Esquema de máquina tipo caja.

Figura 47. Máquina tipo caja. c.- Máquinas tipo cofre (Clamshell machines): desarrolladas hace 20 años, todo el proceso ocurre en una única cámara, que sirve como horno (por medio de calentadores externos y la conducción del calor a través del aire), y como cámara de enfriamiento con circulación de aire frío y pulverizadores de agua. Estas máquinas son de bajo costo, requieren poco espacio y mano de obra no especializada. La desventaja es que el ciclo es de mayor duración. Son útiles para fabricar partidas pequeñas, especialmente para el desarrollo de prototipos y actividades de I+D. Los moldes generalmente son de Al fundido. Otros materiales usados son de aluminio mecanizado, hojas de metal ferroso, acero al C o inoxidable (especialmente cuando deben ser elaboradas muchas partes o el molde va a ser encamisado). En casos de que se desee aumentar la transferencia de calor para obtener formas muy complejas, es posible utilizar moldes fundidos de base Cu. Actualmente se cuenta con rotomoldeo con sistema de calentamiento por rayos infrarrojos. Este método permite expandir significativamente los diseños y la capacidad de producción del proceso debido a que favorece el control puntual del calentamiento en áreas difíciles o de formas complejas. Estos sistemas permiten incrementar la transferencia de calor en ciertas áreas y consecuentemente, aumentar el espesor de la pared o reducir el tiempo del ciclo de calentamiento; esto se logra empleando tintas oscuras que absorban los rayos, o puede ser disminuido en ciertas zonas empleando materiales que reflejen los rayos UV. Esto permite un mejor control de la temperatura y una operación más precisa cuando se va a trabajar con moldes de espumados.


Características de los materiales para rotomoldeo Un buen material para rotomoldeo puede definirse por los siguientes parámetros: • Facilidad de molienda: se refiere a su capacidad para ser molido hasta un polvo fino. Los grados que tienen bajo índice de fluidez no se muelen fácilmente. • Distribución de partícula: la distribución de tamaños de partícula del polvo debe ser estrecha. La presencia de partículas muy pequeñas con partículas relativamente grandes, trae como consecuencia que la absorción de calor de las partículas sea poco homogénea, lo que podría originar un recubrimiento no uniforme de las paredes del molde. • Tamaño de partícula: las granulometrías mas comunes van de 16 a 50 Mesh, correspondiendo a tamaños de partícula entre 1,9 y 0,30 mm respectivamente. Un tamaño de partícula del polvo de 35 Mesh es apropiado para rotomoldeo. • Fluidez: para que el material se adhiera apropiadamente al molde, el polvo debe fluir fácilmente sin ninguna presión externa diferente a la gravedad. Esta se mide contabilizando el tiempo requerido para que un peso dado del polvo del material fluya a través de un embudo estándar. Según ASTM 1895, una velocidad de flujo mínima de 185 gr/min. determina polvos apropiados para rotomoldeo. • Facilidad de fusión: las partículas deben fundirse fácilmente durante el ciclo de calentamiento. Si el peso molecular del plástico es demasiado alto (índice de fluidez bajo) las partículas necesitarán más energía para fundirse y fusionarse, y por lo tanto serán necesarias altas temperaturas, pudiendo incluso provocar degradación térmica del material. Si el peso molecular es demasiado bajo, el material se fundirá antes de fusionarse, formando pequeños charcos en el molde. Polímeros con alto índice de fluidez son seleccionados cuando la pieza es compleja, por lo que se busca buen flujo en ciertas áreas complicadas. Polímeros con bajo índice de fluidez son apropiados cuando se necesita mejorar las propiedades mecánicas en general (incluida una mayor resistencia al impacto). • Espumados: es posible incrementar la rigidez y resistencia al impacto de una pieza rotomoldeada mezclando un pequeño porcentaje de un agente espumante con el polvo antes del proceso. Típico para PE, el % de espumante (que actúa además como aislante) a utilizar depende del espesor espumado necesario. Forma y diseño del producto Si bien es cierto que una alta flexibilidad de diseño es posible con rotomoldeo, algunas limitaciones importantes deben ser tenidas en cuenta: las secciones largas y planas deben ser evitadas, ya que tienden a pandearse cuando se remueven del molde. Una típica pieza, una camilla para transporte de heridos, se observa en la figura 48.

Figura 48. Camilla rotomoldeada. Tecnología I - U4 - Plásticos - 45

Por otro lado, el control del espesor de pared es usualmente mejor que el obtenido por soplado o termoformado, pero no tan bueno como el de moldeo por inyección. Con el rotomoldeo, es normal tener variaciones menores al 10% en el espesor. Los principales factores que influyen en esta falta de homogeneidad son las variaciones térmicas en el horno y la cámara de enfriamiento y deficiencias en las velocidades rotacionales de los dos ejes. Los espesores de pieza van entre 7,5 y 30 mm; incrementarlo puede tener un efecto significativo en el ciclo: aumentar 0,75 mm en el espesor para una pieza hecha de nylon, requiere un incremento del ciclo de calentamiento de 2 minutos. Si el ciclo de calentamiento llega a ser demasiado largo, las piezas pueden comenzar a degradarse; adicionalmente el límite del espesor alcanzado esta también limitado por la sensibilidad térmica del polímero. Algunos aditivos tienen efectos muy beneficiosos para las propiedades de piezas rotomoldeadas. Es usual agregar antioxidantes para retardar la degradación que inevitablemente ocurre durante el calentamiento; además mantienen el peso molecular del material, evitando el craqueo. El efecto del antioxidante dependerá del material; en algunos casos incrementa la resistencia al impacto en 10 veces, mientras que en otros casos tan solo un 20 %. Estabilizadores de rayos UV también son utilizados, sobre todo en piezas expuestas a la luz solar. Pigmentos como negro de humo pueden suministrar cierta protección, pero a la vez aceleran el proceso de degradación por oxidación. Otros aditivos pueden disminuir significativamente las propiedades de una pieza rotomoldeada. Un ejemplo de esta situación lo constituyen las cargas, que cuando están presentes en una concentración alta pueden inhibir el proceso de fusión del material. Esta inhibición puede ser considerable cuando los rellenos están pobremente dispersos en la resina o tienden a formar agregados. 4.9. Soplado El soplado es una técnica conocida ampliamente utilizada para producir botellas y otros contenedores. Dentro del soplado, hay dos grandes subdivisiones: extrusión + soplado e inyección + soplado. Si bien el método utilizado por muchos años fue el soplado de un polímero extruido, en los últimos años se ha incrementado el conformado de botellas plásticas para bebidas gaseosas, utilizando una técnica de soplado sobre piezas inyectadas. Por otro lado, si bien las botellas son los productos mas asociados al soplado, hay un sin número de productos que se moldean por soplado. Esto incluye a grandes tambores para productos químicos, tanques de expansión para intercambiadores de calor, tanques para combustibles, juguetes, etc. El principio del soplado ha sido utilizado por siglos para conformar recipientes de vidrio. Un tubo semiviscoso es conformado; luego este es atrapado entre dos moldes y una corriente de aire sopla dentro de el obligando al material a copiar las paredes del molde. El molde puede tener alguna refrigeración y a su vez la corriente de aire puede llegar a ser caliente para facilitar la deformación del material. Mientras que cuando se sopla a un material extruido a este se lo denomina 'parisón', cuando se sopla una pieza plástica inyectada, se la llama 'preforma'. En la figura 49 se observan típicas piezas sopladas. Tecnología I - U4 - Plásticos - 46

Este método soluciona el problema de generar algo hueco (por el desmolde de la matriz). El inconveniente mas notorio es que no se puede utilizar para mas allá de ciertos espesores ya que de soplar sobre espesores muy gruesos se requerirá una gran instalación.

Figura 49. Simples ejemplos de piezas sopladas. 4.9.1. Extrusión y soplado El principio de este proceso, típico en la fabricación de las botellas para agua mineral, se puede apreciar en la figura 50. Mediante una extrusora se conforma el 'parisón'; las características de este (espesor, temperatura, longitud, etc.) se puede regular desde la extrusora. Mientras que una parte de la figura muestra la extrusora en sí, la otra muestra la mecánica del proceso: i. Parisón desciende por gravedad, con T por encima de Tg. ii. Cierre de molde, introducción pico de soplado en el parisón. iii. Soplado propiamente dicho, y espera a que la T descienda por debajo de Tg. iv. Abertura de molde, desmoldeo de la pieza y comienzo de un nuevo ciclo.

Figura 50. Soplado, partiendo de un 'parisón' extruido.


Para lograr una producción de tipo continua se han ideado distintos tipos para la disposición de los moldes. Los hay de tipo carrusel, moldes múltiples y/o moldes múltiples alternativos. Con este tipo de arreglos, los ciclos son muy rápidos, mas allá que en los dos últimos sistemas la extrusora deberá contar con tantos dados de extrusión como moldes para soplar haya. Pequeñas piezas sopladas pueden ser producidas en ciclos de no mas de 5 seg. 4.9.2. Inyección y soplado El soplado de 'preformas' inyectadas se incrementó en los últimos años con el auge de las botellas descartables de bebidas carbonatadas, desde botellas de 600 cm3 hasta de 3.000 cm3. El termoplástico mas utilizado para este tipo de productos es el polietilen tereptalato – PET, que se caracteriza por su gran transparencia, así como por sus propiedades frente a solicitaciones de impacto. Naturalmente el estado del arte evoluciona muy activamente, por lo que día a día se ven nuevos diseños. La preforma es obtenida por inyección en molde frío, inclusive con un gran shock térmico y logrando por lo tanto un polímero con una estructura amorfa; en la figura 51 se observan los pellets de partida y la correspondiente preforma.

Figura 51. Pellets de PET y preforma. Luego, y previo al soplado, se les debe elevar la temperatura por encima de Tg de tal forma que el material fluya y se deforme tomando la forma de la matriz, tal como se observa en la figura 52; incluso es usual que en la etapa de soplado propiamente dicha, el mandril avance ligeramente y además que el aire utilizado tenga una dada temperatura, por encima también de la Tg del polímero a soplar. La principal diferencia entre una preforma y un parisón es que este último permite un sellado mucho mas hermético, a través de una tapa a rosca también inyectada. Esto es de vital en dichas bebidas, ya que no admiten pérdidas de gas, aunque sean menores. Figura 52. Inyección + soplado.


Un aspecto singular se da en las matrices de soplado, ya que si bien son herramentales de alto costo, al ser de baja solicitación mecánica a menudo se los puede fabricar en aluminio, el cual es un material de alta maquinabilidad. En la figura 53, un rústico molde para soplado.

Figura 53. Simple molde de soplado. 4.10. Termoformado En termoformado, un material ya preparado, generalmente una plancha extruída termoplástica, es calentada suavemente por encima de Tg sobre la parte superior y posteriormente es deformada por una fuerza que impulsa al polímero contra el molde; este molde estará lo suficientemente frío como para solidificar el material. Se debe tener en cuenta que si bien se parte de una lámina de espesor uniforme, esto no se mantiene una vez realizada la deformación, localizándose las principales reducciones en las aristas externas y los principales engrosamientos en las aristas internas. También es crítica la uniformidad en el calentamiento, ya que esto incide en la forma final de la pieza. El calentamiento es por radiación generada a través de resistencias eléctricas y el tiempo necesario será función del material y del color de las láminas, ya que aquellas oscuras calentarán en menor tiempo; estos rangos son bien variables, y van desde 1s hasta 10 min. Piezas termoformadas son innumerables, pero a modo de ejemplo, observar figura 54. En la figura 55, el principio de la técnica. Figura 54. Vajillas descartables y bandejas.

Figura 55. Principio de la técnica de termoformado.


Si bien generalmente la fuerza impulsora se logra por medio de una depresión originada por una cámara de vacío, suele asistirse a la fuerza con algún tipo de sistema que impulse la plancha contra la matriz; esto se logra o con la asistencia de aire a presión, con punzones de embutir, con bolsas de aire, etc. Varias posibles formas de termoformado se ven en las figuras 55, 56, 57 y 58. En la figura 55 se observa el sistema mas simple, es decir un sistema hembra solo con asistencia de vacío; en caso de haber problemas para obtener la deformación deseada, se puede asistir previamente con una asistencia de aire tal como se observa en la figura 56. Un aspecto fundamental en la construcción del herramental serán los finos canales que permitan la generación del vacío entre la superficie del molde y la plancha a termoformar.

Figura 55. Termoformado con molde tipo hembra asistido por vacío.

Figura 56. Termoformado con molde tipo hembra asistido por aire y vacío. En la figura 57 se observa el mismo principio pero sobre un molde macho y de la misma forma, en la figura 58, una asistencia previa de vacío y aire.

Figura 57. Termoformado con molde tipo macho asistido por vacío. Tecnología I - U4 - Plásticos - 50

Figura 58. Termoformado con molde tipo macho asistido por vacío, aire y vacío. Un caso típico de termoformado en piezas pequeñas es la obtención de todo tipo de blisters (figura 59), así como de vajilla descartable (fuentes (figura 60), platos, vasos, etc.), mientras que en piezas mediana y grandes, se obtienen por ejemplo paneles internos de las heladeras, pisos de bañaderas (que posteriormente serán reforzadas en sus superficies negativas), etc. Como se intuye, la complejidad geométrica será función del tamaño de la piezas, siendo aquellas piezas de gran tamaño las mas elementales en su forma; además en estos casos es normal que se ajusten las condiciones de calentamiento, agregando caloventores, convectores, etc.

Figura 59. Blister termoformado.

Figura 60. Obtención de bandeja en matriz hembra.

Normalmente los polímeros amorfos son los mas apropiados para ser termoformados y esto se debe a que tienen un mayor rango de Tg disponibles. Poliestirenos de alto impacto (HIPS), acrílicos (PMMA), polietilenos de alta densidad (HDPE) son usualmente utilizados; poliéster termoplásticos (PET) son utilizados en la industria alimenticia (contenedores, bandejas, etc.). También se utilizan planchas espumadas de alta densidad en bandejas para cortes de carne, contenedores de huevos, etc.


4.11. Colada Este tipo de procesamiento se da típicamente en materiales termorrígidos, en donde las resinas generalmente suelen ser suministradas en estado líquido (figura 61). Naturalmente a dichas resinas se les debe agregar el catalizador y el acelerador (este en caso de ser necesario), mezclarlas homogéneamente, y en algunos casos se las debe colar rápidamente, ya que apenas mezclados comienza el proceso de catalización, por lo que el material va perdiendo viscosidad, hasta que gela. Las piezas obtenidas por colada, en donde el llenado no es asistido por ninguna fuerza externa, suelen ser partes simples, sin zonas esbeltas y/o espesores delgados. Las cavidades pueden contener insertos metálicos que luego quedarán incorporados a la pieza. Los principales problemas con estas técnicas son las contracciones de las resinas, que en algunos casos llegan hasta el 20%. También es crítica la liberación de calor de la reacción ya que la misma es exotérmica; sino se contempla dicho aspecto, es piezas muy gruesas, en el eje térmico de la pieza se puede alcanzar la Td, con lo que ello implica. Los equipos a nivel industrial suelen contar con depósitos los cuales alimentan a picos dosificadores en donde se produce la mezcla. Estos picos deben ser limpiados con solvente luego de cada operación para que las resinas no polimericen dentro de el, ya que estará obstruido durante el nuevo ciclo. Todo tipo de piezas acrílicas se realizan por este método, desde semielaborados (planchas, laminas, perfiles, redondos, tubos, etc.) hasta piezas terminadas, generalmente con utilizaciones de tipo ópticas y/o en la industria publicitaria (carteles, anaqueles, repisas, etc.).

Figura 61. Moldeo por colada: colada propiamente dicha, espera de tiempo para curado y desmoldado, y de ser necesario, postcurado.

4.12. Compresión Es uno de los métodos de procesamiento mas simples y es ampliamente utilizada para resinas termorrígidas. Se introduce una dada cantidad de material, y mediante un esfuerzo de compresión, y con un molde asistido por temperatura, se logra la deformación necesaria. Para saber que cantidad de material hay que poner, esto se hace por peso, partiendo lógicamente con el volumen de diseño y la densidad del material; se le suele agregar un poco mas de material para evitar posibles defectos


por llenado. Este sobrante, que deberá tener la facilidad para desprenderse rápidamente, suele situarse en superficies negativas. Las temperaturas del molde son del rango entre 140°C y 170°C para la mayoría de las resinas termorrígidas; esta temperatura se utiliza para acelerar la reacción de entrecruzamiento entre las cadenas de dichas resinas. Los termoplásticos, en raras ocasiones necesitan temperatura para ser procesados por compresión; uno de estos casos es para el PP, que necesita 230°C. Sin embargo, los termoplásticos son poco utilizados en esta técnica ya que necesitan una etapa de enfriamiento, lo que naturalmente alarga el ciclo de procesamiento. El principio de la técnica, en la figuras 62 y 63. Figura 62. Moldeo por compresión.

Figura 63. Moldeo por compresión. La presión de moldeo varía de acuerdo al diseño de la pieza y del material a moldear (desde 35 hasta 750 kg/cm2) y los tiempos de curado también pueden ir desde 1 min (para resinas fenólicas) hasta 1 hora en caso de elastómeros de gran espesor. Para acelerar los tiempos de desmoldado se pueden precalentar los materiales antes de ser conformados, de manera que se inicie la reacción fuera de la cavidad; este inicio no debería cambiar radicalmente las propiedades del material, ya que de lo contrario habría problemas en el llenado. Caracterizada la técnica por ser de llenado lento dada la alta viscosidad de los materiales, las piezas no suelen tener geometrías complejas. Las primeras prensas, generalmente hidráulicas, se operaban manualmente, con un simple manómetro para medir la presión y un termómetro para saber la temperatura de los moldes. Las prensas modernas han automatizado los ciclos, calefaccionan con resistencias autocontroladas y presionan de forma automática. Tanto el llenado como la extracción de las piezas se han automatizado, lográndose de esta forma una superior calidad de producto. Generalmente la placa superior de la prensa permanece inmóvil, mientras que la inferior se desplaza a lo largo de las columnas impulsada por el émbolo hidráulico. En la figura 64 se observa un molde; Tecnología I - U4 - Plásticos - 53

las fuerzas de cierre de matriz pueden variar desde 10 Tn para prensas de laboratorio hasta prensas de varios centenares de T para prensas de uso industrial. Naturalmente, los moldes son de acero y para incrementarles la vida útil se les suele dar a la superficie de la cavidad propiamente dicha recubrimientos de Cr duro.

Figura 64. Molde para obtener piezas termorrígidas por compresión.

Las resinas termorrígidas mas comúnmente utilizadas por esta técnica son las poliester insaturadas, las fenólicas y las epoxis, las cuales suelen estar reforzadas mediante fibras. Un gran número de piezas de uso eléctrico son fabricadas por esta técnica, así como aquellos utensilios de uso doméstico que serán expuestos a altas temperaturas, tales como espumaderas, cucharas, asas de ollas, perillas de hornos, etc. Un típico caso de piezas por compresión son los discos de vinilo, los cuales hoy en día se siguen fabricando, aunque en tiradas muy menores respecto a las de años anteriores. 4.13. Transferencia El moldeo por transferencia, normalmente asociado a moldeo por compresión, es únicamente usado para polímeros termorrígidos así como para elastómeros. La diferencia con la anterior es que la mezcla es ligeramente precalentada levantando la temperatura en una cámara de premoldeo, en donde el material polimeriza parcialmente a una temperatura lo suficientemente alta como para que fluya (es decir que se pueda deformar) pero no como para que haya una polimerización total. Luego, a través de un pico muy estrecho, se “transfiere” el material dentro del molde, el cual se sitúa en la misma máquina, donde se lleva a cabo la polimerización final, a mayores temperaturas y mayores presiones. En la figura 65 se observa claramente el sistema de polimerización de los termorrígidos. Es claro que el llenado del molde debe ocurrir cuando la viscosidad de la resina es baja, pero hay que tener en cuenta que la polimerización se dispara rápidamente y la viscosidad crece exponencialmente. Cuando eso ocurre, la pieza empieza a tomar rigidez dentro del molde, que es lo que se denomina ‘curado’. Posteriormente, y en caso que haga falta, ya desmoldada la pieza, se puede realizar alguna operación de post-curado, para que la pieza tenga mejores propiedades mecánicas todavía. Otra forma de ver el ciclo de polimerizado se observa en la figura 66, en donde a la cámara de transferencia se la precalienta alrededor de 130ºC, de tal manera que le baje la viscosidad por muy poco tiempo, pero el necesario para llenar la cavidad de moldeo. Tecnología I - U4 - Plásticos - 54

Hay que ser muy cauto, porque si en eso tiempo no se transfiere la resina al molde, polimerizará en forma temprana y el herramental estará en riesgo. Figura 65. Ciclo de polimerizado de una resina termorrígida.

Figura 66. Precalentamiento de la resina, con el catalizador ya agregado, para disminuir la viscosidad y favorecer el llenado del molde. En la figura 67 se nota una operación típica de moldeo por transferencia. El material se alimenta dentro del recipiente del molde de transferencia a temperatura y luego se lo fuerza bajo presión dentro de la cámara de moldeo. Una vez que polimerizó, se lo extrae por medio de eyectores. La ventaja de la transferencia es la posibilidad de moldear piezas pequeñas de geometrías complejas.

Figura 67. Termorrígidos por transferencia. 4.14. RIM Esta técnica, Reactive Injection Molding - RIM, es la de mas reciente desarrollo, que involucra un rápido mezclado de resinas termorrígidas de bajo peso molecular (y por lo tanto baja viscosidad) y un inmediato mezclado dentro de la cavidad de moldeo. Esto es necesario ya que la polimerización de la resina toma no mas de 45s, lo que Tecnología I - U4 - Plásticos - 55

hace a la técnica sumamente rápida, ya que el ciclo total no se extiende mas allá de los 2 min. Particularmente útil en piezas de gran tamaño y delgado espesor, el capital necesario así como la complejidad de la técnica, es mucho menor que en la inyección de termoplásticos. La gran desventaja esta en el control de las reacciones químicas, que suelen ser complejas. El esquema del equipo (hiper resumido) se observa en la figura 68. La técnica por RIM al menos utiliza dos componentes, y a veces mas. Los cabezales mezcladores son muy sofisticados, y dicha mezcla se produce a través de fluidos que de alguna forma entran casi pulverizados a la cavidad de mezclado. El cabezal suele tener circuitos de recirculación y además son autolimpiantes.

Figura 68. Esquema RIM. La reacción se inicia apenas las partes entran en contacto ⇒ la operación debe ser veloz. El llenado dentro de la cavidad se busca que sea lo mas laminar posible para evitar presencia de burbujas. El material de los moldes será función del número de piezas a moldear, y si bien los hay de acero, también existen de Al y hasta de resinas epoxis, con la salvedad que se los suele metalizar con Ni para incrementar la vida útil. Tal como se observa en la tabla III los valores de procesamiento son significativamente inferiores respecto de una técnica de inyección en termoplásticos (TIM).

Tabla III. Diferencias elementales entre las variables de procesamiento de RIM vs. TIM.

Propiedades

RIM

TIM

T reactantes

40ºC

200ºC

T molde

70ºC

25ºC

Viscosidad P inyección Fuerza de cierre p/m2

0.1 – 1 Pa.s 100 kg/cm 50 Tn

2

100 – 105 Pa.s 1000 kg/cm2 3000 Tn

La dificultad en el control de las partes implica la utilización de un intercambiador de calor para mantener las temperaturas constantes. Las resinas de PU generalmente se inyectan a temperaturas ambientes, pero otras resinas, como las poliamídicas, necesitan altas T. Las RIM-PUR suelen ser espumadas en el centro y eso a menudo es beneficioso por que disminuye la densidad del material.


Piezas de gran superficie y poco espesor, tal como las utilizadas en la industria automotriz (paragolpes, capots, etc.), se obtienen mediante esta técnica. Es usual colocar dentro de la cavidad de moldeo una tela de fibras, la cual actuará como fase refuerzo (RRMI – Reinforced Reactive Injection Molding); estas, al ser impregnadas con resinas de baja viscosidad, resultan en materiales compuestos de alta calidad. 4.15. Calandrado y plastificado El calandrado no es mas que un laminado, pero en vez de laminar metales se laminan polímeros, tales como los que se observan en la figuras 69 y 70. El proceso es la producción de láminas de delgado espesor pasando a través de rodillos rotatorios, con una determinada abertura (y que en definitiva será el espesor de la lámina). Como ya se había visto, otra forma de obtener polímeros en formas de planchas era por extrusión, con toberas extrusoras especiales. Figura 69. Termoplásticos obtenidos por calandrado.

Figura 70. Bobinas obtenidas por calandrado. El motivo de las calandras con múltiples rodillos se debe a que ciertos espesores no se reducen en una sola etapa y por lo tanto se lo hace en las etapas necesarias. Hay distintas configuraciones adoptadas por estos rodillos, y por ejemplo, el diseño de L invertida es el utilizado para las láminas de espesor grueso mientras que el diseño de Z inclinada eliminan la 'memoria' (ver el filtro de la extrusora) del polímero (figura 71). Trabajando bajo buenas condiciones, se obtienen altas calidades, con tolerancias de 20 μm en el espesor de la plancha calandrada.

Figura 71. Distintos arreglos de rodillos calandradores.


Invariablemente, el calandrado requiere que el polímero esté precalentado. Este proviene de una extrusora o directamente de una máquina mezcladora. Un aspecto fundamental de las calandras es que si el último rodillo tiene un determinado relieve sobre su superficie, este será perfectamente copiado sobre la lámina calandrada. Desde ya que este último rodillo estará a temperatura, para facilitar la impresión sobre la plancha. En la figura 72 se detalla un esquema de planta de calandrado para planchas de PVC. En la figura 73, cajas de calandrado con diferentes configuraciones.

Figura 72. Esquema de una planta de calandrado para PVC.

Figura 73. Distintas cajas de calandrado. Plastificado Los plastificados son recubrimientos finos de un dado polímero sobre un determinado material (o sustrato). Estos materiales pueden ser papeles, telas, cartones y cualquier otro al que se le quiera dar un recubrimiento plástico. Hay dos maneras de obtener estos recubrimientos: cepillados y por rodillos invertidos. En los recubrimientos de plastificado por cepillado el polímero se deposita en un pequeño banco entre el rodillo que impulsa al material a revestir y luego, una cuchilla que lo que realiza es alisar dicho recubrimiento. Por lo tanto se obtiene una Tecnología I - U4 - Plásticos - 58

superficie lisa (y por lo tanto suave), aun cuando el sustrato no lo es. En los recubrimientos por rodillos invertidos, el mecanismo es similar al anterior pero, al girar los rodillos en sentido inverso, no se logra una superficie pareja; significa que cualquier defecto en la superficie de la pieza a plastificar será perfectamente copiado por el polímero plastificador. En la figura 74 se aprecia el sistema.

Figura 74. Principio de plastificado por recubrimientos de cilindros invertidos. Por último, en la tabla IV se determinan valores de presión y temperaturas de procesamiento, divididas en los distintos tipos de polímeros y en los cuatro de los procesos principales. Notar que ciertos polímeros no pueden ser conformados por medio de determinados procesos.

POLIMERO

COMPRESIÓN P[Kg/mm2]

INYECCIÓN

EXTRUSION

P[Kg/mm2]

T[°C]

T[°C]

3,5-15,4

135-143

80-94

Polipropileno

7-15,4

204-288

193-221

Poliestireno

7-16,8

162-243

90-107 162-204

T[°C]

TRANSFERENCIA P[Kg/mm2]

T[°C]

1,4-7

135-171

Termoplásticos Polietileno

PVC

0,4-1,4

140-175

4,9-10,5

160-175

ABS

-

162-190

4,2-21

218-260

Poliamida

7-14

271-343

277-299

Acrílico

7-14

160-260

177-232

10,5-17,5

193-215

188-204

10,5-14

274-330

247-304

2,8-5,6

160-171

Acetales

-

200-245

Policarbonato Termorrígidos Fenólica

1,1-3,5

143-193

Epoxi

1,4-3,5

149-171

4,2-14

149-165

Poliuretano

0,7-2,1

177

0,4- a 7

177

Tabla IV. Valores de presión y temperatura de procesamiento para ≠ polímeros.


UNIDAD 5. MATERIALES COMPUESTOS - MC 5.1. Introducción, 5.2. Comportamiento mecánico, 5.3. Tipos de MC, 5.4. Semiterminados, 5.5. Terminados en molde abierto, 5.6. Terminados en molde cerrado, 5.7. Relación costo / beneficio. 5.1. INTRODUCCION Un MC es un sólido heterogéneo que consiste de 2 o mas materiales que están mecánica o químicamente unidos. Cada uno de estos componentes retiene su identidad en el compuesto, manteniendo sus características estructurales y propiedades. Estos se caracterizan fácilmente a través de las interfases entre componentes. Luego, la idea de utilizar un MC en alguna aplicación es incrementar una o varias propiedades del material, que serán superiores al caso de haber sido utilizados en forma individual. Un caso típico es el incremento de la resistencia en polímeros termorrígidos (comúnmente denominados resinas), que se logra mediante al agregado de fibras cerámicas, llamándose comúnmente al material ‘fibra de vidrio’. Lógicamente, no solo la resistencia se puede mejorar, sino otras propiedades tales como tenacidad, densidad, comportamiento frente a altas temperaturas, resistencia a la corrosión, conductividad eléctrica, conductividad térmica, etc. De acá se desprende que no solo se necesitan materiales con buenas propiedades estructurales (p.e. el comportamiento mecánico), sino aquellos de apropiadas propiedades funcionales (p.e. el comportamiento eléctrico). Los materiales disponibles, ya sean compuestos u homogéneos, son de amplio espectro, pero con el fin de satisfacer las propiedades requeridas por el diseñador. Un aspecto que se debe tener en cuenta esta relacionado con el comportamiento de la 2da fase, ya que en estos MC la idea es incrementar las propiedades mecánicas de la matriz; por lo tanto, se las denomina “fase refuerzo”. En caso que se las agregue para abaratar el costo del material, se las denomina “fase relleno’. Las ventajas de los MC son las siguientes: Comportamiento mecánico: dependiendo de la elección de la fibra y de la matriz (generalmente estas poliméricas, y por lo tanto de baja δ), se caracterizan por ser materiales de alta rigidez, alta deformación y con alto módulo de tracción. Resistencia a altas temperaturas: al utilizarse resinas termorrígidas, admiten temperaturas de hasta 330°C, dependiendo del tipo de resina utilizada. Anisotropía: dependiendo de cómo este solicitada la pieza será la orientación de las fibras. Atenuador de vibraciones: dependiendo de la matriz y las fibras, se incrementa la vida a la fatiga. Resistencia química – Buen comportamiento frente a llamas: en función de las altas resistencias de las matrices, se las utiliza en la fabricación de contenedores expuestos a soluciones corrosivas, pero con contenedores que presenten buenas propiedades mecánicas. Respecto del comportamiento a las llamas, serán muy dependientes de los aditivos que se le agreguen a la resina que define la matriz.

Tecnología I - U5 - Materiales compuestos - 1

Libertad de diseño: en función de la cantidad de técnicas de procesamiento, es posible reproducir cualquier tipo de pieza, muchas veces con herramentales de bajo costo. Alto concepto FCF (Forma Cercana a la Final): en función de la alta colabilidad / copiabilidad de la resina, prácticamente se obtiene una cara muy bien calibrada, mientras que en la cara posterior, por donde se aplico el refuerzo y las capas posteriores de resina, no es una superficie calibrada. En caso de trabajar con técnicas de molde cerrado, ambas superficies estarían bien calibradas. Los MC dependen de cuatro aspectos fundamentales: 1º. las propiedades de cada uno de los componentes que conforman el material. 2º. las cantidades relativas de cada uno de los materiales. 3º. del tamaño, forma, distribución y sobre todo de la orientación de los refuerzos inmersos en la matriz. 4º. del grado de adhesividad entre refuerzo y matriz. 5.2. COMPORTAMIENTO MECANICO El posible diseño del material en función del diseño de la pieza, y por lo tanto su comportamiento, es propio de estos materiales anisotrópicos. Desde la óptica de los materiales isotrópicos (típicamente aquellos metales que no se deforman durante su fabricación), esta orientación que se le puede dar al refuerzo determinará propiedades totalmente diferentes, que a menudo son ventajosas, pero que en determinados casos, pueden resultar terriblemente perjudiciales. El comportamiento mecánico se basa en el incremento del módulo E de la matriz, esto gracias al fuerte módulo de las fibras. En la figura 1 se observa claramente el mejoramiento del comportamiento mecánico al agregarse una fase refuerzo a una determinada matriz y también se aprecia el mecanismos de rotura. En la figura 2 se aprecia el comportamiento del compuesto cuando es solicitado en forma longitudinal a la dirección del refuerzo (izquierda) y cuando es solicitado en forma transversal a dicha dirección (derecha). Se observa que si bien la deformación ε del material compuesto esta determinada por la máxima deformación que admita el refuerzo, la gran ventaja es el incremento en el comportamiento elástico de la matriz polimérica.

Figura 1. Comportamiento mecánico de un MC.


Figura 2. Curvas σ−ε de un MC, solicitados en forma longitudinal (izq.) y transversal (der.) respecto de la dirección de la fase refuerzo. Hipótesis de fallo Tal como se observa en la figura 3 las hipótesis de fallo en materiales compuestos generalmente están basadas en dos premisas: rotura de las fibras y/o rotura entre fibras. Estas últimas, a su vez, contemplan roturas de la matriz propiamente dicha o roturas de la matriz pero generadas por una mala adhesividad entre fibra y matriz. El análisis de la fractura otorga singular información y una correcta interpretación de la misma es crítica para reformular el material compuesto. Roturas de fibras indicarían que el % de presencia de fibras respecto de la matriz no es el apropiado, o que las fibras elegidas no admitan dicha carga. Por otro lado, una fractura de matriz estaría indicando que la misma no admite dicha carga; por ultimo, una fractura de tipo interfaz indica una baja adhesividad, la cual se puede incrementar a través de algún método de limpieza o preparación superficial de las fibras. Este concepto se manifiesta a través del “Pull-Out”, y de alguna forma, tal como se ve en la figura 4, si hay una buena adhesividad entre la matriz y fase refuerzo, se necesitara mas energía para separarlas.

Figura 3. Modos de rotura en materiales compuestos.


Figura 4. Presencia de Pull-Out en un MC. 5.3. TIPOS DE MC Hay muchas formas de clasificar a los materiales compuestos y una de ellas es mediante la geometría microestructural que presentan (figura 5). En este caso, estos se dividen en: a.- compuestos laminares; b.compuestos particulados; c.- compuestos reforzados por fibras.

Figura 5. Tipos de MC.

5.3.1. MC laminares Los materiales compuestos laminares son aquellos en los que distintas capas de materiales son adheridas de diferentes formas. Las formas mas comunes son los recubrimientos finos de uso funcional, los recubrimientos gruesos de uso estructural, los bimetálicos, los laminados, los multilaminados (o sandwiches) y otros. Un caso común en multilaminados es el de la madera terciada (figura 6), la cual es el caso típico de un material laminado; en este caso las capas de madera se adhieren de tal forma que las propiedades mecánicas de la mismas se incrementan, respecto de las de la madera de origen, sobre todo si se tienen en cuenta los espesores de los laminados. Figura 6. Multilaminados en madera. Tecnología I - U5 - Materiales compuestos - 4

La orientación de las capas predispone al material a ser solicitado en una dirección preponderante (en el caso en que no haya rotación angular entre capas) o con respuestas similares frente a distintas direcciones de solicitación (con rotaciones de 0º - 90º - (+)45º - (-)45º - (-)45º - (+)45º - 90º - 0º). Otra aplicación común, en este caso mediante laminados sandwichs, es el de la fabricación de vidrios de seguridad, en donde láminas de vidrio se adhieren mediante láminas poliméricas adhesivas, de forma tal que cuando el vidrio colapsa, estos se quedan adheridos a la película polimérica. Por último, en laminados superficiales, el caso típico de forrado exterior es el de la fórmica, en donde una lámina polimérica se adhiere superficialmente sobre un material de bajo costo, generalmente madera aglomerada, la cual también es un material compuesto, en este caso particulado. Un caso de materiales compuestos de uso funcional se observa en los bimetálicos, en donde el laminado de materiales de diferentes coeficientes de dilatación térmica γ se combinan de tal forma que frente a incrementos o descensos de temperaturas, estos se deforman curvándose, generalmente accionando algún tipo de contacto eléctrico; esto es lo que se utiliza en los ‘automáticos de heladeras’. 5.3.2. MC particulados Los materiales compuestos particulados consisten en partículas totalmente rodeadas por el otro material. Un caso típico es el concreto, en donde partículas de piedra y arena están rodeados por cemento (no confundir con hormigón armado, donde además esta reforzado con fibras continuas, en ese caso los hierros). Sin embargo, generalmente estos materiales están compuestos por partículas duras y frágiles, distribuidos en una matriz tenaz. El ejemplo de esta configuración son las muelas de rectificar, en donde los granos abrasivos están dispersos en medio de una fase ligante. Los abrasivos suelen ser alúmina (Al2O3), carburos de silicio (CSi) o diamante (caso típico en ruedas de corte para cerámicos), en una matriz de vidrio u polimérica. También son usuales este tipo de compuestos en herramientas de corte, comúnmente llamados ‘cement carbides’, donde la parte cerámica pueden ser carburos de tungsteno (WC), carburos de tantalio (TaC) o carburos de titanio (TiC) distribuidos en una matriz metálica, generalmente de cobalto. Debido a este arreglo de partículas, estos materiales compuestos generalmente son isotrópicos, es decir que se comportan con las mismas propiedades en cualquier dirección en que se los solicite. 5.3.3. MC reforzados con fibras Estos son los MC mas usuales, en donde fibras, continuas y/o discontinuas, están embebidas en una matriz. Esta matriz soporta y transmite las solicitaciones a las fibras, además de darle tenacidad al compuesto, también actúa como protector de las fibras a la oxidación; las fibras en si, se ocupan en soportar los esfuerzos (estáticos y/o dinámicos (cargas de impacto)) a los que esta sometido el material en si. Si bien los ladrillos de adobe y barro fueron de los primeros compuestos utilizados por el hombre, una cubierta de automóvil lleva fibras de nylon, de rayón, Tecnología I - U5 - Materiales compuestos - 5

de kevlar (aramidas) y de acero, todas ellas embebidas en un elastómero y orientadas de tal forma de que la misma se comporte de manera confiable. Los MC de fibra de vidrio se desarrollaron en la 2° Guerra Mundial, para disponer de materiales livianos pero con buenas propiedades mecánicas. Fibras de vidrio de ≈ 6 μm (figura 7, comparada con un pelo humano) de diámetro son inmersas en distintos tipos de polímeros, generalmente resinas termorrígidas de tipo epoxi o PE. Y grandes esfuerzos se realizan hoy en día para incrementar las propiedades de estos materiales. Diferentes fibras de vidrio, así como fibras de carbono, de aramidas y de boro son disponibles en el mercado tecnológico. Figura 7. Fibra de vidrio sobre un pelo humano. Las fibras pueden ser orientadas de diferentes formas dentro de la matriz, de tal manera de incrementar sus propiedades en direcciones preestablecidas. En la figura 8 se observa claramente el comportamiento mecánico del compuesto en función de la dirección de la solicitación y de la orientación de las fibras. La curva, correspondiente a una matriz base epoxi reforzada con fibras de vidrio tipo E, demuestra que admite hasta casi 8 veces mas tensión si las fibras están en la misma dirección que el esfuerzo.

Figura 8. Comportamiento mecánico en función de la orientación de la fase refuerzo. Por último, el comportamiento de estos compuestos dependerá de los siguientes factores: 1. propiedades de las fibras; 2. fracción volumétrica de fibras; 3. forma de las fibras (relación L/D); 4. orientación de las fibras; 5. grado de adhesión entre fibra/matriz; 6. propiedades de la matriz. 5.3.3.1. Fibras Las fibras son los componentes resistentes de un material reforzado con ellas y definen la mayor parte de las características mecánicas del material, como la resistencia y la rigidez. Estas pueden fabricarse a partir de varios materiales; desde Tecnología I - U5 - Materiales compuestos - 6

metálicas (como el Boro, de alto costo) o cerámicas (de vidrio, de bajo costo, o de carbono, de alto costo) hasta poliméricas (como fibras a partir de HDPE). Un criterio de selección importante para la utilización de estas es la incidencia de los pesos específicos, ya que permite diseñar piezas con altas respuestas mecánicas con un peso menor. Estas fibras, sobre todo las poliméricas y a diferencia de las fibras naturales, suelen ser continuas y se las debe llamar filamentos; cuando estos filamentos están conformados por fibras paralelas, se los debe llamar rovings. En la tabla I se observan distintas propiedades, en fibras recién producidas y bien conformadas, ya que las propiedades de estos materiales son muy dependientes de las técnicas de aplicación (pudiendo disminuir hasta 1/3 de sus propiedades originales). Vidrio

Carbono

Aramidas

E

R/S

C

HT

HST

IM

HM

PE

HM

Resistencia Tracción

Gpa

3.4-3.5

4.4-4.6

3.1

2.7-3.5

3.9-7.0

3.4-5.9

2.0-3.2

2.8-3.0

2.8-3.4

2.6-3.3

Alargamiento Rotura

%

3.3-4.8

4.2-5.4

3.5

1.2-1.4

1.7-2.4

1.1-1.9

0.4-0.8

3.3-4.4

1.9-2.4

2.7-3.5

∅ filamento

μm

7-8

5-7

5-7

6.5-8

12

12

27-38

1.78

1.80

1.76

1.84

1.42

1.46

0.97

3-25 3

Densidad

gr/cm

2.6

2.5

2.4

Tabla I. Propiedades físicas y mecánicas de distintas fibras.

Fibras de vidrio Las fibras de vidrio (figura 9) fueron las primeras que han hallado una amplia aplicación como fibras de refuerzo. Estas se producen por medio de un proceso de hilado bajo fusión; luego el conjunto de los filamentos obtenidos se reúnen formando una fibra. La mas difundida de las fibras de vidrio es la E (esta E proviene de eléctrico, y es por que las primeras aplicaciones estuvieron en ese campo). En casos de que se necesite mayor resistencia se deberá optar por fibras R ('resistance', en frances) y/o S ('strength', resistencia en ingles). También se ha desarrollado una fibra C (por 'chemical', lógicamente de buena resistencia frentes a medios corrosivos). Figura 9. Fibras de vidrio.

Fibras de carbono En casos en que las fibras de vidrio no provean la resistencia necesaria, las fibras de C son una opción. La materia prima mas usual para la fabricación de estas fibras son las fibras de poliacrilonitrilo (PAN), y mediante técnicas de pirólisis se eliminan el N y H, quedando C entre 92 y 100%; también se puede partir de brea, con menor costo Tecnología I - U5 - Materiales compuestos - 7

pero con propiedades de fibras inferiores. Las de primer desarrollo fueron las HT, de alta tenacidad; para evitar deformaciones, luego se desarrollaron las HM (alto módulo), las cuales se utilizan en la industria aeroespacial. Por último, las fibras HST (alta resistencia y tenacidad) y fibras IM (intermedias) se utilizan para cuando las solicitaciones son específicamente altas. En la figura 10 se observa un diagrama σ-Modulo elástico E para el comportamiento de distintas fibras.

Figura 10. Propiedades de FR.

Fibras de aramidas - Kevlar Producidas a partir de polímeros orgánicos, estas fibras se caracterizan por tener una gran capacidad para absorber impactos. Típicamente utilizados en la fabricación de chalecos antibalas, también se los utiliza para la construcción de estructuras que estén expuestos a altos impactos, como chasis en vehículos de alta velocidad. Otra buena característica es que es resistente a la llama, autoextinguible y de alta resistencia frente al ataque químico. Mas allá de las fibras standard, se suelen optar por las HM (de alto módulo), en caso de que la deformación se deba mantener acotada.

Fibras de Polietileno Partiendo de un hilado desde un gel de UHMWPE (Polietileno de muy alto peso molecular), estas fibras de muy baja densidad las hacen interesantes para la fabricación de implementos típicos en la industria marítima. De bajo costo, la gran desventaja de estas fibras es que tienen baja Tm, cercana a los 150ºC. Si embargo, se las suele agregar en la fabricación de aquellas piezas que por algún motivo se opte por la opción, como por ejemplo agregar u 70% de fibras de vidrios tipo RS y un 30% de fibras de PE.

Estructuras textiles Partiendo de una única fibra, el agrupamiento en forma paralela de varias de estas para poder obtener un hilado, de tal forma que se pueda generar una forma plana u otra operación, se denomina rovings (figura 11). Este agrupamiento de las fibras se amalgaman mediante un apresto de las mismas, que promueve una alta adhesividad entre las fibras y luego, entre el roving y la matriz.


Como ya se ha expresado, las características de los materiales compuestos dependerán fundamentalmente de la fase refuerzo respecto de la matriz. Por lo tanto, cuanto mayor sea la relación de la fase refuerzo, mas se asemejarán a las propiedades de las fibras en si. Es por este motivo que es usual, sobre todo en la fabricación de semiterminados, utilizar distintas estructuras textiles de forma plana, con el objetivo de agregar grandes cantidades de refuerzo. Estas telas planas se pueden diferenciar bajo tres grandes grupos: fieltros, sistemas no mallados (tejidos, ensambles y trenzas) y sistemas mallados (mallas y encadenados).

Figura 11. Rovings de fibras de C.

Fieltros Son estructuras de fibras en estado random, si bien a veces suelen estar hilvanados para fijar el fieltro. Generalmente de fibras de vidrio, a estos fieltros se los denomina también “mats”, tal como se observa en la figura 12. Al estar las fibras (continuas y/o discontinuas) distribuidas al azar, los mismos son isotrópicos. De bajo costo, no se los suele utilizar en aquellas piezas donde las propiedades mecánicas sean críticas.

Figura 12. Mats de fibra de vidrio.

Tejidos Suelen ser estructuras planas, realizadas por sistemas de entrecruzamiento de las fibras. Debido a la disposición ortogonal de las fibras, las direcciones de máxima resistencia se hallan principalmente en los ejes de 0° y 90° (figura 13). Los tejidos se


utilizan normalmente en la fabricación de piezas terminadas a molde abierto, tanto por Hand lay up y/o Spray up.

Figura 13. Tejido “Kevlar Skin”.

Ensamblados Estas telas planas consisten en la superposición de sistemas de fibras paralelas, generalmente con el agregado de una fibra ligera para establecer los puntos de entrecruzamiento (figura 14). Se las utiliza para piezas de alta solicitación, debido a que se puede diseñar el ensamble en función de las propiedades mecánicas a las que este expuesto. Cuando se los produce con una única dirección en las fibras, se los denomina unidireccionales.

Figura 14. Ensambles de fibras de vidrio.

Trenzados Diferentes a los tejidos, mediante trenzados se pueden realizar cintas o cilindros. Realizadas en máquinas rotativas, aspectos de simetría y la posibilidad de modificar el ángulo resultante, hacen de las trenzas de un material de refuerzo a menudo utilizado bajo grandes solicitaciones. Palos de golf, todo tipo de raquetas, partes de prótesis, son ejemplos en que se utilizan trenzas como material de refuerzo.

Mallados y encadenados Los mallados y encadenados se realizan mediante máquinas de punto, tal como se las conoce en la industria textil. Las mallas, también llamadas tejidos multiaxiales, se diseñan en función de las solicitaciones a las que va a estar expuesta la pieza compuesta. Si bien son de fácil adaptación para distintas geometrías, la desventaja Tecnología I - U5 - Materiales compuestos - 10

radica en la baja rentabilidad respecto de los tejidos. Los encadenados, producidos mediante el mismo tipo de máquinas pero con una trama un poco mas laberíntica, tienen poco uso debido a la baja resistencia al entrelazamiento de las fibras y las flexiones propias del proceso. En las figuras 15 y 16, se observan esquemas de los distintos tipos de paños generados por FR.

Figura 15. Tejido (a), ensamblado (b), trenzado (c), mallado (d) y encadenado (e).

Figura 16. Principio de un tejido multiaxial.

5.3.3.2. Matrices Las matrices son fundamentales por los siguientes motivos: • Fijan y estabilizan a la fase refuerzo de acuerdo a la orientación deseada. • Transmiten los esfuerzos mecánicos a las fibras. • Protegen a las fibras de lo medios externos: humedad, rayos UV, ataques químicos, etc. Generalmente las matrices suelen ser resinas termorrígidas, en algunos casos se pueden utilizar polímeros termoplásticos. Las resinas termorrígidas se caracterizan por tener muchos puntos de entrecruzamiento, lo que las hace rígidas, resistentes a ataques químicos y resistentes a altas temperaturas; por otro lado, las altas velocidades de polimerización derivan en acotados tiempos de endurecimiento.


Resinas Poliéster Creadas en 1936, aún son utilizadas, si bien algunas propiedades han quedado un poco retrasadas respecto a otras matrices. Son las utilizadas en la fabricación de semiterminados de tipo SMC. Se polimeriza mediante el agregado de un catalizador y, en caso de querer acelerar la velocidad de misma, se puede agregar algún acelerador o incrementar la temperatura de trabajo. Estas resinas presentan bajas Tg y su resistencia y rigidez no son elevadas. Otra desventaja es que presenta un importante % de contracción. Por otro lado, son las de menor costo.

Resinas Viniléster Resina de mejores propiedades mecánicas que las poliéster, su resistencia química y térmica se puede incrementar a partir de la presencia de aditivos. Su contracción durante el endurecimiento es sensiblemente menor.

Resinas Epoxis Utilizadas desde 1938, estas matrices son, por lejos, las mas utilizadas. De alta resistencia a la temperatura (hasta 250ºC) y con muy buenas propiedades mecánicas, la desventaja es su alto costo. Otra desventaja es su alta absorción de agua, limitando su utilización en aquellos medios de alta humedad relativa, o directamente en presencia de agua.

Resinas Fenólicas También de amplio uso, la desventaja es la liberación de agua durante la reacción de polimerización, lo que acarrea problemas durante el moldeo del compuesto, ya que deriva en fisuras y/o poros. Sin embargo, esa liberación de agua durante la polimerización le otorga al material excelentes prestaciones frente a llama directa, ya que por su memoria de forma, tienden a liberar agua en dichos casos; por este mismo motivo absorben poca humedad, lo que les otorga alta estabilidad química.

Polipropileno (PP) - Polieterimidas (PEI) – Polieteretercetona (PEEK) (Termoplásticos) Utilizadas en caso de necesitar mayor deformación, y manteniendo la estabilidad química, las matrices termoplásticas son exclusivamente utilizados para la fabricación de semiterminados de tipo TPRFV (Termo Plásticos Reforzados con Fibra de Vidrio). De alta prestaciones frente al impacto, superiores a los compuestos fabricados a partir de SMC. Otra ventaja son los cortos tiempos de moldeo, sin que haya reacciones durante la polimerización; su modo de trabajo es simple, ya que para deformar la placa de TPRFV solo hay que llevarla por encima de su Tg. Las desventajas son inherentes a los termoplásticos, ya que se necesitan temperaturas y altas presiones para el moldeo (siempre se moldearán en matrices de molde cerrado) sobre todo en superficies de gran tamaño; además, tienden a fluir frente a altas temperaturas. Siendo las mas utilizadas las de tipo PP por su tenacidad y su baja δ, también se opta por matrices de tipo PEI, siendo estas amorfas resistentes hasta 220ºC, Tecnología I - U5 - Materiales compuestos - 12

transparentes y de alta estabilidad química y térmica. Matrices de PEEK son muy resistentes frente a medios hostiles, siendo atacada únicamente por ácido sulfúrico concentrado. En la Tabla II se indica un cuadro de compatibilidades entre las distintas matrices y fibras. Matrices Termorrígidas Fibras

PSins.

Sintéticas

Aramidas

Buena

PE

Buena

Epoxi

↑↑↑ Buena ↑↑↑ Buena

FP

VS

PI

Buena

↑↑↑ Buena

↑↑↑ Buena

Mala

Buena

Mala

↑↑↑ Buena


Buena

Buena

↑↑↑ Buena ↑↑↑ Buena ↑↑↑ Buena


Vidrio C Vidrio

Carbono

Vidrio E

↑↑↑ Buena

Vidrio R/S

Buena

Carbono HT Carbono HST Carbono HM

↑↑↑ Buena Buena Buena

↑↑↑ Buena ↑↑↑ Buena ↑↑↑ Buena ↑↑↑ Buena ↑↑↑ Buena

Matrices Termoplásticas

Buena

Tabla II. Compatibilidad matrices poliméricas

↑↑↑ Buena

PP

PA

PEEK

↑↑↑ Buena Mala

Mala

↑↑↑ Buena

↑↑↑ Buena ↑↑↑ Buena ↑↑↑ Buena ↑↑↑ Buena ↑↑↑ Buena

Buena

PES

Buena Mala

Mala

Buena

Buena

↑↑↑ Buena

↑↑↑ Buena ↑↑↑ Buena ↑↑↑ Buena ↑↑↑ Buena

(PSins.-Poliester Insaturado; Epoxi; FP-Fenoplastos; VS-

Vinilester; PI-Polyimida; PP-Polipropileno; PA-Poliamida; PEEK-Polieter éter cetona; PES-polieter sulfona)

y FR.

5.4. SEMITERMINADOS En este apartado se definirán los procesos de impregnación entre fibras y matriz. La elaboración de semiterminados es crítica ya que es usual que contar con una material compuesto previamente armado, de tal forma que las características sean óptimas. Se analizarán tres casos de elaboración de semiterminados: SMC y Prepregs, TPRFV y Pultrusión. Como a menudo la fabricación de semiterminados se hacen a gran escala, el índice de defectos sobre estos disminuye drásticamente; por este motivo se realiza la impregnación de la fibras en una etapa previa, definiendo los semielaborados. Por ejemplo, un aspecto fundamental que define las PM de un compuesto será la adhesividad entre las fases, de tal forma de distribuir los esfuerzos uniformemente sobre las fibras, así como la presencia de burbujas de aire en la matriz polimérica son inadmisibles en materiales compuestos de alta perfomance. 5.4.1. SMC y Prepregs Los SMC (Sheet Moulding Compound – Lámina Moldeada Compuesta) son láminas premoldeadas que luego serán prensadas conformando la pieza terminada. Estos semiterminados son estratégicamente construidos de tal forma de incrementar sus propiedades mecánicas. Tal como se observa en la figura 17, los SMC se fabrican en máquinas de 'mat': sobre dos superficies peliculares portantes, se depositan la resina y posteriormente, entre medio de las resinas, se distribuirá la fase refuerzo. Esta fase Tecnología I - U5 - Materiales compuestos - 13

puede ser alimentada desde un roving, continuo o discontinuo, además de un rociado de fibras, las cuales tienen entre 12 y 50 mm de longitud y una distribución random; esto se observa en la figura 18.

Figura 17. Esquema de fabricación de SMC.

Figura 18. Distintas orientaciones de fibras en la fabricación de SMC. Los espesores de estos semiterminados varían entre 2 y 3 mm. Sin embargo, muchos talleres de materiales compuestos preforman a su manera diferentes planchas de SMC (seleccionando distintas matrices, aditivos y fases refuerzos), por lo que hay un gran espectro de estas, tanto en propiedades mecánicas, terminaciones superficiales, formas de armado, etc. (figura 19). El apilado de estas láminas, desde ya con una correcta adhesión entre ellas, definirá el espesor total de la pieza terminada.

Figura 19. Distintos SMC. Tecnología I - U5 - Materiales compuestos - 14

Los prepregs, por preimpregnados, es el impregnado previo de rovings (figura 20) o estructuras (de tipo panal de abeja (figura 21)) directamente por inmersión de la fibras dentro de una cuba que contiene a la matriz termorrígida. Similar a una técnica de pultrusión incompleta, tanto los SMC como los prepregs tienen una baja vida de banco, ya que si bien la catalización se completa con un incremento de temperatura, a medida que pasa el tiempo se van generando entrecruzamientos entre cadenas, lo que va rigidizando a estos semiterminados.

Figura 20. Prepregs de fibra de carbono, en carreteles y cintas.

Figura 21. FR “panal de abeja”, típicamente utilizado en prepregs.

5.4.2. TPRFV A diferencia de los SMC, no hay una gran variedad de TPRFV, ya que estos se obtienen a partir de una menor cantidad de materiales de partida. La fabricación de estos semiterminados se realiza por medio de prensas dobles; previamente la fase refuerzo se encuentra con el polímero por encima de Tg que sale de una extrusora, formando una placa. Una vez juntos matriz y refuerzo, y bajo la presión de las prensas, se los hace pasar por una zona de calentamiento (para mejorar la impregnación entre fibras y matriz) y posteriormente por una zona de enfriamiento (para acelerar el ciclo de fabricación); esto se observa en la figura 22. Otra forma de generar TPRFV es mediante el recubrimiento de las fibras directamente con la matriz polimérica. Desde ya que las fibras, en forma de roving, se impregnarán por inmersión en la matriz, que deberá estar por encima de Tm. Este material posteriormente se podrá prensar o calandrar, pero para que esto ocurra también deberá ser a una temperatura cercana a Tm, de manera que se favorezca la adhesión entre las fibras previamente impregnadas. El espesor de las placas de TPRFV varía entre 2 – 4 mm, y como a temperatura ambiente el termoplástico esta totalmente solidificado, son dimensionalmente estables, con una vida de banco indefinida, además de que superficialmente no son pegajosos. Tecnología I - U5 - Materiales compuestos - 15

Figura 22. Fabricación de TPRFV mediante extrusión y acción de prensas dobles. 5.4.3. Pultrusión Esta técnica de fabricación de semielaborados es típica para el conformado de perfiles sin fin, tales como si fuesen extruídos por una extrusora de las que se vieron en el capítulo anterior. La fase refuerzo suelen partir de un roving continuo, aplicado longitudinalmente sobre el perfil de la pieza. Para mejorar las PM y la estética de los mismos se suelen aplicar velos de superficie, ya que evitan contactos de la fase refuerzo respecto de la superficie. Las etapas para una operación de pultrusión, tal como se observa en la figura 23, son las siguientes:

Figura 23. Esquema de un sistema de pultrusión para materiales compuestos. 1º y 2º) Almacenamiento y aprestado / desaprestado de los rovings: es fundamental que la alimentación de la fase refuerzo sea ordenada, sin que haya interferencias entre las fibras. Por otro lado, el aprestado (o desaprestado, según lo que sea necesario) debe ser el óptimo para obtener la mejor adhesividad posible entre fases. 3º) Impregnado de las fibras: por inmersión, las fibras se impregnan con la matriz termorrígida en cubas específicas tal como la que se observa en la figura 24. Las resinas suelen ser de baja viscosidad (para asegurar una buena impregnación), y posteriormente curan por temperatura. Tecnología I - U5 - Materiales compuestos - 16

Figura 24. Cuba de impregnación. 4º) Preconformado de los perfiles: posteriormente al baño de resina, las fibras comienzan a pasar a través de matrices que le van definiendo el perfil; cuanto mas complicada sea la sección del perfil, mayores cantidad de dados conformadores. 5º) Conformado, endurecimiento y calibrado del perfil: el dado conformador final generalmente es de acero y tendrá la geometría deseada por diseño (figura 25). Este dado (figura 26) suele estar revestido interiormente con Cr de muy baja rugosidad superficial (para incrementar la resistencia al desgaste y evitar fricciones, respectivamente). Inmediatamente, al perfil se le incrementa la temperatura para que se inicie la reacción de polimerización; esto se realiza por medio de una matriz metálica, calefaccionada mediante resistencias eléctricas y que además calibra a su geometría final al perfil. A su vez, como la reacción es exotérmica, hay un incremento adicional de temperatura que promueve un incremento de la fricción entre el compuesto y la matriz calefaccionada. Figura 25. Perfiles obtenidos por pultrusión.

Figura 26. Dado de pultrusión.

6º) Enfriamiento: de tal forma de poder disponer de los perfiles sin que se adhieran entre ellos. Tecnología I - U5 - Materiales compuestos - 17

7º) Traccionado: mediante sistema de orugas o grampas, se traccionan los perfiles, pretensándolos. La velocidad de producción, en equipos modernos de pultrusión, va desde 0,1 hasta 3 m/min. 8º) Corte: mediante algún disco de corte, se realiza a mediada que va avanzando el perfil, de tal manera que la producción sea continua. En función de todas estas etapas que se ubican una a continuación de la otra, las líneas de producción alcanzan al menos 20 m de longitud. En la figura 27 se observa el mismo principio, pero la forma final ya toma un determinado perfil, lo cual la define como una técnica sumamente versátil, ya que con solo cambiar la matriz de pultrusión (que no deja de ser un dado de extrusión), se modifica la geometría obtenida. En la figura 28, un equipo de pultrusión de última generación.

Figura 27. Obtención de perfiles en materiales compuestos por pultrusión.

Figura 28. Equipo de pultrusión.

5.5. TERMINADOS EN MOLDE ABIERTO La fabricación de piezas terminadas se puede realizar en dos tipos de moldes: abiertos o cerrados. Los moldes abiertos serán aquellos en donde la aplicación de fibras y matrices se realicen sobre una superficie negativa de lo que se quiera


obtener. Tal como se aclaró, la orientación de la fase refuerzo y la ausencia de burbujas de aire serán críticas en su comportamiento. 5.5.1. Laminado Manual – Hand Lay Up Tal como se observa en el logo de procesamiento de la figura 29, este método es la mas elemental de todas las técnicas.

Figura 29. Logo de procesamiento por Hand Lay Up.

Sobre una dado molde (que hasta puede ser de madera (figura 30)), a la cual previamente se le aplica algún agente que actúe como desmoldante, se aplicará una primera capa de resina (a menudo coloreada para evitar procesos de pintura posteriores) de tal forma de evitar que la fase refuerzo tome contacto con la superficie. Luego, se empiezan a aplicar sucesivamente fase refuerzo y aplicaciones de resina hasta obtener el espesor de diseño. Solo tendrá una superficie calibrada y desde ya que será la que esta en contacto con la matriz. Para realizar la aplicación es usual la asistencia de brochas y/o rodillos, los cuales se utilizan para mejorar la aplicación manual, mejorando el mojado de las fibras con la matriz polimérica. La fase refuerzo a menudo son trozos de mat precortados, buscando una determinada orientación. Figura 30. Hand Lay Up de MC en molde abierto. Este método requiere mucha mano de obra pero el costo es muy bajo (figura 31). Se lo utiliza en aquellas piezas de gran tamaño y geometría complicada, y sobre todo si las partidas no son altas. Usualmente no se logran mas de 30% de fibras respecto de matriz, y por otro lado, la orientación de las fibras a menudo no es la óptima. Ejemplos típicos son cascos de embarcaciones, piletas, refuerzos sobre piezas de gran tamaño previamente termoformadas (bañaderas, paragolpes (figura 32)), etc. Figura 31. Rodillo para eliminar burbujas de aire en Hand Lay Up. Tecnología I - U5 - Materiales compuestos - 19

Figura 32. Lamina termoformada, posteriormente con agregado de FR. 5.5.2. Pulverizado – Spray Up Esta técnica es similar a Hand lay up, pero con un mayor rendimiento, por lo que se lo utiliza para partidas medianas. Con un pulverizador que proyecta la mezcla de resinas sobre el modelo, el dosificador cuenta además con un cabezal tronzador del roving, de tal manera que la fase refuerzo queda con un largo determinado, pero con una orientación random (figura 33).

Figura 33. Spray Up para MC.

Para eliminar la presencia de burbujas de aire, es usual la asistencia de algún rodillo de aplicación manual. Para piezas grandes, siendo una técnica capaz de generar un spray de alta toxicidad, es normal la utilización de brazos articulados (robots) de manera tal que la aplicación no sea realizada por un operario (figura 34); en estos casos, la extracción de aire no se realiza con rodillos sino que se asiste por medio de una pequeña asistencia de vacío.

Figura 34. Robot para Spray Up, asistido por vacío.


En la figura 35 se observan dos diferentes boquillas pulverizadoras. En los dos casos, tal como se dijo, la fase refuerzo se distribuye en forma random. La diferencia esta en la forma de suministrar la resina, ya que en la segunda boquilla, el catalizador viene en estado puro. Esto es así en función de los distintos tipos de resinas disponibles, ya que en algunos casos la velocidad de reacción es tan elevada que no se puede poner en contacto la resina con el catalizador.

Figura 35. Dos boquillas para pulverizar MC.

5.5.3. Centrifugado horizontal Utilizado para conformar tubos huecos, solo estará calibrada la superficie exterior. Consta de una lanza con dos alimentadores: uno de resina y el otro de la fase refuerzo, a menudo fibras discontinuas (pero de gran longitud) a partir de un roving, la cual alimenta sobre un molde que rota en forma horizontal (figura 36). Además del roving tronzado, se puede incrementar el % de la FR mediante el agregado de mat, tejidos o trenzados tubulares. El espesor del tubo estará determinado por la fuerza centrífuga, teniendo en cuenta que se puede hacer girar hasta 1.000 rpm, de tal forma que esa fuerza compacte al compuesto en si eliminando los vestigios de aire, que esta en forma de burbujas. El diámetro mínimo de estos tubos es desde 50 mm.

Figura 36. Centrifugado horizontal para piezas reforzadas.

5.5.4. Bobinado – Filament Winding Esta técnica es ampliamente utilizada para el refuerzo de cuerpos, generalmente huecos. La idea es bobinar fibras + matriz sobre una determinada pieza auxiliar (la que actúa como molde / modelo); este modelo puede quedar, o no, incorporada a la pieza (figura 37).


Figura 37. Pieza reforzada por Filament Winding. Por lo tanto se pueden realizar tubos mediante filament winding, ya que se realizan directamente sobre un redondo macizo, que luego será, o no, extraído. Sin embargo esto no es posible si la geometría tiene superficies negativas; en estos casos, se utilizan modelos partidos desmontables o inclusive, mediante modelos que sean solubles en agua (mezclas de arena y sal). Por otro lado, en el caso de querer reforzar un recipiente que contenga algún fluido altamente corrosivo para la matriz polimérica, se puede utilizar algún modelo metálico de bajo espesor, de forma tal de evitar el contacto. La impregnación de las fibras en la matriz es similar a la técnica de pultrusión. Algunas fibras delicadas, como en las de C de alto módulo, necesitan un escurrimiento posterior, ya que un exceso de resina deriva en una caída de las propiedades mecánicas. Tal como se observa en la figura 38, el sistema de movimiento es similar al de un torno. La velocidad de rotación de la pieza estará perfectamente relacionada con el avance del carro alimentador de las fibras; a menudo se suelen utilizar asistencias por CN (Control Numérico). Para incrementar la productividad se puede incrementar la velocidad de rotación de la pieza o aumentar el número de cabezales alimentadores de fibras. En caso de incrementar la velocidad de giro de la pieza, se suelen utilizar fibras preimpregnadas, ya que de lo contrario la fibras generan una agitación en la cuba donde se produce la impregnación, la que es capaz de generar espuma y por lo tanto burbujas de aire. Mientras que en la figura 38 se observa una combinación entre pultrusión y filament winding, en la figura 39 la fase refuerzo se aplica en forma de roving simple y múltiples.

Figura 38. Esquema de Bobinado – Filament Winding.


Figura 39. Bobinado - Filament winding, FR en forma de rovings, simple y múltiples. Otra forma de generar un refuerzo es mediante alimentadores anulares, donde el agregado de la fase refuerzo se hace desde un cabezal múltiple; los movimientos de rotación y traslación son similares a los de un bobinador con un único alimentador (figura 40).

Figura 40. Principio de bobinado por alimentadores anulares, donde la rotación esta dada por la pieza y el avance por el anillo distribuidor de las fibras. Para evitar escurrimientos por gravedad es usual que la pieza siga rotando hasta que al menos la resina no decante por su propio peso. Este método para reforzar todo tipo de contenedores tiene gran aceptación, sobre todo porque se pueden aportar altos % de fase refuerzo, de hasta 65%. Por otro lado, el posicionamiento y orientación de las fibras suelen ser muy precisos por la buena automatización, tal como se aprecia en el figura esquemática 41. Respecto del tamaño de las piezas a reforzar va desde unos pocos cm de diámetro hasta piezas de mas de 9 m de diámetro, típicos tanques contenedores de fluidos en estado líquido.


Figura 41. Bobinado asistido por CN. 5.5.5. Asistido por vacío La asistencia por vacío es muy usual para la obtención de piezas en materiales compuestos. Tal como se observa en la figura 42, conceptualmente la técnica es muy simple y la calidad de las piezas suele ser elevada. En la figura 43 se observa un esquema del ingreso de la resina a través del vacío generado por una simple bomba. En la figura 44, piezas obtenidas por esta técnica.

Figura 42. Asistencia por vacío en molde abierto.

Figura 43. Ingreso de resina.


Figura 44. Piezas obtenidas por asistencia de vacío.

5.6. TERMINADOS EN MOLDE CERRADO 5.6.1. Prensado Esta técnica, que se realiza a partir de planchas semielaboradas de SMC o TPRF, es adecuada para fabricar piezas planas y con buenas propiedades mecánicas; esto se debe a que es posible dar una orientación preferencial a las fibras en la fabricación de los semielaborados. La obtención de la forma final se realizará mediante el prensado de dichos materiales dentro de un molde cerrado, generalmente una matriz metálica a su vez calefaccionada. Tal como se ve en la figura 45, se parte de una preparación en forma y peso de acuerdo a la pieza final deseada. Fáciles de cortar sobre todo los SMC para ser posteriormente apilados, generalmente se buscan geometrías rectangulares para disminuir el descarte. La adhesividad propia de las resinas de SMC asegura un buen posicionado, evitando los deslizamientos entre planchas. Por otro lado, en caso de prensar TPRF, se deberá precalentar el conjunto por encima de Tg, y de tal forma incrementar la adhesividad entre planchas. Este precalentamiento desde ya que será aprovechado en el posterior prensado.

Figura 45. Prensado SMC/TPRF. Durante la aplicación del prensado propiamente dicho se aplica presión y temperatura (figura 46). En el caso de SMC las temperaturas son del orden de los 150°C, la que actúa como iniciador del proceso de polimerización; a su vez, ese incremento de temperatura le disminuye la viscosidad a la matriz termorrígida, por lo que mejora el llenado de la cavidad de moldeo. En TPRF, el método es similar, pero con temperaturas algo menores. El proceso del flujo del material compuesto es Tecnología I - U5 - Materiales compuestos - 25

crítico. Un flujo no controlado podrá distorsionar la dirección de las fibras, por lo que habrá un decaimiento de las propiedades mecánicas; por lo tanto, es muy importante el correcto armado del paquete previo del material semielaborado.

Figura 46. Prensado SMC/TPRF. Se debe tener en cuenta que a menudo una grosera distribución de las fibras dificulta un llenado simétrico de la cavidad de moldeo, sobre todo en secciones esbeltas. Y si bien es usual reforzar mediante agregados posteriores, modificaciones (así como reparaciones) de este tipo suelen ser de comportamiento mecánico impredecibles. Si bien la reacción de polimerización en un SMC es una reacción exotérmica, esta energía no es capaz de producir la totalidad de la reacción, por lo que es necesario calentar las matrices. Este calentamiento puede ser por resistencias eléctricas, o por algún circuito de vapor de agua o de aceite a alta temperatura. Por ultimo, este incremento de temperatura genera una ligera dilatación, por lo que tiende a abrir el molde, en definitiva mejorando el desmoldado de la pieza. Distinto es el caso de los TPRF, donde las planchas precortadas se colocan dentro de la matriz por encima de Tg, y es elemental que apenas se coloca el compuesto, se inicia la extracción de calor de manera de acelerar el ciclo de producción. En este caso, las matrices son refrigeradas por circuitos de agua que lógicamente no toman contacto con el material compuesto a conformar. 5.6.2. Moldeo por Transferencia – RTM El moldeo por transferencia es una técnica de inyección de resina que se utiliza desde la década del 50. Como ya se vio en polímeros, es conveniente en función de la baja viscosidad de las resinas, además de bajos tiempos de curado. Para piezas de tamaño mediano a grande, se pueden reforzar hasta con un 50% de fibras. El proceso en si es altamente automatizable y se adecua para producciones en serie, ya que en caso de hacerse piezas de gran tamaño en forma manual o por spray-up, además de comportarse mecánicamente de acuerdo a la habilidad del operario, generan condiciones de trabajo sobre el mismo a menudo tóxicas, tanto para las vías respiratorias así como en el contacto con piel y ojos.


La diferencia elemental con la técnica de prensado es que en este caso dentro de la cavidad de moldeo solo se coloca la fase refuerzo, mientas que la matriz polimérica se inyecta posteriormente. Las principales ventajas de la técnica son: • Superficies calibradas en ambas lados de la pieza. • Bajo tiempo de curado, bajos costos de fabricación. • Baja emisión de vapores. • Posible incorporación de espumas (fonts), derivando en piezas muy livianas. Como se observa en la figura 47, la operación se divide en 5 etapas: estratificación, cierre, inyección, curado y desmoldeo. Estratificación: es la colocación de la fase refuerzo dentro de la cavidad de moldeo donde posteriormente se inyectarán las resinas. Pueden ser tejidos, fieltros, velos, rovings, así como núcleos de espuma para rigidizar (figura 48); también se pueden agregar insertos metálicos de tal manera de incrementar puntualmente determinadas propiedades. Como agente de superficie es usual pintar las paredes de la matriz con abrillantadores, en donde además de otorgar delicadas terminaciones superficiales, se asegura un total recubrimiento de la matriz polimérica sobre las fibras.

Figura 47. 5 etapas para RTM

Cierre del molde: se aplica la presión de cierre, que para piezas pequeñas puede ser aplicado hasta con prensas de ajuste manual. En caso de piezas de gran tamaño, se recomienda alguna prensa mecánica pero de baja presión de cierre, ya que no son necesarias grandes potencias. Inyección: es el inyectado de la matriz polimérica (resina, catalizador, acelerador y sus correspondientes aditivos). La alimentación puede hacerse desde un cabezal de transferencia, garantizando cantidades constantes, o desde un mezclador estático, con pistones de llenado. Un aspecto a tener en cuenta durante el llenado será la evacuación de aire de la cavidad. Es por eso que es usual llenar desde el inferior de la pieza, de manera que el aire tienda a salir por algún venteo en la parte superior. En caso de que esto no ocurra, suelen quedar poros sobre la parte superior de la pieza, y al ser resinas translúcidas quedan en evidencia. Otro aspecto a tener en cuenta es el posible corrimiento de la fase refuerzo durante la inyección, generando una inhomogeneidad en la estructura del compuesto.


Curado: se puede producir a temperatura ambiente o mediante el incremento de temperatura, en función del tipo de resina utilizada. Desmoldeo: a menudo realizado manualmente, los abrillantadores, así como algún otro modificador superficial, pueden facilitar la operación en si.

Figura 48. Refuerzo estratificado típico para RTM. - Velo de superficie - Tejido de fibras 0°/90° - Tejido de fibras ± 45 - Mat - Espuma- Font

5.6.3. Moldeo por Reacción Inyección – RIM Esta técnica, también de molde cerrado, es similar a la anterior (RTM) pero difiere en que la mezcla de los componentes de las resinas se realizan en una cámara independiente a la inyectora en si. La ventaja, y a la vez desventaja, son los rápidos tiempos de polimerización de la resina. Un esquema del equipo utilizado se observa en la figura 49. A menudo con problemas de poros superficiales, la forma de evitarlo es mediante el agregado de modificadores superficiales, pero incrementando el costo de la operación, tanto n modificadores como en tiempo de preparación de la cavidad de moldeo.

Figura 49. Equipo automatizado para obtención de piezas por RIM


El refuerzo con fibras se realiza mediante un estratificado similar al de RTM. El problema es que el ciclo de llenado debe ser mas rápido, así como mas rápido será el proceso de polimerización. La elección de esta técnica se justifica para piezas grandes y relativamente planas. La fuerza de cierre es muy baja, menor aún que en prensado y RTM. La clase y cantidad de fibras determinarán las propiedades mecánicas del compuesto. Dado que solo se utiliza una única boquilla de alimentación, esta debe estar lo mas simétricamente posible. 5.7. RELACION COSTO - BENEFICIO Las cantidades de piezas recomendadas para amortizar el uso del herramental necesario es tremendamente dependiente del tipo de técnica utilizada. Esto se observa en el caso de aplicaciones de capas manuales para unas pocas piezas, mientras que inyectoras necesitan un gran número de piezas para amortizar el costo de las matrices de inyección. En la tabla III se observan datos orientativos en función de la tecnología de fabricación.

Costo

Costo

Costo

N° de piezas

Equipo

Herramental

producción

(vida útil)

SMC – Prepegs

Alto

Alto

Alto

Prácticamente sin límites

TPRFV

Alto

Pultrusión

Alto

Alto

Alto


Lay-up Manual

↓↓↓ Bajo

↓ Bajo

↓↓↓↓ Bajo

800 – 1000

Spray-up

↓↓ Bajo

Bajo

↓↓ Bajo

100 – 200

Centrifugado

↓ Bajo

Normal

Normal

Bajo

Normal

Bajo


Prensado SMC – TPRF

Alto

↑↑↑ Alto

Alto

300.000 – 400.000

Transferencia RTM

Alto

Alto

Normal

1.000.000

↑↑↑ Alto

↑↑↑ Alto

↑↑↑ Alto

300.000 – 1.000.000

Técnica de Fabricación Semi Elaborados


Elab. molde abierto

Filament winding Elab. molde cerrado

Inyectado RIM

Tabla III. Variables respecto del tipo de fabricación de piezas en materiales compuestos.


UNIDAD 6. - CERAMICOS 6.1. Introducción, 6.2. Cerámicos tradicionales y avanzados, 6.3. Fases de producción, 6.4. Procesado de cerámicos, 6.5. Prensado, 6.6. Colado, 6.7. Conformado plástico, 6.8. Técnicas avanzadas, 6.9. Fabricación de vidrios. 6.1. INTRODUCCION Es difícil establecer una definición, que además de ser breve, delimite claramente el campo de los cerámicos. La palabra en si deriva del termino griego "keramos", con el cual se denomina a la arcilla. Esto refleja el hecho de que en un principio los antiguos cerámicos pudiesen ser definidos como “El arte de moldear, modelar y cocinar la arcilla; el estudio de la alfarería como tal”; luego, a principios del siglo XX, ya se comenzó a utilizar una mas inclusivistas, del tipo "Todo material inorgánico no metálico". Por ultimo, tal vez la definición mas pretensiosa, de acuerdo al conocimiento adquirido en las tres décadas pasadas, “Materiales policristalinos consolidados, basados en combinaciones de elementos de los grupos III-VI entre si y/o con cualquier metal, y conformados con tecnologías de transporte de masa”. Tomado un comportamiento generalizado de los materiales cerámicos, las ventajas y desventajas se observan en la tabla I. Ventajas

Desventajas

Dureza

Fragilidad

Resistencia a la oxidación

Irreproducibilidad

Resistencia a la corrosión

Dificultad en procesamiento 3

Baja densidad (2 – 4 gr/cm ) Baja conductividad térmica Resistencia a altas temperaturas Tabla I. Ventajas y desventajas de los materiales cerámicos Hasta hace unos pocos años (la década de los '60) la cerámica era en gran medida un arte empírico; si bien en la actualidad ese porcentaje de experimentalismo ha disminuido, aún no hay un cabal conocimiento del material, y por ende no se conoce su comportamiento frente a ciertas solicitaciones. Los diversos comportamientos y propiedades de los materiales cerámicos se pueden catalogar dentro de 6 categorías principales, tanto estructurales como funcionales: 1.- mecánico, 2.- termoquímico, 3.- conductividad térmica, 4.eléctrico, 5.- magnético, 6.- electromagnético. La Industria Cerámica Es una de las industrias denominadas 'grandes', aunque no por el valor agregado de los materiales en si, sino por las grandes volúmenes de producción; esto se puede verificar teniendo en cuenta que el cemento es un cerámico y que solo en 'Yací reta' hay 25.106 m3 entre represa y murallones. Ahora, si bien esta tendencia se está Tecnología I - U6 - Cerámicos - 1

modificando, aún mas del 50 % (en valor) de la cerámica es de la denominada 'tradicional'; esto significa que los cerámicos avanzados, los cuales conforman productos de alto valor agregado, crecen a ritmo sostenido, a partir del conocimiento propio del material, así como de las técnicas de procesamiento. En la tabla II, así como en la figura 1, se observa que no solo los materiales de partida son diferentes, sino que también son diferentes las técnicas de conformado y sinterizado, mas allá de que naturalmente hay solapamientos entre técnicas de fabricación y tipos de cerámicos. En cuanto a los cerámicos avanzados, algunos de estos lo son realmente, pero en su gran mayoría se trata de 'materiales viejos con ropas nuevas'. Estos, ya conocidos desde hace tiempo, se van reacondicionando, en primer término con lo que pide el mercado, y en segundo término, respecto de como se encuentra el arte de su propia tecnología. Y si bien desde el punto de vista de las composiciones químicas no hay grandes diferencias, si lo hay entre dos aspectos básicos: -

Control de la composición química: control de las impurezas, ya sean deseadas o no. Esto permite el desarrollo de propiedades especiales o el mejoramiento de las existentes.

-

Control de la microestructura: este aspecto, mas importante que el anterior, es fundamental ya que la misma esta directamente relacionada con la respuesta mecánica del cerámico frente a distintas solicitaciones; mientras que en los 'tradicionales' los defectos son del orden de mm., en los 'avanzados' son del orden de los micrones. Tradicionales Í CERAMICOS Î Avanzados Ð Normal Í ESTRUCTURA CRISTALINA Î Nueva 10%-50% Í DENSIDAD Î > 98% mm Í DEFECTOS Î micrones 15/80 MPa Í TENSION DE FLUENCIA Î 200/1500 MPa Ð CONTROL DE PROPIEDADES Ð DISEÑO Tabla II. Cuadro comparativo entre cerámicos tradicionales y avanzados.

Como ya se ha dicho, la pureza del material influye fuertemente sobre las propiedades de la pieza, sobre todo a altas temperaturas. El efecto de un material con impurezas dependerá de la composición de la misma, de la distribución dentro de la matriz y de las condiciones de servicio de la pieza (temperatura, tiempo, carga, medio, etc.). Por lo tanto, el efecto será función del tamaño relativo de la inclusión respecto del tamaño de grano de la matriz.

Tecnología I - U6 - Cerámicos - 2

Figura 1. Esquema comparativo entre cerámicos tradicionales y avanzados Por último, la distribución de tamaños de partícula variará de acuerdo al método de consolidación o formado que se vaya a utilizar. En la mayoría de los casos, el objetivo de la etapa de consolidación es alcanzar una estructura lo mas densa y uniforme posible, de modo de obtener una mínima contracción y una mínima porosidad remanente. Generalmente, un solo tamaño de partículas no produce un buen empaquetamiento, y la máxima densidad presentará un 30 % de espacios vacíos. El agregado de partículas de tamaño equivalente al de los vacíos mas grandes, reduce la porosidad a un 26 %; si se agrega un tercer tamaño mas fino, se podrá reducir hasta un 23 %. Esto significa que para obtener una óptima densidad, se debe trabajar con partículas de distinto tamaño, previo etapa de mezclado para asegurar uniformidad en toda la pieza (figura 2).


Figura 2. Densidad de una pieza cerámica en función del tamaño de partícula a) Todas del mismo tamaño → 30 % de vacíos b) Mezcla de 2 medidas → 26 % de vacíos c) Mezcla de 3 medidas → 23 % de vacíos 6.2. CERAMICOS TRADICIONALES Y AVANZADOS 6.2.1. Cerámicos tradicionales Un cerámico tradicional define a los productos utilizados comúnmente en materiales de construcción o en artículos para dentro del hogar o la industria, los cuales no estén conformados por un material con gran valor agregado. Sin embargo, si bien hay una tendencia a identificar a los cerámicos tradicionales (también llamados cerámicos pesados) con tecnologías primitivas, actualmente se utilizan técnicas sofisticadas de fabricación. El principal recurso de las industrias cerámicas de gran tonelaje son los ‘silicatos’ y ‘aluminosilicatos’, mas comúnmente denominados arcillas; estos se encuentran en gran abundancia sobre la corteza terrestre y por ende su costo es bajo. La arcilla necesaria para fabricar un ladrillo no debe tener características especiales, por lo que este tipo de industrias no tiene zonas preferenciales de asentamiento. En el otro extremo, en el caso donde los materiales y el objeto tienen un gran valor agregado, la cantidad creciente de cerámicos especializados depende de la disponibilidad de materias primas procesadas, que pueden provenir o no de minerales, y de que tales características como tamaño de partícula y control de la composición química, estén perfectamente controladas. El mezclado de arcillas y el conformado a mano, así como la decoración por rayado de artículos cerámicos, se puede remontar hasta el 5000 A.C., mientras que la primera producción seriada data de 4000 A.C. Una de las primeras máquinas puede haber sido perfectamente el torno de alfarero, ya usado en el 3500 A.C.; ya en el 2500 A.C., los egipcios desarrollaban una eficaz industria del vidrio. El segmento principal de la industria de los cerámicos tradicionales es el de los ligantes hidráulicos utilizados en construcción, mas comúnmente llamados cal y cemento, así como el de las cerámicas rojas de uso estructural (materiales de partida para ladrillos, tejas, etc.). El siguiente es el de los vidrios, mayoritariamente de vidrios silicato sódico-cálcicos. El tercer mercado en importancia es el de las cerámicas blancas, que incluye la alfarería, porcelana y composiciones similares; le siguen los esmaltes cerámicos (generalmente de recubrimientos vítreo sobre metales). Un grupo particularmente importante es el de los refractarios. Alrededor de un 40 % de la industria de refractarios se basa en arcilla calcinada y otro 40 % en Tecnología I - U6 - Cerámicos - 4

refractarios densos no arcillosos, siendo el 20 % restante en composiciones especiales. Por último, la industria de los abrasivos produce principalmente abrasivos de Al2O3 y CSi. En el cuadro A se observan los distintos tipos de materiales cerámicos tradicionales a partir de arcilla, con una primera clasificación según el tamaño de las partículas (mayores y menores a 100 micrones), una segunda clasificación en función de la densidad del objeto (respecto de la absorción de humedad del cerámico → notar que los de partículas finas absorben mucha menos humedad que los de partículas gruesas), una tercera en función del color del material y una última en función de la aplicación.

Cuadro A. Distintos tipos de piezas partiendo de materiales cerámicos tradicionales. El color de los objetos se basa en la presencia de diferentes óxidos que en definitiva colorean la materia prima. Aquellas coloreadas presentan una gran cantidad de Fe2O3 (óxido de hierro, p.e. en las tierras coloradas de la Mesopotamia), mientras que las blancas presentan TiO2. 6.2.1.1. Arcillas Las materias primas de mayor aplicación son las arcillas. Estas consisten en silicatos de aluminio, hidratados, con tamaño de partículas muy fina, los cuales adquieren una gran plasticidad cuando se los mezcla con agua. Las arcillas tienen un amplio rango de variación en sus características químicas, físicas y mineralógicas, pero el aspecto mas usual es una estructura cristalina en capas, consistentes en láminas de aluminosilicatos, lo que produce un tamaño fino de partículas, con una morfología plana; esto permite que las partículas se muevan fácilmente unas respecto de otras, originando un comportamiento sumamente deformable (blando), un aspecto jabonoso y un clivaje (adherencia entre partículas) fuerte. Tecnología I - U6 - Cerámicos - 5

Las arcillas cumplen dos funciones importantes en los cuerpos cerámicos: su plasticidad característica es básica para muchos de los procesos de formado, siendo fundamental la habilidad de las composiciones de arcilla y agua para ser modeladas, su capacidad de retener la forma y su comportamiento durante el secado y la cocción. Por otro lado, tienen una gran capacidad de descomponerse, y fundirse, según un amplio margen de temperaturas que lógicamente dependen de su composición; esto significa que se pueden volver densas y resistentes, sin perder su forma, y a temperaturas razonables. Las arcillas, que rara vez son puras, tienen una estructura de placas de tipo 1:1 → Caolines, de tipo 2:1 → Montmorillonitas y de tipo 2:1:1 → Cloritas. Estas placas, combinadas entre si mediante puentes hidrógeno (que lógicamente extrae del agua) toman ese característico aspecto jabonoso y deformable. La denominación de cerámica fina tradicional y/o cerámica blanca fue aplicada originalmente a la vajilla blanca y objetos decorativos, y ha sido ampliado a artículos que, luego de calcinados, presentan una coloración marfil o gris claro. La cerámica blanca puede clasificarse de acuerdo a su grado de porosidad. En un extremo están los cuerpos porosos, con gran capacidad de absorber agua, y en el otro se encuentran los densos, totalmente vítreos e impermeables. Entre estos extremos hay una gran variedad de artículos, con distintos grados de porosidad y translucidez, de acuerdo a la temperatura de vitrificación. La cerámica blanca puede dividirse en Porcelana, Porcelana Porosa (Earthenware), Porcelana Dura (Stoneware) y Porcelana Técnica. La cerámica roja, aquella que se utiliza en piezas de uso estructural tales como ladrillos, tejas, revestimientos, etc., naturalmente se utilizan aluminosilicatos de alta granulometría y de alta porosidad; esto último es beneficioso desde el punto de vista de la aislación térmica, ya que un material, cuanto mas poroso es, mas aislante es. Ejemplos de este tipo de piezas, con criterios de diseño, se observan en la figura 3.

Figura 3. Cerámica roja estructural. Tecnología I - U6 - Cerámicos - 6

6.2.1.2. Cerámicos no arcillosos La mayoría de los materiales naturales no silíceos son utilizados primariamente como refractarios. La dolomita [MgCa(CO3)2], una combinación de carbonato de calcio y magnesio, se utiliza para fabricar ladrillos refractarios y/o aislantes de altas temperaturas, ya sea para artículos domésticos (tales como los que se observan en la figura 4), como para la industria del acero. Se los considera como aquellos materiales que resisten las altas temperaturas y que, además, poseen un bajo coeficiente de conductividad térmica; de aquí se justifica que se lo utilice como material aislante de ciertos equipos que se encuentran a altas temperaturas. Un factor esencial de estos materiales es que tengan una alta estabilidad dimensional, y en definitiva un bajo coeficiente de dilatación térmica, en función de la temperatura a las que están sometidas. Si bien la forma usual de disponer estos materiales es en forma de polvos que una vez compactados toman las forma de ladrillos, otra manera muy difundida últimamente es en forma de fibras, las cuales conforman una manta cerámica refractaria, que desde ya tiene menor densidad que los ladrillos y posee la ventaja de poder deformarse fácilmente, amoldándose perfectamente a aquellas superficies a aislar. Los materiales refractarios se dividen en dos tipos: de alta perfomance y básicos. Algunos de estos son: • Ladrillos refractarios de sílice → de alta perfomance y casi totalmente de SiO2, como es un material que sufre desvitrificación, no resisten temperaturas por encima de 1250ºC. Otro tipo son los de Si fundida, los cuales pueden lograrse con alta transparencia; esto es útil para ventanas en entornos a altas temperaturas. • Refractarios de alta alúmina →.; aquellos de Al2O3 pura, de gran refractariedad y con la capacidad de soportar cargas. Estas, con contenidos de Al2O3 desde 80 % a 99 %, son de alta perfomance, y ya fue aclarada su extracción en la U.2. Se utiliza en las mas variadas formas: como porcelana de laboratorio (por ser un material inerte), en moldes para fundir metales, como cementos de alta temperatura, en partes resistentes a alto desgaste (como boquillas de arenadoras), en blindajes balísticos, en componentes biomédicos, como material abrasivo y/o refractario, etc.

Figura 4. Ladrillos refractarios para usos domésticos. Tecnología I - U6 - Cerámicos - 7

6.2.1.3. Esmaltes Un esmalte es definido como una capa de vidrio continua y adherente en la superficie de un cuerpo, generalmente de alta porosidad; esta técnica fue muy apreciada en la antigüedad ya que permitió darle impermeabilidad a piezas que por su alta porosidad tendían a degradarse rápidamente. Si bien hoy en día las piezas esmaltadas son de gran tamaño, ya sea en vajilla y/o en azulejos, en la antigüedad se practicaban en pequeñas superficies, tales como las venecitas, naturalmente provenientes de la zona del Veneto. Estas capas presentan alta dureza, impermeabilidad total y facilidad para el limpiado. A su vez el acabado puede ser brillante o mate. Usualmente, un esmalte se aplica como una suspensión de las partículas cerámicas en agua; una vez que se seca esta agua, la pieza es calcinada, fundiéndose las partículas y conformando una delgada capa vítrea sobre el material. El esmalte puede calcinarse al mismo tiempo que se calcina la pieza y el rango de temperaturas de calcinación va entre los 500ºC y 1500ºC. De acuerdo a la composición, los esmaltes tienden a ser transparentes (clear) u opacos (enamel). Para las aplicaciones del esmalte en húmedo, es fundamental la etapa previa en la que se prepara la suspensión de partículas, ajustando la mezcla y el tamaño de las partículas. La aplicación puede ser por pintado, por chorreado, por inmersión o por 'spray' (rociado), dependiendo esto del producto y del volumen de la producción. Las aplicaciones en seco son menos usuales y están reservadas para aquellos revestimientos de diseño especial. En este caso, el proceso se basa en el rociado de partículas secas sobre una superficie previamente engomada. Una vez que los granos están adheridos a la superficie, el proceso de calcinación es similar a el de las aplicaciones en húmedo. La ventaja de este proceso reside en que se pueden lograr dibujos únicos, disminuyendo además el gasto de partículas y el tiempo de secado. 6.2.1.4. Cementos El cemento, o concreto, es una mezcla sintética de materiales que forma una masa resistente una vez fraguado. Se parte de arcillas molidas a polvo fino, que mezcladas con agua toman buenas características de adhesión. Una vez seco, es un material que soporta altas cargas de compresión. La historia del cemento arranca en la época de los Romanos, quienes encontraron que las mezclas de cal, cenizas volcánicas y arcillas, se endurecían si las mismas habían estado en contacto con agua; construcción civil, acueductos y murallones fueron realizados bajo esta tecnología. Esta tecnología luego se perdió y por ejemplo, tanto castillos como catedrales de la época medieval se construían con técnicas de piedra sobre piedra; luego, la utilización del material se recuperó en el siglo XVIII, y ya en 1824, un fabricante inglés de ladrillos patentó la mezcla, denominándola Cemento Portland, en función de la similitud del color final de la mezcla con el color de la piedra caliza de dicha zona; lógicamente, de ahí deriva el famoso 'Porlan'. La manufactura del cemento implica cuatro operaciones: a.- Extracción y molienda gruesa de las materias primas, mediante molinos giratorios. Tecnología I - U6 - Cerámicos - 8

b.- Molienda fina, mediante molinos de bola o cilindros, hasta obtener partículas menores a 25 mm. c.- Tratamiento térmico de la mezcla, en hornos de gran tamaño, cuya velocidad de rotación está entre 1 y 3 RPM, con T máx. del orden de los 1400ºC, con cerca del 30 % del material fundido. d.- Enfriado y molienda fina final / Clinker, agregado de 4% de yeso para actuar como retardador del fraguado. El tamaño final de partículas esta en el orden de 40 μ. Se establecen ocho tipos diferentes de cementos, los cuales se detallan a continuación: Tipo I.- Es el cemento de uso general, y es utilizado en aquellas construcciones en las que no se necesitan propiedades especiales. Se lo utiliza en pavimentos y, fundamentalmente, como componente principal del hormigón en estructuras edilicias e ingenieriles. Tipo II.- Es un tipo de cemento que fragua a bajas temperaturas, y es el utilizado en estructuras que están en contacto con superficies húmedas, tal como muelles, escolleras y/o pilares para puentes. Tipo III.- Es un cemento de alta resistencia inicial. Esto se justifica en aquellos usos en que el material debe entrar en servicio rápidamente, tales como reparaciones sobre la pista de aterrizajes en aeropuertos, fabricación de puentes de emergencia, etc. Tipo IV.- Este es similar al tipo II, endurece mas lentamente que el tipo I, pero se lo utiliza en grandes estructuras, tales como diques para centrales hidroeléctricas. Tipo V.- Este es un cemento con una muy buena resistencia frente a la presencia de sulfatos. Se lo utiliza en aquellas superficies que presentan una alta concentración de dichas sustancias. Tipo IA, Tipo IIA y Tipo IIIA.- Estos tipos son similares a sus respectivos cementos de partida, pero sufren el agregado de determinadas cantidades de aireadores (partículas orgánicas, del orden de 0,05 %), los cuales actúan como generadores de burbujas sobre el concreto. Un aspecto fundamental de esta modificación es la disminución de la densidad del material. Colorantes para cementos Los colorantes para cementos suelen ser pigmentos sólidos y su rendimiento como tal depende de su granulometría y por lo tanto de su capacidad de mezclado. Los porcentajes de mezcla se deben realizar por peso y no por volumen. Generalmente se realizan ensayos previos para ajustar los colores. También influye la relación agua/cemento, ya que puede haber variaciones de tono importantes. Por otro lado, hay dos tipos de cementos: gris y blanco. El primero es de menor costo y por lo tanto es el mas utilizado; el blanco, de mayor calidad, se utiliza para productos de mayor valor agregado. Generalmente se parte de distintos óxidos de hierro: rojo, amarillo y negro. Agregando distintos porcentajes de estos se pueden obtener mas de 25 colores. En la tabla III se observan los agregados de los distintos colorantes, en gramos, por cada 10 kg de cemento blanco. Para la obtención de colores claros, se puede agregar además un blanqueador tal como el óxido de titanio. El agregado del colorante se debe realizar en seco. En caso que el colorante Tecnología I - U6 - Cerámicos - 9

este húmedo y tienda a agrumarse, se lo puede mezclar previamente con arenas finas.

Tabla III. Gramos de pigmentos negro, rojo y amarillo, por cada 10 kg de cemento blanco.

Gris claro Gris oscuro Negro Rojo Marrón claro Marrón oscuro Terracota Amarillo claro Amarillo oscuro Beige Naranja Salmón Rosa Verde

Negro 80 100 1500 400 700 700

50 240

Rojo

900 800 200 400

50 250 80 50

Amarillo

200 200 200 1000 400 400 400 700

6.2.1.5. Vidrios Los vidrios, conformados a partir de la fusión de SiO2, tienen características de transparencia, resistencia a la oxidación/corrosión, alta rigidez y dureza a temperatura ambiente y capacidad para deformarse plásticamente a altas temperaturas. Estos materiales no tienen una alta densidad ≈ 2,5 gr/cm3 (según el material de partida). Entre sus principales características, se destacan la total impermeabilidad entre las superficies (migración 0, a diferencia de los envases poliméricos), la posibilidad de ser reutilizado pues resiste temperaturas de hasta 150º C (lo que facilita el lavado y la esterilización en caso que sea necesario), así como una reciclabilidad del 100 %. Como desventaja se puede citar su alto costo, tanto en su producción, distribución y recuperación. Por otro lado, su manipulación acarrea cierta peligrosidad porque se corren riesgos de rotura que pueden generar cortes y lastimaduras a distintas personas a lo largo del ciclo de vida del envase. Por último, se estima que una botella de vidrio demora cientos de años en ser depurada por la naturaleza. En la medida que los envases de vidrio eran casi todos retornables, su inalterabilidad al paso del tiempo era una virtud. Pero si el envase es descartable, y además no se recupera, entonces esto sí es un problema. Una forma de clasificación de los vidrios se puede hacer de acuerdo a sus aplicaciones: • Vidrios planos: para construcción, ventanas, puertas, artefactos luminosos, vidrieras, paneles para edificios revestidos. Industria Automotriz: parabrisas y ventanas para autos y camiones. No translúcidos: mamparas para baños, vidrios polarizados.


• Contenedores: transparentes y coloreados (verdes y ámbar). Uso en Industria Farmacéutica: tubos de ensayos, erlenmeyers, morteros, etc. Uso doméstico: platos, fuentes, vasos, copas, etc. • Fibras de vidrio: como material de refuerzo, como segundas fases en resinas y elastómeros. En forma de lanas: aislantes térmicos, filtros. • Vidrios especiales: decorativos, de uso oftálmico, en tubos de rayos catódicos (tubos de TV), ópticas en industria automotriz. Otra forma de clasificación de los vidrios se puede hacer de acuerdo a su composición: • de soda-lima (70-75 % SiO2, 12-16 % Na2O, 10-15 % CaO) → los mas antiguos, los de costo mas bajo, los mas fáciles de conformar y por ende los mas utilizados. Están compuestos por sílice, por óxido de Na (soda cáustica) y por óxido de Ca (lima). Se utiliza en la mayoría de los artículos, tal como vidrios para ventanas, botellas, vasos, etc. • de borosilicatos (70-80 % SiO2, 4-8 % Na2O, 2-7 % Al2O3, 7-13 % B2O3) → con óxido de boro, son los mas versátiles de los vidrios; tienen una excelente repuesta al ataque químico, son resistentes al calor y al shock térmico. Son utilizados en vidriería de laboratorio, en la fabricación de lámparas incandescentes, en vidrios usados en telescopía, en tubos calibrados electrónicos, etc. • de cuarzo (96 a 100 % de SiO2) → muy resistentes a las altas temperaturas y al shock térmico, inclusive en mayor grado que los de borosilicatos. Debido a que su tecnología debe ser muy controlada, su utilización solo se justifica en aquellos objetos de suma precisión. • de aluminosilicatos (52-58 % SiO2, 15-25 % Al2O3, 4-18 % CaO) → similares a los anteriores, su costo no son tan altos, y por lo tanto se lo utiliza para tubos de medición de gases y termómetros para altas temperaturas, para vajilla de alta temperatura (Pirex), etc. Con el fin de mejorar los envases, se someten a recubrimiento, el cual se efectúa antes y después del recocido de calentamiento. En la actualidad existen aerosoles con una variedad de compuestos que contienen titanio o estaño, los cuales endurecen la superficie del vidrio en diversos grados, evitando que la botellas se rayen en exceso. También se realizan esmaltados mediante temperatura, con el fin de endurecer mas la botella. El vidrio puede obtenerse en diversos colores según gustos o necesidades específicas, tanto para conservación del contenido, como elemento de diseño. Los colores se usan en los envases, aparte de su función decorativa, como protección contra las radiaciones luminosas que pudieran dañar su contenido. 6.2.2. Cerámicos avanzados Los cerámicos avanzados, también llamados nuevos cerámicos, técnicos, ingenieriles o 'fine ceramics', engloban diferentes materiales y utilizaciones tales como los cerámicos estructurales, los 'cerámicos bioactivos' (hidroxiapatita, en prótesis humanas), los 'cerámicos eléctricos y electrónicos', entre otros. Mientras que la cerámica tradicional lleva un desarrollo de mas de 6000 años, los avanzados solo Tecnología I - U6 - Cerámicos - 11

tienen un desarrollo reciente. Uno de los primeros cerámicos, en la década de los '50, fue el utilizado en las cabezas de bujías, conformadas de alúmina. Al poco tiempo se comenzaron a fabricar capacitores de uso electrónico de Titanato de Bario (TiBaO3) y en cierta forma esto marca el inicio del desarrollo de estos materiales. Los cerámicos avanzados abarcan una gran cantidad de materiales, mercados y aplicaciones. Los materiales incluidos son lógicamente óxidos, carburos, boruros, silicatos y vitrocerámicos. De este tipo de materiales, los cerámicos eléctricos y electrónicos lógicamente son los mas importantes a medida que crean una dependencia crítica en el fin de su utilización; el desarrollo de 'cerámicos magnéticos', comúnmente denominados “semiconductores” por la posibilidad de emitir o no una señal, han tenido un crecimiento y un desarrollo totalmente desproporcionado respecto de otros cerámicos. Cerca del 90 % de los cerámicos avanzados son utilizados en la industria de la computación. El otro 10 % esta constituido por los cerámicos estructurales, con buenas propiedades mecánicas tales como resistencia, alto modulo, tenacidad, resistencia al desgaste, dureza, etc. Por otro lado, un nicho de altísimo valor agregado se ha generado alrededor de los ‘biocerámicos’, los cuales son utilizados como implantes dentro de los cuerpos humanos, incluso hasta con la posibilidad de poder dosificar drogas desde su propia micro estructura. En la tabla IV se observan algunas características de diferentes cerámicos avanzados. 6.2.2.1. Alúmina Los productos de alúmina son de los mas resistentes y duros de los materiales cerámicos; tienen muy alta resistencia mecánica y son muy resistentes al ataque químico y corrosivo. Su dureza esta únicamente por debajo de la del diamante, lo que lo hace sumamente conveniente para piezas resistentes al desgaste por abrasión. Por otro lado, y por la misma razón, su maquinabilidad es muy baja. Si bien su utilización estaba restringida a pieza de muy alto valor agregado, rápidamente el material se va incorporando a diseños de uso intensivo, tales como cuchillos para cortar verduras, filos para tijeras de cortar papel, etc. 6.2.2.2. Cordierita La cordierita es un silicato de magnesio y aluminio que posee un extremadamente bajo coeficiente de expansión y conductividad térmica. Es utilizada cuando las piezas terminadas suelen estar expuestas a situaciones de impacto térmico. También se las utiliza ya que tiene la particularidad que de alguna forma se auto esmaltan. Se las utiliza para piezas refractarias de alta perfomance, para quemadores, asi como para aisladores eléctricos de alta potencia. 6.2.2.3. Steadita La steadita es una forma cristalina del silicato de magnesio. Es de bajo costo y relativamente con buenas propiedades mecánicas si se lo utiliza por debajo de


1100ºC. Al ser de muy baja conductividad eléctrica, se lo utiliza para carcasas de resistencias para uso eléctrico y electrónico. 6.2.2.4. Wollastonita La wollastonita es un silicato de magnesio cálcico. De alta porosidad (20% - 40%), lo hace muy conveniente como aislante térmico. Se lo utiliza en todo tipo de piezas que deban resistir altas temperaturas, sobre todo en la industria de la alimentación.

Contenido Usos generales

Color (Sinterizada)

Alumina

Cordierita

Steadita

Wollastonita

> 99.5% Alta pureza Alta res. mecánica Alta res. a T Res. Corrosión Res. desgaste

> 99.5% Aisladores Refractarios Materiales para hornos Aptos shock T

> 99.5% Aisladores para altas frecuencias Cajas para resistencias

> 99.5% Refractarios porosos Soportes para esmaltados Ceramics

Blanca / Marfil

Marrón claro

White

Marrón

0-0.05

0-0.15

0-0.05

20-40

Densidad [gr/cm3]

3.75-3.95

2.5-2.6

2.6

2.7-2.9

Resistencia Compresión [kpsi]

> 300

30-50

75

30-45

20.0-28.0

-

8.4

-

Shock térmico

Buena

Excelente

Pobre

Buena

T máxima uso [ºC]

1800

1200

1200

1200-1315

Porosidad [%]

Resistencia tracción [kpsi]

Tabla IV. Diferentes propiedades de cerámicos avanzados. 6.3. FASES DE PRODUCCION Las fases necesarias para la obtención de una pieza cerámica son las siguientes: 1º.- Extracción Explotación a cielo abierto, maduración 2º.- Preparación mecánica Alimentadores, dosificadores, tritura y molienda y humectado 3º.- Conformado (pieza en verde) 4º.- Secado Evaporación del H2O (100°C-130°C), sin cambios en propiedades físicas y tecnológicas Tecnología I - U6 - Cerámicos - 13

5º.- Sinterizado Desde 500°C hasta 1300°, ↑ PM, ↓↓↓ maquinabilidad, con y sin contracción De las dos primeras fases no se harán especiales referencias, ya que dicho conceptos exceden a los objetivos del curso. Naturalmente se hará especial referencia a los aspectos de conformado. 6.4. PROCESADO DE CERAMICOS La obtención de piezas cerámicas se puede realizar de varias formas. Sin embargo, el proceso tecnológico tradicional (aquel en que se utilizan arcillas hidratadas) se divide en dos etapas: una etapa inicial de conformado, en donde se obtiene el objeto en “verde”, con un alto contenido de humedad, y otra etapa final, a temperatura, que generalmente consiste en dos etapas: una primera (de baja T, no mayor a 80ºC) de secado, para extraer el agua de la mezcla y una segunda (de alta T, no menor a 700ºC) de sinterizado, en donde se busca que el contacto puntual inicial entre partículas cerámicas pase a ser un contacto superficial. Conceptualmente esto se puede observar en la figura 5, en donde se aprecia que luego del sinterizado puede o no haber contracción. Esto es critico para la estabilidad dimensional de la pieza, sobre todo por la dificultad de mecanizados posteriores. Las piezas en “verde” tienen una gran porosidad, mayores al 40%. Por otro lado, y tal como se observa en la figura 5, el contacto entre partículas en este estado no es mas que puntual. Esto hace que las piezas sean muy deformables cuando aún están húmedas y frágiles cuando ya están secadas, pero no sinterizadas; por lo tanto, en este estado se las debe manipular con sumo cuidado. En la figura 6, alúmina en dos granulometrías sin sinterizar y luego, sinterizada. Figura 5. Partículas en verde y sinterizadas, con y sin contracción

En la operación de sinterizado, mas allá de incrementar la superficie de contacto entre partículas, se logra una drástica disminución de poros. También es usual que haya contracciones y esta se puede dar por dos razones: directamente por la contracción entre los centros de las partículas, tal como se ve en la figura 5, o por la degradación de un material que haya actuado como ligante: esto se da típicamente en ligantes de tipo orgánico, que permite generar el conformado, además de disminuir el efecto abrasivo de las partículas cerámicas contra el herramental. Los tratamientos de sinterizado se realizan en hornos de distintos tamaños, en función a la producción. En la figura 7 se ven distintos hornos, incluso con la estiba perfectamente acomodada para disminuir los costos.


Figura 6. Alúmina sin sinterizar y sinterizada.

Figura 7. Hornos de sinterizado, de tipo mufla (para pequeñas producciones) y de tipo móvil (para producciones en masa). Un aspecto fundamental en la fabricación de piezas cerámicas son los costos relacionados a las operaciones necesarias para finalizar la pieza. En la figura 8 se observa un diagrama de torta para una pieza de alúmina de uso estructural, en donde el mayor costo esta asociado a las operaciones de mecanizado, las cuales se deben dar luego del sinterizado, cuando la pieza ya esta totalmente endurecida. Esto hace que diseñar seleccionando tecnologías de procesamiento bajo conceptos de FCF/NNS son críticos en este tipo de piezas. Por supuesto que las técnicas de conformado alrededor de materiales cerámicos están en plena evolución. Se van a detallar distintas técnicas, pero siempre con una visión de producción en masa, o al menos seriada. Por otro lado las técnicas artesanales producen artículos no estandarizados; esto significa que estos objetos podrán tener una muy buena calidad y diseño, y en definitiva pueden tener un alto grado de exclusividad, pero naturalmente, nula repetitividad.


Figura 8. Análisis de costo para una pieza de Al2O3 para uso estructural.

Los procedimientos que veremos a continuación, tal como indica la figura 9, son procesos de conformado (alguno con el tratamiento térmico incorporado), desde técnicas antiguas hasta modernas.

Figura 9. Técnicas de conformado para cerámicas tradicionales y avanzadas. 6.5. PRENSADO El prensado de cerámicos consta en la conformación de una pieza por medio de una matriz. El principio de la operación es similar al de forja en metales, con un balancín dotado de un juego de matriz y punzón, cuya cavidad define la forma del objeto. Las partículas a conformar, tal como ya se ha expresado, pueden ser de dos formas: aluminosilicatos, y en ese caso solo con la presencia de agua se obtiene la plasticidad necesaria para la deformación, o de partículas “no arcillosas”, en donde Tecnología I - U6 - Cerámicos - 16

las mismas deberán estar perfectamente mezcladas con algún aditivo; estos tienen la función de generar plasticidad, para que la mezcla fluya libremente dentro de la matriz hasta alcanzar la forma y la compactación de diseño. Por otro lado, a menudo le otorga a la pieza en verde una determinada resistencia tal que se pueda, aún en verde, generar algún tipo de mecanizado. El tipo de ligante dependerá de varios factores, y los hay desde los sumamente blandos, tal como las ceras y gomas, hasta los mas duros, tales como las dextrinas y los acrilatos; como se ve, todos ellos son de tipo orgánico. Un problema de esta tecnología esta en que el ligante debe ser totalmente removido de la pieza antes de que esta sea sinterizada. En estos tipos de operaciones, la cantidad de ligante necesario es bajo, generalmente entre 0,5 - 5 %. 6.5.1. Prensado Uniaxial Esta técnica consiste en compactar la mezcla contra una matriz mediante la aplicación de un esfuerzo uní axial, el cual generalmente se logra mediante un punzón que desciende. El prensado puede ser en seco o con una determinada humedad. Una forma típica de prensado uniaxial se observa en la figura 10. El prensado en seco, con humedades entre 0 - 4 %, es utilizado para altas producciones y con un ajustado control dimensional. Las tolerancias conseguidas, de +/- 1 %, son las apropiadas para la fabricación de millones de habitáculos para componentes electrónicas, tales como transistores, capacitores, diodos, etc. Una idea de la exactitud con que se puede lograr con esta técnica es que los espesores mínimos son del orden de 0,5 mm.

Figura 10. Ciclo de prensado uniaxial, de simple efecto. El prensado húmedo, con tenores de agua entre 10 -15 %, es utilizado en la compactación de mezclas arcillosas. Un defecto de este proceso, y debido a que la mezcla fluye libremente, son las marcadas líneas de partición. Otro problema es que las piezas deben ser tratadas con mucho cuidado, ya que en las operaciones de desmoldado, al tener alta humedad, son fácilmente deformables; por este motivo, es que el prensado uniaxial en húmedo pocas veces es automatizado. Con este tipo de prensado, las tolerancias son mayores, en el orden de 2%; otra dificultad es la contracción de la pieza durante el secado, ya que eliminar dicha humedad contrae seriamente la pieza. Tecnología I - U6 - Cerámicos - 17

Por otro lado, las técnicas de prensado en seco pueden llegar a ser de alta producción, dependiendo sobre todo de la geometría de la pieza; los ciclos pueden repetirse desde 6 a 100 veces por minuto. Las capacidades de estas prensas están en el rango de 1 a 100 Ton. En casos especiales, como la fabricación de ladrillos refractarios, los cuales se hacen por prensado uniaxial, se llegan a utilizar prensas de hasta 800 Ton. Un serio defecto de esta técnica está ligado a problemas de variación de densidad; esto se origina por la fricción de las partículas contra las paredes del molde y por la interacción de las partículas entre ellas. Una densidad no uniforme en piezas en verde pueden generar pliegues, deformaciones, distorsión y grietas; esto puede ocurrir durante la extracción de la pieza del molde, durante el secado, así como durante el sinterizado. Tal como se ve en la figura 11, las mayores densidades, del orden de 100 %, están situadas contra los bordes de la matriz; luego, la diferencia entre ambas geometrías esta directamente ligada a la relación longitud/diámetro (L/D). Cuanto mas esbelta sea la pieza, mayor será el L, mayor será L/D y mayores problemas de variación de densidad estarán presentes.

Figura 11. Líneas de densidad constante, para diferentes relaciones de L/D. A mayor relación L/D, mayor variación de densidad.

Para minimizar los problemas alrededor del perfil de densidades, una típica opción es la de generar el conformado mediante un prensado uní axial de doble efecto, es decir que se presiona desde la superficie superior e inferior (figura 12). Si bien la variación del perfil será función de la relación L/D, al menos se determina una línea de simetría, por lo que la pieza puede ser utilizada indistintamente desde el punto de vista geométrico. Respecto de los esfuerzos necesarios para obtener la compactación, se estima que por cada cm2 de área proyectada se requiere una fuerza de prensado entre de 5 y 6 toneladas. Respecto de la altura de la piezas, estas están condicionadas por los


herramentales, los coeficientes de fricción entre polvos, densidades necesarias, etc., pero normalmente no suelen superar los 75 mm.

Figura 12. Prensado uniaxial de simple y de doble efecto.

6.5.2. Prensado Isostático El prensado isostático se funda en una presión sobre las partículas que se ejerce desde todas las direcciones posibles. Esto reduce sustancialmente el problema de la no uniformidad de densidades, producto de la fricción entre partículas, y por ende permite la compactación de piezas con un gran L/D. La figura 13 muestra la forma del equipo de prensado isostático.

Figura 13. Prensa isostática, con uniformidad de presión a lo largo de toda la superficie; uniformidad de densidad sobre toda la pieza. El equipo consiste en un recipiente de alta presión, en donde la mezcla cerámica es colocada alrededor de un molde, generalmente metálico, y es cubierta con una capa de un elastómero (goma), de forma que un líquido incompresible Tecnología I - U6 - Cerámicos - 19

comprima la mezcla contra el molde de forma uniforme y progresivamente a medida que se aumente la presión dentro del recipiente. Los líquidos incompresibles mas utilizados son aceite hidráulico o directamente agua (con algún inhibidor, de tipo antioxidante). Luego, una vez que se incrementa la presión, la goma se deforma compactando el polvo. Un tema fundamental de esta técnica es la correcta colocación de la mezcla dentro del molde, y para asegurarse una uniformidad, una vez colocada la carga se le realiza un vibrado, llenándose toda la cavidad con una densidad aparente uniforme. La principal desventaja de este proceso es la baja producción, la dificultad de obtener un control dimensional estrecho y la baja terminación superficial. Sin embargo, la fabricación de aisladores sobre bujías muestra que, con grandes producciones, se pueden desarrollar tecnologías que permitan un producto satisfactorio. El HIP, o prensado isostático en caliente (Hot Isostatic Pressing), es similar, pero con una componente adicional de alta temperatura con la que se logra una mayor adhesión de las partículas cerámicas. Este método, cuando trabaja a muy altas temperaturas, puede llegar a eliminar la etapa de sinterizado posterior, ya que directamente se logra en el conformado de la pieza. Tal como se ve en la figura 14, la geometría de las piezas obtenidas, tanto en prensado uniaxial como en prensado isostático, no son en extremo complicadas. Esto se debe a los múltiples problemas antes enunciados.

Figura 14. Piezas obtenidas por diferentes prensados; notar la simpleza de las geometrías.

6.6. COLADO 6.6.1. Colado de Suspensiones – Slip Casting Esta técnica consiste en colar suspensiones de partículas sólidas en agua, en moldes porosos a través del cual se extrae el líquido; luego, queda una capa seca y


compactada sobre las paredes del molde. La operación se realiza a temperatura ambiente. La primera operación esta relacionada con la preparación de la suspensión, es decir de las partículas cerámicas mas el agregado del fluido que las soporta. El tamaño y la forma de las partículas debe ser el adecuado para obtener una buena suspensión. Otro tema es el de la viscosidad de la suspensión, y a medida que las partículas sean de menor tamaño, mayor será la viscosidad de la suspensión. En caso de querer obtener un material denso, como se debe trabajar con partículas pequeñas y por ende tendrá alta viscosidad, se le agrega a la mezcla algún agente dispersantes, generalmente de tipo orgánico. El control que se debe llevar en la operación de colado debe tener en cuenta varios aspectos: -

Constancia de las propiedades

-

Viscosidad

-

Ausencia de burbujas de aire

-

Velocidad de llenado y de secado

-

Contracción

-

Resistencia.

Estas propiedades son muy importantes y por ejemplo, el tema de la resistencia será determinante en la capacidad del objeto en ser mecanizado en verde. Los moldes porosos, que permiten el paso del líquido de la solución a través de sus paredes, generalmente son de yeso, con tamaño y dispersión de poros controlado. Muchas opciones son disponibles, dependiendo de la complejidad de los componentes y otros factores. Las figuras 15 y 16 ilustran esquemáticamente la colada de una pieza hueca en un molde único de yeso. La suspensión es volcada dentro del molde y el agua es absorbida a través de las paredes. En la primera de las figuras la operación es mas rudimentaria, mientras que en la segunda, al tener una válvula de escape inferior, el drenado se realiza de manera mas controlada.

Figura 15. Obtención de preformas cerámicas en verde, en molde único, por colado. Tecnología I - U6 - Cerámicos - 21

Figura 16. Obtención de preformas cerámicas en verde, en molde único, por colado. Tal como se intuye, el espesor de la pared está directamente relacionado con el tiempo en que la suspensión permanece dentro del molde, es decir que cuanto mayor es el tiempo que pasa, mayor será el espesor. Esta técnica es muy utilizada, sobre todo en la fabricación de adornos cerámicos, en sanitarios y en una gran variedad de productos. En caso que la pieza tenga una geometría complicada, se utiliza la combinación de diferentes moldes. Por último, cuando se desea una pieza sólida, se espera a que la extracción de agua sea total a través del molde, evitando la operación de volcado. Ejemplos de la consistencia del barro, de moldes, de la operación de colada, de desmolde y de piezas obtenidas se observan en la figura 17.

Figura 17. Piezas obtenidas por colado de suspensiones – Slip casting.


Una importante desventaja de esta técnica esta relacionada con el agotamiento de los moldes. Estos, al ser de yeso, van perdiendo la capacidad de absorción de agua, por lo que para una producción seriada generalmente son necesarios una importante cantidad de moldes, de tal forma que mientras algunos están siendo utilizados, otros tantos están en hornos de secado, disminuyendo el tenor de agua. Por otro lado, el hecho que los moldes sean de yeso, los hacen sumamente frágiles. Una variante de esta técnica es por asistencia de vacío, es decir con la utilización de moldes porosos, pero asistiendo la extracción de agua mediante una depresión generada sobre la pared seca del molde. Esto origina una mayor extracción de agua, y por ende un menor tiempo para obtener el espesor deseado. Otra forma es la de moldeado con asistencia centrífuga, y de la misma manera que en moldeado de piezas metálicas y poliméricas, el centrifugado, generalmente vertical, se asiste en aquellas piezas de geometría complicada, que necesiten una mayor presión en el llenado. 6.7. CONFORMADO PLASTICO El conformado plástico involucra el conformado de una forma a partir de una mezcla entre partículas cerámicas y aditivos, la cual es deformable bajo presión. En arcillas, además del agua, se incorporan agentes humidificantes y algún tipo de lubricante que mejore el deslizamiento de las partículas. En sistemas que no contienen arcilla, tales como aquellos con óxidos puros, carburos, nitruros, etc., en lugar de agua se agrega un material orgánico (un termoplástico, de baja Tg), en cantidades desde 20 a 50 %, con el fin de obtener la plasticidad necesaria. Una forma de incrementar la plasticidad del material orgánico es calentar la mezcla a medida que es presionada. Esto es similar a una extrusora convencional. La mayor dificultad en este tipo de operaciones es la remoción del material orgánico, el cual se debe efectuar antes de la operación de sinterizado; otro problema es una extracción de la pieza demasiado rápido, que puede ser capaz de generar grietas y/o distorsiones. En casos de mezclas entre arcilla y agua, la típica contracción es el mayor problema ya que esta es capaz de generar grietas sobre la pieza. Estos procesos son utilizados en gran medida en la fabricación de cerámicas tradicionales, con un grado de repetitividad aceptable, no desde el punto de vista tecnológico pero si desde el estético; vajilla doméstica, tal como los platos de loza, son conformados bajo esta técnica. 6.7.1. Moldeado por Inyección Este es un proceso de costo accesible, con altas velocidades de producción, pero obteniendo piezas de geometrías simples. La gran desventaja de estos procesos es el gran desgaste que sufren las matrices, en función de la gran dureza de las partículas a las cuales la matriz alberga. Debido a las presiones generadas dentro del cilindro de inyección, esto hace que la microestructura de las piezas tenga una menor densidad de defectos, sobre todo de burbujas, o poros, de aire. Tecnología I - U6 - Cerámicos - 23

Estas inyectoras pueden impulsar a la mezcla mediante pistones, impulsados hidráulica o neumáticamente, o mediante los tradicionales tornillos, tal cual el de las inyectoras de plásticos. De la misma forma que en procesos de colada, el tamaño de partículas es fundamental en procesos de inyección; de esta forma se asegura una correcta densidad y se minimiza la cantidad de material orgánico. Los defectos típicos obtenidos en este tipo de operación son: - Partes incompletas (problemas de llenado), generalmente de detectan a simple vista e inmediatamente después de la operación de inyectado. - Poros de gran tamaño, también macroscópicos lógicamente aquellos superficiales, deben ser tenidos en cuenta. Técnicas de Ensayo No Destructivos (END) deben realizarse sobre las piezas si se presume que las mismas tienen defectos internos. - Líneas de partición muy marcadas son típicas, sobre todo en aquellas matrices que se han utilizado durante una alta cantidad de ciclos; esto se justifica debido al gran desgaste que sufren las mismas. - Grietas, generalmente se originan por diferentes problemas en la operación, los cuales ya se han citado a lo largo del apunte. 6.7.2. Extrusión Esta técnica es ampliamente utilizada en la fabricación de ladrillos (macizos o huecos), tubos, cilindros y en aquellas piezas de gran longitud y sección transversal constante. En la figura 18 se observa un esquema de una extrusora para materiales cerámicos. Estos equipos impulsan la mezcla de polvos cerámicos (+ agua en caso de arcillas, + material orgánico en caso de partículas no arcillosos), a través de un cilindro, el cual es forzado a pasar por una matriz con la geometría deseada. En función del tipo de operación que se realice, se pueden obtener desde objetos tan burdos como un ladrillo hasta tan precisos como filtros con una cantidad de 100 agujeros/cm2.

Figura 18. Extrusora para materiales cerámicos.


Por último, y como en todos los casos, el costo de la operación será función del número de piezas. En la figura 19 se analizan dos técnicas: una de tipo HIP, de menor costo original, y otra de Inyección y sinterizado, de mayor costo inicial, pero conveniente si se alcanzan un gran número de piezas. Sin embargo, hay técnicas en las que es posible generar un “up-grade”, en donde si bien hay que generar una inversión para obtenerlo, luego dicho mejoramiento se refleja en un menor costo de pieza. Tal como se observa, esta inversión en el herramental del HIP se manifiesta en el ascenso vertical del costo del proceso Original, pero rápidamente pasa al HIP Modificado, con una caída del costo de mayor pendiente con el incremento del número de piezas.

Figura 19. Relación costo – número de piezas, para distintos tipos de procesado. 6.8. TECNICAS AVANZADAS Los métodos para obtener preformas en piezas cerámicas únicamente estará limitado por la capacidad del ingeniero frente a la demanda del diseñador. Esto es particularmente cierto si se desea mejorar propiedades, disminuir los rechazos y por ende minimizar los costos. De la misma forma, esto ayuda a desarrollar nuevas tecnologías, en todo tipo de materiales, tradicionales y avanzados. En este punto solo se discutirán técnicas de Tape forming. Tape forming El tape forming, o generación de cintas cerámicas de espesor fino, han tenido un gran desarrollo en aplicaciones electrónicas (soportes de circuitos integrados), en aplicaciones magnéticas (cintas de audio y video), etc. Como se ve en las figuras subsiguientes, los espesores son lo suficientemente finos como para que los mismos sean perfectamente bobinables. El proceso denominado 'Doctor-Blade', tal como se lo ve en la figura 20, consiste en el colado de un mezcla cerámica, generalmente de partículas muy pequeñas, sobre un sustrato que circula a alta velocidad, de manera de establecer una fina capa de material. El sustrato, también muy fino, puede ser de material celulósico, teflón® o celofán directamente. El espesor del depósito es controlado por un filo, de ahí el Dr. Blade, y en caso de tener una posterior etapa a alta temperatura, el tape previamente puede ser cortado. Si bien en apariencia parece un proceso simple, el mismo requiere de cuidadosos controles para evitar el arrugamiento del depósito y que las cotas salgan de tolerancia. En la generación de la cinta por inmersión del sustrato, denominado 'PaperCasting', el principio es similar al anterior, aunque no se obtienen espesores constantes y el mismo esta determinado por la velocidad a la que circula el sustrato a través del contenedor que tiene la mezcla cerámica. En la figura 21 se observa una Tecnología I - U6 - Cerámicos - 25

configuración de tipo Paper-Casting. Cabe aclarar que en este caso el sustrato generalmente es un papel altamente absorbente, de manera de atrapar una gran cantidad de partículas.

Figura 20. 'Tape forming' por Doctor Blade,.

Figura 21. Tape forming, con el espesor función de la velocidad, bajo Paper-casting. 6.9. FABRICACIÓN DE VIDRIOS Tal como se dijo, los vidrios parten de arenas, fundentes (piedra caliza), componentes secundarios y, cada vez en mayor medida, vidrios procedentes de los envases reciclados. Esta mezcla se funde a 1500ºC y luego, aún en estado fluido y a una temperatura de ≈ 900ºC, es distribuido a los moldes donde obtienen su forma definitiva; a este material es al que se lo denomina “vela”. Posteriormente se los traslada a un horno de recocido en el que, mediante un tratamiento térmico, se eliminan tensiones internas y el vidrio adquiere su grado definitivo de resistencia. Para evitar roturas por shock térmico, es usual enfriar las piezas progresivamente, asi como evitar de apoyarlas sobre superficies frías. Existen tres tipos de procesos principales: 6.9.1. Soplo-Soplo Este proceso es utilizado para la fabricación de frascos de boca angosta y consta de los siguientes pasos:


a. La vela se deposita en la matriz para formar la corona. b. Se sopla el vidrio, con aire a presión, forzándolo a llenar el molde. c. Se alimenta la parte baja del molde con aire a presión, para formar un hueco con la corona ya terminada. En este proceso, la vela pasa a llamarse parisón. d. Se toma el parisón del cuello y se lo coloca en el molde final, formándose el cuerpo del envase; en este momento el vidrio aún muestra un color rojo. Se inyecta aire por la corona o boca, inflándolo hasta que el envase toma su forma final. 6.9.2. Prensa-soplo Este proceso, tal como se observa en la figura 22, es usado para los envases de boca ancha y consiste en los siguientes pasos: a. La vela se deposita en la matriz para obtener una primera forma. b. Se impulsa un punzón el cual premoldea a la vela, adquiriendo la forma de parisón. c. Se coloca el parisón, manteniéndose aún a temperatura.

que

mediante

una

corona

posicionadora,

d. Inmediatamente se insufla aire por la boca, soplando el parisón y dando forma final.

Figura 22. Obtención de piezas de vidrio por prensa - soplo 6.9.3. Prensa Este proceso, es utilizado para piezas de todo tipo, desde platos, vasos, etc. Consiste de los siguientes pasos: a. La vela se deposita en el molde, que puede ser de varios tipos, tal como se observa en las figura 23 y 24, en función del tipo de pieza a moldear. b. Se acciona un punzón que otorga la deformación requerida. c. En caso de ser necesario, se acciona un sistema desmoldante. De la misma manera, en caso de utilizar moldes partidos, se minimizarán las líneas de partición.


Figura 23. Obtención de piezas de vidrio por prensa.

Figura 24. Obtención de piezas de vidrio por prensa.


UNIDAD 10. – MADERAS 10.1. Introducción, 10.2. Conceptos forestales de interés 10.3. Estructura de la Madera, 10.4. Propiedades de la Madera, 10.5. Tipos de Maderas, 10.6. Maderas Argentinas, 10.7. Atributos visuales de la madera, 10.7.1. Color, 10.7.2. Textura, 10.7.3. Cesía, 10.8. Transformación de la Madera en Materia Prima. 10.8.1. Cadena de valor, 10.8.2. Fases de la transformación, 10.8.3. Modos de Comercialización, 10.9. Procesamiento de Maderas, 10.9.1. Técnicas Aditivas, 10.9.2. Técnicas Sustractivas, 10.9.3. Técnicas de Conformado. 10.10. Fuentes. 10.1. INTRODUCCIÓN La madera es un material compuesto natural que se extrae del tronco de los árboles, caracterizado por crecer de forma anual y estar compuesto por fibras de celulosa unidas con una sustancia polimérica llamada lignina, lo cual influye en sus propiedades y por lo tanto en sus potenciales aplicaciones. Constituye uno de los productos vegetales más importantes, utilizándose durante miles de años como combustible, materia prima para la fabricación de papel, mobiliario, construcción de viviendas y para una gran variedad de objetos de uso diverso. En este apartado, se analizarán las características de la madera y sus derivados para ser usada como materia prima en productos de diseño industrial (DI), considerando sus propiedades y técnicas de procesamiento. La carpintería entendida como un oficio de larga historia y tradición tiene un amplio repertorio de soluciones arquetípicas para resolver problemas en torno al procesamiento de la madera. Sin embargo el DI, desde una matriz basada en la innovación requiere conocer ese bagaje vinculado a la resolución habitual de los productos de madera, con el objetivo de proponer nuevas formas de abordar soluciones constructivas. 10.3. CONCEPTOS FORESTALES DE INTERÉS. La madera es un material heterogéneo que por su misma naturaleza puede contener diferentes características y defectos que deben conocerse y tenerse en cuenta para cualquiera de sus posibles aplicaciones. Las normas permiten estandarizar valores de modo tal que sean fácilmente comprensibles. A continuación se transcribe algunos términos de interés forestal de acuerdo a la Norma IRAM 9502. En ella se discriminan los diferentes productos que pueden obtenerse de un árbol y su grado de elaboración. La terminología proporciona, tanto al comprador como al vendedor un lenguaje común imprescindible para las transacciones comerciales. Especie Forestal Especie arbórea maderable Abatimiento Trozas Raigón

Es toda especie vegetal perenne y leñosa que posee tronco. Es toda especie arbórea que tiene tejido que posea tronco. Operación de derribar el árbol. Las partes del tronco abatido, cubierto o no corteza, cortadas normalmente a su eje y de longitud adecuada a sus usos. Parte del árbol que queda debajo de la tierra, incluyéndolas raíces que por su grosor sean Tecnología I – U10 - Maderas - 1

Cepa Corteza Rollizo

Cuello Copa Tocón Horcón

aprovechables. Parte basal del árbol, formada por el tocón, y el nacimiento de las raíces primarias, que queda adherida a la tierra cuando aquel ha sido cortado en pie. Parte exterior del árbol. Toda pieza sin labrar que provenga del tronco o de ramas principales del árbol vivo o muerto, con diámetros mayores de 25 cm en la parte mas delgada con corteza o toda pieza sin corteza que tenga mas de 22 cm de diámetro en la parte mas delgada. Zona de transición entre el tronco y la raíz. Parte del árbol a partir del extremo superior del fuste, constituida por rollizos secundarios y ramas. Parte basal del tronco de aproximadamente 30 cm de altura, que queda sobre el terreno unida a las raíces, luego de batido el árbol. Es la parte del tronco o de una rama principal que presenta una bifurcación en sus extremos.

Figura 1. Terminología Forestal de acuerdo a la Norma IRAM 9502

Figura 2. Partes de un árbol, Norma IRAM, 9502

Tecnología I – U10 - Maderas - 2

10.3. ESTRUCTURA DE LA MADERA. La madera es un producto natural con una estructura compleja, y por lo tanto no debe considerarse como un producto homogéneo como puede ser una barra de acero o un producto termoplástico moldeado por inyección. Se encuentra formada por un conjunto de células alargadas de diferente longitud que cumplen funciones tales como la conducción de la savia (alimento del árbol), transformación y almacenamiento de sustancias nutrientes, y la sustentación física, extendiéndose a lo largo del tronco. Desde el exterior del tronco hacia el centro se encuentra en este orden: · Corteza externa: es la capa más externa del árbol, formada por células muertas del mismo árbol, sirve de protección contra los agentes atmosféricos. Corteza Interna: Es la capa que tiene por finalidad conducir el alimento elaborado en la hojas hacia las ramas, tronco y raíces y está constituido por el tejido flemático vivo, llamado también liber. Es filamentosa y poco resistente. · Cámbium: es la capa que sigue a la corteza y da origen a otras dos capas: la capa interior o capa de xilema, que forma la madera, y una capa exterior o capa de floema, que forma parte de la corteza. Constituye la base del crecimiento del tronco. Madera o Xilema: Es la parte leñosa del tronco se puede distinguir entre ella, la albura, el duramen, y la medula: · Albura: es la madera de más reciente formación y por ella viajan la mayoría de los compuestos de la savia. Las células transportan la savia, que es una sustancia azucarada con la que algunos insectos se pueden alimentar. Es una capa más blanca porque por ahí viaja más savia que por el resto de la madera. · Duramen: es la madera dura y consistente. Está formada por células fisiológicamente inactivas y se encuentra en el centro del árbol. Es más oscura que la albura y la savia ya no fluye por ella. Tiene como función proporcionar resistencia para el soporte del árbol. · Médula vegetal: es la zona central o núcleo, del tronco de diámetro muy pequeño, posee escasa resistencia y generalmente no se utiliza.

Figura 3. Estructura microscópica de la madera.

Desde un análisis microscópico también podemos encontrar: Anillos de crecimiento: Cada anillo corresponde al crecimiento anual, y por lo tanto su suma permite conocer los años de vida del árbol. Debido a la forma troncoTecnología I – U10 - Maderas - 3

cónica del árbol, los anillos anuales deben contarse en el tronco, en zona más próxima a las raíces. Cada anillo consta de dos zonas claramente diferenciadas: una formada en primavera donde predominan los vasos gruesos que conducen la savia bruta hasta las hojas (tejido vascular) de color claro, pared delgada y fibras huecas y blandas; y otra formada en verano que tiene los vasos más pequeños y apretados, formando el tejido de sostén y de color oscuro denso y fibras de paredes gruesas. En zonas tropicales, donde no se producen variaciones climáticas con los cambios de estación y la actividad vital del árbol es continua no se aprecian diferencias entre las distintas zonas de anillos de crecimiento anual. Radios leñosos: Bandas o láminas delgadas de un tejido, cuyas células se desarrollan en dirección radial, o sea, perpendicular a los anillos de crecimiento. Ejercen una función de trabazón. Almacenan y difunden las materias nutritivas que aporta la savia descendente. Contribuyen a que la deformación de la madera sea menor en dirección radial que en la tangencial. Son más blandos que el resto de la masa leñosa y por ello constituyen las zonas de rotura a comprensión, cuando se ejerce el esfuerzo paralelamente a las fibras. 10.4. PROPIEDADES DE LA MADERA 10.4.1. HIGROSCOPICIDAD La madera es un material higroscópico que tiende a absorber o perder agua según las condiciones del ambiente (humedad relativa y temperatura del aire). De esta forma a cada estado ambiental corresponde un grado de humedad de la madera, llamado humedad de equilibrio higroscópico (HEH). Así por ejemplo, una madera colocada en un local a 20°C de temperatura y con una humedad relativa del 40%, alcanzará una humedad de equilibrio del 8%. Por tanto será necesario secarla previamente hasta esta humedad, para que sufra las mínimas alteraciones dimensionales posibles. La madera deberá tener la humedad correspondiente a la humedad de equilibrio higroscópico de las condiciones higrotérmicas de servicio. De esta manera se reducen los movimientos que podrían ocasionarse a causa de la variación de su grado de humedad. La higroscopicidad de la madera se mide como la variación de la densidad de la misma cuando su contenido de humedad varía en un 1%. 10.4.2. ANISOTROPÍA La madera está formada por tejidos que realizan diferentes funciones y que originan que su estructura no sea homogénea. Esta heterogeneidad se refleja en sus propiedades físicas y mecánicas y es la causa de algunos de sus defectos y también de sus ventajas. Dicha falta de homogeneidad da lugar a lo que se conoce con el nombre de anisotropía, que es el diferente el comportamiento de sus propiedades físicas y mecánicas según la dirección que se considere. Se establecen tres planos o direcciones principales: Longitudinal, Radial, Tangencial. Cuando se habla de las propiedades físicas se hace referencia a estas tres direcciones, y cuando se habla de las propiedades mecánicas sólo se habla de dos direcciones, la dirección paralela a las fibras (longitudinal) y la dirección perpendicular a las fibras, que engloba a la tangencial y radial, cuyas propiedades mecánicas suelen tener valores similares. Tecnología I – U10 - Maderas - 4

Figura 4. Tipos de cortes en piezas de madera.

10.4.3. PROPIEDADES MECÁNICAS Para apreciar las propiedades mecánicas de la madera resulta útil compararlas con las de otros materiales. En la figura 5 se visualizan los valores medios de las tensiones admisibles de la madera, hormigón y acero. Debido a la anisotropía de su estructura que la diferencia frente a otros materiales, se consideran la dirección perpendicular y la dirección paralela a la fibra.

flexión Madera

120

Hormigón Acero

80 1700

tracción

compresión

paral

perp

paral

perp

120

1,5

110

28

6 1700

80 1700

corte

modulo de elast

12

110000

6 1000

200000 2100000

Figura 5. Tabla Comparativa tensiones admisible (k/cm2) de la madera, hormigón y acero.

Se pueden extraer las siguientes conclusiones en relación a las propiedades mecánicas de la madera: Muy elevada resistencia a la flexión, sobre todo si se asocia a su peso (la relación resistencia / peso es 1,3 veces superior a la del acero y 10 veces la del hormigón). Buena capacidad de resistencia a la tracción y a la compresión paralelas a la fibra. Escasa resistencia al corte. Esta limitación se presenta también en el hormigón pero no en el acero. Muy escasas resistencias a la compresión y a la tracción perpendicular a la fibra. Sobre todo en tracción, lo que supone una característica muy particular frente a los otros materiales. Bajo módulo de elasticidad, mitad que el del hormigón y veinte veces menor que el del acero.


10.4.4. FLEXIBILIDAD Es la propiedad que tienen algunas maderas de poder ser curvadas en su sentido longitudinal, sin romperse. Si son elásticas recuperan su forma primitiva cuando cesa la fuerza que las ha deformado. La madera presenta especial aptitud para sobrepasar su límite de elasticidad por flexión sin que se produzca rotura inmediata, siendo esta una propiedad que la hace útil para la curvatura. La madera verde, joven, húmeda o calentada, es más flexible que la seca o vieja y tiene mayor límite de deformación. La flexibilidad se facilita calentando la cara interna de la pieza (contracción de las fibras interiores) y humedeciendo con agua la cara externa (alargamiento de las fibras exteriores) Como se detallará en las técnicas de procesamiento, esta propiedad se incrementa, sometiéndola a tratamientos de vapor. 10.5. TIPOS DE MADERAS La difundida clasificación de las maderas en duras y blandas se refiere más al grupo botánico al que pertenece la madera que a sus propiedades físicas. 10.5.1. MADERAS DURAS La mayoría de las maderas duras, tienen tal característica respecto de las del grupo de las maderas blandas, a excepción de la madera balsa que si bien botánicamente es una madera dura, resulta la madera más blanda de ambos grupos. Las maderas duras proceden de árboles de hojas latifoliadas que pertenecen al grupo botánico de las Angiospermas. Las angiospermas tienen semillas recubiertas que tras la fertilización se desarrollan en frutos. Este grupo está considerado como un orden superior en la evolución al de las más antiguas y primitivas coníferas Gimnospermas, que tienen una estructura celular mucho más sencilla. La mayor parte de los árboles de hojas latifoliadas crecen en zonas templadas y son árboles de hoja caduca que pierden las hojas en invierno. Estas maderas proceden de árboles de un crecimiento lento, por lo que son más densas y soportan mejor las inclemencias del tiempo que las blandas. Por lo general, la madera dura tiene una duración mayor que la blanda, así como una mayor gama de colores texturas y veteados. Se trata de maderas más caras, debido a que su lento crecimiento provoca su escasez, y muchas de ellas, especialmente las maderas exóticas de elevados precios, se transforman en chapas. 10.5.2. MADERAS BLANDAS Engloba a la madera de los árboles provenientes de las coníferas que pertenecen al grupo botánico de las Gimnospermas (plantas que tienen las semillas al aire). Por lo general el árbol en pie se presenta con una silueta alta espigada y puntiaguda aunque no todas las coníferas tienen esta forma. Las coníferas al transformarlas en tablas son de fácil identificación gracias a su gama de colores relativamente claros que van desde el amarillo pálido hasta el pardo rojizo así como por la textura generada por el contraste de color y valor entre la madera primeriza y la tardía de los anillos anuales. La gran ventaja que tienen respecto a las maderas duras, es su ligereza y su precio mucho meno, producto de su relativo rápido crecimiento. La manipulación de las Tecnología I – U10 - Maderas - 6

maderas blandas es mucho más sencilla, aunque tiene la desventaja de producir mayor cantidad de astillas. maderas blandas

maderas duras

gimnospermas

angiospermas

semilla descubierta coníferas crecimiento rápido suelen ser resinosas retiene sus hojas (hoja perenne) ej: pino, cedro, coníferas en gral. la mayoría, físicamente blanda menos densas y más livianas

semilla cubierta latifoliadas o de fronda crecimiento lento no suelen ser resinosas pierde sus hojas (hoja caduca) ej: roble, cerezo, eucalipto, la mayoría, físicamente dura más densas y pesadas se mecanizan mejor se ensamblan mejor más resistentes relativamente oscuras en zonas calidas y templadas mayor gama de colores texturas y veteados. más caras

se deterioran con rapidez al aire libre deben ser tratadas relativamente claras en zonas frías menor gama de colores texturas y veteados. mas económicas

Figura 6. Tabla comparativa maderas duras y maderas blandas

10.6. MADERAS ARGENTINAS. La madera que se comercializa en Argentina proviene en general de especies nativas de formaciones autóctonas o de plantaciones (bosques implantados) y en menor cantidad de importación. En nuestro país la principal ventaja reside en la amplia disponibilidad y variedad de tierras aptas para la forestación. nombre

región donde se encuentra

Pehuén – Lenga - Raulí – Cohiue - Ciprés Bosques Andino Patagónicos Quebracho colorado - Quebracho blanco - Algarrobo Distrito Chaqueño Occidental blanco - Algarrobo negro - Itín - Mistol - Vinal (Chaco Seco) Guayacán - Palo santo - Guindo Quebracho colorado - Quebracho blanco - Lapacho Provincia Chaqueña Distrito negro - Cebil - Anchico - Urunday - Algarrobo blanco Chaqueño Oriental - Algarrobo negro - Itín - Mistol (Chaco húmedo) Espina de corona - Pacará o Timbó - Roble del país Provincia De Las Yungas Peteribí - Tipa colorada - Aliso del cerro (Selva Tucumano-Boliviana) Guatambú - Curupay o Cebil - Palo rosa - Lapacho amarillo - Laureles laurel negro y amarillo - Pino Provincia Paranaense paraná, o pino brasil - Peteribí - Caña fístula (Selva Misionera) Cancharana - Anchico - Loro blanco - Soita - Cedro misionero - Urunday - Lapacho negro Figura 7. Tabla Principales Especies nativas y cultivadas comerciales argentinas según regiones fitogeográficas


Figura 8. Principales Especies nativas y cultivadas comerciales argentinas según regiones fitogeográficas

Para ampliar información al respecto recomendamos ingresar a la página web del Instituto Nacional de Tecnología Industrial, INTI, sector Madera Muebles, y descargar las fichas con la Caracterización de maderas nativas argentinas. http://www.inti.gov.ar/maderaymuebles/caracterizacion.htm


10.7. ATRIBUTOS VISUALES DE LA MADERA La apariencia de una madera y su relación con los atributos visuales resulta fundamental en las aplicaciones vinculadas al DI. 10.7.1. COLOR Su color natural depende de la especie, la edad, condiciones de crecimiento y del clima y está definido por las sustancias que se encuentran en el lumen celular o impregnan sus paredes que pueden variar por el tiempo por oxidación tornándose grisáceas. Las normas IRAM recomiendan tomar el color en las caras tangenciales, de la madera secada al aire y recién cepillada. Con la ayuda de la Tabla Munsell de Colores para suelos se describe el color diferenciado de la zona de albura (parte periférica del tronco, la cual a menudo se diferencia por su coloración más clara) y la zona de duramen (parte central del tronco, por lo general de color más oscuro). La albura y el duramen se distinguen fácilmente en algunas maderas, como en el Pino, mientras que en otras, como el Algarrobo, no hay distinción obvia entre las dos regiones. La diferencia de color que se observa entre la albura y el duramen se desarrolla cuando el tejido localizado hacia el centro del tronco deja de transportar agua y sus conductos se llenan de sustancias que, además de impartir color, aumentan la densidad, la fortaleza y la resistencia al ataque de los insectos.

maderas blandas

colores blanco amarillento a amarillo ocre blanco rosáceo castaño rosáceo blanco amarillento blanco rosáceo amarillo ocre

maderas duras

amarillo verdoso pardo castaño rosáceo castaño rojizo castaño violáceo

especies Ciprés - Pehuén - Pino Araucaria - Pino del Cerro Alerce Tipa Blanca - Jacaranda - Chañar Sauce Criollo - Aliso Del Cerro - Arrayán Palo Rosa - Ñire - Cohiue Tala - Palo Amarillo - Guatambú - Grapia Quebracho Blanco Coco - Palo Santo - Lapacho Negro Laureles - Peteribí Raulí - Timbó - Cebil - Caldén - Algarrobos Quebrachos - Mistol – Quina - Churqui, Cancharana Nogal Criollo - Itín

Figura 9. Tabla Principales especies comerciales argentinas según colores

Si bien cada especie tiene un color particular, existe la posibilidad de ser artificialmente coloreada con métodos diversos como la inmersión, impregnación, ataques superficiales, etc., potenciando o eliminando la tonalidad original. Los procesos de recubrimiento coloreado se basan en deposiciones de pigmentos sobre la superficie de manera que modifiquen la forma en que la radiación visible se refleja o refracta provocando cambios en la sensación de color que percibe el observador. Estos recubrimientos, totales o parciales, se logran aplicando pinturas, tintes o colorantes, con técnicas diversas dependiendo del material. La diferencia radica en que las pinturas consisten en partículas de pigmentos disueltas en un vehículo usado como medio para aglomerarse y fijarlos a las Tecnología I – U10 - Maderas - 9

superficies evitando que la luz se refleje en la superficie que hay abajo, mientras que las tinturas o colorantes en cambio, son materiales solubles en agua que producen colores traslucidos que, al no cubrir la superficie original dejan entrever la textura y modifican sutil o completamente el color original. 10.7.2. TEXTURA Existen varios elementos que pueden asociarse al concepto de textura en madera. La textura propiamente dicha, el grano y el veteado. 10.7.2.1 Textura propiamente dicha Tradicionalmente y desde el mercado de la madera se denomina textura a la característica dada por la distribución, proporción y tamaño relativo de los elementos leñosos (poros, parénquima y fibras). Para percibirse, se observa con la ayuda de una lupa de 10 aumentos en la sección transversal, y es generalmente palpable en las secciones longitudinales. Puede ser de tres tipos: - Textura gruesa: Presenta elementos constitutivos grandes. Poros con diámetro tangencial de más de 181 micras, parénquima abundante, radios leñosos anchos y tejido fibroso escaso. - Textura media: Presenta elementos constitutivos medianos. Poros entre 141 y 180 micras de diámetro tangencial, parénquima regular, radios leñosos medianos y regular cantidad de tejido fibroso. - Textura fina: Presenta elementos constitutivos pequeños. Poros menores de 140 micras de diámetro tangencial, parénquima escaso, radios leñosos finos y abundante tejido fibroso La textura también se clasifica en Homogénea o Heterogénea de acuerdo a las diferencias entre los elementos que componen el leño, la diferenciación entre leño temprano y tardío y a la demarcación de los anillos de crecimiento. 10.7.2.2. Grano El grano en una madera puede definirse como una característica producida por la disposición que tienen los elementos xilemáticos longitudinales (vasos, fibras, traqueidas, parénquima, etc.) con respecto al eje longitudinal del tronco. Tiene importancia en el trabajo de la madera, en el comportamiento físico y mecánico y en el dibujo o veta. Por naturaleza puede ser: - Grano recto: Cuando la dirección de los elementos anatómicos verticales es sensiblemente paralela al eje del árbol. Se observa en corte radial y tangencial. Son maderas fáciles de trabajar, de muy buen comportamiento en el secado, pero de menor probabilidad de obtención de veteados ornamentales. Ej: Pino Paraná, Lenga y Alerce. - Grano oblicuo: Cuando la dirección de los elementos leñosos forma ángulos agudos con respecto al eje del árbol. Ej: Calden o Lapacho. - Grano entrecruzado: Cuando los elementos leñosos se encuentran en dirección alterna u opuesta entre anillos de crecimiento contiguos o grupo de anillos. Se observa como bandas encontradas en la sección radial haciendo que la trabajabilidad de la madera sea difícil. Ej: Viraró, Quebracho Colorado, Palo Santo. - Grano ondulado: Cuando los elementos leñosos presentan sinuosidad o ondulados, y siguen direcciones variadas con respecto al eje longitudinal del tronco. Es el grano de mayor valor estético. Desde el punto de vista fisiológico puede deberse a una estructura con desarrollo anormal producto de: agallas, insectos, bacterias, hongos, Tecnología I – U10 - Maderas - 10

incendios, heladas, etc. lo que brinda una mejor apariencia en el corte tangencial y en el corte radial. Ej: Eucalyptus globulos, Canela de Venado. 10.7.2.3. Veteado El veteado de la madera puede observarse también, como una característica de la superficie asociable a la textura. Las vetas caracterizan a muchas maderas y se originan en la superficie longitudinal pulida, debido a la disposición de los elementos constitutivos del leño, especialmente los vasos, radios leñosos, parénquima y los anillos de crecimiento, así como también por el tamaño y la abundancia de ellos. Puede clasificarse de acuerdo a la intensidad del veteado como liso, suave o intenso. Los poros solitarios o en agrupaciones reducidas originan figuras poco pronunciadas por ej. Quebracho Blanco. En cambio, cuando los vasos se reúnen en bandas tangenciales o radiales el dibujo es más notable. Cuanto más anchas sean dichas bandas, por ejemplo: Guaraniná, Guayaibí, más notorio es el vetado que producen. El parénquima vertical influye cuando aparece en agrupaciones grandes como por ejemplo el de los Algarrobos, Roble Criollo, Cedros, Guatambú Blanco. La presencia de radios grandes y multiseriados determina un tipo de veteado muy apreciado como en el caso de las Proteáceas (radal, roble sedoso). Generalmente se distinguen como: - Bandas paralelas: Se percibe en la sección radial y es el efecto producido por la alternancia de grupos de poros y fibras orientados en dirección contraria levemente diferente. Ej: Pinos. - Arcos superpuestos: Se percibe en la sección tangencial, está definido por los límites de camadas de crecimiento. Se observa como una figura de arcos dispuestos uno sobre el otro. Ejemplos: Cedros. - Jaspeado - satinado: Se percibe en la sección radial como figuras con reflejos plateados o dorados, satinados, veteado crespo o rizado y corresponde al efecto visual de contraste en brillo o color de los radios seccionados y alternadas con zonas fibrosas. Ej: Peteribí, Radal, Grevillea, Plátano.

bandas paralelas

arcos superpuestos

jaspeado

Figura 10. Tabla Principales alternativas de veteados.

El color, resultante de la presencia de sustancias xilócromas en el lumen de o pared de las células produce falta de uniformidad en las piezas de madera. Hay especies en las que las sustancias xilócromas impregnan de manera irregular las paredes de las células presentando veteados de diferente intensidad en bandas o rayas independientes de los anillos de crecimiento. El Palo Santo es un ejemplo de este veteado cromático en el se observan vetas amarillentas y pardas sobre un fondo verdoso.


10.7.3. CESIA El concepto de cesía involucra los modos de apariencia visual producidos por diferentes distribuciones de la luz en el espacio. Desde el punto de vista físico, la luz puede ser absorbida por un material, y la fracción no absorbida puede reflejarse, o bien transmitirse a través del material. Tanto la reflexión como la transmisión pueden darse en forma regular o difusa, y generarse también cualquier combinación intermedia. Esto da origen a las sensaciones visuales de cesía: transparencia, translucencia, brillo especular y apariencia mate, con distintos grados de luminosidad, y las formas combinadas o intermedias. La madera, posibilita una amplia gama de opciones en relación a la variable cesía, ya que presenta alternativas a partir de las características de las diferentes especies, que se multiplican al aplicar diversas técnicas de procesamiento y tratamientos superficiales. Desde la variable permeabilidad, ligada a la proporción percibida entre la radiación transmitida a través de un cuerpo y la radiación reflejada por el mismo, si bien la madera se considera un material opaco, las técnicas de fabricación de chapas de madera, permiten acceder a cierto grado de permeabilidad generando sensaciones de translucencia aplicadas ampliamente en el diseño de luminaria. Desde la variable absorción, referida a la proporción percibida entre la cantidad de radiación luminosa absorbida y la cantidad remitida por una superficie o cuerpo, las diferentes especies de madera proporcionan una amplia variación ligada al eje claridad-oscuridad. La posibilidad de incorporar tintes y pinturas (abordadas en la sección color) amplían las alternativas en torno a la absorción lumínica. En la mayoría de los casos nombres como Caoba, Wengue, Ebano, se convierten en adjetivos o nombres comerciales que refieren a la apariencia de determinadas especies naturales que son logradas mediante tinturas en especies nativas. Por último, la variable difusividad se vincula a la proporción percibida entre la radiación difundida en múltiples direcciones y la radiación remitida en forma regular en una sola dirección. Esta dimensión varía entre dos polos: difuso y regular, siendo el primero el caso de las superficies traslúcidas y mate donde la difusividad es, en un caso ideal, del 100% y el segundo el caso de las superficies transparentes y especulares donde la difusividad es del 0%. La consideración del brillo en las maderas se vincula a esta variable. El brillo natural se presenta como una característica típica de algunas especies que es producida por el reflejo que causan los elementos minerales de la estructura anatómica, observable especialmente en el corte radial cuando son expuestos a la luz. Su presencia se califica de bajo, mediano o moderado y elevado o intenso. Sin embargo el modo usual de modificar el brillo en las maderas se da a partir de distintas técnicas de acabado como la aplicación de lacas y barnices, que permiten obtener acabados mate, satinados y brillantes y además le confieren otras propiedades como: resistencia al roce, a la humedad, a los rayos UV, a los ataques de tipo biológico, al fuego, etc.


10.8. TRANSFORMACIÓN DE LA MADERA EN MATERIA PRIMA. 10.8.1. CADENA DE VALOR La cadena forestal-industrial de la Argentina incluye al sector forestal primario nativo y de implantación (producción de semillas, plantines, implante, servicios forestales, subproductos); a las actividades industriales de transformación, madera aserrada, remanufacturas, tableros reconstituidos, chapas, contrachapados, partes y muebles (transformación física de la madera) y la pasta celulósica, papel y cartón (transformación química de la madera). A continuación se esquematiza la cadena de valor del complejo foresto-industrial argentino desarrollada por el INTI.

Figura 11. Cadena de valor del complejo foresto-industrial argentino.


10.8.2. FASES DE LA TRANSFORMACIÓN La transformación de un ser vivo en materia prima industrializable requiere de las siguientes fases: 18.8.2.1. Apeo, corte o tala La tala incluye derribar los árboles, limpiarlos de hojas y cortarlos en troncos de longitud apropiada que constituyen la materia prima de las serrerías o aserraderos. Las modernas operaciones de tala están a menudo tan mecanizadas y automatizadas como las de una fábrica. Los avances tecnológicos, como las recolectoras de árboles enteros o las trituradoras de campo, han permitido que la tala mecanizada y los aserraderos modernos aprovechen hasta el 99% de los árboles cortados. Como los árboles son un recurso renovable, después de la tala se procede a una reforestación en la que se plantan nuevos árboles y se ayuda a que el terreno se regenere de forma natural. 18.8.2.2. Transporte La madera es transportada desde su lugar de corte al aserradero y en esta fase dependen muchos factores como la orografía e infraestuctura disponible. 18.8.2.3. Aserrado El aserradero divide en trozos el tronco, según el uso que se le vaya a dar después. Suelen usarse diferentes tipos de sierra como por ejemplo sierra de cinta o circular. Los distintos cortes serán abordados en el apartado 10.8.3. Modos de Comercialización de la Madera, y las técnicas de aserrado en 10.9.2.1. Procesos en Maquinaria de 1ra Elaboración. 18.8.2.4. Secado La madera que no se ha secado o que está verde, puede llegar a contener el 70% de agua, mientras que en la madera sometida a un proceso de secado, el porcentaje se reduce al 10 o al 20%. El agua está presente en forma de agua libre y de humedad en las paredes celulares. El primer paso del secado consiste en eliminar el agua libre y después, a medida que el secado va eliminando la humedad de las paredes celulares, empieza el movimiento y contracción en el interior de la madera. Si el secado se efectúa demasiado deprisa, se pueden crear tensiones en la madera. Existen dos métodos para secar a madera: el secado natural o el secado artificial. Secado natural En el secado al aire libre las tablas se ubican apiladas sobre listones protegidas de la lluvia y de la luz directa del sol con una separación que permite que el aire pase evitando moho y hongos. El secado tarda aproximadamente un año por cada 25mm. de grosor en maderas duras, y un poco menos para maderas blandas. Con este método la madera solo llega a secarse hasta el mismo nivel de la humedad ambiental, que suele ser un 15%. Secado artificial El secado artificial permite tener un control de la temperatura y la humedad y alcanzar porcentajes más bajos de humedad. Puede realizarse de las siguientes formas: Tecnología I – U10 - Maderas - 14

Secado por inmersión: en este proceso se mete al tronco o el madero en una piscina, y debido al empuje del agua por uno de los lados del madero, la savia sale empujada por el lado opuesto, consiguiendo eliminar la savia interior, evitando que el tronco se pudra. Esto priva a la madera de algo de dureza y consistencia, pero lo compensa en longevidad. El proceso dura varios meses, tras los cuales, la madera secará más deprisa debido a la ausencia de savia. Secado al vacío: en este proceso la madera es introducida en máquinas de vacío. Es él más seguro y permite obtener tiempos extremadamente breves de secado, bajas temperaturas de la madera en secado, limitados gradientes de humedad entre el exterior y la superficie, eliminación del riesgo de fisuras, hundimiento o alteración del color, mantenimiento reducido de la instalación y fácil utilización. Secado por vaporización: se introducen los maderos en una nave cerrada a cierta altura del suelo por la que se desplaza una corriente de vapor de 80 a 100°C. Con este proceso, se consigue que la madera pierda un 25% de su peso en agua. A continuación, se hace circular una corriente de vapor de aceite de alquitrán, impermeabilizando la madera y favoreciendo su conservación. Resulta costoso pero eficaz. Secado mixto: en este proceso se juntan el natural y el artificial: se comienza con un secado natural que elimina la humedad en un 20-25% para proseguir con el secado artificial hasta llegar al punto de secado o de eliminación de humedad deseado. Secado por bomba de calor: este proceso es otra aplicación del sistema de secado por vaporización, con la aplicación de una bomba de calor en el secado de la madera. Permite la utilización de un circuito cerrado de aire en el proceso, ya que al aprovecharse la condensación de agua, no es necesaria la entrada de aire exterior para mantener la humedad relativa de la cámara de la nave.

10.8.3. MODOS DE COMERCIALIZACIÓN DE LA MADERA. 10.8.3.1. RÚSTICAS Usualmente también se denomina madera redonda, y se trata de piezas que no tienen más que un tronzado, conservando, por lo tanto, su forma cilíndrica original. Si se trata de la zona del fuste, se habla de rollizo. La terminación del material condiciona su aplicación, utilizándose habitualmente en juegos infantiles y ornamentos de paseos públicos (barandas, pasarelas, canteros, etc.), uso en viviendas de tipo cabañas de troncos o productos con un fuerte contenido significativo ligado a la naturaleza y la rusticidad. 10.8.3.2. ASERRADAS Es el procedimiento por el cual se transforma la geometría tronco cónica irregular de un tronco en volúmenes prismáticos, a través de la acción mecánica de una sierra en el sentido longitudinal. El aserrado constituye el destino industrial más importante de la madera, ya sea en relación al consumo, como a la generación de ocupación de mano de obra. El aserrado se realiza para la obtención de tablas y tirantes largos (más de 3m. de longitud) o para piezas cortas para cajonería, pallets, embalajes, etc. Las escuadrías de la madera (ancho y alto de la pieza: sección) se designan y comercializan con la unidad de medida inglesa pulgada (1´= 2,5cm.), y su valor final Tecnología I – U10 - Maderas - 15

lo determina el largo de la pieza en metros. Algunas de las escuadrías más utilizadas (ancho x alto): 1x1´, 1x2´, 1x3´, 2x4´, 2x6´. Existe otra unidad de medida y comercialización de la madera, usada entre productores y aserraderos, el pie cuadrado o pie maderero, que paradójicamente refiere a una unidad de volumen. Su valor es el que corresponde a una pieza cuadrada de 1 pie de lado y 1 pulgada de espesor (1pie x 1pie x 1pulgada) ó 30,48cm. x 30,48cm. x 2,54cm. El primer producto, sin otro proceso más que el corte en escuadrías, se lo denomina en bruto, ya que sus caras conservan aún las marcas que le ha dejado la sierra al cortarlo. Este producto se mejora a partir de operaciones de cepillado, devastando las caras, hasta quitar las marcas del corte de sierra, dejándolas lisas y agradables a la vista. Como este proceso quita material a la pieza, una escuadría de 2x4´(5x10cm.), una vez cepillada tendrá aprox. 4,5x9,5cm. Las escuadrías y largos existentes en mercado tienen que ver con cada especie. Pero cada vez es más difícil y más costoso, conseguir grandes escuadrías y largos, en una sola pieza de madera (escuadrías mayores a las de 3x10´ y largos mayores a 6m.) En la siguiente tabla se indican los términos vinculados a las características de maderas aserradas según Norma IRAM 9502. caras cantos escuadría ancho espesor longitud costanera cuartón poste durmiente listón tabla

tablón

tirante

Las superficies mayores paralelas entre sí y paralelas a su vez con el eje longitudinal de las piezas. Son las superficies menores y normales a las caras. Es la sección transversal de una pieza aserrada, definida por las dimensiones de sus lados. Es la dimensión mayor de la escuadría. Es la dimensión menor de la escuadría. Es la dimensión mayor en la dirección perpendicular a la escuadría. Es la pieza que se obtiene del primer corte longitudinal del rollizo. Es la pieza de madera que se obtiene aserrando un rollizo longitudinalmente según 2 diámetros perpendiculares, obteniéndose secciones radiales en cada una de las superficies. Es la pieza de madera labrada de sección aproximadamente circular. Es la pieza de madera labrada o aserrada de sección rectangular con las caras anchas y planas y las dimensiones adecuadas al uso. Es una pieza de forma prismática, rectangular, que tiene generalmente de 12,7mm. a 25,4mm. de espesor y de 38,1mm. hasta 76,2mm. de ancho. Es la pieza de madera de cara plana, cuyas caras son paralelas entre si, y que tiene entre 18mm. hasta 37mm. de espesor por 150/250mm. y mayor ancho y cuya longitud es generalmente mayor de 1,80 m. Es la pieza de madera de cara plana, cuyas caras son paralelas entre si, y que tiene entre 38mm. hasta 74/75mm. de espesor por 150mm. y mayor ancho y cuya longitud es generalmente mayor de 1,8m. Es la pieza de sección cuadrada que tiene 75mm. hasta Tecnología I – U10 - Maderas - 16

tirantillo varilla viga

vigueta

126mm. de espesor y 75mm. hasta 249mm. de ancho. Es similar pero de dimensiones menores (38mm. a 4mm. y de 38mm hasta 149mm de ancho). Es la pieza de sección cuadrada o rectangular de menor escuadría que el listón. Es la pieza de madera proveniente de un rollizo, labrada con hacha o aserrada, en forma cuadrada o rectangular de escuadría mínima de 200x200mm. y cuya longitud es mayor de 3m. Es la pieza de madera de sección cuadrada o rectangular que tiene aproximadamente de 27mm. Hasta 19,9mm. de espesor por 127mm. de ancho y cuya longitud es generalmente de 3m.

Figura 12. Tabla Características de maderas aserradas según Norma IRAM 9502.

10.8.3.3. CHAPAS Las chapas son láminas de madera muy delgadas que se cortan, ya sea con fines estructurales o decorativos a partir de un rollizo. Son usadas ya sea para revestir o “chapear” tableros, para generar tableros planos, para construir superficies espaciales a partir del laminado, o en determinados objetos pueden usarse directamente aprovechando su capacidad de curvarse sin esfuerzo. Su mayor aplicación es en productos chapeados, a partir del uso de tableros manufacturados y modernos adhesivos, que en determinadas aplicaciones resultan de calidad superior a los de madera maciza. De este modo, con la desaparición progresiva de los recursos naturales de madera fina, las chapas permiten utilizar la madera de un modo sustentable. La transformación en chapa se consigue sujetando el tronco en un carril para conseguir hojas finas. Puede ser a partir del tronzado en cuartones, o con un rollo en rotación. En cuartones se consigue una chapa con más variedad de veta que con cortes paralelos o escuadrados. También se pueden conseguir chapas a partir de cuartones cortados en paralelo. A veces, al cortar en hojas tan finas se pueden formar grietas en el reverso de la chapa, denominadas grietas de corte. El corte rotatorio de chapa se emplea para chapa de construcción y algunas chapas decorativas. El rollizo, una vez eliminada la corteza y ablandado al vapor, se dispone sobre una máquina que al girar se va cortando una hoja continua del rollo. La cuchilla va restando radio para que la chapa tenga un grosor uniforme. Para hacer chapa decorativa se puede cambiar la posición del rollo para resaltar veteados y dibujos distintos El corte puede ser descentrado o desde atrás, los cuales producen veteados parecidos al corte en paralelo. El corte desde atrás se emplea para sacar el máximo partido de las chapas de veteados especiales o imbricados La hoja de la cortadora se puede ajustar para que seccione grosores de chapa de entre 1 y 2mm. aproximadamente. El tamaño de la chapa de madera viene determinado por la anchura del rollizo y por el punto en que esa anchura total se corta en láminas más pequeñas. Un rollizo estándar de unos 300mm. de diámetro puede producir hasta 15 m. de chapa de madera.


aserrada cepillado cepillado al cuarto cepillado tangencial

desenrollado desenrollado excéntrico desenrollado semicircular desenrollado posterior

Figura 13. Modo de obtención de chapas.

10.8.3.4. MADERAS RECONSTITUIDAS Se entiende por maderas reconstituidas a todo producto elaborado con derivados de la madera. El grupo más importante lo forman los tableros a base de madera que pueden ser de madera maciza, chapas, cintas, partículas, fibras, cortezas o a partir de otras materias primas lignocelulósicas en forma de tallos, partículas o fibras. La fabricación y el uso generalizado de tableros, ha desplazado el uso de la madera aserrada en muchas de sus aplicaciones, debido a la disminución en los costos y una amplia disponibilidad de tamaños. Actualmente, en el mercado existen varias clases de tableros artificiales. Los paneles pueden conservar o no la estructura y características fundamentales de la madera empleada en su fabricación. Un tablero manufacturado puede usarse directamente, o como fondo o base para chapa de madera. 10.8.3.4.1. Tableros Contrachapados, Multilaminados o Compensados: Los tableros contrachapados, conocidos internacionalmente como plywood, están hechos de chapa estructural laminada y pegada con cola o resina sintética, con las fibras alternadamente a lo largo y ancho del tablero. El número de capas suele ser impar, para que las dos capas exteriores tengan las fibras en la misma dirección. Los tableros de contrachapa son de grosor variable: desde hojas flexibles de 3mm. hasta robustos tableros de 3cm. Los tableros de contrachapa tienen un número variable de capas. El más fino, el triplex o terciado tiene tres capas: las exteriores, de chapa, y un alma del mismo grosor. Cuando la capa central es más gruesa, el tablero se denomina «de alma robusta». Los tableros más gruesos, o multiplex, los forman más hojas laminadas, siempre en número impar, y de los grosores estándar. El buen resultado de los contrachapados Tecnología I – U10 - Maderas - 18

depende de la calidad de las láminas y del adhesivo utilizado en su manufactura. Los contrachapados de calidad destinados a interiores suelen ir unidos con cola de ureaformaldehído. Son adecuados para cualquier trabajo de interior, pero hay que considerar otras clases si se trata de cocinas o baños. Los buenos tableros contrachapados de exterior, resistentes a la intemperie y al agua hirviendo, están encolados con cola fenólica, altamente resistente a la intemperie, el calor húmedo y seco, los insectos y los hongos. Para los contrachapados sumergidos se usan láminas seleccionadas especialmente libres de defectos. Para usos especiales se puede usar cola de resorcinol. Algunas de las medidas y espesores presentes en mercado son: placas de 1,22x2,44m., espesor: 5,2 - 10 - 12 - 15 - 18 - 21 - 24 mm. 10.8.3.4.2. Tablero de virutas orientadas, Oriented Strand borrad, OSB. Los tableros de virutas orientadas son fabricados en base a hebras de madera rectangulares de 80 a 150mm. de largo y 0,4 a 0,6mm. de espesor cortados tangencialmente de la madera o desperdicios de esas medidas. Estas astillas son secadas y mezcladas con adhesivos de manera que las fibras quedan orientadas en todas las direcciones formando aglomerados. Luego se disponen en tres capas orientadas perpendicularmente entre sí, prensadas a alta temperatura y presión, cortadas, selladas en los cantos y embaladas. El uso de resinas fenol formaldehído (resistentes al agua) les confiere elevadas características de resistencia física y mecánica. Algunas de las medidas y espesores presentes en mercado son: placas de 1,22x2,44 m., espesores: 9, 12, 15, 18, y 25 mm. 10.8.3.4.3. Tableros de partículas o aglomerados. Los tableros de partículas, también llamados conglomerados, están hechos de pequeñas piezas de madera encoladas y presionadas. Son estables, pero la humedad les puede afectar si no se ha utilizado una cola resistente al agua. Hay tableros hechos con partículas de tamaño más o menos uniforme, pero lo habitual es encontrar tableros formados por capas externas de gran densidad de partículas, que envuelven un alma más basta, como en los tableros de partículas de densidad graduada. También se pueden encontrar tableros de conglomerado chapados de madera o con láminas de plástico. Es usual encontrar espesores de 10, 12, 15, 18 y 25mm. de 1,83m. x 2,75m. 10.8.3.4.4. Tableros de fibras. Los tableros de fibra son aquellos formados a base de madera desfibrada u otros materiales lignocelulósicos fibrosos, sometidos a alta presión y temperatura aglomerados con sus propias substancias aglutinantes u otras adicionadas durante el proceso de elaboración. Las fibras se adhieren por entrecruzamiento de las mismas conformando una especie de fieltro. Luego son secadas, eventualmente comprimidas, y finalmente endurecidas con calor. Suele agregarse también sustancias que aumentan su resistencia al fuego, a la humedad o ataque de hongos e insectos. En Argentina se utiliza en un alto porcentaje el eucalipto además de las coníferas como materia prima para la fabricación de estos tableros. Tecnología I – U10 - Maderas - 19

Se clasifican en base a sus densidades y método de fabricación, dividiéndose en prensados y no prensados. 10.8.3.4.4.1. Tableros de fibras de alta densidad o duros, hardboard. Los tableros de fibra duros se emplean como revestimiento en distintas variantes y son conocidos internacionalmente con el nombre de “hardboard”. Son elaborados con fibras de madera aglutinados con su propia resina. Se usan en cielorrasos, puertas y revestimientos interiores, y tabiques. La única fábrica que los produce en el país, es Fiplasto, que posee la marca “Chapadur”. Emplea exclusivamente madera de eucalipto. Tienen una densidad que oscila entre 800 y 1.200kg/m3. Las dimensiones habituales del Chapadur, son: 1,22x3,05m. y espesor de 3,2 - 4,8mm., pero se entrega también en anchos especiales de 0,70, 0,75, 0,80 y 0,90m. Fiplasto también produce “Corlok” formado por un tablero duro de fibras de madera (Chapadur) que ha recibido mediante un proceso industrial un acabado en superficie con pinturas, que por horneado, le confiere una terminación decorativa y resistente. Es producido en una amplia gama de colores lisos, imitación madera y texturados. 10.8.3.4.4.2. Tableros media densidad, Médium Density Fiberboard, MDF. Los tableros de fibra de media densidad se elaboran con fibras de madera aglutinadas con adhesivos de urea-formaldehído, prensadas en condiciones de presión y temperatura controladas. Obteniéndose planchas, de medidas fijas estandarizadas, con características mecánicas y físicas uniformes y bien definidas. Estas placas MDF, a diferencia del Aglomerado, pueden ser mecanizadas obteniendo excelentes terminación y tienen una superficie de textura lisa ideal para acanalar o pintar. Se ha convertido en un material estándar en la fabricación de muebles. Su densidad varía de 720 a 800kg/m3 y según la marca se presenta de 1,83x2,60m. o 1,83x3,66m. y varios espesores que van de 3 a 30mm. 10.8.3.4.4.3. Tableros alistonados. Los tableros alistonados también conocidos como placa carpintera, son tableros formados a base de tablas, tablillas o listones angostos, dispuestas una junto a otra conformando un panel recubierto con chapas por ambas caras. El problema de estos tableros es que los listones pueden transparentarse a través de la chapa exterior; sobre todo si solamente hay una chapa en cada cara. Otra opción son los tableros sólidos hechos de tiras de madera, unidos con cola por los cantos para obtener un tablero de dimensiones mayores. En el sector muebles resultan una buena alternativa entre la madera maciza y el resto de tableros por tratarse de tableros estables. En la siguiente tabla se presenta una comparativa entre las características de la madera natural y los tableros manufacturados.


ventajas

- agradable textura tridimensional - mejor terminación superficial - mayor resistencia - mayor libertad formal

desventajas

material natural

- dimensiones limitadas del material de partida - falta de estabilidad dimensional - fácil combustibilidad - fácil destrucción por putrefacción, enmohecimiento, carcoma

tableros manufacturados - variedad de medidas disponibles - mayor estabilidad dimensional - isotropía - homogeneidad - aprovechamiento de desperdicios: mejor costo. - evita alabeados - no son tan fuertes (a excepción del contrachapado) - resulta más complejo darle formas curvas - especificidad en el ensamblaje - los cantos deben revestirse - no se puede moldurar

Figura 14. Tabla comparativa material natural y tableros manufacturados.

10.9. PROCESAMIENTO DE MADERAS Para abordar las distintas métodos de obtener formas terminadas a partir de la madera y sus derivados desde el Diseño Industrial, se agrupan según su naturaleza aditiva, sustractiva o de conformación.

técnicas aditivas - técnicas sustractivas - técnicas de conformación Figura 15. Esquema de transformaciones morfológicas en el procesamiento de maderas.


10.9.1. TÉCNICAS ADITIVAS La necesidad de hacer trabajar la madera en el sentido axial, las limitaciones en las dimensiones del material de partida y el requerimiento de una apariencia determinada, requiere la realización de uniones entre piezas. La carpintería como un oficio de larga historia y tradición dispone de un amplio repertorio de soluciones arquetípicas para resolver los vínculos de las partes constituyentes de un producto. Una primera decisión de diseño se vincula al protagonismo del vínculo, y su evidencia u ocultamiento. Otra forma de clasificar la solución constructiva de articulación de partes, se da a partir de considerar si las piezas se vinculan con o sin la adición de otros elementos específicos que resuelvan la unión. En este sentido, el vínculo puede resolverse a partir de los elementos de madera a unir, con el agregado de elementos extras generalmente estándar y metálicos, y/o mediante pegamentos. En cualquiera de los casos, los vínculos deben resistir las fuerzas que por su unión son transmitidas. 10.9.1.1. UNIONES MADERA - MADERA Las uniones tradicionales en la carpintería de armar que involucran el vínculo por contacto de piezas de madera entre si, se clasifican en: empalmes: uniones a tope de piezas que se disponen una a continuación de otra. acoplamientos: uniones de piezas superpuestas. ensanchamientos: uniones de tablas y tablones de canto con el fin de obtener mayores superficies de madera. ensambles: uniones donde dos o más piezas inciden bajo cualquier ángulo.

empalmes

acoplamientos

ensanchamientos

ensambles

Figura 15. Tipos de uniones madera – madera

Los ensambles resultan la forma más habitual de articular piezas en productos de madera. Se dividen en: - cruces: después de la unión hay dos elementos que continúan (en X). - esquinas: no hay ningún elemento que continúe después de la unión (en L). - encuentros: después de la unión hay un elemento que continúa (en T). Desde la tipología de articulación existen diferentes tipos de encastre de piezas: media madera: a partir de la sustracción de la mitad de la sección en cada pieza, una vez superpuestas, las dos piezas quedan al mismo nivel logrando una continuidad visual. usado en ensambles en cruz, esquina y encuentro, empalmes y ensanchamientos, para piezas de igual espesor. los mas sencillos de realizar, sin embargo requiere tareas de medición, trazado, corte y cepillado. Tecnología I – U10 - Maderas - 22

variantes:

media madera en cola de milano: la parte superpuesta tiene forma de cola de milano o pico de pato, permiten reforzar el ensamble. caja y espiga: habitualmente en ensambles de encuentros. se mecaniza una espiga en el extremo de una de las piezas que se introduce en una sustracción (caja) realizada en la otra pieza. variantes: ciega, doble espiga, con refuerzo, con chavetas de madera que permiten generar ensambles desmontables. cola de milano: habitualmente en ensambles de esquinas. variantes: con una cara cubierta, con las dos caras cubiertas o cola de milano perdida o de inglete. 10.9.1.2. UNIONES A PARTIR DE ELEMENTOS DE SUJECIÓN. El ensamble mecánico implica el uso de diferentes métodos de sujeción para sostener juntas en forma mecánica dos (o más) partes. Los métodos de sujeción mecánica se dividen en dos clases principales: 1) los que permiten un desensamble y 2) los que crean una unión permanente. Los sujetadores roscados como tomillos, pernos y tuercas son ejemplos de la primera clase y los remaches ilustran la segunda. Por lo general, el ensamble mecánico lo realizan con relativa facilidad trabajadores no calificados usando un mínimo de herramientas especiales y en un tiempo relativamente breve. La tecnología es simple y los resultados se inspeccionan con facilidad. Los productos que son demasiado grandes y pesados para transportarse completamente armados, pueden enviarse en subensambles más pequeños y después armarlo (en destino o directamente a cargo de cliente: modelo do it yourself de IKEA). 10.9.1.2.2. CLAVOS O PUNTAS DE PARIS. Los clavos son piezas cilíndricas de alambre de hierro afilado utilizados para sujetar dos o más objetos. Requiere de martillo para su colocación aunque también existen herramientas automáticas operadas en combinación a un compresor de aire. Si bien son económicos, versátiles y fáciles de usar no generan uniones resistentes y al desmontarse, estropean la madera. Por ello raramente se usan en ebanistería, exceptuando la fabricación de moldes y plantillas. Las puntas para tableros, en cambio, se usan con bastante frecuencia. La cabeza de las puntas queda por debajo de la superficie de la madera y se rellena el agujero. Los clavos están clasificados de acuerdo a su uso, el diámetro, acabado, y longitud. Se encuentran en el mercado diversas opciones diferenciadas por el tipo de cabeza: clavo de cabeza plana, se usan para ensamble de madera con piezas de poco espesor clavo de cabeza ovalada o clavo perdido, se usan especialmente en carpintería para que no se vea la cabeza del clavo. clavo de cabeza ancha, se emplean para fijar piezas de cubiertas y en trabajos de construcción.


tachuelas y clavos para tapicería, las tachuelas se emplean para fijar los cueros o telas a la madera; los clavos de cabeza dorada, redonda y hueca, se usan para disimular las tachuelas en los tapizados.

10.9.1.2.2. SUJETADORES ROSCADOS / TORNILLOS Los sujetadores roscados son componentes separados del equipo que tienen roscas externas o internas para el ensamble de partes. En casi todos los casos permiten el desensamble. Los sujetadores roscados son la categoría más importante del ensamble mecánico; los tipos más comunes de sujetadores roscados son los tornillos, los pernos y las tuercas. Los tornillos y los pernos son sujetadores con roscas externas. Hay una diferencia técnica entre un tomillo y un perno. Un tornillo es un sujetador con rosca externa que, por lo general, se ensambla en un orificio roscado ciego. Algunos tipos denominados tornillos autorroscantes, poseen geometrías que les permiten formar o cortar o cortar las roscas correspondientes en el orificio. Un perno es un sujetador con rosca externa que se inserta a través de orificios en las partes y se asegura con una tuerca en el lado opuesto. Una tuerca es un sujetador con rosca interna que coincide con la de perno del mismo diámetro, paso y forma de rosca. Pueden encontrarse tornillos específicos para madera, de cabeza plana, de cabeza de lenteja, de cabeza redonda, con caperuza, de doble rosca, para pasamanos, tirafondos cabeza cuadrada, tirafondos, Philips, etc. 10.9.1.2.3. REMACHES Los remaches son sujetadores que se utilizan ampliamente para obtener una unión permanente sujetada en forma mecánica. La aplicación de remaches es un método de sujeción que ofrece altas velocidades de producción, simplicidad, confiabilidad y bajo costo. Un remache es una punta con cabeza y sin rosca que se usa para unir dos (o más) partes, la punta pasa a través de orificios en las partes y después forma una segunda cabeza en la punta del lado opuesto (recalcado). La operación de deformación se ejecuta en caliente o en frío y utiliza el martilleo o presión regular. El remache, una vez deformado no puede removerse, a menos que una de las cabezas se rompa. Los remaches se especifican por su longitud, diámetro, cabeza y tipo. 10.9.1.3. ADHESIVOS El objetivo del adhesivo es llenar los vacíos entre los elementos de madera y de producir una unión por adherencia, de modo tal que actúen como una unidad. El empleo de adhesivos para unir piezas o elementos de madera es usado desde la antigüedad, un indicio de esto son los sarcófagos de los faraones egipcios que incluían chapas de madera encolada. La operación de aplicación de adhesivos, suele denominarse encolado independientemente del tipo de adhesivo que se coloque, del mismo modo que se utiliza la palabra colas para denominar a los adhesivos de la madera. A través de esta técnica se puede revestir tableros o piezas de madera con chapas de madera o recubrimientos plásticos decorativos, obtener tableros y generar productos a partir de la sumatoria de piezas de madera. Al principio los adhesivos se obtenían de productos naturales (pieles de animales, huesos, etc.). El paso siguiente fue la utilización de las colas de caseína, que Tecnología I – U10 - Maderas - 24

aparecieron en 1895 y que se empleaban en las estructuras encoladas de la primera Guerra Mundial, el paso definitivo se produce con la aparición de las colas de resinas sintéticas de resorcina y urea en 1930. 10.9.1.3.1. PROCESO DE APLICACIÓN DE ADHESIVOS Control y preparación de los adhesivos Antes de realizar la operación de encolado se debe conocer con total seguridad el adhesivo a utilizar y sus propiedades. Preparación - dosificación La preparación comprende todas las operaciones para dejar el adhesivo en condiciones de empleo (peso de los distintos elementos, mezcla, adición y batido, calentamiento o enfriamiento cuando sea necesario). En los adhesivos de varios componentes o que haya que incorporar endurecedores se realizará la mezclando con la dosis definida a la temperatura especificada en el momento de su utilización. Vida de trabajo Es el tiempo que pude transcurrir entre la preparación del adhesivo y su aplicación sobre las piezas a unir. Viscosidad La viscosidad indica la movilidad del adhesivo durante su aplicación y al mismo tiempo indica los límites para la aplicación del mismo. La viscosidad de la mezcla de adhesivo tiene una gran influencia en la penetración de la cola o del adhesivo en la madera y en su fraguado. Aplicación de la cola Se extenderá la cantidad de adhesivo especificada por unidad de superficie (m2). Como regla general se puede decir que, en idénticas condiciones, los mejores resultados de encolado se consiguen cuando la cola se extiende sobre ambas superficies, cuando la película de cola crea una pequeña depresión después de su aplicación, cuando sigue permaneciendo pegajosa, y cuando su densidad/dureza permite que se deforme fácilmente al aplicar presión. Tiempo para ejecutar la unión o de tiempo de reunión Tiempo transcurrido entre la aplicación del adhesivo y la puesta en presión de los elementos a encolar. Almacenamiento Las colas tienen unos márgenes de almacenamiento muy cortos que dependen de su formulación. Las condiciones ambientales del lugar de almacenamiento, y en particular la temperatura, son decisivas para la vida útil de cualquier tipo de cola. Algunos adhesivos se pueden almacenar sin problemas hasta un año, mientras que otos no superan los 6 meses. El parámetro de control que se utiliza durante el periodo de almacenamiento es la viscosidad, que puede influir en la aplicación y en la calidad del encolado. Extendido y puesta en presión La operación de extendido consiste en aplicar sobre una, o sobre las dos superficies a unir, la cantidad establecida de adhesivo. Se puede realizar a mano (carpintería de armar y trabajos de pequeña artesanía) o mediante encoladoras mecánicas (carpinterías industriales y fábricas de tableros). Dentro de las encoladoras mecánicas y en función del producto final, se pueden emplear las de rodillo, las de pistolas y las especiales para adhesivos espumosos, para partículas de madera, para fibras de madera, etc. La cantidad de adhesivo depositado se puede evaluar por el Tecnología I – U10 - Maderas - 25

consumo de adhesivo (en peso) por la superficie o volumen de madera encolada, generalmente se determina mediante diferencia de pesada. La puesta en presión y, según el caso, la aplicación de calor se puede realizar por varios procedimientos. Abarcan los que se realizan a mano mediante sargentos (carpintería de armar) o mediante prensas de pistón o bancos de presión (madera laminada encolada, perfiles laminados, tableros alistonados, ventanas de madera), prensas de platos fríos (rechapado y fabricación de puertas planas), prensas de platos calientes (rechapado, fabricación de puertas carpinteras, fabricación de tableros contrachapados y tableros laminados), prensas continuas (fabricación de tableros de partículas y de fibras), prensas de hormas o prensas de camisas (para piezas curvas). 10.9.1.3.2. TIPOS DE ADHESIVOS En función del material utilizado para realizar la unión se distinguen los siguientes tipos de adhesivos: - Adhesivos o colas inorgánicos (de silicato sódico) - Adhesivos orgánicos: - adhesivos naturales: - animales (pieles, huesos, pescado, albúmina, caseína) - vegetales (almidón, semilla de soja) - adhesivos sintéticos. - termoplásticos - termorígidos

10.9.2. TÉCNICAS SUSTRACTIVAS Las técnicas sustractivas en el procesamiento de maderas se vinculan a las técnicas de mecanizado en las cuales se extrae material en forma de virutas, astillas o aserrín. Todas las operaciones donde se quitan partículas de material, como cortar, rebajar, ranurar, cepillar, barrenar, moldurar, tornear, son comunes a los metales y las maderas. Sin embargo, se plantean diferentes parámetros vinculados a la reducida dureza y la estructura no homogénea de la madera, trabajando con ángulos de corte más agudos, mayor velocidad de corte y alimentación, y la preferencia a desarrollar operaciones como el cepillado, cortado y pulido en el sentido de la veta. Las maquinas y procesos para labrar maderas se dividen en dos grandes grupos, de acuerdo a su tipo y modo de operar, siendo estas de primera y segunda elaboración. 10.9.2.1. PROCESOS EN MAQUINARIA DE 1RA ELABORACIÓN Son aquellos procesos que permiten obtener piezas de madera labradas a escuadra con medidas terminadas de espesor (canto), ancho (cara) y un largo cuya longitud sea aproximada o su múltiplo, según el plano o el diseño del mueble. Durante esta etapa se obtiene la mayor cantidad de mermas o desperdicios.


Corte en sierra radial: Mediante esta operación mecanizada de trozado o despuntado la madera se asierra para obtener piezas más pequeñas, se da el corte transversal a la tabla según la longitud requerida o su múltiplo. Es importante eliminar en esta etapa las partes de la madera que presenten rajaduras y alabeos o deformaciones. Es muy probable que el defecto disminuya cuando las piezas son más cortas. La máquina utilizada para esta operación es la sierra radial con mesa de corte transversal, que facilita el manipuleo de tablas largas y el corte. El disco inclinable permite realizar cortes transversales en diferentes ángulos. Figura 16. Esquema sierra radial.

Corte en sierra circular: Mediante esta operación mecanizada de listoneado o canteado se obtiene el ancho requerido de la tabla. En este caso se requiere hacer el corte dando una tolerancia entre 5 y 10mm. a la medida real. En esta etapa se deberá tener cuidado de eliminar las piezas que todavía conservan rastros de corteza, albura, aristas faltantes y nudos. Los discos son de widia - carburo de tungsteno Figura 17. Esquema sierra circular.

Corte en garlopa o planeadora: Mediante esta operación mecanizada de garlopeado se trata de enderezar la tabla, eligiéndose la mejor sección de cara y canto para escuadrarla con un ángulo de 90°. Se busca que la superficie sea recta en la dirección longitudinal y transversal y que, diagonalmente no presente torsión (alabamiento), es decir, se endereza la tabla. La garlopa es una máquina que tiene herramientas de corte con 2 o 3 cuchillas longitudinales sujetas con pernos de anclaje en un tambor o árbol porta cuchillas. El árbol o tambor, se sitúa entre dos mesas o tableros horizontales, la primera de entrada o alimentación y la segunda en la mesa de salida. En la división de las mesas sobresalen las cuchillas que se calibran de acuerdo a la altura que se quiere desbastar. Es muy importante el balance del eje del tambor y el afilado de las cuchillas. Esta máquina cuenta con una regla de tope o guía longitudinal.


Corte en sierra escuadradora: Operación de mecanizado mediante la cual los listones son cortados en su medida terminada en cuanto a su longitud se refiere. También se le conoce como cabeceado final, escuadrado o corte exacto. A la sierra circular se le acopla la guía escuadradora de corte transversal perpendicular a la dirección del disco y a la guía o tope longitudinal, para graduar la medida exacta de corte de largo del listón. Es un dispositivo con movimiento de desplazamiento controlado por el operador. Corte en regruesadora o cepilladora: Mediante esta operación mecanizada de cortes periféricos denominado regruesado o cepillado se termina de calibrar la tabla para obtener superficies alisadas con las medidas finales en espesor y ancho. Se consigue una superficie plana paralela a la anteriormente trabajada con la garlopa con medidas exactas de ancho y espesor según listado de piezas. La máquina regruesadora o cepilladora consta de una mesa que se desplaza en sentido vertical hacia un árbol porta cuchillas, en función al espesor o al ancho de la pieza que se quiere cepillar. La altura se selecciona mecánicamente con una regla graduada en milímetros. El ancho máximo a regruesar está entre 200 y 235mm., dependiendo de la máquina. La regruesadora cuenta además con un mecanismo de arrastre y transporte de las tablas en el que se puede regular la velocidad de avance. Consta de un rodillo ranurado para el arrastre de la tabla y rodillos de presión en diferentes zonas, los que hacen avanzar la madera y la expulsan por la parte posterior. Una característica de esta máquina es que no acepta tablas menores de 30cm. por la distancia entre los rodillos de arrastre y los de extracción. Dependiendo del tipo de máquina se tienen dos tipos de rodillos de arrastre: los sólidos y los seccionados. Figura 18. Esquema cepilladora.

10.9.2.2. PROCESOS EN MAQUINARIA DE 2DA ELABORACIÓN Conjunto de operaciones mecanizadas mediante las cuales se transforma la madera de 1ra elaboración en medidas y cantidades específicas de piezas aptas para el armado del producto estable y estructurado. En esta fase se produce muy poca merma o desperdicios. Corte en sierra de cinta: Operación mecanizada que permite efectuar cortes rectos y en curva aprovechando la flexibilidad que le otorga la hoja sinfín, de lo contrario se tendrán recortes toscos y con gradas acentuadas. Figura 19. Esquema sierra de cinta o sin fin. Tecnología I – U10 - Maderas - 28

El ancho de la cinta está en función al espesor de la tabla a cortar y a la configuración del corte. Cuanto más curvado sea la dirección del corte, más angosta deberá ser la hoja. La sierra cinta, es la máquina más utilizada en los trabajos de despiece. En ella pueden hacerse cortes al hilo de cualquier longitud y cortes transversales en cualquier dirección. El recorrido de la sierra de carpintería está completamente protegido, sólo queda al descubierto la porción de la sierra necesaria para el corte. La sierra en todo su recorrido se desplaza sobre guías de metal que controlan la presión de la cinta y la velocidad de la misma. Moldurado: Proceso para ejecutar el perfil de una moldura, mediante la máquina fija tupí, ruteadora (manual). Los perfiles o molduras que se utilizan para realizar diferentes tipos de ensambles como: ranuras para los junquillos de puertas y ventanas, molduras, contra molduras, machihembrados, etc, a pequeña escala se realizan con un tupí o fresadora. La máquina tupí también puede usarse para limpiar las piezas después de trabajarlas en la sierra cinta, utilizando un perfil recto. La tupí, posee un cabezal de giro horizontal donde se sujetan dos cuchillas en el sentido del giro a una velocidad regulada entre 3000 y 10000 RPM. Al trabajar a elevadas revoluciones, la pieza debe estar firmemente sujeta a la mesa de trabajo. El recorrido de la cuchilla debe ser de acuerdo al sentido de las fibras sin elementos que puedan entorpecer el paso. Para rebajes mayores a 5mm., es recomendable hacerlos en varias pasadas, iniciando el recorrido nuevamente.

Figura 20. Esquema Tupí.

Taladrado: Proceso de perforar la madera mediante un taladro, puede ser manual o de banco. Tienen dos movimientos: el de rotación de la broca que le imprime el motor eléctrico de la máquina a través de una transmisión por poleas y engranajes, y el de avance de penetración de la broca, que puede realizarse de forma manual sensitiva o de forma automática, si incorpora transmisión para hacerlo. Tiene por objeto producir agujeros cilíndricos en una pieza cualquiera. La operación puede hacer con un taladro portátil, con una máquina taladradora, en un torno, en una fresadora, en un centro de mecanizado CNC o en una mandrinadora. Torneado: Proceso para labrar la madera con el torno. Existen dos formas de torneado: Por corte ortogonal 0° - 90° y por corte periférico. Esta máquina está formada básicamente por dos cabezales, uno fijo (que hará girar la pieza) y otro móvil, entre los que se coloca y fija la pieza de madera sobre la que se va a trabajar.

Figura 21. Esquema torno. Tecnología I – U10 - Maderas - 29

Las herramientas de corte, situadas en la bancada, se desplazan en línea recta produciendo los rebajes deseados. Escopleado: Operación que se realiza en una escopleadora mecánica, neumática, de cadena, etc., con el fin de labrar un agujero o caja (ciego o pasante: caja abierta) en forma alargada que sirve como elemento de unión entre dos o más piezas de madera denominada ensamble a caja y espiga. Es frecuente el uso del taladro para realizar los agujeros de sección circular así como el formón y gubias para el escoplo o caja. Sin embargo con esa práctica no siempre se consigue la exactitud y la dimensión requerida de las piezas. Por ello se recomienda el uso de una escopladora. Esta máquina trabaja con dos brocas de doble filo en forma alternada, cada una colocada sobre una mesa o tablero que se desplaza de forma automática y en movimiento coordinado con el funcionamiento de las brocas o fresas. Se trata de una máquina semiautomática porque la alimentación se hace de forma manual. Cuenta con un sistema de sujeción con prisioneros de metal para mantener fija la pieza, subir y bajar de manera automática. El labrado de la madera lo realiza una broca con movimiento oscilante y horizontal combinado con el movimiento del desplazamiento de las mesas. Se puede graduar la velocidad de avance de acuerdo al tamaño del escoplo, para escoplos más pequeños la velocidad es mayor. La velocidad también dependerá de tamaño de la pieza. La dimensión máxima que se puede trabajar es de 10 cm y en este caso la velocidad es más lenta, puede realizar hasta 750 escoplos/hora. Espigado: Operación que se realiza en una espigadora mecánica, neumática, sierra circular, etc., para labrar espigas de ensamblaje en el extremo de cada pieza de madera que servirá como elemento de unión entre dos o más piezas de madera denominada ensamble a caja y espiga. El espigado se hace generalmente utilizando la sierra circular. El uso de espigadoras mecánicas o espigadoras neumáticas permiten mayor precisión y exactitud en el trabajo. La máquina tiene dos mesas de trabajo independientes, que se ubican en diferentes altura e inclinación. Cada mesa se fija en su posición, no se deslizan sobre un carro ya que el porta-cuchillas tiene movimiento alterno, desplazándose de una mesa hacia otra para el tallado de la espiga. Puede realizar hasta 500 espigas/hora. Las medidas de la espiga, se calibran en espesor y ancho variable según el diseño de la pieza, guardando relación con las medidas del escoplo o caja. De esa manera se asegura un ensamble exacto o perfecto, considerando un espacio mínimo para el encolado. La espiga debe tener de 1 a 2 mm. menos en el ancho y largo de la media de la caja y de 0,1 a 0,2 mm en el espesor. Se debe utilizar el calibrador para medir el interior, exterior y profundidad de la espiga en décimas o centésimas de milímetros. Lijado: Conjunto de operaciones manuales y mecanizadas de corte ortogonal paralelo al grano con un ángulo de corte negativo, cuyo propósito es eliminar las rugosidades o imperfecciones de las superficies para facilitar la operación de abrir el poro y dejarla lista para recibir materiales de recubrimiento en el acabado. Antes de realizar el ensamble o armado definitivo del producto, se ejecuta el lijado para eliminar fibras levantadas, rayados, rugosidades o huellas del maquinado en las superficies. Tecnología I – U10 - Maderas - 30

El lijado es la operación que va a definir el aspecto estético del objeto de madera, permite presentar una superficie plana y uniforme. Condiciona la apariencia y calidad final del acabado y del mueble. De acuerdo a las propiedades de la madera, se elegirá el tipo de lija para realizar el primer lijado de las piezas de la superficie para el acabado. Para el lijado se puede usar lijadoras de banda o lijadoras orbitales. La calidad del lijado depende de la hoja de lija que se utilice y del método aplicado. Para el trabajo con la madera se recomiendan las de óxido de aluminio. a) Lijadoras de banda Son maquinas de alto rendimiento, indispensables para la producción en serie. Con su uso correcto se obtiene una terminación perfecta, se utilizan especialmente para piezas planas. Pueden ser portátiles o estacionarias. Tienen una cinta o banda continua de papel o tela que corre entre dos poleas o tambores, en un desplazamiento rectilíneo para el lijado de madera en el sentido de la fibra. El desplazamiento de la banda puede ser regulado de acuerdo a la velocidad requerida por el tipo de madera (densidad y porosidad) y grano de la lija utilizada, desde lijas 36 hasta 240. Algunas lijadoras de banda están equipadas con un sistema de aspiración integrado con una bolsa para el almacenado del polvillo de madera. Figura 22. Esquema lijadora.

b) Lijadoras orbitales Son maquinas manuales que describen un movimiento orbital o elíptico que varia de acuerdo a los modelos y define la calidad del lijado, cuanto menor es la orbita mejor es la calidad del lijado. El movimiento orbital puede variar entre 12000 a 20000 oscilaciones por minuto, lo que permite preparar una superficie perfectamente pulida. Algunas lijadoras orbitales permiten adaptar la velocidad de vibración de acuerdo al tipo de madera pueden disponer de un sistema de aspiración del polvillo o puede ser acumulado en una bolsa. Utilizan hojas de lija en un rango entre 60 a 400. Corte por control numerico. CNC. El control numérico (CN) es un sistema de automatización de máquinas herramienta que son operadas mediante comandos programados en un medio de almacenamiento, en comparación con el mando manual mediante volantes o palancas. El abaratamiento y miniaturización de los microprocesadores ha generalizado la electrónica digital en las máquinas herramienta, lo que dio lugar a la denominación control numérico por computadora o control numérico por computador (CNC), para diferenciarlas de las máquinas que no tenían computadora. En la actualidad se usa el término control numérico para referirse a este tipo de sistemas, con o sin computadora. Las instrucciones para el control de la máquina son proporcionados por un módulo de CAD, donde el software se utiliza para controlar el movimiento de una máquina, por ejemplo, un panel de sierra o un router. De este modo, se pueden modelar los diseños directamente desde archivos CAD. Sin embargo, en general, se adapta mejor a la producción de unidades por encargo o modelos que a la fabricación en serie, debido a los costos y el tiempo de producción Tecnología I – U10 - Maderas - 31

10.9.3. TÉCNICAS DE CONFORMADO Se considera que opera una conformación o transformación formal en aquellas técnicas de procesamiento de maderas que permiten el curvado, ya sea de simple o doble curvatura a partir de chapas, tableros o madera maciza. Se pueden identificar tres técnicas de curvado de madera: 1. por entalladuras, 2. al vapor, 3. por laminado. 10.9.3.1. CURVADO MEDIANTE ENTALLADURAS. Consiste básicamente en hacer una serie de entalladuras, cortes o calados en el interior de la tabla a curvar. Estos cortes se realizan en la cara no visible de forma manual o mecánica y suelen realizarse dejando un grosor de 2 y 6mm. Cuanto menor sea la separación entre las entalladuras mayor será el grado de curvatura alcanzable. La cara externa suele quedar facetada y es necesario lijarla. Es posible hacer curvados con superficies lisas de los dos lados contraplacando las caras traseras de dos tablones entallados. Si se requiere de un tolerancia estrecha se coloca sobre molde o plantilla, forzando a la tabla a adoptar un radio determinado mediante gatos o sargentos, y luego se agrega cola blanca en los calados de modo que se pegue entre si las caras internas del entalle, esperando a que se seque. Permite trabajarse en alta o baja escala productiva.

Figura 23. Esquemas de curvado por entalladuras.

10.9.3.2. CURVADO AL VAPOR. En este caso se requiere de una estufa de vapor que básicamente consiste en un recipiente donde se coloca la pieza a curvar conectado a un generador de vapor mediante un tubo flexible. El generador de vapor es un recipiente metálico que contiene agua y al calentarlo por encima de 100 grados comienza a evaporarse. Por el otro lado de este recipiente, y en su parte más baja, se debe hacer un agujero por donde saldrá agua procedente de la condensación. A modo de orientación, el tiempo de vaporización de la madera es de una hora por cada 25mm. de grosor. La madera así tratada se vuelve muy flexible en caliente y al enfriarse vuelve a quedarse rígida, por lo que se debe actuar con rapidez colocándola en moldes o flejes de curvado construidos a tal efecto. Luego de ajustarla al molde, debe dejarse secar de un día a una semana. Permite trabajarse en alta o baja escala productiva. Tecnología I – U10 - Maderas - 32

En este caso se usa madera maciza, libre de nudos y grietas, de veta recta, preferentemente en verde, y si está muy seca es conveniente sumergirla en agua antes de vaporizar. Las maderas más recomendadas son fresno, haya, abedul, olmo, nogal, roble, tejo.

Figura 24. Esquemas de curvado al vapor.

10.9.3.3. CURVADO POR LAMINADO. La madera cortada en tiras o chapas delgadas es flexible y se puede curvar en seco. Se colocan estas tiras en un molde y se encolan unas a otras para formar un cuerpo sólido. A diferencia del contrachapado en el que la dirección de la fibra alterna en cada chapa, para el curvado por laminado la fibra de cada sigue la misma dirección, que debe ser perpendicular al radio de curvatura. Admite curvas mas cerradas que la madera vaporizada de dimensiones semejantes. Se puede usar sistema de prensado en frío o caliente. En el caso de curvas cerradas o laminados excesivamente gruesos, puede humedecerse la madera antes de encolarla. Puede confeccionarse un único molde (macho) o moldes de dos partes (macho y hembra). Se recomienda usar colas ureicas de formaldehído ya que seca despacio y es menso susceptible a deslizarse. Las piezas terminadas tienen una mayor estabilidad dimensional que la madera maciza. Desde el punto de vista formal pueden obtenerse superficies curvas en general de simple curvatura, de un material liviano y resistente. Permite trabajarse en alta o baja escala productiva. Aunque todas las maderas se pueden curvar por este método, las más recomendables por su flexibilidad son las siguientes: fresno, haya, abedul, olmo, nogal y roble. Conviene seleccionar madera de fibra recta sin nudos ni grietas, secada al aire, sin embargo en la cara externa se puede usar una chapa de fibra más decorativa.

Figura 25. Esquemas de curvado por laminado. Tecnología I – U10 - Maderas - 33

10.10. FUENTES Fuentes bibliográficas: Becerra, P. (2004) “Aplicaciones de color en Diseño Industrial”, en Actas Argencolor 2002, Buenos Aires: GAC. Becerra, P. (2006) “Estrategias cromáticas: decisiones en torno a la coloración artificial de materiales naturales en el proceso de diseño de productos”, en Actas ArgenColor 2004, Buenos Aires: GAC. Di Nardo, C. (1997) Curso Básico de Carpintería, Barcelona: De Vecchi. Jackson, A. y Day, D. (1998) Manual Completo de la Madera, la Carpintería y la Ebanistería, Madrid: Del Prado. Lefteri, C. (2008) Así Se Hace, Técnicas de Fabricación para Diseño de Producto, Barcelona: Blume. Nutsch W. (1995) Tecnología de la Madera y el Mueble, Barcelona: Reverté. Simpson, C (2005) Guía Esencial de Carpintería, Madrid: Edimat. Smith, W. (2001) Fundamentos de la ciencia e ingeniería de materiales, Mexico DF: McGraw-Hill Vignote Peña, S. (2006) Tecnología de la madera, Madrid: Mundi-Prensa libros. Paginas webs: http://www.maderasenargentina.com.ar/ http://www.inti.gov.ar/maderaymuebles/ http://www.woodbin.com/ http://infomadera.net http://www.maderamen.com.ar/ http://www.asora.org.ar/ http://www.afoa.org.ar/index2.php?IDM=3


UNIDAD 7 - ADHESIVOS 7.1.- Introducción, 7.2.- Tratamiento superficial previo, 7.3.- Procedimiento de encolado, 7.4.- Tipos de adhesivos, 7.5.- Comportamiento mecánico de las uniones. 7.1.- ADHESIVOS Un adhesivo se puede definir como un material que se aplica sobre superficies a unir, resistiendo separación. Se los denomina de diversas formas (cemento, cola, etc.), a veces respondiendo a su estado (adhesivos líquidos, adhesivos viscosos, films adhesivos, etc.), a su forma química (adhesivos epoxi, adhesivos cianoacrilatos, colas vinílicas, etc.), a los tipos de materiales a unir (adhesivos metal-metal, adhesivos para madera, adhesivos para papel, etc.), así como de otras maneras. Los materiales a ser unidos comúnmente son denominados sustratos o superficies adherentes. El objetivo de una unión adhesiva de tipo estructural, deberá ser que las resistencias que se obtengan de ella, al menos sean iguales que la de los materiales a adherir; en caso de adherir materiales disímiles, al menos deberá ser del orden del de menores propiedades. Una unión de superficies bajo técnicas de adhesión es considerada como una técnica de unión rápida. Y si bien hay un uso doméstico intensivo de algunos adhesivos (Plasticola, la 'Gotita', Voligoma, Poxirán, Poxipol, Cola de carpintero, Cinta Scotch, etc.), lógicamente hay una amplia gama de adhesivos poco conocidos pero con notables características. Las ventajas de los adhesivos son: → La habilidad de unir materiales disímiles, tanto metálicos como no metálicos. → La habilidad de unir materiales de muy finos espesores y de reducido tamaño. → Apropiada distribución de los esfuerzos en la unión, evitando defectos por fatiga en la unión. → Efectiva relación funcionalidad \ costo; además, se incrementa la automatización. → Flexibilidad en el diseño (simple técnica de la preparación superficial previa, así como la aplicación del adhesivo) presentando una amplia variedad de opciones. → Ausencia de modificación superficial de las partes adheridas luego de la operación (con excepciones), presentando acabado superficial original ≠ soldadura de punto. → Mejor comportamiento frente a la corrosión de la unión. Las desventajas son las siguientes: → Bajas propiedades mecánicas ⇒ correcta elección de la técnica. → En altas solicitaciones o medios hostiles, necesidad de preparación superficial. → Limitación a altas temperaturas. → Tiempo de fraguado, en algunos casos, necesidad de temperatura. Un aspecto fundamental es la generación de las fuerzas intrínsecas propias de la unión; la magnitud y naturaleza de dichas fuerzas son las que en definitiva darán la respuesta mecánica frente a las solicitaciones a las que sean sometidas.

Tecnología I - U7 - Adhesivos - 1

La garantía de resistencia de una unión se produce mediante adhesión y cohesión. Tal como se observa en la figura 1, la adhesión es fundamental entre el adhesivo y superficies a adherir, mientras que la cohesión es propia del adhesivo. Por lo tanto y tal como se observa en la figura 2, hay tres modos de rotura en una unión por adhesión: por baja adhesividad, por baja cohesividad y en la zona cercana a la unión, que naturalmente es la rotura deseada ya que indica que el comportamiento mecánico de la unión fue superior al menos del mas débil de los partes a unir. Figura 1. Adhesividad y cohesividad en una unión por adhesión.

Figura 2. Modos de rotura. En la adhesión debe distinguirse entre adhesión específica y la adhesión mecánica. Las fuerzas propias de el adhesivo entre si (del tipo de uniones covalentes) se refieren a la adhesión específica, mientras que la adhesividad entre superficie (lisa o porosa), según el caso, se refiere a la adhesión mecánica. Consideraciones de diseño • Que tipo de materiales se van a unir?. Cual es la porosidad, la dureza y el estado superficial?. Al ser materiales disímiles, tienen ≠ coeficientes de dilatación térmica?. • Que tipo de junta se va a unir, cual es el área de la junta y cuales serán las solicitaciones mecánicas?. Vibraciones (mecánicas, acústicas), impactos?. • Temperatura de curado del adhesivo?. Máxima y mínima temperatura de servicio, velocidades de cambio de temperatura, frecuencia de cambio de temperatura?. • La unión estará expuesta a solventes, humedad y/o agua, naftas, aceites, luz, radiación UV, soluciones ácidas?. • Cual es el nivel deseado de flexibilidad?. Cuanta tenacidad es requerida?. • Cual será la vida útil de la unión?. Cuanto de este tiempo estará solicitada?. • La unión debe ser estéticamente presentable?.


• Como será aplicado el adhesivo? Que tipo de herramental es necesario?. • Cual es el costo?. 7.2.- TRATAMIENTO SUPERFICIAL PREVIO Si bien es cierto que ciertos adhesivos y/o técnicas de adhesión no necesitan una preparación previa de las superficies a unir, es casi siempre necesario para mejorar las prestaciones de la unión propiamente dicha. Diferentes tratamientos se han desarrollado, la mayoría empíricos, tanto para la preparación de materiales metálicos y no metálicos. El propósito de esta preparación superficial se justifica por dos motivos: • Para remover, o prevenir una rápida formación, de cualquier formación superficial débil adherida a las superficies a unir. Obviamente, si se adhieren superficies que están débilmente adheridas a sus sustratos, entonces la unión fallará rápidamente. Los ejemplos típicos son superficies pintadas con mala adhesión, presencia de óxidos metálicos generalizados, presencia de capas protectoras de aceites lubricantes o grasas, presencia de polvos, disolventes y/o agua. • Para maximizar el grado molecular íntimo entre el adhesivo y cada una de las superficies. Esto no descarta la posibilidad de necesitar determinadas superficies rugosas para aplicaciones especiales. Para preparar las superficies, generalmente se utilizan métodos de limpieza como disolventes orgánicos, medios de limpieza alcalinos, cubas ultrasónicas o baños desengrasantes. A su vez, las técnicas de preparación superficial se dividen en materiales de baja energía superficial (polímeros y elastómeros) y de alta energía superficial (metales y cerámicos). En el caso de los materiales de baja energía, es posible obtener aceptables y/o buenas uniones con pequeñas o nulas preparaciones previas; sin embargo, en el caso de los PTFE (Teflon según Du Pont), de los PE y de los PP, los mismos necesitan preparaciones previas en caso de ser unidos por adhesión. Esto se debe a que varios de estos materiales utilizan agentes de desmoldeo para facilitar la extracción de las pieza respecto del molde; esto genera una superficie que dificulta posteriores operaciones de adhesión. Para los PTFE, las técnicas pueden ser: una simple abrasión de la superficie (poco recomendable), un atacado químico de la superficie a unir, una combinación de abrasión mas ataque, o ataques electroquímicos. En el caso de PE y PP, las técnicas mas usuales son: limpieza con solventes (del tipo Tricloroetileno) en el caso de quererlos unir a Al mediante el uso de un adhesivo Epoxi, tratamientos frente a llama de gas (lógicamente con tiempos de exposición no mayores de 1") y tratamientos químicos en presencia de ácido crómico, o de vapores saturados en Br en atmósferas de N. En el caso de materiales de alta energía, siempre será necesaria una preparación superficial, sobre todo para la eliminación de protectores anticorrosivos (aceites, grasas, etc.) y de productos de corrosión (en caso de no contar con los protectores antes descritos). Es usual combinar diferentes tratamientos, con el fin de Tecnología I - U7 - Adhesivos - 3

obtener una mejor preparación. Las técnicas mas comunes son: mediante limpiezas con solventes, por abrasión mecánica (lijado manual para superficies pequeñas o arenados en caso de grandes superficies), por tratamientos químicos y electroquímicos. 7.3.- PROCEDIMIENTO DE ENCOLADO Para generar una buena unión es fundamental el uso de una técnica apropiada, la cual es independiente en la mayoría de las veces del tipo de adhesivo utilizado. Esta técnica se puede dividir en los siguientes pasos: 1.- Definición de las superficies a adherir: se debe corroborar que la unión a realizarse por adhesivos tenga una justificación tecnológica. 2.- Limpieza y tratado de las superficies a adherir 3.- Aplicación del adhesivo: en la aplicación se debe obtener una impregnación regular, con un espesor constante de la capa de adhesivo. En caso de bajas producciones se pueden aplicar manualmente (mediante pinceles y/o espátulas), pero en caso de grandes series se deberá contar con algún grado de automatización. 4.- Tiempo de espera hasta que el material tome características adhesivas: según sea el tipo de adhesivos (generalmente los de base solvente), a veces se debe contemplar un determinado tiempo para que el adhesivo adquiera un estado de solidificación intermedio. Esto es conveniente para evitar desplazamientos entre las piezas a unir, así como disminuir la contaminación superficial por la evaporación de solvente. 5.- Unión y fijación: normalmente, en caso de superficies pequeñas, es suficiente una presión manual o con rodillos. En caso de grandes piezas, se recurre a la asistencia de prensas, sargentos, etc. (figura 3 y 4); Se debe tener en cuenta que altas presiones influyen sobre el espesor de la capa adhesiva, modificando las propiedades de la unión. Generalmente, se puede realizar una alineación de las piezas a adherir. Figura 3. Ajuste con “sargentos”.

Figura 4. Ajuste con “sargentos” y prensas. Tecnología I - U7 - Adhesivos - 4

6.- Tiempo de espera para endurecimiento del adhesivo: una vez acabada la operación, es necesario esperar un tiempo antes de solicitar la unión. Este tiempo puede ser de hasta días. 7.4.- TIPOS DE ADHESIVOS Adhesivos estructurales Un adhesivo estructural es definido como un material para transferir cargas entre las superficies adheridas. Estos constituyen alrededor del 35% del mercado de los adhesivos y selladores. Las principales áreas de aplicación incluyen las industrias automotrices, la aeroespaciales, los de uso biomédico, en aplicaciones electrónicas y en construcciones de todo tipo. En la tabla I se aprecian diferentes propiedades de distintos adhesivos estructurales. La forma de adhesión mas común de estos es por reacción química. Los materiales mas usados son resinas Epoxis, PUR, PMMA modificados, Cianacrilatos y Anaeróbicos. Estos a su vez se dividen en dos grupos: sistemas de un componente y sistemas de dos componentes. Los sistemas de un componente pueden curar por presencia de humedad, por presencia de calor y por ausencia de O. En caso de curar por presencia de humedad, estos la pueden tomar de la atmósfera presente en la zona cercana de la unión o por adsorción de la humedad remanente de la superficie a unir, tal como ocurre en los cementos de contacto (figura 5). Entre estos adhesivos se encuentran los de base PUR, los Cianacrilatos y las Siliconas. A menudo, para facilitar la aplicación, se le suele agregar algún colorante para que la deposición sea bien controlada por el operario (figura 6). A su vez, los sistemas que curan por calor, usualmente constan de dos componentes que son premezclados; varias formulaciones son posibles para obtener adhesivos bajo esta forma. Un caso singular ocurren con los adhesivos estructurales de tipo anaeróbicos, ya que los mismos curan con la migración del oxigeno entre las superficies. Si bien la `gotita` es el mas utilizado de estos adhesivos, el uso de los mismos como todo tipo de sellador, de roscas por ejemplo, se ha vuelto muy usual (figura 7). Incluso en uso medicinal, para heridas punzo cortantes menores, en zonas alejadas de los ojos, también es recomendable ya que las heridas así resueltas no derivan en cicatrices mayores. Figura 5. Adhesivo estructural de un componente Cemento de contacto.

Figura 6. Adhesivo estructural coloreado. Tecnología I - U7 - Adhesivos - 5

Figura 7. Adhesivo estructural anaeróbico. Los sistemas de dos componentes se dividen en dos: los que se mezclan entre si, y aquellos que no lo hacen. En el primer caso, comúnmente conocido bajo la forma Poxipol (figura 8), consiste en mezclar dos componentes, con dosificaciones apropiadas y luego aplicar sobre las superficies a unir; en este grupo se pueden obtener formulaciones de tipo Epoxis, PMMA modificados, PUR, Siliconas y Resinas Fenólicas. Respecto de los compuestos que no se mezclan entre si, la técnica de aplicación no debe ser tan meticulosa (no es necesaria la perfecta dosificación) ya que el adhesivo se aplica en una de las superficies a adherir, mientras que el acelerador se aplica en la otra. En este grupo se especifican los PMMA modificados.

Superficies a unir

Epoxi

Poliuretanos

PMMA Modificado

Cianacrilatos

Anaeróbicos

De todo tipo

Pulidas, no porosas

Pulidas, no porosas

Metales, plásticos, no porosas

Metales, vidrios, termoplásticos

T de servicio

-55 a 121 ºC

-157 a 79 ºC

-73 a 121 ºC

-55 a 79 ºC

-55 a 149 ºC

Resistencia impacto

Pobre

Excelente

Buena

Pobre

Regular

Res. a solventes

Excelente

Buena

Buena

Buena

Excelente

Res. a humedad

Excelente

Regular

Buena

Pobre

Buena

Olor

Medio

Medio

Fuerte

Moderado

Medio

Toxicidad

Moderada

Moderada

Moderada

Baja

Baja

Resistencia a llama

Alta

Alta

Baja

Alta

Alta

Tabla I. Adhesivos estructurales.

Figura 8. Adhesivo estructural de dos componentes. Tecnología I - U7 - Adhesivos - 6

Adhesivos por fusión Estos adhesivos son 100 % termoplásticos sólidos, los que se aplican a altas temperaturas en estado líquido viscoso, y que luego de un tiempo se vuelven a estado sólido por enfriamiento; esto los diferencia de otros adhesivos que solidifican por la evaporación de los solventes presentes en la mezcla. En general, estos adhesivos solidifican por debajo de 79ºC, y la típica temperatura de aplicación varía entre 150-290ºC, dependiendo del termoplástico. Los materiales mas utilizados como adhesivos por fusión son los copolímeros etileno-vinil acetatos - EVA, Polivinilacetatos - PVA, PUR, Poliamidas PA, Copolímeros con base Poliamidas y Poliamidas aromáticas (tabla II). En la figura 9 se aprecia una pistola térmica de deposición de este tipo de adhesivos. Estos adhesivos se dividen en sensibles a presión y en no sensibles a presión. Los sensibles a presión son aquellos en que para obtener la unión se debe generar una leve presión manual. EVA Copo Superficies a unir

Papel, madera, termoplástico, vidrio, metal

PV Acetatos Papel, madera, cuero, vidrio

Poliuretanos Plástico

PA Poliamidas

PA Copo

PA Aromáticos

Madera, cuero, plástico, metal

Metal, plástico

Metal, plástico

Tm aplicación

99/139ºC

121/177ºC

-

-93/154ºC

-

129/140ºC

T servicio

-34/80ºC

-1/120ºC

-

-40/185ºC

-

-

Costo Aplicaciones

Muy bajo

Mediano

Medio/alto

Alto

Alto

Alto

Packagin, automotriz, juguetes, muebles, encuadernación

Etiquetas, cartones

Laminados

Packagin, electrónica, muebles, zapatillas

Packagin, electrónica

Packagin, electrónica

Tabla II. Adhesivos por fusión. Estos se utilizan para pegar todo tipo de sustratos, incluyendo metales, vidrios, cerámicos, plásticos, gomas, y maderas. Las principales utilizaciones se centran packaging, encuadernado de libros, ensambles engomados (zapatillas, armado de filtros, etc.) y engomados industriales (p.e., adhesión de pisos del tipo carpeta plásticas).

Figura 9. Pistola térmica para aplicación de adhesivos por fusión.


Adhesivos por presión (cintas adhesivas, etiquetas) Este tipo de adhesivos se especifican como los utilizados como agentes de adhesión en todo tipo de cintas y etiquetas. Pueden ser capaces, a temperatura ambiente, de adherirse a casi cualquier superficie, previa aplicación de una leve presión y de ahí deriva el concepto de sensitividad. Estos adhesivos pueden utilizar distintos soportes, tales como papel, cintas de celofán, cintas fibrosas tejidas, y hasta foils metálicos y velcro (figura 10). A su vez, estas cintas pueden estar engomadas de uno o ambos lados. Los adhesivos en si (tabla III), generalmente son recubrimientos gomosos con aditivos para incrementar la adhesión en caso de presiones manuales y a su vez mantenerse pegajosos a temperatura ambiente; estos aditivos hacen que las capacidades de adhesión se mantengan en el tiempo y que no haga falta recurrir a solventes, agua o calor para recuperar la adhesividad. Estos, en orden de volumen utilizado y por ende menor costo, son: gomas naturales, gomas estireno-butadieno, gomas recicladas, gomas butílicas, elastómeros termoplásticos, poliacrilatos y siliconas.

Figura 10. Cintas adhesivas.

Goma Natural Superficies a unir Aplicaciones

Contenido partículas sólidas

Madera, metales, cuero, papel, telas, plásticos Cintas uso general

35 - 50 %

Elastómeros Termoplásticos Madera, metales, cuero, papel, telas, plásticos, vidrios Accesorios para vestir, zapatillas, cintas uso general, recubrimientos piso y pared 22 - 50 %

Poliacrilatos

Siliconas

Vidrios, metales, plásticos, papel

Elastómeros, metales, polímeros

Etiquetas, calcomanías

Cintas uso general, contact

25 - 52 %

55 - 60 %

Tabla III. Adhesivos por presión. Las cintas adhesivas pueden ser clasificadas por su fabricación, por su función, por su aplicación y por su textura. En la primer clasificación encuadran las cintas de papel, las cintas celulósicas, cintas entretejidas, cintas reforzadas, cintas para espumas y cintas bifásicas. Por su función, cintas de enmascarar, de sellar, para reforzar, protectora, identificatorias, para embalar, aisladoras y para montaje. Por su aplicación se conocen como cintas adhesivas de uso médico, cintas de oficina y uso general, cintas para uso eléctrico, cintas para industria automotriz, etc. Por último, por su textura se identifican aquellos recubrimientos tipo Contact, los revestimientos adhesivos para pisos y paredes, los revestimientos símil madera en Tecnología I - U7 - Adhesivos - 8

industria automotriz, etc. Un aspecto importante de diseño son los aplicadores de cintas, tales como los que se observan en las figura 11 y 12. Figura 11. Dispenser de bolsillos de cintas adhesivas.

Figura 12. Aplicador de cintas para embalar.

Las etiquetas y calcomanías son la segunda gran aplicación de este tipo de adhesivos (figura 13). La característica fundamental de estos adhesivos es mantener una total planitud entre sustratos adheridos. A su vez, la aplicación del adhesivo sobre el sustrato (o etiqueta) no debe modificar las características de impresión del papel, tela, goma, en definitiva, el material de la misma. La adhesión ocurre cuando se aplica sobre la superficie a etiquetar, previa liberación del papel protector. La técnica de fabricación incluye un engomado de la superficie no impresa de la etiquetas, y un posterior laminado del papel protector, el cual lleva una capa siliconada, de forma que no modifique las propiedades del adhesivo.

Figura 13. Impresión de etiquetas y calcomanías.


Adhesivos de base acuosa Estos adhesivos se clasifican de esta forma ya que los mismos son totalmente solubles en agua; esta definición es similar a los látex, que son partículas poliméricas dispersas en agua. El contenido de sólidos de estos adhesivos es de alrededor de 50 % en volumen. Tiempo atrás, estos adhesivos estaban disueltos en bases solventes, pero al inclinarse por agua, se evitaron problemas de toxicidad e inflamabilidad, así como un menor costo. Los adhesivos de base acuosa tienen leves mejores propiedades respecto de los de base solvente. Sin embargo, la resistencia a la humedad es peor, y son susceptibles de rigidizarse por congelado, lo que afecta sus propiedades. Otra desventaja de estos adhesivos es la contracción que genera el agua sobre la superficie de los sustratos, típico en el caso de papel y/o fibras textiles. Años atrás, los adhesivos propiamente dichos consistían en su gran mayoría de adhesivos naturales, materiales solubles en agua que incluyen a almidones, dextrinas, metilcelulosas y alcoholes polivinílicos. Luego aparecieron adhesivos sintéticos los cuales son muy usuales en estas formulaciones. En esta categoría se incluyen a las gomas butadieno-estireno (SBR), neoprene, gomas de base nitrilo, polivinil acetatos, poliacrilatos y acrílicos (PMMA) (Tabla IV). Los adhesivos solubles en agua tienen una gran aplicación en embalajes y usos domésticos (60 %), uniones no rígidas (20 %), uniones rígidas (5 %) y el resto en otras aplicaciones. Las aplicaciones de uniones no rígidas incluyen la fabricación de zapatos, filtros, pegado de alfombras, etc. En uniones rígidas, las aplicaciones son en usos electrónicos, en construcciones domésticas no expuestas a altas solicitaciones (colas de carpintero, figura 14), y en determinadas construcciones de maquinaria.

Superficies a unir Aplicaciones

Contenido sólidos %

Gomas naturales Telas Varias otras

SBR

Nitrilo

PVAcetato

Neoprene

EVA

Acrílico

Textiles Metales

Polímeros

Maderas Polímeros

Polímeros Maderas

Ind. Textil Ind. Varias

Ind. Textil Metales Livianos

Cintas Adhesivas Etiquetas

Carpintería Aplicaciones generales

Polímeros Maderas Cuero, Yeso Aplicaciones generales Construcción

60

55

64 - 65

50

50

Embalajes Adhesivos p/ fotografía (films) 34 - 47

Polímeros Textiles Espumas Embalajes Cintas Etiquetas Ind. Textil 37 - 65

Blanco

Beige, hum. Oscuro, seco

Blanco

Blanco

Natural

Blanco

Natural a Blanco

Tabla IV. Adhesivos de base acuosa.

Figura 14. Adhesivo base acuosa, no toxico ni inflamable - Cola de carpintero.


Adhesivos por radiación Estos adhesivos solidifican mediante distintas formas de curado, los que convierten en 100 % sólidos en poco tiempo. La energía para el curado puede provenir de micro-ondas, rayos infrarrojos (visibles) o rayos ultra violetas UV (no visibles). De estos, los curados por radiación sensibles a rayos UV son los de mayor aplicación comercial. El proceso de curado por rayos UV ocurre mediante la reacción de un fotoiniciador, el cual se dispara en presencia de luz; el líquido se convierte en sólido, generalmente en menos de 60 seg. Una de las principales ventajas de estos adhesivos es que solidifican a temperatura ambiente, y por ende pueden ser utilizados para aquellos materiales que son sensibles a la temperatura, tales como el PVC. Además, la rápida solidificación elimina la fijación de las partes, incrementando la productividad. Estos adhesivos están reemplazando a los base solvente, ya que estos tienen un costo mayor en función de los tratamientos de reciclados, así como las instalaciones para su fabricación (por ejemplo el tratamiento de los efluentes industriales). Además, la naturaleza de los enlaces de los adhesivos que curan por radiación los hacen de alta estabilidad química, resistentes a altas temperaturas y a la abrasión, tenaces, con alta estabilidad dimensional y una alta adhesión a la mayoría de los sustratos. Los materiales adhesivos provienen de las familias de los acrilatos, varias formas y mezclas, tal como se aprecia en la tabla siguiente.

y en

Las aplicaciones típicas incluyen aquellas en industria electrónica, en industria automotriz, en uso médico, óptico, y en uso de embalajes comerciales, tales como confeccionados de cintas adhesivas y etiquetas. 7.5.- PROPIEDADES MECANICAS DE LAS UNIONES Cuando se consideran tensiones sobre uniones adheridas, comúnmente hay cuatro tipo de solicitaciones posibles. Estas, tal cual se ve en la figura 15, son: esfuerzo normal, esfuerzo de corte, esfuerzo por clivaje, esfuerzo por despegado. En los dos primeros casos, y como lo sugieren los nombres, el esfuerzo normal es generado por esfuerzos perpendicular al plano de adhesión, mientras que los esfuerzos de corte son generados por esfuerzos paralelos al plano de la unión; estos son los esfuerzos mas usuales en cualquier tipo de unión mecánica, y en definitiva cualquier estado tensional puede descomponerse en esas dos direcciones. Sin embargo, en este caso de uniones, y sobre todo cuando una o ambas superficies son flexibles, es conveniente contemplar los dos esfuerzos subsiguientes.

Figura 15. Tipos de esfuerzos: normales, corte, clivaje y despegue. Tecnología I - U7 - Adhesivos - 11

Generalmente, los adhesivos ofrecen buenos comportamientos frente a esfuerzos normales; a su vez, y lógicamente, este comportamiento es mejor a compresión que a tracción. El problema es que este estado, en el caso de tracción normal, se puede convertir rápidamente en un estado de clivaje, si es que por algún motivo una de las superficies pierde la adhesividad entre adhesivo/superficie. Esto es intuitivo, ya que el área de unión es mucho mayor en el caso de esfuerzo normal que en el caso de unión por clivaje; por ende, si el área es mayor, la tensión aplicada será menor, por mas que la fuerza sea igual. Distintas situaciones en donde se presenta clivaje y buenas opciones para minimizar dicho efecto se observan en la figura 16.

Figura 16. Clivaje en uniones por adhesión.

Es por este motivo, y por otros mas, que los diseños de las uniones a adherirse deben estar contempladas para soportar esfuerzos de compresión y corte y evitar, o minimizar, esfuerzos de tracción, clivaje y despegado. A su vez deben contemplar un ensamble con una apropiada relación calidad/costo. Un detalle conocido es tratar que no queden burbujas de aire dentro de la unión; en el caso de aplicar el adhesivo en algún tipo de ranura, no contar con la boquilla de aplicación puede generar una unión defectuosa. Otra solución adecuada es iniciar el deslizamiento relativo entre superficies a adherir desde uno de los extremos. También se debe tener en cuenta que cuando las superficies a adherir son de gran tamaño, es conveniente aplicar presiones durante el secado, o curado/catalizado, de los adhesivos utilizados. En la figura 17 se observan diferentes opciones, contemplando el diseño correcto e incorrecto.


Buen diseño de unión

Mal diseño de unión

Buen diseño de unión

Mal diseño de unión

Tecnología I – U7 - Adhesivos - 13

Figura 17. Consideraciones a tener en cuenta respecto del diseño de una unión.

Tecnología I – U7 - Adhesivos - 14

U8 - PINTURAS 1.- Introducción, 2.- Tipos de pintura, 3.- Selección del sistema de pintura, 4.Preparación superficial, 5.- Pintado por pulverizado, 6.- Pintado por flujo, 7.- Pintado por inmersión, 8.- Pintado por electrotécnicas, 9.- Pintado por polvos, 10.- Pinturas sobre acero estructural, 11.- Control de calidad en pinturas. 1.- INTRODUCCION Pinturas es un término general utilizado para definir recubrimientos superficiales (generalmente orgánicos) que cumplen propósitos decorativos, antioxidantes, para enmascarar irregularidades superficiales y/o modificadores de aspectos funcionales superficiales, por ej. diferentes coeficientes de fricción o de superficie (luz, calor, radiación). Las pinturas son, por lejos, el mas amplio de los tratamientos superficiales utilizados. La mayoría de las pinturas comerciales son compuestos orgánicos sintéticos, que contienen pigmentos, y los cuales secan por polimerización o por la combinación de polimerización y adsorción de O. Si bien con calor se pueden acelerar los tiempos de secado, las pinturas de ultima generación ya secan en tiempos acotados; es por este motivo que las viejas pinturas al aceite ya se han dejado de utilizar. Las pinturas ofrecen las siguientes ventajas: - El herramental necesario para la operación es de muy bajo costo, y la operación en si es muy sencilla. - Los recubrimientos están disponibles en un muy amplio rango de colores, además de brillo y textura superficial. - El último desarrollo de pinturas ha sido capaz de obtener protecciones frente a mas de una condición corrosiva, tal como atmósferas marinas potenciadas por humos ácidos. - Las pinturas tienen muy bajas conductividades eléctricas, por lo que actúan como eficaces interruptores en cuplas galvánicas propias de contactos entre materiales disímiles. La mayoría de estos recubrimientos están basados en la formación de un film, que es disuelto o disperso, en un medio solvente o de base acuosa. Desde ya que admiten muchos modificadores, tales como aceleradores de secado, plastificantes (para aquellas piezas expuestas a deformaciones importantes), estabilizadores de rayos UV (para aquellas pinturas expuestas a rayos solares), etc. Entonces una pintura esta compuesta por: Compuesto orgánico (resina) + Transporte (solvente, agua) + Pigmento (color) y aditivos (secado, plastificado, estabilizador RUV, etc.) Es usual que cuando se considera un tratamiento superficial por pintado, se tiende a concentrarse en la última capa, la de la pintura exterior propiamente dicha. En realidad, una superficie pintada es el exterior de una compleja operación, donde en primer término se deberá preparar la superficie a recubrir, generalmente llevará Tecnología I - U8 - Pinturas - 1

tratamientos previos (anodizados, fosfatados, galvanizados, etc.) y por último es factible que se depositen capas previas de pintura, generando un recubrimiento multicapa. En la mayoría de los casos, al menos dos capas (o manos) son necesarias. La primera es fundamental para: 1.- asegurar la adhesión entre substrato y recubrimiento. 2.- proveer un efecto de rellenado en discontinuidades superficiales. 3.- asegurarse un total recubrimiento (con la aplicación de la 2° capa), y de tal forma evitar el ataque corrosivo. Existe una gran variedad de tipos de pinturas, pero la mayoría de las propiedades dependerá del tipo de base. 2.- TIPOS DE PINTURA Las pinturas se pueden clasificar de varias formas, tal como se listan a continuación.

I.- De acuerdo a la solubilidad de la pintura (material utilizado para diluirla): I.a.- Solubles en agua, de base acuosa. I.b.- Solubles en derivados de petróleo, tales como solventes. I.c.- Solubles en disolventes especiales (xileno, metanol, acetona o sus mezclas), a menudo llamadas lacas.

II.- De acuerdo a la forma en que se preparan para su uso: II.a.- De un solo componente (lista para usarse). II.b.- De dos o mas componentes, que deben mezclarse previamente.

III.- De acuerdo a su capacidad para resistir al medio en que se van a aplicar: III.a.- Pinturas de interiores. III.b.- Pinturas de exteriores. III.c.- Pinturas marinas. III.d.- Pinturas para ambientes especiales (ácidos, álcalis, altas temperaturas).

IV.- De acuerdo al acabado final:

Tecnología I - U8 - Pinturas - 2

IV.a.- Pinturas mate (sin brillo) IV.b.- Pinturas semi mate / semi brillo (denominación depende del fabricante). IV.c.- Pinturas brillantes. V.- De acuerdo al tiempo de secado: V.a.- De secado rápido (menos de 30 minutos al tacto). V.b.- De secado medio (menos de 4 horas al tacto). V.c.- De secado lento (mas de cuatro horas al tacto). VI. De acuerdo al modo de secado: VI.a.- Pinturas que secan por la evaporación del disolvente. VI.b.- Pinturas que secan por reacción química con el aire. VI.c.- Pinturas que secan por polimerización. VI.d.- Pinturas que usan una combinación de las anteriores. Esmaltes Los esmaltes se caracterizan por una suave superficie final, además de un notable brillo. Estas pueden secar al aire o en hornos secadores. Los esmaltes que secan al aire curan por la evaporación del solvente; los que se hornean, necesitan temperatura para activar los catalizadores y por lo tanto generar la polimerización. Lacas Las lacas están compuestas de polímeros termoplásticos capaces de formar un film protector, disueltos en un solvente orgánico. Estos en principio secan por evaporación del solvente, siendo este proceso muy rápido. Base Acuosa - Látex Las pinturas base acuosa son aquellas donde el material orgánico esta en un medio acuoso. Hay tres tipos principales: soluciones, dispersiones coloidales y emulsiones. En solución hay muchos recubrimientos orgánicos (alkídicas, epoxies, acrílicas) que basan el secado con agentes hidrofílicos tales como carboxilos y/o hidroxilos. Las dispersiones coloidales se dan para partículas muy pequeñas, menores a 0,1μm en diámetro, dispersas en agua. Luego, los pigmentos deben ser compatibles con el agua. En definitiva, estas pinturas tienen un bajo contenido de orgánicos volátiles (COV) y ajustan a la mayoría de las regulaciones ambientales. Las ventajas de estas pinturas son: • Baja inflamabilidad. • Baja toxicidad y olores. Tecnología I - U8 - Pinturas - 3

• Fácil limpieza, desde ya con agua. • Alta uniformidad en el recubrimiento, con films continuos tales como los base solvente. • Posibles de aplicar por rodillos y/o pinceles, pulverizado, inmersión y electrodeposición. Las desventajas de estas pinturas son: • La aplicación por spray electroestático requiere de una completa aislación en función de la base acuosa. • Requieren etapas de secado controladas. • Las condiciones de temperatura y humedad son críticas. Si la humedad es muy alta o la temperatura muy baja, es usual que el recubrimiento tienda a escurrir de la superficie. • Son muy susceptibles para mancharse. Pinturas para Electrotécnicas Son pinturas base acuosa especiales. Estas pinturas se aplican por inmersión, en una cuba donde se encuentran las resinas a depositar, con el agregado de colorantes en forma de pigmentos, además de solubilizadores y antiespumantes; las pinturas, cargadas estáticamente, se aplican sobre las piezas que se encuentran bajo una diferencia de potencial, que orienta las partículas de pintura cargadas a depositarse sobre ella. De acá deriva las técnicas de cataforesis, electropintado, etc. Luego de un enjuague para remover los excesos de pintura, la pieza deberá ser curada a temperatura. Las resinas utilizadas generalmente son epoxies o acrílicas. Altos % Sólidos Estas pintura contienen mas de 70% de sólidos en volumen. Una forma es a través de la utilización de polímeros de muy bajo peso molecular, de manera que con reducidos % de solventes se mantienen propiedades de viscosidad para poder ser aplicados. Otra forma, también para disminuir la viscosidad, es precalentando las pinturas en el rango entre 32°C y 52°C. En caso e usar mezclas de resinas, es usual la presencia de aceleradores para incrementar la velocidad de secado. También se los puede aplicar mediante pistolas pulverizadoras. Como ventajas se puede señalar que el costo es menor que los esmaltes tradicionales, además de un buen control de color y texturas. Las desventajas están originadas en que los sistemas de aplicación son un poco mas sofisticadas (compresores, bombas, conductos, toberas, etc.), además de la lógica dificultad en la limpieza posterior de dichos componentes. Un ejemplo de estas pinturas son las asfálticas (combinaciones de mezclas de asfalto en un solvente), extensamente utilizadas en la industria eléctrica, donde una buena resistencia a la corrosión es necesaria, pero donde la apariencia de la misma no es primordial.


Pinturas en Polvo Las pinturas en polvo son pequeñisimas partículas, que provienen del molido de finas chapas extrudadas (previa mezcla del polímero base + pigmentos + aditivos). Estas partículas luego son pulverizadas, obteniendo precisa fluidez y un flujo eficiente para obtener muy buenas tasas de recubrimiento. 3.- SELECCIÓN DEL SISTEMA DE PINTURAS Para seleccionar un sistema de pinturas consistente con la producción y el costo de las piezas, se deberá contar con un conocimiento general de las principales características. La tabla I muestra algunas pinturas, con sus ventajas y desventajas. Tal como se observa en la tabla, la selección será complicada ya que hay varias resinas que pueden ser transportadas por base solventes o base agua. Resina

Base

Curado

Ventajas

Desventajas

Costo

Utilizaciones

Acrílicas

Solvente Aire, , agua, horno polvos

Blanca, Res. Ext., Adhesión, Res. T Grietas

Moderado, Automotrices, Uso Alto industrial general

Alquídicas

Solvente Aire, , agua horno

Brillo, Durabilidad, Flexible

Dureza, Res. Alkalis, Amarilleo

Bajo, Moderado

Esmaltes generales, Piezas metálicas

Gomas Cloradas

Solvente Aire

Res. Agua, Res. Acidos

Res. abrasión, Dureza, Brillo

Moderado

Pinturas cascos de barco, Piletas, Recip. químicos

Epoxi


Exc. Adhesión, Flexible, Res. Abrasión, Dureza

Muy rápido secado, Amarilleo

Moderado, Mantenimiento, Alto Primer capa automotrices, Metales

Flourocarbono

Solvente Horno , polvos

Muy Res. Ext., Res. Quí.

Adhesión, 2° Capa, Alta T de secado

Alto

Recubrimientos Bobinas

Nitrocelulosa

Solvente Aire, horno

Alta V Secado, Dureza, Res. Abrasión

Bajo cont. de sólidos, Res. Ext.

Bajo, Moderado

Lacas, Muebles laqueados, Lacas pulverizadas

Fenoles


Dureza, Adhesión, Res. Corrosión

Oscuro, solo para colores fuertes

Alto

Latas d/alimentos, Tanques de agua, Mantenimiento,

Poliéster


Brillante, Dureza, Res. Quí.

Baja adhesión, Hidroliza

Alto

Barnices p/Maderas

Poliuretano


Res. Quí., Res. Amarilleo en Abrasión, Dureza, exterior Res. Ext.

Siliconas


Res. Muy altas T, Res. ext., Brillo, Retención color

Grietas, Altas T de secado

Vinílicas

Solvente Aire, , polvos horno

Res. Abrasión, Flexible, Rápido secado en aire

Bajo % Sólidos Moderado

Moderado, Ind. Aeronaútica, Alto Metales, Plásticos Alto

Cualquier pieza para utilizarse a altas T Latas d/alimentos, Tanques de agua, Mantenimiento

Tabla I. Diferentes pinturas y sus propiedades.


Lógicamente, el medio en que se encuentre la pieza pintada será fundamental. Las necesidades son distintas si es una pieza para interiores o para exteriores. Condiciones tales como resistencia al calor, frío, luz solar, y condiciones climáticas deben ser perfectamente conocidas. También lo debe ser si el medio es ácido, o con presencia de alkalis, solventes o agua. Por último, las condiciones mecánicas, tales como dureza, flexibilidad y resistencia a la abrasión y al impacto, son críticas en la elección del tipo de pintura. Mas allá de que hay recubrimientos que se buscan con propósitos funcionales, si la necesidad básica es estética, el brillo, el color y la retención del mismo es fundamental. Por ejemplo, en el pintado de muebles, no solo se debe mantener lo estético (generalmente con lacas y con excelentes resultados), sino que deben ser resistentes a la abrasión. En la industria automotriz, los recubrimientos, además de ser atractivos, deben ser fáciles de aplicar y de reparar, ser resistentes a la abrasión y no desprenderse frente a pequeñas deformaciones, mas allá de su principal función que es la de protección frente a la corrosión. Otro ejemplo son las pinturas para implementos de cocina y lavarropas, donde estas deberán ser resistentes a detergentes. Por último, los aspectos inherentes a los costos son críticos, teniendo en cuenta desde ya grandes producciones. Se deberá tener en cuenta tasa de recubrimiento, superficie cubierta por unidad de volumen de pintura, tiempo de aplicación y secado, equipamiento necesario para la aplicación y vida útil esperada. 4.- PREPARACION SUPERFICIAL La preparación superficial en cualquier proceso de tratamiento superficial es crítico. Sin una buena preparación, la mejor pintura aplicada de la mejor forma posible, puede tener una vida útil muy acotada, o directamente lucir en forma miserable. Un recubrimiento será óptimo cuando este en las adecuadas condiciones estéticas y además perfectamente adherido al substrato. Limpieza Antes de ser pintadas, las piezas, en este caso metálicas, habrán estado expuestas a uno o mas procesos de fabricación, tales como laminado, estampado, forjado, colado, algún tratamiento térmico, etc. En estos procesos, materiales contaminantes para las operaciones de pintado (aunque muy útiles en las operaciones previas, p.e. lamina de aceite en chapas de SAE 1010 almacenadas para ser estampadas) quedan depositados superficialmente, y si no son removidos harán fallar prematuramente al recubrimiento; los mas usuales son aceites, grasas, polvos, agua, sales y todo tipo de óxidos. La selección del método de limpieza dependerá del tipo de material a ser removido, del tamaño, forma y cantidad de piezas y del tiempo en que tarde en realizarse la limpieza. Hay métodos de limpieza mecánicos: por cepillos, por medio de ruedas abrasivas o por impacto de partículas, comúnmente llamado arenado. Estos métodos se utilizan para remover típicamente por ejemplo óxidos y/o arenas adheridas, que son difíciles de remover por otros medios.


La limpieza por cepillos se realiza a través de la rotación a alta velocidad de cepillos, pudiendo ser estos de varios tipos y tamaños; en caso de necesitarse abrasiones severas, se utilizarán cepillos metálicos tales como los que se observan en la figura 1.

Figura 1. Cepillos de acero para limpiezas superficiales. El segundo tipo, por ruedas abrasivas, es un leve mecanizado superficial, similar a un rectificado, pero sin la estabilidad dimensional de estos: se debería tener cuidado con el grano de la muela, ya que improntas muy profundas podrían complicarse para ser cubiertas de pintura. Por último, el método por impacto de partículas sólidos, estará influenciado por la velocidad y ángulo de impacto (variables de flujo) y desde ya por la dureza, tamaño y forma del abrasivo (variables de partícula). En estas técnicas, cuando las partículas son pequeñas (como con arenas de sílice), entonces solo limpia y es el arenado; en caso de que sean granallas (partículas metálicas de tamaño considerable), no solo limpian sino que también endurecen superficialmente, producto de las deformaciones sobre la superficie de las piezas a limpiar. Para piezas pequeñas, las granalladoras / arenadoras suelen ser cabinas cerradas con manipulación exterior (figura 2), mientras que la preparación superficial de grandes superficies, suelen ser tareas complejas desde todo punto de vista (figura 3). En la figura 4 se observan distintas partículas para ser operadas con estos equipos. Figura 2. Cabina de arenado manual.

Figura 3. Preparación superficial por arenado / granallado de grandes superficies. Tecnología I - U8 - Pinturas - 7

Figura 4. a) arena base Si, b) granalla de acero ‘grit’, c) granalla de acero esférica. Otros métodos de limpieza son a través de procesos químicos; esto se utiliza para limpiar aceites, grasas, virutas del proceso de mecanizado, etc. sobre superficies de piezas metálicas. Se realizan por medio de solventes, ácidos, vapores y vapores de agua. Por medio de solventes y ácidos se pueden obtener efectivas limpiezas. En caso de limpiar con vapores de agua, estos necesitan una etapa de rápido secado, de modo de evitar oxidaciones tempranas. También es típico que la superficie, si bien queda limpia, luego tenga problemas en la adhesión con la pintura, por lo que la es usual utilizar pinturas asfálticas. Sellado de superficies Es normal enmascarar defectos superficiales con selladores. Los hay de varios tipos, desde aleaciones metálicas de bajo punto de fusión, típicamente Sn-Pb, hasta todo tipo de masillas resínicas, de dos componentes (tipo poxilina) o de un componente (tipo masilla de chapista) También se utilizan selladores que curan con temperatura, y en ese caso las piezas selladas van dentro de un horno de secado. Tratamientos Prepintado Además de los tratamientos de limpieza y sellado, a menudo las superficies de piezas metálicas deben ser tratadas de alguna forma para incrementar la adhesividad de las pinturas y para incrementar la vida a la corrosión. Los principales tratamientos son en base a fosfatados o con tratamientos orgánicos. Los fosfatados se realizan sumergiendo la pieza en una solución base fosfato, y estos pueden ser en base Fe o base Zn. Estas operaciones serán para todo tipo de piezas, desde pequeñas (de unos pocos gramos) hasta gabinetes de heladeras. La tabla II muestra el comportamiento de una pintura con diferentes tratamientos previos.


Limpieza

Limpieza + Tratamiento Prepintado

únicamente

Fosfato base Fe

Fosfato base Zn

Adhesión

Baja

Excelente

Excelente

Resist. Doblado

Regular

Excelente

Excelente

100% HR a 43°C

300 horas

1000 horas

1000 horas

Spray, 5 % ClNa

72 horas

500 horas

750 horas

Tabla II. Comportamiento de una pintura alquídica, con diferentes preparaciones previas. Pinturas horneadas a 150°C por 30’ y curadas a 49°C por 72 horas. Los tratamientos orgánicos son realizados con resinas base polyvinylbutiral, con el agregado de pigmentos base Cr y ácidos fosfóricos. Estos se aplican con pulverizadores y se justifican cuando no se dispone de planta fosfatizadora; también cuando las dimensiones de las piezas son tan grandes que no entren en las bateas de fosfatizado o cuando determinadas partes no admitan fosfatizados, y estas deban ser tratadas posteriormente armadas. Una industria que utiliza este tipo de tratamientos es la automotriz, y una batea de gran tamaño para la inmersión de la totalidad de la pieza se observa en la figura 5. Figura 5. Cuba de inmersión para tratamientos previos para autopartes de la industria automotriz. 5.- PINTADO POR PULVERIZACION Las pinturas por spray, aplicadas por medio de sopletes, son probablemente las mas utilizadas industrialmente, tanto por su versatibilidad y por el rendimiento de la pintura. Se utilizan tanto para piezas chicas o grandes. Esta técnica es utilizada para aquellas aplicaciones en donde la apariencia es fundamental, tal como el pintado en la industria automotriz. Sin embargo también se pintan desde piezas muy pequeñas hasta estructuras metálicas de gran tamaño, por ejemplo puentes. En las técnicas convencionales la pintura es atomizada por un importante flujo de aire y es transportada por este mismo hasta llegar a la superficie a recubrir; el equipo elemental (compresor, mangueras y pistolas) se observa en la figura 6. También hay sistemas donde la atomización se hace sin presencia de aire, y esto se logra haciendo pasar las pinturas por pequeños orificios mediante grandes esfuerzos mecánicos. En estos métodos hay muy altos rendimientos en las pinturas, alcanzándose valores de hasta 99%, hasta rendimientos muy bajos (inclusive por debajo del 50 %), sobre todo cuando las piezas son pequeñas y hay una gran parte del spray desperdiciado.


Figura 6. Equipo para pintar por spray.

Figura 7. Pintado manual. Si bien se pueden llegar a obtener buenas calidades, cuando estas operaciones son manuales pierden algo de efectividad; esto se debe a que son muy dependientes de la técnica del operario de turno (figura 7), lo que genera no solo problemas sobre las piezas, sino problemas en los propios operarios (falta de estímulos, desconcentración, mayor probabilidad de accidentes de trabajo y provisión de accesorios y elementos de seguridad (figura 8). En grandes partidas es muy usual la utilización de robots (figura 9), ya que son simples de construir y programar, y en definitiva tienen la capacidad de reproducir movimientos monótonos que de ser aplicados manualmente pierden efectividad.

Figura 8. Accesorios y elementos de seguridad para grandes partidas.


También hay pulverizados en caliente, que consiste en aplicar temperatura a las pinturas que van a ser aplicadas. Estas temperaturas son en el rango de 60 – 80°C. La idea es disminuir la viscosidad de la pintura, y poder aumentar el % de sólidos transportados por ella. Las ventajas del método son los bajos, o nulos, % de solventes y un mayor rendimiento, y por lo tanto menor tiempo de aplicación. Las desventajas están en el mayor costo de operación, sobre todo los generados por el calentamiento y en el hecho de que si la técnica no esta lo suficientemente ajustada, el rendimiento decae notablemente por el alto % de sólidos.

Figura 9. Robots de pintado.

En algunas aplicaciones, se puede asistir a esta técnica con alguna carga electrostática, para optimizar aún mas el rendimiento de la pintura. En casos de pérdidas de pintura de hasta 60 %, generando un direccionamiento (por líneas de campo eléctrico) desde la pistola hasta la superficie, estas pérdidas pueden disminuir hasta un 10 %. La desventaja esta en la imposibilidad de llegar a lugares profundos y la no uniformidad del espesor de la capa aplicada, ya que este será dependiente de los espesores de las piezas (a mayor espesor de pieza, mayor espesor de pintura aplicada). En caso de aplicar pinturas abrasivas o con altos % de sólidos, se deberían tener especiales cuidados sobre las toberas de las pistolas - sopletes. Un aspecto a tener en cuenta son los inherentes a la seguridad, ya que hay emanaciones de solventes importantes, con el lógico riesgo de incendios. 6.- PINTADO POR INMERSION El pintado por inmersión es una simple y económica forma de pintar en donde la totalidad de la superficie de la pieza quedará recubierta (figura 10). Es muy recomendable en aquellas geometrías donde es difícil llegar con otras técnicas. Las piezas generalmente son inmersas en grandes cubas, y este método es muy utilizado para dar primeras manos, para asegurarse que la superficie estará totalmente cubierta. También es útil para piezas pequeñas, en donde los pulverizadores desperdiciarían mucha pintura. Los rendimientos por esta técnica esta alrededor de 70 – 80 %. Figura 10. Pintado por inmersión. Tecnología I - U8 - Pinturas - 11

Una desventaja, además de la imposibilidad de recubrir solo una de las superficies, es el acabado superficial de las piezas pintadas, ya que la pintura tiende a gotear (figura 11); por lo tanto, es lógico que además el espesor de pinturas será mayor en las partes inferiores de las piezas. De la misma forma, en las partes superiores es normal la presencia de burbujas y/o ampollas (figura 12). Es normal dar la primera capa por inmersión y luego las capas de terminación por pulverizado; esto es típico en la industria automotriz. Figura 11. Escurrimiento

Figura 12. Burbujas.

En la figura 13 se observan un típico ejemplo de pieza pintada por inmersión (protector de un ventilador de gran tamaño) que por spray tendría un pésimo rendimiento.

Figura 13. Protección de ventilador, pintado por inmersión.

Las instalaciones para este método de pintura son muy simples. Si bien la figura 13 muestra una cuba para la inmersión de grandes piezas, estas deberían ser lo mas pequeñas posibles, de manera tal que entre la pieza pero con la menor cantidad de pintura dentro de la misma, a su vez, la superficie expuesta al aire deberá ser lo menor posible, de manera de minimizar la evaporación del ligante, ya sea solvente o acuoso. Los tanques deben ser continuamente agitados para evitar decantaciones de los distintos componentes de las pinturas; esto se debe para evitar lógicas alteraciones sobre los recubrimientos realizados. Es usual utilizar agitadores que Tecnología I - U8 - Pinturas - 12

giran entre 60 y 120 rpm para cubas de mas de 1200 litros; en cubas de menor capacidad, un sistema de bomba recirculante provee suficiente agitación para evitar la separación de los componentes. 7.- RECUBRIMIENTOS POR FLUJO En esta técnica, las pinturas son pulverizadas mediante toberas estratégicamente dispuestas sobre la pieza a pintar, de tal manera que el sobrante decanta sobre paneles recolectores, y vuelve al tanque del cual es aspirada por la bomba impulsora. En recubrimientos por flujo, usualmente los rendimientos alcanzan el 95 %, superiores a los alcanzados por pulverizado y por inmersión. Esta técnica se justifica en función del tamaño, geometría y número de piezas (alta producción, mas de 10.000); grandes partidas son complicadas de pintar por spray (en función del bajo rendimiento de pintura), y tampoco por inmersión. Se aclara que en el caso de pocas piezas, el método por spray manual sería el método más económico. Las instalaciones necesarias para esta técnica de pintado generalmente son cabinas importantes (figura 14) en función del gran número de piezas a recubrir, y de hecho es usual que formen parte de una línea de fabricación y/o montaje, que puede incluir etapas de limpieza, fosfatado, inmersión para primer capa, flujo para segunda capa y por último, una etapa de curado. Un circuito completo de pintado se observa en la figura 15. Figura 14. Cabina de pintado.

Figura 15. Circuito completo para pintado industrial.


Un aspecto a tener en cuenta es el control de presión de pintura en todo el sistema, y particularmente en las toberas (figura 16). Una presión muy alta (que se controla a través de recipientes a presión como los observados en la figura 17) tendería a desperdiciar solvente y hay probabilidades de que queden burbujas superficiales; presiones bajas directamente no alcanzarían a cubrir las superficies en cuestión, lo que significa que altas presiones se deberían utilizar cuando la geometría de la pieza impide una eficaz operación. Figura 16. Pico de flujo controlado.

Figura 17. Depósitos a presión para pinturas.

Respecto del control de viscosidad de la pintura, cuando es alta puede haber defectos propios de una sobrecarga de pintura por unidad de superficie, generando crecimientos en los espesores, que devienen en chorreaduras, pliegues, etc. Si por el contrario la viscosidad es demasiado baja, los espesores resultantes son muy delgados, usualmente con presencia de zonas no pintadas. Por lo tanto, el control de temperatura de la pintura será fundamental para mantener la viscosidad uniforme. 8.- PINTADO POR ELECTROTECNICAS Estas técnicas se basan en la puesta a masa de la pieza a pintar, y la carga electroestática de las pinturas a depositar. Por lo tanto, las partículas de pintura se dirigirán a la pieza a ser recubierta. Si bien la técnica puede ser utilizada a través de spray (figura 18), conceptualmente la técnica es similar a la de inmersión con asistencia eléctrica. Luego del pintado, es usual enjuagar las piezas en agua de forma tal que las pinturas no adheridas se remueven fácilmente; por último, estas pinturas deben hornearse. Este proceso también es conocido electro deposición, como foresis o electro electro pintado.

Figura 18. Electrotécnicas.


Con diferencias de potencial entre 80 - 180V, generalmente entre el tanque y la pieza, se pueden obtener espesores de pintura de hasta 38 μm. La uniformidad del espesor dependerá de la geometría de la pieza, del tiempo, de la temperatura, de la tensión de aplicación, del contenido de sólidos y de la habilidad de penetrar en zonas complicadas. Las ventajas de esta técnica son: - Total automatización de la operación. - Se pueden seleccionar determinadas piezas a pintar de un conjunto prearmado. - Uniformidad en los recubrimientos. - Buen recubrimiento en los filos y en los dobleces, incrementando la resistencia a la corrosión. - Altos rendimientos, superiores al 75%. Las desventajas de esta técnica son: - Alto costo de equipamiento. - Temperatura, PH y contenido de álcalis deben ser permanentemente controlados. - Tratamientos de prepintado deben ser de mejor calidad que en las otras técnicas. - Defectos sobre el substrato, no son enmascarados por la pintura. - Unicamente se puede dar una mano, ya que la pieza pierde magnetismo. - El cambio de color es dificultoso y de alto costo. De la misma forma que en los tanques de inmersión, las pinturas deben ser agitadas o recirculadas para evitar la separación, o la decantación, de los distintos componentes. 9.- PINTURAS EN POLVO Las pinturas en polvo parten de termoplásticos molidos los cuales se aplican en forma de polvos secos. Estos polvos son similares a los utilizados en pinturas líquidas, pero con la ausencia de la fase solvente. Luego de la aplicación, el film es generado por un horneado a una temperatura que será superior de la temperatura de fusión (Tm) del polvo. Para que los polvos se adhieran a la pieza, es necesario precalentar a la misma, por lo que esta técnica es típica para piezas metálicas. Se las utilizan en un sin fin de aplicaciones y las principales ventajas son: - Cumplen satisfactoriamente todas las normas ambientales, ya que no hay presencia de volátiles. - Prácticamente 100% de rendimiento, ya que los polvos no horneados se pueden recuperar. - Los volúmenes de aire tratado son ínfimos ya que no hay presencia de solventes. Las desventajas de esta técnica son: - Los cambios de color son dificultosos, porque cada polvo tiene su tono determinado y no es simple colorearlos, por lo que la paleta de colores presenta menos opciones que en las técnicas de pinturas en estado líquido.


- Hay problemas con la uniformidad del color, ya que las partículas no son de color uniforme. - Espesores menores a 25μ son prácticamente imposibles de conseguir. De los distintos métodos para la aplicación de estas pinturas, el pulverizado electroestático es el mas usual. El rendimiento de la operación dependerá del tamaño, forma, cantidad de piezas y de la tasa de producción, así como del espesor de pintura requerido y la forma de aplicación. En la figura 19 se observa una cabina de deposición de los polvos a través de un spray; a menudo hay una asistencia electroestática para mejorar el rendimiento de la pintura, por lo que no queda adherido a la pieza, vuelve al depósito. Si la cantidad de piezas lo justifican, es usual automatizar las pistolas rociadoras. Luego las piezas son enviadas a hornos de curado, donde los polvos se funden, fluyen y por lo tanto se uniformiza la deposición sobre la pieza.

Figura 19. Cabina de deposición de pinturas en polvo. Otro método de aplicación de estas pinturas es por medio de lechos fluidificados. Tal como se observa en la figura 20, la idea es proyectar aire a través de una rejilla muy fina, con un número de tamiz Mesh mayor que el de la granulometría de las pinturas en polvo, de tal forma que estas no caigan a través del mallado. Este aire levanta a las partículas y estas se encuentran con la pieza a pintar, que esta previamente calentada a una temperatura superior a la de fusión de los polvos. En este contacto, de unos pocos segundos, solo se adhieren aquellas partículas que estuvieron en contacto con la pieza, por lo que los rendimientos son cercanos al 100%. Por este método se obtienen espesores de pinturas desde 150 hasta 1500μ. Tanto en esta técnica como en la de pulverizado con pistolas, existe la posibilidad de enmascarar zonas que no deseen ser pintadas. Posteriormente se deberá colocar a la pieza en una estufa en donde la Temperatura de la misma sea superior a la Tm del polímero en polvo.

Figura 20. Técnica de lecho fluidificado para depositar pinturas en polvo. Tecnología I - U8 - Pinturas - 16

10.- PINTURAS SOBRE ACEROS ESTRUCTURALES Las pinturas sobre aceros estructurales generalmente se las realiza para evitar la oxidación por las condiciones ambientales, aunque también por apariencia. Estas pinturas generalmente sufren adversas condiciones climáticas, en determinadas zonas medios clorados y/o exposiciones industriales, urbanas y rurales, según su ubicación geográfica. Los recubrimientos típicos para estas aplicaciones, constan de tres componentes: el ligante volátil (solvente o dispersante), el pigmento y la resina no volátil. El ligante volátil puede ser acetona, esteres, alcoholes, agua, solventes o la combinación de estos. Los pigmentos, no solo colorean, sino que además actúan como plastificantes, absorvedores de rayos UV, secadores, dispersantes, etc., es decir como aditivos que modifican las propiedades del recubrimiento. Por último, la resina no volátil será el principal componente del recubrimiento, y las hay de varios tipos: resinas alquídicas, epoxis, barnices, poliuretanos, recubrimientos vinílicos, acrílicos, etc. Estas variables, en definitiva, caracterizan el tipo de pintura. Es usual que frente a pequeñas reparaciones y/o modificaciones de las estructuras, usualmente realizadas por técnicas de soldadura por arco eléctrico, haya que repintar toda la estructura, no solo por aspectos tecnológicos sino por aspectos estéticos. Esto da un amplio margen para citar ejemplos, pero uno de pequeño tamaño puede ser el armazón estructural de un cartel publicitario, mientras que un ejemplo de gran tamaño puede ser el de tanques (figura 21) o puentes colgantes (figura 22). Figura 21. Pintado exterior de un tanque contenedor.

Figura 22. Pintado sobre puente colgante (Golden Gate - San Francisco, USA).


Las aplicaciones de estas pinturas generalmente son en forma manual. Es usual la utilización de pinceles, rodillos y pulverizadores (esto último si las condiciones de aplicación lo permiten). Las temperaturas de aplicación (entre 10 y 33°C) así como los % de humedad relativa (no mayores a 80 %) son importantes de respetar para una correcta aplicación. Es normal que frente a una capa de reparación, haya un cambio en la tonalidad de la pintura a aplicar, que modifica notablemente el aspecto estético de todo el conjunto. Es normal que los aceros a recubrir estén previamente galvanizados (por inmersión con asistencia de corrientes galvánicas. Un espesor de Zn de 130 μm, resistiría sin presencia de óxidos por 74 años en un medio rural, 33 años en un medio marino y 16 años en un medio marino industrial. Las variables a determinar antes de atacar una operación de pintado para estructuras metálicas, deberían ser: - El área a ser pintada. - El estado de las superficies: galvanizadas, negras o la combinación de ambos. - La complejidad geométrica de la estructura, además de la presencia de remaches, bulones, uniones soldadas, etc. - La preparación de las superficies. 11.- CONTROL DE CALIDAD EN PINTURAS Una vez que se ha elegido una determinada técnica, el recubrimiento debe ser consistente entre las distintas etapas, manteniendo satisfactoriamente determinadas características, tales como la apariencia, estabilidad y su comportamiento frente a determinadas solicitaciones. Para esto se realizan ensayos, los cuales estan normalizados. Si bien hay un amplio espectro de análisis, estos ensayos generalmente son de alto costo. El control de la viscosidad es crítico para cualquier tipo de pintura. Se debe mantener constante ya que el rendimiento es directamente proporcional a dicha propiedad. Tanto en la carga de pigmentos para colorear, como la temperatura (por lo que es fundamental controlarla continuamente), son modificadores directos de la viscosidad. Los viscosímetros son instrumentos usuales en los talleres industriales de pintado. La calidad de color generalmente se realiza visualmente, contrastándolo frente a distintos patrones; un problema elemental es el propio deterioro de los patrones, y por lo tanto, el error sobre la calibración del color final. Estos patrones se realizan con pinturas que no se envejecen, o directamente esmaltados con recubrimientos cerámicos. Debido a que no hay una clasificación numérica, son usuales las diferencias de comparación entre distintos peritos. La utilización de colorímetros daría una primera aproximación, pero pequeñas diferencias entre tonalidades prácticamente no las registran. Los espectrofotómetros, ya mas sofisticados, se utilizan en casos que se justifique medir con alta precisión. El brillo de una pintura también se hace por comparación. La idea del ensayo es reflejar un objeto sobre el patrón y sobre la superficie a analizar. Pequeñas diferencias en la definición del contorno son claramente detectables. De la misma Tecnología I - U8 - Pinturas - 18

forma que en el control del color, la influencia del ser humano le da un grado de subjetividad al control de calidad. Ensayos de resistencia a la abrasión, deformación sin que haya desprendimientos, envejecimiento bajo rayos UV, comportamiento bajo atmósferas contaminadas (detergentes, ácidos, humos, etc.), comportamiento bajo nieblas cloradas (aire de mar, con concentraciones de ClNa), adhesividad entre pintura y substrato, dureza y resistencia al impacto son las principales propiedades a tener en cuenta, sobre todo si se esta por decidir una determinada técnica para una producción en masa.


U10 - TRATAMIENTOS SUPERFICIALES 1. Introducción, 2. Electrodeposición, 3. Electroless Plating, 4. Anodizado, 5. Hot Dipping, 6. Pulverizado Térmico, 7. Deposición Física (PVD) y Química (CVD) de Vapor, 8. Implantación Iónica, 9. Tratamientos superficiales con Láser. 1. INTRODUCCION El uso de Tratamientos Superficiales (TS) para mejorar la resistencia a la corrosión, al desgaste, para obtener determinada propiedad funcional (electrónica, magnética, térmica, etc.), propiedades ornamentales (o decorativas), entre otros, constituye una herramienta fundamental para conferir a una superficie una propiedad especial, que éste no posee, sin afectar las propiedades mecánicas del volumen interno (bulk - sustrato). La utilización de TS abre la posibilidad de diseñar piezas con propiedades específicas en aquellas zonas donde la solicitación sea crítica. Por lo tanto, el material del sustrato puede ser especificado en función de la tenacidad y resistencia, mientras que el TS es responsable respecto de la resistencia a desgaste, así como al comportamiento a corrosión y a cargas térmicas. De este modo, el costo extra de fabricación de aleaciones especiales puede ser eliminado, con lo que el ahorro monetario puede ser usado mucho más satisfactoriamente en la dirección deseada; así, un metal o aleación de relativo bajo costo, como aceros de bajo o medio contenido de carbono, puede ser utilizado para proveer las propiedades mecánicas al sustrato (volumen, interior de la pieza), mientras que un material de mayor valor puede ser usado para conferir las propiedades superficiales deseadas. Los TS son aplicados mediante el uso de una gran cantidad de técnicas, muchas de las cuales son aplicables también para polímeros y/o cerámicos. Se define como TS a todo tipo de cambio superficial sobre el bulk de un dado material; como este es un curso de Tribología, se buscará que dicho TS tenga un rol determinante frente a solicitaciones de fricción y desgaste. Luego, se define como Modificación Superficial (MS) a aquellos tratamientos en los que se modifica superficialmente el bulk del material; un caso típico es el cementado, donde lo que se busca es aumentar el % de C, generalmente en aceros de bajo C y por ende de baja dureza. Por último, se define como Recubrimiento Superficial (RS) a aquellos tratamientos donde se deposita superficialmente un material, generalmente disímil, sobre el material base; un caso típico, es una aplicación de Cr duro por electrodeposición. Por lo tanto, se desprende de esto que mientras los RS deben estar perfectamente adheridos sobre la superficie a modificar, esa preocupación desaparece en las MS, ya que el espesor modificado forma parte del propio bulk. Para contemplar solicitaciones a desgaste, los TS deberán tener una apropiada combinación de propiedades, por ejemplo, ↑ dureza, ↑ tenacidad, ↑ adhesión, ↑ resistencia al corte, coeficiente de dilatación térmica similar al del bulk, ↑ fractotenacidad, etc. En la figura 1 se observan las propiedades de los TS en diferentes zonas.

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Figura 1. Propiedades del TS respecto de diferentes zonas de aplicación. Los TS tuvieron un desarrollo tardío y eso se debió a que para tener una buena deposición se debieron utilizar: - Tecnologías con altas tensiones y corrientes; - Control electrónico de los procesos; - Conocimientos de física del plasma y química; - Tecnologías de alto vacío. Los TS pueden ser divididos en cuatro grupos genéricos, en función del estado de la fase depositada; por lo tanto, estos son: • gaseoso; • solución; • fundido o semi-fundido; • sólido. Los procesos de deposición en estado sólido no serán discutidos ya que algunos de ellos se verán en la Unidad de Recubrimientos Duros. La figura 2 muestra esta clasificación, con algunas de sus técnicas.

Figura 2. Clasificación general de las técnicas de TS. Dos importantes parámetros para este tipo de procesos están determinados por el espesor obtenido, ya sea del RS o de la MS, y por la temperatura del proceso. El rango de espesores varía desde 0,1 µm hasta 10 mm.; los rangos de temperatura van desde temperatura ambiente hasta 1000ºC. Datos aproximados para cada técnica de estos parámetros se observan en la figura 3. Como en cualquier técnica que se aplique sobre una superficie, esta debe encontrarse libre de suciedad y óxidos antes de tratarse. En caso de RS, además de asegurar una buena adhesión, previene la posibilidad de que contaminantes queden atrapados en la interfase y los subsecuentes problemas de corrosión.

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Figura 3. Típicos rangos de tipos de TS respecto de los espesores obtenidos y de las temperaturas de aplicación. II=Ion Implantation; IAC=Ion Assisted Coating; IBAD=Ion Beam Assisted Deposition; PVD=Physical Vapor Deposition; CVD=Chemical Vapor Deposition; PA=Asistencia por Plasma. La elección del material de recubrimiento puede depender tanto de la apariencia y de la facilidad de aplicación, como del modo de funcionamiento en servicio. Por ejemplo, si el objetivo de la protección es la prevención de la formación de un producto de corrosión sobre el sustrato, y el acabado superficial del metal no configura un aspecto esencial, entonces puede ser adecuada la deposición de un recubrimiento no metálico. La pintura es un recubrimiento de terminación de bajo costo y tiene la ventaja de poder ser removido con bastante facilidad. Pero si la vida útil del componente a proteger es extensa y la condición de carga es severa, es aconsejable una defensa inicial más duradera. Por otro lado, hay muchos ejemplos de metales que forman óxidos estables, los cuales, bajo ciertas circunstancias, pueden ser estabilizados mediante tratamientos químicos, de manera de volverlos protectores. Las películas de óxidos de cromo y de aleaciones de cromo son generalmente protectores debido a su estabilidad, tenacidad y resistencia frente al daño mecánico; por otra parte, los óxidos de otros metales, como Al, Ti, Sn, Zn, etc., pueden hacerse más estables por medio de tratamientos electroquímicos. RS aplicados por electrodeposición son definidos como integrantes de un primer conjunto de TS. El modo de protección de un sustrato metálico con un revestimiento metálico depende de la naturaleza del par galvánico entre ellos, por ejemplo, si el recubrimiento es electropositivo o electronegativo, catódico o anódico respecto del sustrato. El acero puede ser protegido satisfactoriamente por níquel y por zinc, no obstante ser el níquel catódico respecto del hierro, en contraste con el comportamiento anódico del zinc. La protección del níquel se basa en el hecho de no encontrarse más el acero en contacto directo con el ambiente corrosivo, para lo cual es esencial que el níquel no posea porosidad. El níquel posee una resistencia a la corrosión mayor en muchos medios y tampoco sufre la desventaja de formar productos de corrosión voluminosos y de aspecto visual antiestético, como lo es el óxido férrico hidratado. El zinc, sin embargo, es inherentemente más activo que el acero y se corroe preferencialmente, U 10 - Tratamientos superficiales - 3 de 31

protegiendo al acero por sacrificio, siendo su virtud el tipo de producto de corrosión (óxido de zinc, óxido de zinc hidratado) es macizo (pesado, voluminoso) y puede por si mismo detener la formación de productos de corrosión. Por todo lo expuesto, se puede reemplazar óxido de hierro por óxido de zinc sobre una superficie, con lo cual, además de la apariencia, color blanco del óxido de zinc, la tasa de corrosión frecuentemente muestra una disminución con el tiempo. El éxito de la protección contra la corrosión depende del proceso galvánico, del proceso de disolución, y de las características de los metales y de las películas de óxido. Para la resistencia al desgaste, depende de la dureza y del coeficiente de fricción, para la resistencia a la temperatura de la estabilidad del material del revestimiento y de la atmósfera, para recubrimientos funcionales, de las propiedades características de la película del revestimiento, etc. En un segundo conjunto podemos agrupar a los procesos de modificación de superficie en los cuales una fuente de calor intensa y localizada (llama, plasma, arco eléctrico) provee un medio conveniente para depositar un material de recubrimiento o modificar la microestructura de una capa superficial. Entre los métodos de recubrimiento que aplican este principio se encuentran la soldadura superficial ("surface welding"), pulverizado térmico ("thermal spray") y los procesos de modificación de superficie mediante la utilización de láser ("laser surface hardening", "laser surface alloying" y "laser surface melting"). Otra técnica de RS que pertenece a este grupo son las de inmersión de la pieza en una cuba con el recubrimiento por encima de la temperatura de fusión, comúnmente denominadas "Hot Dipping"; RS de Zn, en espesores importantes, sobre piezas de acero, se realizan por este método, aunque se los llama 'Galvanizado', ya que se asiste la deposición por medio de corrientes galvánicas. En un tercer conjunto podemos agrupar a los procesos de modificación de superficies que proveen alta resistencia al desgaste o determinada propiedad específica y estos procesos comprenden a las técnicas que requieren de vacío o de un gas a muy baja presión. Las técnicas de modificación de superficies basadas en la utilización de plasma son usadas para generar capas de gran calidad sin limitación, en principio, del material del recubrimiento y del sustrato. Los tipos básicos actualmente en uso son: Deposición física en estado gaseoso (PVD, "physical vapor deposition"), Deposición química en estado gaseoso (CVD, "chemical vapor deposition") e Implantación iónica ("ion implantation"). Estas tecnologías de modificación de superficies son adecuadas para producir recubrimientos delgados para componentes de precisión. El espesor de estos recubrimientos se encuentra generalmente dentro del rango 0.1-10 µm. Estos procesos requieren de un gas en una cámara de vacío, o a baja presión, de la cual hayan sido removidos el oxígeno atmosférico y el agua. El uso de vacío durante los procesos de modificación superficial tiene además otras ventajas sobre los procesos realizados en aire. La eliminación de contaminantes da como resultado una adhesión más intensa entre el recubrimiento aplicado y el sustrato, incrementando en gran medida la durabilidad de la superficie modificada. En los procesos denominados "secos" el problema del tratamiento del efluente del proceso es mucho menor en los procesos de CVD, en los cuales es necesario realizar un tratamiento de limpieza de los gases de la cámara antes de ser enviados a la atmósfera. Por último, en los procesos de implantación iónica, nitrurado iónico y PVD, no se requiere de tratamiento del efluente. Universidad Nacional de Mar del Plata

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2. ELECTRODEPOSICION Dentro de los procesos de TS, la electrodeposición es una técnica de RS extremadamente importante ya que brinda comprobados beneficios en el control de la corrosión y el desgaste, siendo estas de aplicación rápida y de bajo costo. Sin embargo, si bien el principio de deposición es simple, la operación completa es compleja, debido al gran número de fenómenos críticos y etapas que configuran el proceso. Para muchas aplicaciones este es el medio más rápido y económico para la aplicación de recubrimientos de espesores entre 1 y 800 μm y permite la aplicación de depósitos de metales (con alto punto de fusión, tales como Cr, Ni, Cu, Ag, Au, Pt, etc. Y aún con bajo, como el Zn) sobre el sustrato. Tal como se observa en la figura 4, el sistema de electrodeposición está compuesto por un baño electrolítico, dos electrodos y una fuente de potencia de corriente continua; además, una solución conductora adecuada conteniendo sales u otros compuestos, que también puede contener los iones del metal a ser depositado. Cuando se aplica un potencial eléctrico entre los electrodos, uno el sustrato a recubrir y el otro el material que será la fuente del recubrimiento, este es disuelto electroquímicamente y sus iones serán depositados sobre el sustrato. Casi todos los metales pueden ser electrodepositados en el cátodo desde un electrolito. El electrodo a ser recubierto se denomina cátodo.

Figura 4. Cuba electrolítica para electrodeposición. Dado que en general el proceso se desarrolla bajo condiciones atmosféricas y el material es depositado con baja energía, la adhesión entre revestimiento y sustrato no es muy alta. Mediante este proceso se pueden realizar recubrimientos sobre cualquier superficie metálica, utilizándose para éste propósito, por ejemplo, Fe, Cu, Ni, Cr, Zn, Cd, Sn, metales preciosos, aleaciones, compuestos, etc. Algunas de las características importantes en los procesos de electrodeposición son: material a recubrir, composición, temperatura y PH del baño electrolítico, densidad de corriente, ánodo utilizado, velocidad de deposición, eficiencia de la corriente (ya que, solamente una parte de la corriente suministrada durante el desarrollo del proceso es utilizada para la electrodeposición del material; parte de la corriente es consumida para producir la electrólisis de la solución), capacidad de cobertura ("covering power", se relaciona con la capacidad de producir deposición en las zonas de baja densidad de corriente), capacidad de disparo ("throwing power", da una idea de la capacidad del proceso para producir una deposición uniforme entre zonas de baja y alta densidad de corriente), grado y tipo de agitación, etc. U 10 - Tratamientos superficiales - 5 de 31

La microestructura del electrodepósito dependerá fundamentalmente de: a) microestructura de la superficie recubierta; b) condiciones de electrodeposición (densidad de corriente); c) temperatura, composición y agitación del electrolito; d) composición y pH en la proximidad del cátodo. Los depósitos pueden tener altas tensiones internas, por desacoples entre las estructuras del sustrato y el crecimiento epitaxial de la capa electrodepositada, por altas concentraciones de dislocaciones o por difusión de hidrógeno a través de la capa; estos motivos pueden fisurar la capa aportada (típico en cromo duro) y afectar su comportamiento tribológico. En casos en los que se necesita revestir sólo ciertas zonas, p.e. en caso de RS con metales preciosos, justifica definir exactamente el área; se utiliza "jet plating", y esto es logra mediante un flujo eléctrico sólo a la zona deseada y en algunos casos se calienta localizadamente mediante láser o aun se hace simultáneamente jet plating y láser. El efecto del calentamiento hace que aumente la deposición en la zona calentada. Recubrimientos con cromo Se pueden distinguir distintos tipos de cromados: recubrimientos industriales (comúnmente Cr duro), recubrimientos decorativos, recubrimientos con alta resistencia a la corrosión y los recubrimientos con Cr microdiscontinuo. Los recubrimientos de Cr duro son muy utilizados debido a su bajo coeficiente de fricción y sus muy buenas propiedades frente al desgaste. Generalmente, las superficies tratadas mediante este proceso presentan tasas de desgaste menores que aquellas que han sido modificadas con Ni, ya sea con o sin aplicación de corriente, que son los dos procesos que compiten con el de Cr duro respecto de la resistencia al desgaste. En la figura 5 se observan coeficientes de fricción estáticos y dinámicos para distintos pares de materiales.

Figura 5. μ estático y dinámico para distintos tipos de materiales (Acero, metal blando y Cromo duro). Los recubrimientos de Cr duro generalmente son depositados con parámetros de temperatura y densidad de corriente superiores a los usados para recubrimientos de Cr decorativos. La solución a depositar para Cr duro tiene una relación ácido crómico/ácido sulfúrico Universidad Nacional de Mar del Plata

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(que son los principales constituyentes de la solución) menor que la usada para propósitos decorativos. El espesor de los depósitos de Cr duro se encuentra usualmente entre 50 - 800 μm, aunque en los últimos años se hacen deposiciones entre 2 y 15 µm, pero bajo la denominación de TDC/CrFD (Thin Dense Chromium / Cromo Fino Denso), en donde el % de Cr depositado es superior al 99% respecto del 88% en Cromo duro tradicional, lo que se proyecta en las durezas (78 HRc respecto de los 66 HRc alcanzados con el Cr duro tradicional). Los espesores para el cromado decorativo están en el rango de 0.1 - 5 μm. Por otra parte, una aplicación industrial de gran importancia es la recuperación de partes desgastadas, regenerando las cotas nominales de diseño. Como regla general, cualquier impureza en la cuba, es probable que el baño de Cr se vuelva negro. Las impurezas metálicas actúan como resistencias eléctricas, por lo que para contrarrestar su efecto se debe aumentar el potencial. En el proceso de deposición las principales impurezas encontradas son Cr trivalente, hierro, aluminio y zinc. El Ni raramente es encontrado, ya que a diferencia del proceso de cromado decorativo, donde se efectúa una deposición de Ni previamente a la de Cr, el proceso de Cr duro se realiza directamente sobre el metal base. La dureza del Cr duro varía entre 800-1100 Hv, aunque estos valores son muy sensibles a los tratamientos térmicos posteriores que se le realizan para liberar las altas tensiones internas (que pueden alcanzar 1000 MPa). Estas tensiones pueden ser propicias para que se presenten fisuras, ya sea por fatiga mecánica y/o térmica, por ejemplo en el caso de matrices de inyección, debido a las presiones y temperaturas de inyección, y sobre todo, el alto número de ciclos típicos del herramental. En la figura 6 se observan curvas de dureza, con presencia de P en el baño, y con distintas temperaturas de recocido. Naturalmente la presencia de fisuras es delicada cuando el componente esta actuando en un medio corrosivo. Conjuntamente con el Cr se codeposita hidrógeno, que puede difundir en el material tratado causando fragilización por hidrógeno. Es por eso que a menudo se deben efectuar tratamientos térmicos para liberar dichas tensiones y minimizar los efectos del hidrógeno; esto, en algunos casos, conlleva una reducción de la dureza.

Figura 6. Durezas de Cr (con y sin electrodepositados, en función al tratamiento térmico.

P)

El proceso denominado como Cr decorativo ("ornamental chromium plating") es el principal proceso ornamental de deposición sobre sustratos metálicos o plásticos. Es un U 10 - Tratamientos superficiales - 7 de 31

proceso muy importante en distintas componentes para la industria automotriz, en las que la principal propiedad requerida es la resistencia a la corrosión. Diferentes colores y apariencias se obtienen variando el material del sustrato y las diferentes capas depositadas sobre éste. En la mayoría de los casos, el recubrimiento decorativo con Cr es un proceso multicapa que consta de deposiciones de Cu, Ni (una o varias) y Cr, sucesivamente. El progreso realizado a través de los años en el mejoramiento de la resistencia a la corrosión de los recubrimientos Ni-Cr decorativos electrodepositados (con o sin una capa inferior de Cu) para el uso en la industria automotriz es un buen ejemplo de la investigación interdisciplinaria, en ciencia de materiales y electroquímica, de los factores que influencian el comportamiento a la corrosión de las capas electrodepositadas. El avance en estos últimos años se debió al desarrollo de algunos procesos, y a la comprensión de alguna de sus características, tales como que la composición y el espesor de la capa de Ni determinan la resistencia a la corrosión, el efecto nivelador de los procesos de deposición de Cu y Ni, las características de los recubrimientos de Ni brillante y semi-brillante y la posibilidad de obtener Cr libres de fisuras y microfisurados. Los primeros recubrimientos con Ni producían depósitos gris-mate y luego de la deposición se pulían para obtener una superficie brillante. Si bien estos depósitos estaban libres de porosidad y protegían al material del substrato de la corrosión, presentaban una tendencia al deterioro de su apariencia superficial al estar en contacto con la atmósfera. El desarrollo de los recubrimientos de cromo contribuyó en la eliminación de este defecto. Los recubrimientos de níquel brillante-cromo reemplazaron con el tiempo a los recubrimientos de níquel pulido y cromo. De entrada, como el espesor de Cr es tan delgado, no posee la capacidad de nivelar la rugosidad superficial del sustrato, la rugosidad que se requerirá en la superficie después del tratamiento debe ser dada en un tratamiento anterior. Con este fin se realiza previamente un recubrimiento en un baño de Cu ("copper strike bath"). Una característica importante de ésta película es la de poseer una muy buena adhesión con el material del sustrato. Uno de estos recubrimientos se observa en la figura 7. Figura 7. Recubrimiento de Cr.

La contaminación atmosférica (especialmente el cambio en el contenido de sales) hizo que los recubrimientos de Ni brillante-Cr, muy utilizados en la industria automotriz, se volvieran inaceptables para las condiciones severas de servicio a las que se hallaban expuestas el conjunto de las partes metálicas. Esto condujo al desarrollo de los recubrimientos multicapas de Ni, los que retardan efectivamente, por medio de un mecanismo electroquímico similar a la protección catódica, la velocidad a la cual los "pits" penetran el recubrimiento. El Ni brillante (con un contenido de azufre de 0.04-0.15%) exhibe un potencial de disolución más activo que el Ni semi-brillante (con un contenido de azufre de 0.05%). Si estos dos depósitos se hallan conectados eléctricamente, la velocidad de corrosión del Ni brillante se ve aumentada, mientras que la del Ni semi-brillante disminuye. Esto se observa en la figura 8. Universidad Nacional de Mar del Plata

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Figura 8. Comportamiento a la corrosión de un recubrimiento de Cr decorativo. La resistencia a la corrosión de los depósitos de Cr dependen no tanto de su espesor, sino de su estado físico. Si el depósito se encuentra libre de fisuras o no tiene poros, su resistencia a la corrosión es excelente; un caso contrario se observa en la figura 9 ya que los depósitos no permanecen libres de fisuras durante el servicio. En la figura 10 se observa la disminución de la velocidad de corrosión en el caso de aplicar 2 o 3 capas de Ni, contemplando la misma unidad de tiempo; esto es así debido a que cuando el pit se encuentra con la 2º capa de Ni, en este caso la semi-brillante o el Ni Tri respectivamente, entonces la velocidad de degradación disminuye notablemente ya que deja de ser una corrosión galvánica autocatalítica para pasar a ser una corrosión generalizada.

Figura 9. Presencia de fisuras en un recubrimiento de Cr.

Figura 10. Mecanismos de protección por capas múltiples de Ni. Si bien un número pequeño de fisuras es perjudicial, sin embargo, la presencia de una gran cantidad de microfisuras puede ser beneficiosa, tal como se observa en la figura 10. Esto se debe al hecho que los depósitos de Cr micro discontinuidado provocan la dispersión de la acción de la corrosión galvánica a lo largo de un área mucho mayor, con lo que se evita la corrosión localizada. El recubrimiento multicapa con doble película de Ni de alta reactividad y Cr microfisurado presenta el mejor comportamiento dentro de todas las variantes ensayadas. La U 10 - Tratamientos superficiales - 9 de 31

protección respecto de la corriente de corrosión es conducida por los depósitos de Ni como películas intermedias, y por el recubrimientos microdiscontinuos de Cr (ya sea microporoso o microagrietado), como película final.

Figura 10. Efecto sobre velocidad de corrosión, Cr continuo / Cr discontinuo. Un aspecto fundamental en los recubrimientos electrodepositados es que el espesor de los mismos será función del tamaño y forma de la pieza. Esto es porque en aquellas zonas de las piezas de mayor masa, así como en los bordes, mayor será la densidad de líneas de campo magnético, y por lo tanto, mayor será la cantidad de material depositado dentro de la cuba electrolítica. Aspectos elementales de diseño para obtener piezas con buenos recubrimientos se observan en la figura 11, en donde naturalmente se ve que se deben evitar ángulos rectos, superficies planas y bordes vivos.

Figura 11. Malos (izq.) y buenos (der.) diseños para ser recubiertos por electrodeposición.

Recubrimientos con Níquel También es un proceso electrolítico sumamente importante. Las propiedades obtenidas para las distintas aplicaciones industriales dependen del tipo de baño electrolítico usado, existiendo al menos diez tipos diferentes. Los depósitos de Ni son sensiblemente más blandos (150 a 500 Vickers) y para hacerlos más resistentes al desgaste se le incorporan partículas duras del tipo de CSi. Tal como se aclaró, en muchos casos se utiliza como capa inferior a la del Cr, ya que tiene más alto μ que aquél y menor dureza, pero presenta mejor comportamiento frente a la corrosión. Metales Blandos y Preciosos Se utiliza la electrodeposición de metales blandos tales como Sn, Pb-Sn y aleaciones de Ag para cojinetes. El Sn y Ag previenen el engrane (galling) especialmente en la puesta en Universidad Nacional de Mar del Plata

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marcha. El codepósito de 3,4 a 3,6% de Ag provee un revestimiento que evita soldaduras en frío (seizure) en cojinetes. Los conectores eléctricos no sólo deben prevenir desgaste sino también mantener buena conductibilidad y bajos costos. Una forma de evitar fretting en llaves seccionadoras de alta potencia es mediante RS con Au, ya que su alta ductilidad incrementa el área de contacto. Además de Au, se utilizan deposiciones Au-Co o como opciones menos costosas, Pd-Ni y PdAg. Desde ya que aplicaciones en Au son de alto costo, Clase Espesor por lo que se dividen en clases de deposición en Au deco enchapado fino 0,05 - 0,1 μ función del espesor aportado, ya sea en Au decorativo Au deco enchapado 0,175 μ o Au industrial, tal como se ve en la tabla I. De la Au ind clase 00 0,5 μ misma forma, hay tres tipos de Au, dependiendo de su Au ind clase 0 0,75 μ pureza mínima: Tipo I: 98,7 %; Tipo II: 99 %; Tipo Au ind clase 1 1,25 μ III: 99,9 %. Au ind clase 2 2,5 μ Au ind clase 3

5μ

Au ind clase 4

7,5 μ

Tabla I. Espesores de Au electrodepositado, Au ind clase 5 espesores decorativos e industriales. Au ind clase 6

12,5 μ 37,5 μ

Zn electrodepositado - Electrogalvanizado Es un proceso electrolítico ampliamente utilizado por ser un método representativo contra la corrosión debido a su aptitud en la prevención de la formación de óxidos. Es un proceso muy conveniente y efectivo para la prevención de la formación de herrumbre en aceros. El recubrimiento con zinc protege al sustrato de hierro contra la corrosión, dado que su tendencia a la ionización es mayor que la del hierro. La superficie de la capa de zinc está cubierta por una película de hidróxido de zinc [Zn(OH)2] y carbonato de zinc [ZnCO3], que es estable en la atmósfera, protegiendo bien al zinc. En el caso de la herrumbre del hierro, esta capa no es capaz de proteger al sustrato. El proceso de recubrimiento electrolítico con zinc generalmente se complementa con el tratamiento denominado "chromate", utilizado para mejorar la apariencia superficial y para elevar considerablemente la resistencia a la corrosión. Este proceso nunca se realiza sólo, siempre luego de un recubrimiento, ya sea de Zn, Ni, etc. Los espesores industrialmente utilizados están en el orden de 2 a 10 μm para la capa de zinc electrodepositado, mientras que la película de "chromate" se ubica entre 0.05 a 0.3 μm. El zinc es un metal de bajo costo. No obstante ser el plomo más barato que el zinc, el primero tiene menor tendencia a la ionización que el hierro, por lo que no lo puede proteger. El aluminio tiene mayor tendencia a la ionización que el hierro, y está económicamente en el orden del zinc. Sin embargo, como el aluminio no puede ser electrodepositado a partir de una solución, no es aplicable como recubrimiento.


3. ELECTROLESS PLATING Las técnicas de electroless plating son RS que se depositan sin presencia de corriente mediante una reacción autocatalítica de oxido-reducción. Se pueden revestir no metales y la capa es de espesor uniforme (ya que no hay como en el caso electrolítico diferentes densidades de corriente según sea la geometría de la pieza); esto se observa en la figura 12. Las desventajas del proceso son una velocidad de deposición generalmente baja e invariante, y mayor costo comparado con el de los procesos de electrodeposición.

Figura 12. Uniformidad de espesor de un RS de Ni mediante electroless (izq.), respecto de uno electrodepositado (der). Para una correcta aplicación es necesario mantener la composición de la solución del baño mediante la adición de los productos consumidos y la remoción de las impurezas. Otra propiedad fundamental de éste proceso es la de una excelente resistencia al desgaste. Se depositan, además de Ni puro, Cu, Co, aleaciones Ni-P, Ni-B, Co-Ni-P, compuestos Ni-Pcerámico, compuestos Ni-P-polímero, etc. No obstante que éste proceso puede ser utilizado sobre casi la totalidad de los materiales metálicos, plásticos y cerámicos, es incapaz de formar una película sobre algunos materiales, como Sn, Pb, Zn, Cd y An, ya que estos perturban la reacción catalítica durante la reacción de precipitación: esto significa que se debe tener cuidado para evitar la mezcla de estos metales en el baño. En algunos casos se logran revestimientos resistentes al desgaste codeponiendo partículas duras, desde ya muy finas, tales como diamante, CSi o Al2O3 que son mantenidos en suspensión por medio de agitación y son absorbidos en los depósitos. Por otra parte, partículas de poli tetrafluoretileno (PTFE - Teflón) también son codepositadas, hasta un 30% en volumen, logrando propiedades antiadherentes. Mediante tratamientos térmicos adecuados se logran durezas próximas a las de Cr duro, aunque las máximas durezas se obtienen por tratamientos de envejecimiento a 400ºC y los menores desgastes se logran para tratamientos a 600ºC. Se aplican en distintos campos industriales, en piezas como cilindros hidráulicos, ejes, pistones, engranajes, guías roscadas, etc. Este singular proceso provee una continua deposición metálica sobre el sustrato por simple inmersión en una adecuada solución acuosa. Un agente químico en solución suministra los electrones para llevar los iones metálicos a la forma elemental. La reacción de reducción se produce solamente en la superficie catalítica; por lo que, una vez que la deposición se ha iniciado sobre la superficie, el metal que va siendo depositado sobre la superficie debe ser, por sí mismo, catalítico para que la deposición pueda continuar. Este proceso progresa esencialmente en forma lineal con el tiempo, en forma análoga al proceso de deposición electroquímica con aplicación de un potencial externo con densidad de corriente constante, pudiendo producir Universidad Nacional de Mar del Plata

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depósitos de espesores importantes. Este proceso se utiliza generalmente debido a que brinda una, o más, de las siguientes ventajas respecto de la electrodeposición: * Produce depósitos más uniformes sobre formas complejas, sin diferencias en bordes y salientes. * Los depósitos son frecuentemente menos porosos. * No se necesitan fuentes de alimentación ni contactos. * Los depósitos se pueden producir directamente sobre materiales no conductores. * Los depósitos tienen propiedades químicas, mecánicas y magnéticas únicas. Existen dos tipos de soluciones para este proceso: ácido (pH 4-7) y alcalino, o amoniacal (pH 8-11). Para baños ácidos, la velocidad de deposición disminuye al hacerlo el PH; por debajo de pH 4 la velocidad de deposición es muy baja, mientras que por encima de pH 6 es probable que precipiten compuestos insolubles. El rango más adecuado de pH para la operación de éste proceso en solución ácida se encuentra entre 4.2 y 5. Por otro lado, los baños alcalinos son más tolerantes que los ácidos. La temperatura del baño es uno de los factores más importantes que afectan la velocidad de deposición en éste proceso (figura 13). Esta crece casi exponencialmente con la temperatura, y la mayoría de los baños se utilizan a la máxima temperatura posible para producir la mayor tasa de deposición. Los baños deben ser calentados de manera de no producir sobrecalentamientos localizados que puedan llevar a una descomposición espontánea. Algunos baños se operan a temperaturas cercanas a la ambiente y estos son generalmente usados para la aplicación de depósitos delgados sobre no conductores para ser posteriormente recubiertos por medios electrolíticos, tal como los recubrimientos sobre materiales poliméricos. Figura 13. Tasa de deposición de electroless Ni en función de la T.

El proceso de recubrimiento electroquímico con níquel sin aplicación de un potencial externo puede realizarse sobre materiales no conductores, como vidrios y polímeros, luego de que la superficie haya sido activada, usualmente por nucleación previa de Paladio. Generalmente se prefiere una solución alcalina a baja temperatura, para producir sobre materiales no conductores recubrimientos de suficiente espesor que permiten realizar posteriormente procesos electrolíticos. En la figura 14 se aprecia el ciclo completo para depositar un cromado tradicional sobre una pieza polimérica, en este caso un ABS (Co polímero Acrilonitrilo - Butadieno - Estireno); tal U 10 - Tratamientos superficiales - 13 de 31

como se observa, el encadenamiento de operaciones es de tal magnitud que lo hace sumamente sensible a cualquier variación, ya sea de las concentraciones de los componentes agregados al baño, como los parámetros de PH, T y tiempo de la pieza dentro del mismo. Nótese que solo se indica los parámetros de una sola cuba, pero para que la calidad sea correcta, entre cubas y enjuagues se encadenan 24 operaciones.

Figura 14. Ciclo completo de metalizado para una pieza de ABS. Cuando el agente reductor es hipofosfito de sodio, el depósito contiene generalmente entre 3-11% de fósforo en peso. El material depositado tiene una estructura laminar, y se observa una solución sobresaturada de fósforo disuelta en níquel cristalino de grano muy fino. Mediante tratamiento térmico a 400°C, se produce la precipitación de una fase compuesta por el intermetálico Ni3P y el crecimiento de grano. Los depósitos con alrededor de 7% en peso de P, consisten de un 50% de Ni3P y un 50% de Ni puro. Los depósitos con menor contenido de P están compuestos por Ni3P en una matriz de Ni, y lo inverso ocurre para mayores contenidos de fósforo. El contenido de P de los depósitos se ve afectado intensamente por el pH de la solución, aumentando con la disminución del pH. Las soluciones ácidas que se usan comúnmente contienen entre 7-10% de P, mientras que las soluciones alcalinas incluyen de 5-7%. El contenido de P de los depósitos se ve afectado también por la temperatura del baño, pudiendo crecer o disminuir, de acuerdo al pH. También se puede aplicar por electroless compuestos Ni-Boro y son recubrimientos en el cual se utiliza una aleación eutectoide de Ni - B 1% (en lugar de P). Su característica es la de poseer una mejor resistencia térmica (400~700°C) y aptitud para el proceso de "soldering" que el recubrimiento con la aleación Ni-P. Es usada como sustituto del recubrimiento con oro, siendo usada principalmente en partes electrónicas. Su dureza es de 1160 Hv, luego de ser tratado térmicamente a 500~600°C durante una hora. Universidad Nacional de Mar del Plata

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4. ANODIZADO El Al es un metal activo, y forma naturalmente sobre su superficie una fina película de Al2O3 al entrar en contacto con el oxígeno atmosférico. Este óxido es estable y protege al material, por lo que generalmente se considera al Al como un material difícil de corroer. Sin embargo, como éste óxido naturalmente formado es muy fino (del orden de 20 nm), el aluminio es vulnerable a la abrasión y puede ser corroído al ser expuesto a la atmósfera o a la acción química. Si bien, a veces se lo clasifica como RS, el proceso de anodizado se diferencia de los procesos de deposición ("plating") ya que el mismo metal base, Al, es transformado en parte de la película de óxido. Los óxidos de Al tienden a crecer en espesor y volumen en atmósferas ácidas. El RS que se logra es grueso, compacto, duro y capaz de ser (tratado) teñido o coloreado como operación de acabado. Esto se realiza por medio de una oxidación anódica. La película de óxido es formada sobre la superficie al poner la pieza de aluminio en una solución electrolítica, conectarla al polo positivo (ánodo) y aplicando una débil corriente continua, alterna o combinación continua-alterna, haciéndola pasar a través de la solución (figura 15). El oxígeno reacciona inmediatamente con la superficie y la cubre completamente con la película de óxido de aluminio. Se utiliza una solución acuosa, tal como ácido sulfúrico, ácido oxálico (produce una superficie amarillenta, principalmente usado para sartenes, ollas, etc.), ácido fosfórico (usado solamente como preparación superficial, para mejorar la adhesión de la pintura) y ácido crómico (usado especialmente en aplicaciones aeroespaciales, donde el material base es duraluminio); sin embargo, la gran mayoría de los tratamientos se realizan en un baño de ácido sulfúrico (debido a su bajo precio, y a que permite usar bajo voltaje, lo que conlleva bajo costo eléctrico; la película que se crea es transparente e incolora, y no pierde el brillo, además de poseer buena resistencia a la corrosión y al desgaste). Figura 15. Cuba electrolítica para anodizado.

Esta electrólisis es denominada "anodización", o proceso de "anodizado". La creación de una gruesa película anódica de óxido, que provee una protección superior, es un fenómeno que sólo se produce en el aluminio. El espesor de esta capa de Al2O3 promovida por esta técnica será dependiente de la cota inicial de la pieza, con la particularidad que 1/3 de la capa estará por encima de la cota original, mientras que 2/3 del espesor estará por debajo de la cota; el espesor de la misma será función del tiempo de exposición al tratamiento. Inicialmente se forma una película que presenta una capa denominada película de barrera y esta por encima del material base; sobre ella se forma una película con poros cilíndricos que crecen regularmente en sentido vertical. El número de poros, en un proceso U 10 - Tratamientos superficiales - 15 de 31

característico, es de 60 billones por centímetro cuadrado. Además, la estructura de la película formada es amorfa; a todo esto se debe el hecho de que la película luzca transparente. Por otra parte, la capacidad de este proceso de poder ser coloreado, se debe a la aptitud de los poros para alojar sustancias, ya sea debido a un proceso de teñido o un proceso de pigmentación electrolítica. Esto se observa en la figura 16.

Figura 16. Forma de crecimiento de una capa de Al2O3 por anodizado. El establecimiento y el progreso en la tecnología de anodizado ha jugado un rol muy importante en la corta historia del Al, durante la cual ha superado al Cu, volviéndose el metal más importante luego del Fe. Debido a las excelentes propiedades que se pueden lograr, este proceso es ampliamente usado en campos tales como la electrónica y la biotecnología, así como en materiales de construcción y decoración. El aluminio posee la ventaja de corroerse menos que el hierro y el cobre, y que aún corroído su apariencia es buena. La aplicación del proceso de anodizado aumenta significativamente la resistencia a la corrosión. Este se realiza también con el propósito de mantener el brillo en la superficie, volverla resistente al desgaste y para obtener diferentes colores, tales como plata, oro, ámbar, negro (coloreado) y películas resistentes pueden lograrse cambiando o combinando las condiciones de la solución electrolítica (tipo, temperatura, densidad de corriente) y la aleación base de aluminio. El proceso completo de anodizado consiste de un pretratamiento previo, seguido del anodizado propiamente dicho, coloreado o teñido en caso de ser requerido y, por último, el sellado. El pretratamiento se inicia generalmente con una acción mecánica, seguida de un desengrasado y algún tratamiento químico o electroquímico en caso necesario. En el teñido, el material anodizado se sumerge en una solución, ya sea orgánica o inorgánica, y absorbe las moléculas de la tintura para producir la coloración del anodizado, debido a la actividad de la superficie de los poros. No obstante que mediante tinturas orgánicas se puede obtener un amplio rango de colores, algunos de ellos son débiles frente a los rayos ultravioletas, que los decolora, por lo que no son adecuados para exteriores. Si bien está ligeramente limitado en la gama de colores, éste proceso representa un método sencillo, capaz de controlar la densidad de color con el tiempo de inmersión. En el proceso de pigmentación, la superficie anodizada es inmersa en una solución acuosa de sales de níquel, cobalto, estaño, cobre, etc. Si se usa sulfato Universidad Nacional de Mar del Plata

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de níquel, por ejemplo, y se aplica corriente alterna, se observa el crecimiento de Ni en forma de agujas desde el fondo de los poros, basado en los mismos principios que un proceso de electrodeposición, y la película de anodizado va tomando color bronce. Si se extiende el tiempo de anodizado, las partículas metálicas crecen y cambian su color desde bronce a negro. Los colores típicos disponibles mediante este proceso son ámbar, verde claro, borravino, bronce y negro. Este proceso de coloreado tiene excelente resistencia a la exposición atmosférica, por lo que es ampliamente utilizado para materiales de construcción usados en exteriores y carpintería. La película de óxido luego del anodizado posee suficiente dureza pero la resistencia a la corrosión no es buena, debido a que la superficie es nueva y activa. Esta es viscosa, puede adsorber grasitud y distintas partículas contaminantes, pudiendo degradarse los colores obtenidos, por lo cual se ven disminuida su apariencia y propiedades. Estas desventajas pueden ser eliminadas mediante el tratamiento de sellado de los poros (figura 17). Este consiste en la inmersión de los productos anodizados en agua hirviendo o en un tanque en el que se aplica vapor presurizado a alta temperatura. Para mejorar el efecto de sellado se agrega acetato de níquel. Durante este proceso, cuando las moléculas de agua son absorbidas por el óxido de aluminio y se vuelven estables, su volumen aumenta y sella los poros.

Figura 17. Sellado de los poros luego del anodizado inicial. 5. HOT DIPPING Como se desprende del nombre, el recubrimiento metálico es aplicado en forma líquida al sustrato o componente. Puede ser aplicado continuamente o por etapas. Es característica la formación de una capa de aleación, por lo cual la adhesión es muy fuerte. Este simple método es aplicable con mayor eficiencia sobre metales con bajo (Al) y muy bajo punto de fusión (Sn, Pb, Zn, Pb-Sn) y se utiliza cuando se requieren recubrimientos con espesores relativamente gruesos (> 0.02 mm). La desventaja de este proceso reside en la dificultad de control del espesor, por lo que además no se pueden producir satisfactoriamente depósitos finos. Los productos más conocidos son el recubrimiento de estaño sobre acero de bajo o medio contenido de carbono laminado (recubrimiento de estaño en latas y envases) y el recubrimiento de zinc sobre acero de bajo o medio contenido de carbono (acero galvanizado), no obstante su uso va disminuyendo. El proceso no es adecuado para sustratos que pueden degradarse al ser afectados por la temperatura del metal fundido. Recubrimientos de Al (55%)/Zn por inmersión (aluminizados) se utilizan con éxito. Por otro lado, el Fe reacciona con el Al y forma compuestos intermetálicos que son estables hasta 900ºC. La figura 18 muestra la vida en años de depósitos de Zn depositados por inmersión sobre U 10 - Tratamientos superficiales - 17 de 31

estructuras de acero. Naturalmente, no tendrá el mismo comportamiento un recubrimiento que actúe en medios secos (rurales mediterráneos) que aquellos que estén en medios clorados (marinos) y/o en presencia de vapores corrosivos (cabreadas de estructuras para naves industriales). La vida útil se la suele establecer cuando se alcanza un 5% de degradación superficial por unidad de superficie.

Figura 18. Vida útil en función del espesor depositado, para distintos medios. Es evidente que no es lo mismo recubrir piezas de gran tamaño, tal como los perfiles de hierro utilizados para la construcción, que recubrir piezas de pequeño tamaño. Una simple cuba de inmersión, en donde se observa a un operario agitando el baño se observa en la figura 19. En la figura 20, un rack con una disposición para incrementar el rendimiento de la operación.

Figura 19. Operario sobre cuba.

Figura 20. Rack ordenador de piezas.

6. PULVERIZADO TERMICO - Thermal spray Este proceso es el más versátil desde el punto de vista de la deposición de materiales de revestimientos. Cuenta con tres principios básicos de operación: en primer lugar se encuentra el calentamiento del material a depositar, que puede suministrarse en forma de varilla, alambre o en polvo, siendo este último el más comúnmente usado, ya sea hasta un estado plástico o de Universidad Nacional de Mar del Plata

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fusión. Luego las partículas del material calentado son aceleradas hacia el sustrato, llegando en una condición de semifundido. Finalmente, estas impactan la superficie de la pieza o sustrato, donde rápidamente solidifican, adhiriéndose entre ellas, quedando vinculadas con el sustrato (figura 21). La distancia entre la boca pulverizadora y el sustrato se encuentra entre 0.15-0.30 m. En casos en que el proceso transmita una cantidad de calor sustancial a la superficie, se la puede refrigerar con agua; por otro lado, también es posible precalentar la pieza a recubrir, de tal manera que la velocidad de enfriamiento sea menor, disminuyendo tensiones residuales capaces de nuclear y propagar fisuras.

Figura 21. Principio de deposición de pulverizado térmico. Las técnicas de Pulverizado Térmico se caracterizan por: - Incrementar la resistencia al desgaste - Incrementar la resistencia a la oxidación y a la corrosión - Aptitud para reconstruir o restaurar una pieza dimensionalmente - Aptitud para aplicaciones en biomateriales Este proceso permite la aplicación rápida de materiales de alto rendimiento, con espesores que van desde unas pocas milésimas hasta los 25 mm sobre superficies de diferentes medidas y geometrías. Por otra parte, es un proceso que requiere una preparación mínima del material base, y es un proceso de baja temperatura (> 95°C) comparado con técnicas comparativas como el "hardfacing". Hay diferentes técnicas para fundir y luego impulsar el material a depositar y la elección de alguno de ellos dependerá del tipo de recubrimiento buscado, el requerimiento en servicio del recubrimiento, el costo, el tipo de pieza y la portabilidad del sistema. Las técnicas disponibles son: 1) Electric Arc wire (EAW) spray. 2) Plasma Arc (PA) powder spray. 3) Oxyfuel wire (OFW) spray. 4) Oxyfuel powder (OFP) spray. 5) High velocity oxyfuel (HVOF) powder spray. La aplicación de un recubrimiento por medio de pulverizado es de gran valor particularmente en el caso de pulverizado metálico para revestir aceros estructurales debido a que el equipo de pulverizado puede ser portátil, con lo cual la terminación superficial de grandes estructuras puede realizarse adecuadamente. La técnica es más adecuada para metales de bajo U 10 - Tratamientos superficiales - 19 de 31

punto de fusión, aleaciones Zn-Al, no obstante algunos aceros inoxidables puedan ser pulverizados con buen suceso. Mediante ésta técnica pueden ser aplicados metales puros, aleaciones, cermets, carburos, polímeros, materiales compuestos,.recubrimientos cerámicos y hasta refractarios. Es posible mantener atmósferas reductoras , de tal forma que se asegure una mejor limpieza y consecuentemente una mejor adhesión Por otro lado también es posible agregarle a estos RS partículas de alta dureza, tales como CSi o CW, alcanzando de esta forma durezas de hasta 65 HRc, con excelentes comportamientos frente a abrasión y erosión. Por último, hay otra técnica del estilo, la cual se denomina Pulverizado + Fusión, en donde las partículas son adheridas a prácticamente Tamb; luego hay un postcalentamiento que tiene a sinterizar las partículas metálicas, de forma similar al sinterizado de piezas conformadas mediante Metalurgia de Polvos o Pulvimetalurgia. Electric Arc Wire (EAW) spray La fuente de calentamiento para fundir el material a ser aportado está originado por un arco eléctrico producido por dos alambres que, además de actuar como electrodos, actúan como aporte; en ese mismo momento, el metal fundido es propulsado hacia la superficie a recubrir mediante una corriente de aire o gas (Ar, para disminuir oxidaciones), a alta presión de tal manera que atomiza las partículas y le dan una determinada granulometría. Mas allá de presentar muy buena adhesión respecto de las otras técnicas, con EAW se alcanzan deposiciones de hasta 55 kg/h, por lo que se utilizan para grandes volúmenes de deposición. Otra ventaja respecto de los OFW y OFP es que no hay un importante calentamiento del sustrato ya que no hay llama directa sobre el. Respecto de las CQ de los RS aportados, el nuevo desarrollo de alambre huecos rellenos con carburos y/o nitruros, hacen que luego tengan excelentes prestaciones para altas solicitaciones de desgaste. Por último, y tal como se puede apreciar en la figura 22, estos equipos de deposición son de bajo costo. Figura 22. Pulverizado por alambre + arco eléctrico. Plasma Arc (PA) powder spray En este caso la fuente de calentamiento surge de una condición de plasma generado entre un cátodo de W y un ánodo de Cu, estos generalmente refrigerados con agua; mediante el arco eléctrico se ioniza el gas y de esa forma se genera la condición de plasma (figura 23). El gas utilizado es Ar, que además de su condición para ser ionizado, propulsa las partículas contra el sustrato bajo una condición totalmente libre de oxidación. El tamaño y forma de las partículas de polvo será determinante en la eficiencia y calidad del RS. Con temperaturas de hasta 30.000ºC y velocidades de aplicación entre 300 y 550 m/seg, hacen de esta técnica una de las mas sofisticadas de pulverizado térmico, y por lo tanto de alto costo. La distancia entre tobera y pieza a recubrir es crítica en esta metodología, ya que si esta muy Universidad Nacional de Mar del Plata

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cerca las partículas llegan con muy alta temperatura, mientras que si esta mas lejos, llegan casi solidificadas y resulta un RS con baja adhesividad. Los espesores aplicados varían desde 50 a 500 μ, aunque se pueden depositar mayores espesores para casos específicos. Mediante esta técnica se pueden aplicar todo tipo de polvos metálicos, así como cermets y cerámicos. Figura 23. Pulverizado de polvos asistidos por plasma.

Oxyfuel Wire (OFW) spray - Oxyfuel Powder (OFP) spray En estas dos técnicas de pulverizado térmico el calentamiento esta generado por la combustión de mezcla de gases, generalmente acetileno y oxígeno, tal como se esquematiza en la figura 24. La temperatura de la llama dependerá de la relación del gas combustible respecto del O. En la tabla III se observan diferentes mezclas (estequiométricas) y sus temperaturas. Esta técnica se caracteriza por su bajo costo, las altas tasas de aplicación y una relativa facilidad en la operación. Mas allá de que este tipo de RS presenta alta porosidad, baja adhesividad y un gran calentamiento del sustrato (ya que el mismo es calentado por la propia llama), el mismo es uno de las mas utilizados. Mezclas de aleaciones de Ni con agregados de CW son a menudo depositados para mejorar comportamientos frente a abrasión. Para minimizar la presencia de fisuras a menudo es usual mantener el calentamiento producido por la propia llama, de tal forma que ese postcalentamiento alivie las tensiones. Esto se manifiesta sobre todo en aquellos RS donde el recubrimiento tiene un coeficiente de dilatación térmico diferente al del sustrato. Figura 24. Pulverizado de alambre por OF. Mezcla Esteq. T [ºC] Propano - Oxígeno (O) 2526 Gas Natural - O 2538 Hidrógeno - O 2660 Propileno - O 2843 Metilacetileno - O 2927 Acetileno - O 3087 Tabla III. Temperaturas posibles para distintas Plasma 2200 / mezclas de gases. Notar diferencia con Plasma Spray. 28.000


La forma en que se encuentra el material a depositar, ya sea en alambre o en polvo, dependerá de la temperatura necesaria para fundir el material. Esto significa que para aquellas mezclas de baja temperatura, convendría utilizar OFP, mientras que para mezclas de base acetileno se puede utilizar también OFW. High Velocity Oxyfuel (HVOF) powder spray. El principio de funcionamiento es similar al de un motor de combustión interna. Tal como se observa en la figura 25, consta de una cámara en donde una mezcla de propano y/o hidrógeno y/o acetileno + oxígeno, detona con la asistencia de una chispa asistida por una bujía. Esta combustión genera una gran cantidad de calor, el cual incrementa la T que funde el material del recubrimiento y lo proyecta hacia el sustrato a través de un tubo de escape. El material que va actuar como RS, se agrega en forma de polvos, y se alcanzan espesores desde 50 μ hasta 0,5 mm. Mediante esta técnica se pueden aplicar todo tipo de polvos metálicos, inclusive cerámicos. Las energías son tan intensas que se alcanzas velocidades de partículas de deposición de 700 a 1000 m/seg, con mas de 10 detonaciones por segundo; cada detonación deposita un spot de 25 mm de ø y unos pocos μ de espesor. Esta técnica tiene la particularidad de obtener las mayores adhesiones de RS y una de las menores porosidades (no mas de 2%), Una desventaja es la presencia de contaminación del RS propio de la presencia de los gases de escape.

Figura 25. Pulverizado de polvos por oxi-fuel a alta velocidad. 7. DEPOSICION FISICA (PVD) Y QUIMICA (CVD) DE VAPOR Estos procesos, encuadrados dentro de RS por estado gaseoso, consisten en que antes de ser depositados, el material pasa por una fase de gas o vapor. Estos métodos son de considerable interés ya que poseen las siguientes características: - Poseen gran adhesividad, debido a la habilidad de limpiar y preparar la superficie mediante un previo bombardeo de iones, al cual se lo llama "sputter cleaning". - Alta pureza de los recubrimientos depositados. - Microestructuras controladas, permitiendo crecimientos columnares. - Espesores uniformes, previendo movimientos de las piezas dentro de las cámaras. - En ciertos casos, bajas temperaturas de deposición. - Ausencia de H, y su consecuente fragilización, respecto de electrodeposición. - Posibilidad de mecanizar y/o pulir las superficies tratadas. Universidad Nacional de Mar del Plata

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Posibilidad de depositar un amplio rango de materiales sobre un amplio rango de sustratos. - Posibilidad de controlar la tasa de deposición. - Nula presencia de efluentes y/o gases tóxicos. Fundamentalmente, los procesos de deposición de vapor se dividen en: Deposición física de vapor (PVD: Physical vapor deposition) requiere la creación de vapor del material que uno desea deponer, por evaporación, "sputtering" o por láser y subsecuente condensación en forma de película sobre la superficie a modificar. Deposición química de vapor (CVD: Chemical vapor deposition), que consiste en una deposición de material sólido a partir de una fase vapor, sobre un sustrato calentado, con participación en el resultado de diversas reacciones químicas. En estas técnicas, se pueden diferenciar tres etapas: 1) la de creación de vapor 2) la de trasporte del mismo hasta la superficie a ser tratada 3) la de crecimiento de la película formada. -

PVD Este proceso se utiliza para la deposición de recubrimientos por condensación de vapores en vacío. Las extremas condiciones de limpieza creadas por el vacío y el proceso conocido como de descarga incandescente ("glow discharge") dan como resultado una adhesión casi perfecta entre los átomos del material usado como revestimiento y el material del sustrato. La porosidad es suprimida por la ausencia de impurezas. La tecnología de PVD es muy versátil. Virtualmente cualquier metal, cerámico, compuestos intermetálicos u otros que no sufran disociación pueden ser fácilmente depositados sobre sustratos de virtualmente cualquier material, ya sea metales, cerámicos, polímeros y aún papel. Por lo tanto, las aplicaciones de ésta tecnología abarcan un amplio campo, que se extiende desde lo decorativo hasta la microelectrónica, pasando por un segmento significativo de la ingeniería, ya sea química, nuclear, etc., y las industrias con ellas relacionadas. En los últimos años, diferentes técnicas de PVD han sido desarrolladas y usadas extensivamente. Cada una de estas técnicas tiene sus propias ventajas, y un campo preferencial de aplicaciones. La tecnología de PVD comprende tres técnicas principales: - Evaporación - Recubrimiento iónico ("Ion plating") - Deposición electrónica ("Sputtering") Evaporación Es una de las técnicas de deposición en vacío más antigua y más comúnmente usada. Es un proceso relativamente simple y barato, usado para efectuar depósitos de hasta 1mm de espesor. Durante el proceso de evaporación, el material del recubrimiento es vaporizado por calentamiento a temperaturas de entre 1000-2000°C, en atmósfera de vacío con presiones de entre 10-6-1 Pa. Un esquema del la cámara de deposición se observa en la figura 27. El material a vaporizar puede ser calentado mediante resistencia eléctrica, haz de electrones, haz láser, por U 10 - Tratamientos superficiales - 23 de 31

descarga de arco, etc. El calentamiento por resistencia eléctrica se utiliza generalmente sobre materiales metálicos con bajo punto de fusión, mientras que para materiales con alto punto de fusión, por ejemplo en materiales refractarios, se necesita de métodos con densidad de potencia mayores, como lo es el calentamiento por haz de electrones. El sustrato es calentado a temperaturas en un rango de entre 200-1600°C. Dado que el material de recubrimiento se encuentra en un estado eléctrico neutral, es despedido desde la superficie de la fuente. Los átomos, en forma de vapor, viajan en línea recta desde la fuente del material de recubrimiento hacia el sustrato, donde tiene lugar la condensación. La colisión entre los átomos del material de la fuente y los átomos del gas del ambiente reducen su energía cinética. Para minimizar estas colisiones, la distancia entre la fuente y el sustrato es ajustada para que sea menor a la trayectoria libre de los átomos del gas, alrededor de 0.15-0.45m.

Figura 27. PVD, Cámara de Evaporación Debido a la baja energía cinética del vapor, los recubrimientos producidos durante la evaporación exhiben baja adhesión. Es por ello que, desde el punto de vista de las aplicaciones tribológicas, son menos deseables comparados con otros procesos de deposición en vacío. Además, debido a que los átomos de vapor viajan en línea recta hacia el sustrato, produce un "efecto de ensombrecimiento" en superficies que no se encuentran directamente enfrentadas al material a vaporizar, por lo cual componentes ingenieriles tales como esferas, engranajes, matrices y cuerpos de válvulas son difíciles de revestir uniformemente. Recubrimiento iónico - Ion plating En este proceso se utiliza el fenómeno conocido como de descarga incandescente ("glow discharge"). Si se aplica un potencial eléctrico entre dos electrodos que se encuentran inmersos en un gas a presión reducida, es posible obtener un pasaje estable de corriente. El gas entre los electrodos se vuelve luminiscente, originándose aquí el término "glow discharge". Cuando el voltaje aplicado es suficiente, el material de recubrimiento puede ser transferido desde el electrodo de origen hacia el otro electrodo, que contiene al sustrato. Por lo tanto, el proceso de recubrimiento iónico comprende la evaporación térmica del material usado como recubrimiento de un modo similar al visto para el proceso de evaporación; la ionización del vapor es debida a la presencia de un intenso campo eléctrico y a un gas a baja presión previamente ionizado, generalmente argón. Este, junto a los iones del metal vaporizado, son velozmente acelerados hacia la superficie del sustrato, impactándolo con considerable energía. Bajo estas condiciones, el material de revestimiento penetra en el sustrato, por lo cual no queda un límite claro entre éste y la capa de recubrimiento. El esquema de la cámara se ve en la figura 28. Universidad Nacional de Mar del Plata

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Figura 28. PVD, Cámara para Recubrimiento Iónico, también llamado Nitrurado Iónico. Por lo general, antes de realizar el proceso de recubrimiento del sustrato por "ion plating", éste es sometido a un bombardeo de iones de un gas inerte con alta energía, causando la remoción de las impurezas de la superficie, con lo que se mejora la calidad de la adhesión entre el sustrato y el recubrimiento. El proceso de revestimiento propiamente dicho tiene lugar luego que la superficie del sustrato haya sido limpiada. Sin embargo, el bombardeo con iones de gas inerte continua sin interrupciones, lo que causa un efecto indeseable de disminución de la velocidad de deposición, dado que algo del material del revestimiento es, a su vez, removido en el proceso. Por lo tanto, para que se forme el recubrimiento, la tasa de deposición debe exceder la tasa de bombardeo del gas. El calentamiento del sustrato debido a la intensidad del bombardeo del gas puede causar también problemas. El aspecto más importante de este proceso, que lo distingue de los demás, es la modificación de la microestructura y composición del depósito causada por el bombardeo iónico. Este proceso puede ser clasificado en dos categorías generales, una que comprende a los procesos que trabajan en bajo vacío, 0.5 a 10 Pa, denominado "glow discharge plasma ion plating", y aquellos que utilizan una fuente de ionización externa y alto vacío, 10-5 a 10-2 Pa, denominado "ion beam plating". Deposición electrónica - Sputtering Esta técnica se basa en el proceso de desalojar y expeler los átomos del material de revestimiento mediante el bombardeo con iones de alta energía de gases inertes o reactivos, generalmente argón. En este proceso, el material a depositar no es evaporado, y en lugar de ello, un gas ionizado es usado para desalojar átomos individuales de la sustancia de recubrimiento, tal como se esquematiza en la figura 29. Por ejemplo, en un proceso de "glow discharge sputtering" el material a depositar es puesto en una cámara de vacío que es evacuada a 10-5 a 10-3 Pa y luego llenada con un gas de trabajo a una presión de 0.5 a 10 Pa. El sustrato es posicionado frente a la pieza a recubrir de manera de interceptar el flujo de átomos desalojados. Por lo tanto, el material a depositar llega al sustrato con mucha menos energía que en el proceso de "ion plating", formando una interfase diferente entre el sustrato y la capa del depósito. Cuando los átomos alcanzan el sustrato, se produce un proceso de condensación muy rápido.


Figura 29. PVD, Cámara de Sputtering

El proceso de condensación es crítico para la calidad del revestimiento y, a menos que se optimice mediante la apropiada selección de la velocidad de deposición, presión del gas argón y la tensión, puede resultar un depósito con estructura cristalina porosa con pobre resistencia. La principal característica del proceso de "sputtering" es que, debido a que el material a depositar es transformado a la fase vapor por un proceso mecánico en lugar de un proceso químico o térmico, virtualmente cualquier material puede ser utilizado. Por lo cual la principal ventaja del proceso de "sputtering" es que pueden utilizarse como material de depósito sustancias que se descomponen a elevadas temperaturas y, además, el calentamiento del sustrato durante el proceso es insignificante. No obstante que el proceso de "ion plating" produzca recubrimientos con enlace de gran aptitud entre depósito y sustrato, se encuentra limitado a metales, y así compuestos como el disulfuro de molibdeno que se disocia a altas temperaturas no pueden ser utilizados. Los procesos de "sputtering" se subdividen en "sputtering" por corriente continua, que es solamente aplicable en materiales conductores, y "sputtering" por radio frecuencia, que permite realizar recubrimientos sobre materiales no conductores, por ejemplo sobre aisladores eléctricos. En el último caso, un potencial eléctrico alternativo de alta frecuencia es aplicado al sustrato y al material a depositar. CVD En este proceso el material a depositar ya se encuentra en estado vapor; de no ser así, se volatiliza a partir de fase líquida o sólida. El vapor es forzado a fluir hacia la superficie del sustrato por diferencia de presión o por la acción de un gas de transporte (figura 30). Frecuentemente se agrega un gas reactante, u otro material en fase vapor para producir un compuesto metálico como recubrimiento. Por ejemplo, si se introduce nitrógeno durante la evaporación de titanio obtenemos un recubrimiento de nitruro de titanio. El recubrimiento se produce por descomposición térmica o por reacción química a presión cercana a la atmosférica. Las reacciones se producen a generalmente en un rango de temperaturas de entre 150-2200 °C a presiones de entre 50 Pa y atmosférica. Dado que el vapor condensa en cualquier superficie relativamente más fría que contacte, todas las partes del sistema de deposición deben encontrarse al menos a la misma temperatura que la fuente de vapor. La parte del sistema en la que se produce la reacción está generalmente más caliente que la fuente de vapor, pero considerablemente por debajo de la temperatura de fusión del recubrimiento. El sustrato es Universidad Nacional de Mar del Plata

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calentado generalmente por resistencia eléctrica, inductancia o por radiación infrarroja. Durante el proceso el material de revestimiento es depositado, átomo por átomo, sobre el sustrato caliente. No obstante que este proceso presenta excelente adhesión, los requerimientos de alta temperatura en el sustrato limitan su aplicación a materiales de sustrato que puedan soportar las mismas. El proceso de CVD a baja presión permite la deposición de recubrimientos de mejor calidad y uniformidad a lo largo de una gran área de sustrato, con alta velocidad de deposición.

Figura 30. CVD, Cámara de aplicación.

Rugosidad

Plateado

R. Temperatura

900-1100

R. Corrosión

1-3

R. abrasióm

5-15

MB

R

B

R

B

B

R

Distorsión

Color

Unif. espesor

CTi

T Deposición [ºC]

Adhesión

CVD

RS

V deposición [µm/h]

Técnica

Espesor [µm]

Varios tipos de materiales se depositan por CVD. Partiendo de metano (CH4) o acetileno (C2H2) y disociando el H, se puede depositar C, ya sea en su forma de grafito o de diamante. Técnicas de DLC (Diamond Like Carbon) se aplican de esta manera, a temperaturas entre 300 - 750ºC y a presiones del orden de 100 kPa; este tipo de RS son utilizados para herramientas de corte y/o piezas de alto valor agregado. En la tabla IV se observan las principales características de RS realizados por PVD y CVD y en la figura 31 y 32, diferentes valores de microdureza, µ y tasa de desgaste para distintos tratamientos superficiales.

B

MB

R

MB MB

R

B

CNTi

5-15

1-3

900-1100

Dorado

PACVD

CW2

5-15

1-10

350-550

Plateado

R

MB MB

B

MB MB

B

PVD

NTi

0,5-3

1-10

300-500

Dorado

R

M

R

M

B

MB

B

TablaIV. Características para CVD, PACVD y PVD (MB: muy bueno; B: bueno; R: regular; M: malo)


Figura 31. Valores de microdureza Vickers, para distintos tratamientos superficiales.

CTi: Carburo de titanio NTi: Nitruro de titanio CW2: Carburo de tungsteno CV: Carburo de vanadio CNTi: Carbonitruro de titanio Nitrurado: PVD Iónico Cr: Cromo duro Acero AISI D2 Sp K trabajo en frío Acero AISI M2 Rápido herramienta

Figura 32. Coeficientes de fricción y tasa de desgaste para diferentes TT.

8. IMPLANTACION IONICA En implantación iónica, iones de elementos, por ejemplo N, C, B, etc., son impulsados con alta energía (que oscilan desde órdenes de 10 keV hasta algunos MeV, superiores a las obtenidas en procesos de "ion plating" y "sputtering") sobre la superficie de la muestra, penetrándola. Esto es hecho por medio de haces de electrones con alta energía que contienen el material a depositar en un vacío que se ubica típicamente entre 10-3 y 10-4 Pa. Como resultado se obtiene una microestructura de no equilibrio, que es amorfa muy a menudo, dado que la estructura original del cristal es destruida por la implantación de los iones. La capa modificada cercana a la superficie está compuesta por estructura cristalina remanente y átomos intersticiales implantados. La masa de los iones implantados está limitada por el tiempo de aplicación. Por lo tanto, si se compara con otros procesos de MS, la capa implantada es poco profunda, de entre 0,01 µm a 0,5 µm según sea la energía de las partículas, el ángulo de incidencia y las características y composición del material de base. La limitación en el espesor de Universidad Nacional de Mar del Plata

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la capa implantada es, a veces, la mayor desventaja de este método. Esta técnica permite la implantación de revestimientos de materiales metálicos y no metálicos sobre sustratos metálicos, no metálicos y polímeros. Una gran ventaja es que la implantación iónica se desarrolla a bajas temperaturas. No obstante ser muy fina la capa modificada, se puede obtener una gran reducción en la fricción y el desgaste, por ejemplo, cuando se implanta nitrógeno en acero. Por otro lado, una gran ventaja de este proceso es que se trata de un tratamiento muy limpio y que la película depositada es muy fina, por lo cual las tolerancias pueden mantenerse. La implantación iónica es un proceso de alto costo, dado que el equipamiento y el funcionamiento es de costo elevado. Tal como se ve en la figura 33, el principio básico consiste en crear una partícula cargada, tal como C+ ó Ti+/2+/3+, en una fuente de iones, que luego se aceleran a alta velocidad y se proyectan contra un sustrato, donde los iones disipan su energía después de colisionar con los átomos del material base. El resultado de este proceso es la generación de una importante cantidad de defectos próximos a la superficie (vacancias, clusters de vacancias, dislocaciones, bordes de grano) producidos por las colisiones y la incorporación de la especie implantada. Este cambio físico-químico altera las propiedades mecánicas de la superficie. Por otro lado, en determinadas circunstancias puede generar fases secundarias, que mejoran características tribológicas, por ejemplo nitruros, carburos, óxidos y boruros. En algunos casos un recocido postimplantación favorece la formación de dichos compuestos intermetálicos. Por último, la implantación puede producir capas amorfas a partir de una estructura cristalina.

Figura 33. Esquema de Implantación Iónica - II El impacto superficial de un ion de alta velocidad hace que se pueda producir un desplazamiento hacia adelante o rebote de un átomo del sustrato, en lo que se llama un PKA ("primary knock-on atom"). Según sea la energía trasmitida este primer PKA puede producir una serie de SKAs ("secondary knock-on atoms"). Se identifica éste como un fenómeno en cascada a partir del PKA. Un fenómeno que ocurre en la superficie, llamado "sputtering", significa una erosión U 10 - Tratamientos superficiales - 29 de 31

gradual del material de la superficie cuando es bombardeado con partículas de suficiente energía. Cuando ocurre una colisión entre un ion incidente y un átomo de la red o entre un PKA y un átomo de la red, éste si es impactado con suficiente energía puede ser arrancado de la superficie, a la vez que el propio ion implantado es rechazado, produciendo de esta manera una gradual erosión. Esto tiene un efecto también en el sentido de limitar la concentración máxima de iones que pueden ser implantados en la proximidad de la superficie. 9. TRATAMIENTOS SUPERFICIALES CON LASER Esta técnica aprovecha la característica del haz láser de ser una fuente de luz limpia, capaz de proveer una cantidad de energía controlada con gran precisión a un área perfectamente determinada. La alta densidad de potencia y el tiempo breve de interacción, produce un rápido calentamiento y enfriamiento (producto de la misma inercia térmica de la pieza), lo que da como resultado una zona afectada por calor poco profunda, baja distorsión de la pieza y mínimo deterioro de las propiedades del material en el bulk. Los efectos de la solidificación rápida son la obtención de una microestructura nueva y refinada, mejorando las propiedades del material. Un esquema elemental de la operación se observa en la figura 34.

Figura 34. Recubrimiento con partículas duras incorporadas por laser.

Existen tres tipos diferentes de TS con láser. Tratamientos en Estado Sólido: generalmente se los utiliza para endurecer aceros de alta templabilidad, y eso se logra calentando la superficie a tratar por encima de la temperatura de austenización, de tal manera que al enfriarse rápidamente transforma en martensita. En función de que los aceros poseen una alta reflectibilidad, se los suele recubrir con alguna patina (fosfato de manganeso, grafito) para que no refleje el haz. Estos lasers son de potencias desde 5 a 100 W/mm2 y el calentamiento se realiza bajo una atmósfera inerte. Generalmente la profundidad de temple no es mayor a 2 mm. y es capaz de endurecer a aceros de muy bajo carbono, en función de la gran velocidad de enfriamiento. Son típicamente modificables superficialmente por láser aceros tipo 4340, 8620 y 52100, alcanzándose durezas de hasta 60 HRc, con la gran ventaja de que no hay distorsiones durante el endurecimiento. Otra ventaja es que se alcanzan transformaciones en zonas de difícil acceso, como por ejemplo bordes de ranuras de aros en motores de combustión interna, que por otros métodos es prácticamente imposible.

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Tratamientos por Fusión: en este caso la energía del láser debe ser capaz de alcanzar una temperatura que este por encima de la temperatura de fusión de lo que se esta tratando. De la misma forma, se enmascara la superficie para que el rendimiento del láser sea mayor; de esta forma se puede incrementar la velocidad de traslación y por lo tanto incrementar el rendimiento del proceso. La modificación microestructural por resolidificación permite alterar drásticamente las microestructuras originales, refinando granos, obteniendo finos precipitados, etc. Por otro lado, mas allá de las transformaciones producidas en la pileta líquida, de la misma forma que en uniones soldadas, hay una ZAC (Zona Afectada por el Calor) que produce transformaciones en estado sólido. En el caso de fundiciones con grafito libre, el calentamiento y el posterior enfriamiento a gran velocidad, elimina los reservorios de C libre, derivando en una fundición blanca, con el C totalmente combinado en forma de cementita. En la figura 35 se observan microestructuras de una fundición gris y otra nodular, con sus zonas de fusión y sus ZAC.

Figura 35. Zonas de fusión y de transformaciones en estado sólido, en fundiciones laminares (arriba) y nodulares (abajo). Tratamientos de aleación: el proceso de aleación con láser ("laser surface alloying") consiste en depositar previamente la superficie del sustrato con el elemento de aleación o éste es suministra sobre la trayectoria del haz del láser. El material depositado se mezcla conjuntamente con la capa superior del sustrato que es fundida, y solidifica. Debido al alto gradiente de temperatura, la mezcla con el material fundido es intensa. No obstante que los tratamientos con láser puedan desarrollarse en condiciones atmosféricas, en ese caso la tasa de oxidación, por ejemplo en aceros, puede ser alta y destructiva. Debido a esto, generalmente es preferible aplicar este proceso en bajo la atmósfera de un gas inerte, obteniéndose una firme adhesión entre la capa modificada y el sustrato, debido a que el sustrato no se encuentra nunca expuesto a los contaminantes atmosféricos. Por ejemplo, en un SAE 1018 que al ser aleado con partículas de Cr y agregados de C produce carburos estables de tipo M7C3 y M3C, se observa que en caso de agregar 43% de Cr es necesario agregar C para que de esta forma precipiten los carburos deseados.


Apunte 2015 2do Cuat

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