Procesos de Fabricación Unidad II Procesos con materiales no Ferrosos (procesos con polímeros)
Qué es un Polímero? Como lo indican sus raíces griegas poli (muchos) y meros (parte), cualquier sustancia compuesta de muchas unidades repetidas, llamadas monómeros. La mayor parte de los polímeros se basa en un esqueleto del carbono, por lo que son materiales orgánicos. Existen los polímeros NATURALES (madera) y los SINTÉTICOS (resinas). Rara vez se emplean en forma pura; Casi siempre se mezclan con varios aditivos, y al material resultante se le denomina plástico (del griego plassein: moldear). La reacción por la cual se sintetiza un polímero a partir de sus monómeros se denomina polimerización y existen dos métodos para llevar acabo; la polimerización en cadena y polimerización de reacción por pasos. Tipos (ED para mañana) Polímeros Lineales (Termoplásticos) Polímeros con enlaces cruzados (Termoestables) De reacción por pasos Elastómeros
Polímeros Termoplásticos cristalinos y amorfos Ejemplo: poliestireno atáctico Ejemplos: polietileno, el nylon y la celulosa
Aditivos y Rellenos El amplio margen de propiedades de los polímeros se puede modificar aun más por medio de agentes que se clasifican en dos grupos. Los que entran a las estructura molecular se llaman ADITIVOS, mientras que los que forman una segunda fase clara se llaman RELLENOS. En muchas ocasiones los rellenos se incorporan para mejorar las propiedades mecánicas, por lo que se les llama agentes reforzantes. Aditivos: 1.- los antioxidantes, se agregan en particular a los polímeros de reacción en cadena; también actúan como estabilizadores contra la acción del calor y la luz UV. 2.- los retardantes de flama: Se utilizan para incrementa la temperatura a la cual soportan su flama, aminorar su propagación y eliminar o reducir la emisión de humos nocivo. 3.- los plastificantes se utilizan para convertir un polímero termoplástico en flexible. Es un fluido de alto peso molecular cuyas moléculas se entrelazan entre las del polímero (que aflojan la estructura) disminuyendo la Tg y permitiendo mayor flexibilidad. 4.- Los Solventes aunque son indeseados en el servicio, tienen un propósito útil ya que permiten el procesamiento en el estado fluido y deben ser removidos por evaporación. Son útil para la soldadura por solventes 5.- Tintes y pigmentos : Se agregan para impartir un color deseado 6.- Lubricantes y los promotores de flujo se agregan principalmente al PVC, PS y ABS para facilitar el flujo dentro de los moldes y matrices.
Rellenos (humedecidos y no humedecidos) En otras ocasiones su propósito principal es reducir el costo del material, reducir la contracción y el coeficiente de dilatación térmica, incrementar la conductividad eléctrica y térmica. El efecto de los rellenos humedecidos por el polímero depende de su forma, tamaño y distribución. a) Los rellenos equiaxiales de mayor tamaño solo sirven para aumentar el volumen. Se incluyen los minerales finos (entre 0.5 y 20 micras) como carbonato de calcio, arcillas talcos, cuarzo, óxidos metálicos, negro de humo, rellenos orgánicos naturales más gruesos (de 70 a 500 micras) como el aserrín. b) Un efecto más poderoso se obtiene cuando el relleno es como una placa (hojuela), porque los enlaces cortos desarrollados sobre una superficie mayor son más fuertes. La Mica es un buen ejemplo. c) EL mayor efecto de reforzamiento se alcanza cuando la segunda fase es una fribra más fuerte, con mayor módulo d elasticidad y con una razón longitud- diámetro de por lo menos 50:1.
Procesamiento por fusión (MOLDEO) La mayor parte de los plásticos presenta alta viscosidad, aun a altas temperaturas y no pueden fluir bajo la acción de la gravedad; entonces el procesamiento por fusión se refiere a las técnicas en las que los polímeros son deformado con la ayuda de una presión aplicada (termoplásticos y termofijos). Existen dos tipos principales de fusión: Extrusión Inyección Principios del procesamiento por fusión: Termoplásticos: Un termóplástico debe calentarse por encima de T m para los polímeros cristalinos, y muy por encima de T g para los polímeros amorfos. La forma se fija enfriándolo muy por debajo de T g (o, para los polimeros cristalinos, por debajo de Tm).
Termoplásticos 1.- el material inicial normalmente es polvo, granos, fibra cortada en trozos, laminas molida y se puede transportar con tornillos. Si se desea evitar burbujas de gas, el plástico debe estar libre de agua. El calentamiento es parcialmente externo y parcialmente interno. El sobre calentamiento puede causar daño permanente. por ejemplo el PMMA se despolimeriza y se forman burbujas de gas del monómero; el poliacetal con PVC puede formar incluso mezclas explosivas. 2.-Hay un cambio sustancial del volumen en el enfriamiento provocado por el reacomodo de moléculas y la formación de enlaces secundarios. Debido a ala dependencia temporal la contracción se eleva con un enfriamiento mas lento. 3.- La solidificación rápida también significa que la orientación de las moléculas desdobladas estará congelada. Dando lugar a propiedades mecánicas anisotrópicas.
Termofijos: Antes de la formación de enlaces cruzados, los polímeros termofijos son capaces de fluir bajo presión. Pueden ser granulares, y por lo tanto se tratan como polvos; o se pueden convertir en termoplásticos al calentarse. Por ello, las técnicas de procesamiento son similares a las de los termoplásticos. Sin embargo hay una diferencia importante : mientras que los termoplásticos se enfrían para fijar su forma, los termofijos deben mantenerse en un molde caliente por un tiempo suficiente para que ocurra la polimerización y la formación de enlaces cruzados. Algunos se pueden retirar del molde tan pronto como se fija su forma y luego se obtiene la formacion completa de enlaces cruzados durante su enfriamiento o al mantenerlos en un horno separado.
Moldeo por Inyección Es la técnica más difundida para crear configuraciones 3-D. Existen dos formas básicas para transportar el polímero: 1.- Las máquinas con émbolos recíprocos accionados hidráulicamente son capaces de desarrollar presiones de 70 a 180 Mpa. El plástico se calienta mediante calentadores externos en el cañón, y por cortante alrededor del torpedo (difusor), lo cual asegura también la uniformidad del flujo.
2.- Con mayor frecuencia se emplea un tornillo giratorio. Para suministrar al molde la cantidad requerida de plástico fundido, el tornillo de la máquina está soportado por un ariete hidráulico que es empujado hacia atrás cuando la presión frente al tornillo se acumula hasta un valor prefijado y se acumula la cantidad de fusión necesaria para llenar el molde. Aquí la rotación se detiene; el ariete empuja al tornillo hacia adelante y así inyecta el plástico en el molde, mientras el contraflujo se limita mediante una válvula de retención.
a.- los termoplásticos se calientan por encima del punto de fusión (170 y 120 C), mientras que el molde se mantiene a una temperatura menor( 90 C) b.- Para termofijo, el cañón se precalienta apenas lo suficiente para (entre 70 y 120 ) para asegurar la plastificación. El molde se calienta entre 170 y 200 C. Matrices: La matriz se divide para permitir el retiro del producto. Se debe mantener firmemente cerrada durante la inyección, con la ayuda de un cilindro hidráulico grande. Se proporcionan expulsores para retirar el componente moldeado y las ventilas finas (0.02 a 0.08mm x 5 mm) aseguran que no quede aire atrapado. La estructura de la pieza no es homogénea.
Moldeo por Extrusión Extrusión es el formado de una sección de área transversal de un material plástico que es forzado a través de un molde. Forma parte también de los procesos más utilizados para fabricar productos poliméricos. Se utiliza para formar barras, tubos, laminas, de materiales termoplásticos y para el mezclado minucioso de todas las clases de plásticos y para la producción de gránulos. La extrusión con émbolo se restringe a casos especiales (como el PTFE). Aquí se utilizan tornillos en las extrusoras. Aquí el polímero se alimenta a través de una tolva en un cañón y el tornillo helicoidal transporta el polímero hacia el extremo con una matriz. El diseño del tornillo es CRITICO. Las presiones de entrada de la matriz son entre 1.5 y 1.5 (con menor frecuencia 70) Mpa.
Entrega de tornillos
Moldeo Por Soplado En este proceso los termoplásticos semifabricados (extruidos, moldeados por inyección, etc.) se deforman en su estado viscoelástico. La deformación es nuevamente por desdoblamiento y alineación de moléculas, pero esta vez en tensión. Aquí un tubo extruido o preforma emerge del proceso de fusión se expande mediante presión interna (por lo general con aire caliente). Extrusión de película soplada: Esta técnica se emplea para fabricar películas delgadas biaxialmente orientada al expandir con aire un tubo que emerge del extrusor. Usualmente a una razón de soplado de 3:1 en materiales como PE. Moldeo por extrusión y soplado(extrusion Blow Molding, EBM): Un tubo continuo se extruye y pellizca (estrangula) de manera que se produce una soldadura en la línea de estrangulación y la preforma producida de esta manera se sopla posteriormente. Tiene una productividad muy alta.
Materiales habituales Necesidad de una mínima resistencia del fundido para que el parisón extruido sea estable. PE (sobretodo HDPE), PVC
Moldeo por soplado y estirado (Stretch Blow Molding, SBM) En extrusión+soplado, la dirección axial del recipiente no aprovecha este efecto. Se trata de realizar un proceso extrusión+estirado+soplado, para que haya estirado en dirección tanto circunferencial como axial. Etapas: 1) Extrusión y pre-soplado (convencional) de una preforma, en molde previo.
2) Estirado mediante empujador y soplado en molde final. 3) Eyección
Termoformado Este es un proceso que se aplica al formado de una hoja termoplástica, para fabricar formas abiertas como recipientes, pero a menudo muy complejas Se emplean una abrazadera, un calentador y una matriz hembra o macho. La conformación puede ser por medios mecánicos o por presión de aire. El polímero se enfría en la matriz. Formado por vacío: La hoja se sujeta (1), (2) se calienta por arriba de Tg y luego (3) se aplica vacío para insertar la hoja en los espacios intrincados. Se aplica presión de aire caliente de 100 a 2000 kpa para empujar la hoja hacia la cavidad de la matriz hembra.
En el formado cubierto las formas reentrantes se desarrollan con un punzón con una matriz macho el cual tiene agujeros a través de los cuales se hace vacío. Formado asistido por tapón: Las esquinas se pueden hacer más gruesas primero deformando la lámina con un punzón (llamado tapón). (1) sujetar y calentar la lámina, (2) entra el punzón para endurecer el polímero en los puntos que serán esquinas. (3) la parte se termina de formar a través de vacío.
En el formado por estirado inverso después de (1) sujetar y calentar la lámina, se (2) forma libremente en un domo por medio de la presión (burbuja de presión) o por vacío; esta preforma (3) se deforma luego mediante el tapón, o combinando el tapón y la matriz con la aplicación de presión o vacío.
Evidencia de desempeño: Investigas los procesos de Calandrado y Moldeo por compresión Para el proximo viernes 4 de febrero.