PROCESO INNOVADOR PARA LA PRODUCCION DE BALDOSAS

CERAMICAS MEDIANTE DOBLE PRENSADO CON PRECOMPACTACION CONTINUA

A. Bresciani, C. Ricci

SACMI Imola

RESUMEN

Con la reciente introducción de sistemas basados en la tecnología productiva del doble prensado se ha asistido a un interesante desarrollo en la realización de productos cerámicos, particularmente en gres porcelánico, dirigido a la imitación de productos naturales (mármoles, granitos, etc.) y constituido por un soporte cerdmico y un recubrimiento superficial oportunamente decorado. De esta forma, se ha ampliado la gama de los efectos realizables "en prensado", sin afectar la productividad de las líneas.

En este trabajo se presenta el último desarrollo de esta tecnología, que consiste en la realización de soportes cerámicos precompactados con un procedimiento continuo.

Se evitan de esta manera las limitaciones debidas a los tradicionales sistemas de carga y compactación, consiguiendo asíuna decoración total, también en el interior de la masa de la pieza.

El nuevo proceso puede resumirse de la siguiente forma: alimentación de polvos mediante una cinta, con la posibilidad de obtener efectos en el interior de la masa (rayas coloreadas, piezas con tonos diferentes, etc.) actuando directamente sobre la deposición de los polvos en la cinta; precompactación continua del espesor de los polvos directamente sobre la cinta transportadora, hasta obtener valores de densidad y resistencia mecánica intermedios con respecto a la prensada final; corte en movimiento de la banda continua preprensada en formatos compatibles con la prensada final; decoración superficial de las piezas precompactadas, combinando las más variadas técnicas actualmente disponibles; introducción en el molde y reprensado de las piezas hasta valores de densidad y resistencia mecánica tipo; eventual reducción a formatos más pequeños mediante la operación de corte en crudo.

El nuevo proceso permite fabricar láminas y baldosas cerámicas de cualquier dimensión y espesor, particularmente decoradas en la superficie y en el interior, a una elevada velocidad.

Por otra parte, las posibles variaciones de los efectos estéticos son prácticamente ilimitadas, al no estar vinculadas ni a la forma ni a la dimensión de los sistemas de carga.

Sin duda, la aplicación de este concepto innovador podrá revolucionar los tradicionales departamentos de prensado, aportando velocidad y flexibilidad a las líneas y abriendo nuevas fronteras hacia la evolución de productos con contenidos técnicos y estéticos superiores.

La técnica más utilizada para la formación de las baldosas cerámicas es la compactación de polvo mediante la utilización de prensas hidráulicas unidireccionales, donde las baldosas adquieren su forma en el interior del molde oportuno en uno o más alvéolos.

En el caso de moldes de un alvéolo, estos se componen de un punzón inferior, conectado con el dispositivo de extracción de la baldosa compactada, que se mueve en el interior de una matriz cuyas dimensiones son ligeramente superiores (generalmente alguna décima de mm) a las dimensiones del punzón mismo. El punzón inferior con la matriz, forma la cavidad rellenada por el carro de carga con el polvo atomizado listo para prensar. El molde se completo a continuación con el punzón superior, sujeto a la traviesa móvil de la prensa, cuyas dimensiones pueden permitir su entrada en la cavidad de la matriz o su apoyo sobre el plano superior de la misma; en este último caso, la matriz debe poder deslizarse verticalmente bajo el efecto del empuje de la prensa. El descenso del punzón superior hasta apoyarse dócilmente sobre la carga y la sucesiva presión ejercida por el cilindro principal de la prensa son las fases del ciclo en las que la pieza se forma.

Con el transcurso de los años, la producción cerámica se ha orientado siempre más hacia la realización de piezas de gres porcelánico que tienden a reproducir las características estéticas de la piedra natural, como el mármol y el granito. Las baldosas cerámicas con esta característica se obtienen principalmente con dos tecnologías de relleno del alvéolo del molde: la carga en toda masa y la doble carga.

La primera tecnología se basa en depositar en la tolva del carro de carga de la prensa, mediante el empleo de los dispositivos oportunos, una carga constituida por vetas de polvo coloreado dispersas en el atomizado base.

Figura 1 . Dispositivos de carga en toda masa

La carga viene por tanto depositada de la tolva en una rejilla situada debajo que se encargará de transportarla a la cavidad del alvéolo. La rejilla debe corresponder lo máximo posible con las vetas coloreadas presentes en la tolva para después disponerlas de manera oportuna en la baldosa. Las vetas coloreadas y los efectos que eran presentes en la tolva del carro reaparecen por tanto en la baldosa y en todo su espesor, de aquí la denominación "toda masa". Esta tecnología está particularmente indicada para obtener productos mezclados, con tonos y veteados.

La tecnología de la doble carga consiste, como su propio nombre indica, en rellenar la cavidad del molde en dos momentos distintos del ciclo (figura 2).

Figura 2. Esquema de doble carga

En un primer momento se deposita el polvo base, es decir una capa de material generalmente monocolor o todo lo más con un efecto sal-pimienta, que constituye la parte principal del soporte de la baldosa. A continuación, mediante un dosificador capaz de pasar a través la luz del molde abierto se aplica la segunda capa, generalmente de unos pocos milímetros de espesor, que constituye la verdadera y propia decoración de la pieza. La segunda capa puede, por ejemplo, estar constituida por polvos micronizados si se deben producir piezas cerámicas con características similares a aquellas de los mármoles tipo travertino, de granos y escamas en los caso de productos similares al granito o de esmaltes atomizados para realizar productos rústicos donde la multiplicidad de tintas que se funden recíprocamente confiere una elevada naturalidad y profundidad de efectos.

Las dos tecnologías previamente descritas presentan de todas formas algunos inconvenientes.

La carga de toda masa resulta particularmente limitada para obtener efectos estéticos diferentes entre una pieza y otra. El efecto estético que se obtiene, además de ser por la disposición y la cantidad variable de los colores empleados, está fuertemente ligado a la geometría fija de la rejilla que transporta la carga a la cavidad del molde. Esta última, de hecho, genera una repetitividad en la decoración que en la colocación resulta generalmente poco agradable.

Otro aspecto negativo de esta técnica está determinado por el hecho que, durante las fases de carga del alvéolo, el atomizado se desliza primero sobre una placa y luego sobre la matriz; este movimiento causa inevitablemente un remezclado del polvo mismo, a expensas de la definición de los efectos obtenidos con las vetas de color en la rejilla.

El principal inconveniente de la tecnología de la doble carga es, sin embargo, la baja productividad de la línea debido al elevado tiempo requerido por el carro para realizar un ciclo. De hecho, el rellenado del alvéolo de la prensa se efectúa en dos fases separadas, con un considerable incremento del tiempo de prensado.

Para eliminar este problema y para responder a la creciente necesidad de una mayor libertad creativa en la búsqueda de efectos estéticos siempre más cuidados, se ha introducido recientemente en el mercado una nueva tecnología productiva de doble prensado que permite obtener productos absolutamente innovadores y no realizables con las técnicas anteriores.

El sistema permite conformar una pieza en dos fases de prensado, con dos prensas bien diferentes, introduciendo entre éstas una multiplicidad de sistemas de aplicación de decoraciones tanto en seco como en húmedo. Sustancialmente, la pieza viene formada en la primera prensa de forma totalmente convencional, si se excluye el hecho que la presión de conformado en esta primera prensa se mantiene a valores muy bajos (50-80 bar). Sucesivamente, la baldosa así precompactada se envía a lo largo de una lhea sobre la cual están instalados varios sistemas de decoración en seco y en húmedo, incluidas eventuales aplicaciones de escamas y otros semielaborados. Al final de la línea está situada la segunda prensa, mediante la cual, gracias a un oportuno sistema de introducción de la pieza precompactada y decorada en la cavidad del molde, se produce la prensada final a la presión de compactación tradicional (400-500 bar).

En este momento la pieza está perfectamente conformada y lista para ser enviada a las fases sucesivas del ciclo productivo.

Figura 3 . Esquema de instalación con tecnologfa de doble prensada y decoración sólo en seco

Figura 4. Esquema de instalación con tecnología de doble prensada y decoración mixta en húmedo y en seco

Como se puede apreciar por la breve descripción, la tecnología de doble prensado permite una notable libertad en la búsqueda de los efectos estéticos, en cuanto que la deposición de la decoración tiene lugar en el amplio espacio entre las dos prensas. Caen, por tanto, las limitaciones de la doble carga, es decir la necesidad de utilizar un dispositivo en el interior de la abertura del molde y la reducción de la velocidad del ciclo de prensado debido al tiempo muerto de la deposición de la segunda capa de carga en el interior del alvéolo.

En sustancia, esta tecnología representa una respuesta realmente eficaz a la exigencia de realizar baldosas decoradas en prensado, en cuanto que ofrece una ilimitada potencialidad estética sin penalizar en ningún modo la productividad de la línea.

Aun así, desde el punto de vista de la compactación y de acuerdo con su descripción, esta nueva tecnología se basa totalmente en los sistemas de prensado hidráulico tradicional, análogos a aquellos ya utilizados en la producción.

Si del lado práctico esto favorece la integración con el actual modo de trabajar, desde el punto de vista de la investigación es ciertamente interesante estudiar nuevas soluciones.

Esto ha llevado al desarrollo del concepto de la precompactación continua del polvo, que ofrece interesantes oportunidades tanto teóricas como aplicativas.

PRINCIPIOS TE~RICOS DE LA PRECOMPACTACI~N CONTINUA

Desde el punto de vista puramente conceptual, la precompactación continua puede ser convenientemente llevada a cabo sometiendo la capa de polvo atomizado a la acción de una par de rodillos rígidos, de ejes horizontales y perpendiculares a la dirección de avance del polvo mismo (figura 5).

r'igura 5 . Esquema conceptual de la precompactación continua

El polvo se hace avanzar con una velocidad uniforme V, equivalente a la velocidad tangencial periférica del rodillo V, de acuerdo con la relación

V R = o R (1)

donde o es la velocidad angular del rodillo y R su radio externo.

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Avanzando a través de la luz entre los dos rodillos, la ca a de polvo sufre una compactación progresiva que aumenta su densidad aparente asta el valor final de salida.

K Para evaluar la acción de compactación, la densidad y la presión ejercida sobre

el polvo, se debe obtener un oportuno modelo para la comprimibilidad del material cerámico en polvo. Se ha adaptado el modelo de Kawakita y Lüdde [11 según el cual la densidad d depende de la presión p de compactación a través de la relación

donde do es la densidad aparente del polvo no compactado y c, y c2 las constantes características a determinar de caso a caso. Los valores medios para las pastas de gres porcelánico, con una humedad de 5,5%, que se toman como base para estas consideraciones, son

do = 1,016 g/cm3 c, = 1,1753 (adimensional) c2 = 0,0131 bar -l

La variación de la densidad en función de la presión de compactación (suponiendo para las constantes los valores arriba mencionados) viene representada en la gráfica de la figura 6.

Como se puede apreciar en el gráfico, el gradiente de densidad disminuye con el aumento de la presión. De esto se concluye que la fase de precompactación, para obtener densidades intermedias respecto a los valores finales normales, puede limitarse a presiones muy bajas. En el gráfico se indican con el punto A la densidad del polvo no compactado, con C el valor normal de compactación para piezas de gres porcelánico (400 bar, densidad 2/02 g/cm3), y con B un objetivo razonable para la precompactación (70 bar, densidad 1,59 g/ cm3).

Figura 6 . Característica de compactación de una pasta de gres porcelánico

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Una vez elegido el modelo de compactación, es posible calcular la variación de las presiones que se desarrollan en la acción de compresión llevada a cabo por la superficie cilíndrica del rodillo compactador.

Se considera con este propósito el esquema de la figura 7, donde se ha indicado con h,, el espesor del polvo en el ingreso, con h, el espesor de la banda compactada a la salida, con x la abscisa paralela a la dirección de avance del polvo, y con R el radio externo del rodillo compactador.

Figura 7. Geometria del sistema

Para un valor genérico de la abscisa x comprendido entre O y x,, (correspondiente al inicio del contacto entre el polvo y el rodillo) el espesor correspondiente resulta.

Por lo que el valor de la abscisa x,, correspondiente con h, es

La densidad aparente crece durante la acción de compactación, es decir, moviéndose con la abscisa desde x, hasta O (lo que equivale a pasar de h, a h,) con proporcionalidad inversa respecto al espesor h(x). Es por tanto posible situar la densidad en función de la abscisa x, es decir

Invirtiendo ahora la relación (2) y tomando la presión de compactación p en función de la densidad aparente d se obtiene

Introduciendo en la (6) la relación de la densidad (5), se obtiene una expresión de la presión de compactación en función de la h(x)

En la figura 8 aparece representada la variación de las funciones h(x), r(x) y p(x) con la hipótesis de precompactación en una única pasada (con rodillo cilíndrico), desde 22 a 14 mm de espesor, para una densidad teórica de salida de cerca 1/59 g/cm3, correspondiente a una presión de compactación final máxima de cerca 70 bar.

Figura 8. Variación de h(x), díx) y píx) (rodillo ciltndrico)

Para evitar los problemas de fuga del polvo atornizado a la entrada del compactador (abscisa h) con la consiguiente renuncia del polvo a dejarse comprimir, es importante usar elevadas relaciones R / h , es decir, radios de compactación mucho mayores al espesor de entrada. El empleo del rodillo reduce al mínimo la resistencia de fricción y permite al sistema alcanzar interesantes rendimientos totales, con reducidas potencias instaladas.

En la práctica, resulta interesante utilizar una serie de rodillos de alturas decrecientes, envueltos por un material muy rígido; la suma de todo esto equivale a un rodillo de radio infinito, con evidentes ventajas sobre la eficacia de compactación.

En la figura 9 se ha representado la variación de las características h(x), d(x) y (x) en el caso de un plano inclinado constante de compactación, donde la función

R(x) asume la forma

Siendo x, la abscisa de inicio de contacto del polvo con el plano inclinado, definida por la geometría del sistema. En el caso presentado h,,=22 mm, = 14 mm y &= 300 mm.

Figura 9. Variación de h(x), d(x) y píx) (plano inclinado)

La precompactación continua tiene como finalidad la realización de baldosas o láminas cerámicas con efectos en la masa de particular valor.

Tal objetivo se consigue depositando sobre una cinta transportadora, con los oportunos dispositivos, una capa continua de polvo atornizado con los efectos decorativos deseados en todo el espesor (véase el esquema de la figura 10). Un dimensionado oportuno de la cinta transportadora del polvo permite aumentar en la medida deseada la complejidad de la decoración (en términos de sucesivas aplicaciones/elaboraciones) sin condicionar la productividad del sistema, que permanece a los valores máximos consentidos por las etapas sucesivas.

Después de haber atravesado las estaciones de aplicaciones/elaboraciones, la cinta transporta el polvo al interior del compactador continuo, obteniendo a la salida una banda continua compactada con valores de densidad y resistencia mecánica comparables a aquellos de las baldosas precompactadas con la tecnología TwinPressB.

De este modo, el polvo oportunamente depositado sobre la cinta transportadora se hace pasar a través del compactador sin movimientos o mezclados, permitiendo así "congelar" los efectos presentes y preservarlos inalterables para las sucesivas fases del ciclo de conformado.

Como última etapa del proceso, el material a la salida del sistema de precornpactación viene sometido a una operación de corte al vuelo transversal y de rectificación lateral, con la finalidad de obtener un formato rectangular idóneo para su introducción directa en el alvéolo de una prensa tradicional para la prensada definitiva.

Figura 10. Esquema de la precompactación continua

El corte viene realizado mediante discos diamantados rotativos a una elevada velocidad, y permite la obtención de una elevada precisión dimensional. En la figura 11 se ha representado la diferencia entre el perfil obtenido con la operación de corte al vuelo respecto a la geometría teórica deseada, para un formato final en cocido de 600x1200 mm. Cabe destacar que el error máximo de los lados más largos (cortados al vuelo) es de 0,35 mm sobre la longitud de alrededor de 1300 mm, y por tanto absolutamente aceptable en función de la sucesiva fase de reprensado. El error sobre los lados más cortos es prácticamente despreciable.

P p lo tantaJ hs fases del nuevo procesa de formau6n y decoración pueden reshnhe de la siguienle manera:

Alimentaciówdel polvo El polvo atomizado viene alimentado, mediante los oportunos sistemas de dosificación, directamente sobre la cinta transportadora; así se consigue fácilmente

realizar efectos en la masa (veteados, tonos, etc.) empleando numerosos dispositivos automáticos y robotizados.

Precom~actación continua La capa de polvo así depositada se precompacta entre dos cintas, hasta obtener una consistencia tal de poder ser transportada y trabajada mecánicamente.

Corte al v u e l ~ El material precompadado viene luego sometido a una operación de corte al vuelo transversal sin interrumpir el avance; al mismo tiempo se rectifican también los bordes con el fin de obtener una pieza de geometría bien definida.

Ulteriores decoraciones

La pieza precompactada viene transferida sobre rodillos donde puede ser ulterior- mente decorada en superficie, combinando las más variadas técnicas actualmente disponibles.

Prensada final Finalmente, la pieza precompactada y decorada se introduce en el molde y se realiza la prensada definitiva, hasta alcanzar valores de densidad y resistencia mecánica análogos a aquellos de las piezas tradicionales en gres porcelánico.

Figura 12. Esquema de la línea de precompactación contínua.

Figura 13. h e a de precompactación continua y sucesivas decoraciones y reprensada

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Los típicos productos valorizados por la tecnología de precompactación continua son las piezas de gres porcelánico (tanto de formato cuadrado como rectangular), carac-terizadas por las aplicaciones decorativas al pasar (tonalidades y manchas de colores, inclusiones y veteados sutiles), obtenidos mediante las cargas diferenciadas de polvo de pasta coloreada. La superficie del producto puede ser natural, satinada o pulida.

Figura 14. Ejemplos de productos obtenidos con la tecnologfa de precompactación continua

4. CONCLUSIONES

En el panorama de las nuevas tecnologías para la producción de piezas de gres porcelánico, el innovador sistema de precompactación continua representa sin duda un cambio radical con respecto a los tradicionales métodos de trabajo.

De hecho, todos los sistemas de compactación de polvo hoy utilizados preven la formación de piezas distintas y ciclos de elaboración discontinuos.

Un sistema de precompactación continua, sin embargo, constituye no sólo una novedad absoluta desde el punto de vista conceptual, sino que sobre todo adquiere una gran importancia práctica, ya que permite decorar libremente una capa de polvo en todo su espesor y sin ninguna repetitividad.

En sustancia, por un lado, el sistema de precompadación continua sustituye el carro de la prensa, permitiendo una absoluta libertad de carga del polvo, y por otro lado resuelve todos los problemas de la carga tradicional en cinta, ya que transfiere a la prensa no un polvo, sino un manufacturado inalterable en cuanto que está precompadado.

El objetivo que esta nueva tecnología se propone es la realización, a escala industrial, de baldosas cerámicas en gres porcelánico caracterizadas por una extraordinaria naturaleza estética.

[l] Kawakita, K. & Lüdde, K.H., "Some considerations on powder compression equations", Powder Technology, Volume 4, Issue 2, (Enero 1971), pp. 61-68