Sinterizado y Conformado de Plasticos

“Si buscas resultados distintos,

no hagas siempre lo mismo.”

Albert Einstein

UNIVERSIDAD NACIONAL DE PIURA INGENIERÍA MECATRÓNICA

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INDI CE

I. PROCESO DE SINTERIZADO ......................................................................................................................... 3

1.1 Introducción ..........................................................................................................................................3

1.2 Sinterizado ............................................................................................................................................3

1.3 Tipos de Sinterización ..........................................................................................................................7

1.3.1 SINTERIZACIÓN EN ESTADO SOLIDO (SSS) ................................................................................7

A. Definición. ....................................................................................................................................... 11

B. Etapas de la sinterización. .............................................................................................................. 14

(I).- PRIMERA ETAPA. FORMACIÓN DE CUELLOS (NECKING STAGE) ..................................... 17

(II).- SEGUNDA ETAPA. DENSIFICACIÓN Y CRECIMIENTO DE LOS GRANOS. ....................... 18

(III).- TERCERA ETAPA. FORMACIÓN DE POROSIDAD CERRADA. .......................................... 19

C. Energías Motrices de la Sinterización ............................................................................................ 20

1.3.2 SINTERIZACIÓN EN PRESENCIA DE FASE-LÍQUIDA (LPS) ........................................... 22

A. Características de la sinterización en presencia de fase líquida. .................................................. 24

Aumento de la densificación. .................................................................................................... 24

Fuerza motriz para la densificación. ......................................................................................... 25

Formación de la fase líquida. ................................................................................................... 26

Microestructuras. ...................................................................................................................... 27

B. Etapas de la sinterización en presencia de fase líquida. ............................................................... 28

1.4 Tecnología de Sinterización .............................................................................................................. 32

Continuos ...................................................................................................................................................... 32

Discuontinuos ............................................................................................................................................... 32

II. PROCESO DE CONFORMADO PARA PLÁSTICOS ............................................................................... 35

2.1 PROPIEDADES DE LOS POLÍMEROS FUNDIDOS ........................................................................ 36

2.1.1 Viscosidad ....................................................................................................................................... 36

2.1.2 Viscoelasticidad ............................................................................................................................... 38

2.1.3 Índice de flujo de la fusión ............................................................................................................... 39

2.2 EXTRUSIÓN ...................................................................................................................................... 39

2.2.1 Procesos y Equipos .............................................................................................................. 40

2.2.2 Configuraciones de los dados y productos extruidos ........................................................... 42

2.2.3 Defectos en la extrusión ....................................................................................................... 44

2.3 PRODUCCIÓN DE LÁMINAS Y PELÍCULAS ................................................................................... 45

2.4 PROCESOS DE RECUBRIMIENTO ................................................................................................. 49

2.5 MOLDEO POR INYECCIÓN ............................................................................................................. 50

2.5.1 Procesos y equipo ................................................................................................................ 51

2.5.2 El molde ................................................................................................................................ 55

2.5.3 Contracción ........................................................................................................................... 57

EJEMPLO 2.1 CONTRACCIÓN EN EL MOLDEO POR INYECCIÓN .............................................................. 58

2.5.4 Defectos en el moldeo por inyección .................................................................................... 59


2

2.6 MOLDEO POR COMPRESIÓN Y TRANSFERENCIA ...................................................................... 60

2.6.1 Moldeo por compresión ........................................................................................................ 60

2.6.2 Moldeo por transferencia ...................................................................................................... 62

2.7 MOLDEO POR SOPLADO Y MOLDEO ROTACIONAL ................................................................... 63

2.7.1 Moldeo por soplado .............................................................................................................. 63

2.7.2 Moldeo rotacional ................................................................................................................. 67

2.8 TERMOFORMADO ........................................................................................................................... 69

2.8.1 Termoformado al vacío ........................................................................................................ 69

2.8.2 Termoformado a presión ...................................................................................................... 69

2.8.3 Termoformado mecánico ..................................................................................................... 73

2.9 FUNDICIÓN (COLADO) DE PLÁSTICO ........................................................................................... 74

2.10 PROCESAMIENTO Y FORMADO DE ESPUMAS DE POLÍMEROS ............................................... 75

2.10.1 Procesos de espumado ........................................................................................................ 75

2.10.2 Procesos de conformado ..................................................................................................... 76

2.11 CONSIDERACIONES PARA EL DISEÑO DE PRODUCTOS .......................................................... 77

2.11.1 Consideraciones generales .................................................................................................. 77

2.11.2 Consideración para el proceso de extrución ........................................................................ 78

2.11.3 Consideración para el proceso de moldeo ........................................................................... 78

BIBLIOGRAFIA .................................................................................................................................................. 80


3

I. PROCESO DE SINTERIZADO

1.1 Introducción

La sinterización es el proceso que consigue obtener productos metálicos o cerámicos con formas y

propiedades prefijadas a partir del polvo o triturado elemental.

De forma genérica, la sinterización se aplica a la fabricación de piezas metálicas y cerámicas, siendo

fabricados por esta técnica el 1% de los productos cerámicos de aplicación industrial.

Los antecedentes históricos de la aplicación de la sinterización se encuentran en Egipto, 3000 años

AC, con piezas de hierro y en las civilizaciones precolombinas para la obtención de adornos de oro a partir

de granos de oro y plata como lingote. Incluso la celebre columna de Delhi de 6,5 toneladas fue fabricada,

300 años DC, a partir de polvos de hierro reducidos.

Sin embargo el moderno desarrollo de estas técnicas ha sido forzado por la necesidad de fabricar

ciertas piezas que no eran posibles por procesos alternativos. Es el caso de la obtención de filamentos

para lámparas incandescentes realizados por Coollige en los inicios del siglo XX a partir de polvos de

wolframio, y también la fabricación de plaquitas de cortes para herramientas tipo lidia a partos de carburos

metálicos sinterizados iniciada por Schroter en 1923.

Otro campo de aplicación ha sido la obtención de piezas con características especiales que no

pueden conseguir de otro modo, como es el caso de cojinetes porosos que se infiltran con lubricante,

trabajando en su servicio como elementos auto lubricante.

Compitiendo con otros procesos la sinterización permite obtener piezas con precios mas ventajosos

por su repercusión en ahorro de materias primas, de precisión dimensional, de disminución de

mecanizados, etc.…

1.2 Sinterizado

Definición ISO: Tratamiento térmico de un polvo o compacto a temperatura inferior a la de fusión del

principal constituyente, con el propósito de aumentar su resistencia a través de la unión de las

partículas.

F. Thümmler: Proceso de transporte de masa térmicamente activado que conduce al reforzamiento

entre las partículas y/o el cambio de la porosidad y su geometría, acompañada de una reducción de la

energía libre. En el proceso, puede tener lugar una fase líquida.

El sinterizado, o la sinterización, es el proceso de calentar los comprimidos crudos en un horno con

atmósfera controlada, hasta una temperatura al punto de fusión pero lo suficientemente alta como para

permitir la adhesión (fusión) de las partículas individuales. Antes de la sinterización el comprimido es frágil

y su resistencia, llamada resistencia en verde, es baja. La naturaleza y la resistencia de la unión entre las

partículas y, en consecuencia, del compactado sinterizado, dependen de los mecanismos de difusión, flujo

plástico, evaporación de materiales volátiles del comprimido, re-cristalización de granos y contracción de

poros.


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Figura 1.1 (a) Estado en verde (unión mecánica). (b) Estado Sinterizado (unión entre partículas)

Las variables principales en el sinterizado son la temperatura, el tiempo y la atmósfera del horno. Las

temperaturas de sinterizado (tabla 1.1) suelen ser de 70 a 90% del punto de fusión del metal o aleación.

Los tiempos de sinterizado (tabla 1.1) van de un mínimo de unos 10 minutos, para aleaciones de hierro y

cobre, hasta de 8 horas, para tungsteno y tántalo. Los hornos de sinterizado continuo, usado hoy para el

grueso de la producción, tiene tras cámaras:

Una cámara de quemado para volatilizar los lubricantes del comprimido crudo, para mejorar la

resistencia de adhesión y evitar la rotura.

Una cámara de alta temperatura para el sinterizado.

Una cámara de enfriamiento

Tabla 1.1 Temperatura y tiempo de sinterizado para diversos metales


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Figura 1.2.Cambios micro estructúrales que ocurren durante la cocción de un polvo compacto. (a) partícula

después del prensado. (b) Coalescencia de partículas y formación de poros a medida que empieza la

sinterización. (c) A medida que la sinterización ocurre, los poros cambian de tamaño y de forma

El mecanismo de sinterización se ilustra esquemáticamente en la figura. Después del prensado,

muchas de las partículas del polvo se tocan unas con otras. Durante la etapa inicial de la sinterización, se

forman cuellos a lo largo de las regiones de contacto entre las partículas adyacentes; además se forma un

límite de grano dentro de cada cuello y cada intersticio entre partículas se convierte en un poro. A medida

que progresa la sinterización, los poros se hacen menores y más esféricos. Micrográficas obtenidas por

microscopia electrónica de barrido de un material de aluminio sinterizada. La fuerza motriz para la

sinterización es la reducción del área total de las superficies de las partículas; las energías superficiales

son mayores que las energías de los límites de grano. La sinterización se realiza por debajo de la

temperatura de fusión, de manera que una fase liquida no este normalmente presente. El transporte de

masa necesario para afectar los cambios mostrados en la figura 1.2. Se realizan por difusión atómica

desde las regiones de las partículas hacia las regiones del cuello.

Otro método, todavía en fase experimental, es el sinterizado con chispa, en él, se ponen polvos

metálicos sueltos en un molde de grafito, se calientan con corriente eléctrica, se someten a una descarga

de gran energía y se compactan, todo ello es un paso. La descarga rápida expulsa los contaminantes(o

toda capa de oxido, como por ejemplo en el aluminio), de las superficies de las partículas, promoviéndose

así una buena liga durante la compactación, la temperaturas elevadas.

Propiedades mecánicas

Según la temperatura, el tiempo y la historia de procesamiento se pueden obtener distintas

estructuras y porosidades en un comprimido sinterizado, que permiten modificar sus propiedades. No se

puede eliminar por completo la porosidad, porque quedan huecos después de la compactación, pueden ser

huecos cerrados. En general, si la densidad del material es menor que el 80% de su densidad teórica, los

poros están interconectados. La porosidad es una característica importante en la fabricación de filtro y

cojinetes por metalurgia de polvos.


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En la tabla1.2 se muestran las propiedades mecánicas características de diversas aleaciones

sinterizadas con metalurgia de polvos. Obsérvese el efecto que tiene el tratamiento térmico sobre las

propiedades de los metales. Para evaluar las diferencias entre las propiedades de lo obtenido con

metalurgia de polvos, forjado y fundición en diversos metales y aleaciones, compárese esta tabla con las

de las partes I y II.

Se presentan los efectos de varios procesos sobre las propiedades mecánicas de una aleación de

titanio. Nótese que el titanio prensado isostaticamente en caliente tiene propiedades parecidas a las del

titanio fundido y forjado. Sin embargo, hay que recordar que es probable que los componentes formados

requieran(a menos que se hayan forjado de precisión hasta su forma neta) procesos adicionales del

maquinado que normalmente no requiere un componente fabricado con metalurgia de polvos. La

metalurgia de polvos se esta volviendo una alternativa competitiva con la mayor parte de las forjas

pequeñas.

Tabla 1.2 Propiedades mecánicas de algunos materiales fabricados con metalurgia de polvo

EJEMPLO: CONTRACCIÓN EN EL SINTERIZADO

En la liga en estado sólido durante el sinterizado de un comprimido verde de metal en polvo, la

contracción lineal es de 4%. Si la densidad sinterizada que se desea es 95% de la teórica metal ¿Cuál

debería ser la densidad del comprimido crudo?


7

Solución: La contracción lineal se define como delta L/L siendo L la longitud original.

Entonces, la contracción volumétrica durante el sinterizado es

(

)

(1.1)

El volumen del comprimido crudo debe ser mayor que el de la parte sinterizada, pero la masa no

cambia mucho durante la sinterización. En consecuencia, la ecuación anterior se puede reformular en

función de la densidad p:

(

)

(1.2)

por consiguiente:

( ) , es decir, 84%

1.3 Tipos de Sinterización

En función de sus parámetros:

Estado (líquido, sólido, supersólidus, reactiva)

Activación de la energía (tamaño de partícula, forma; sistema aleación).

Temperatura (ALTA T >80% Tf)

Atmósfera (vacío, Endo gas, inerte, N2-H2).

Presión (atmosférica, presión-asistida).

Horno (mufla, empujadores, rodillos, cinta, viga galopante).

1.3.1 SINTERIZACIÓN EN ESTADO SOLIDO (SSS)

Casi todos los cuerpos cerámicos deben ser sinterizados para producir una microestructura con las

propiedades requeridas. En la práctica, el ceramista, desea preparar un material con un conjunto particular

de propiedades, por lo que identifica la microestructura requerida y trata de diseñar las condiciones de

tratamiento que producirán dicha microestructura. El objetivo clave de los estudios de sinterización es, por

lo tanto, entender como las variables del proceso influyen en la evolución microestructural. De este modo,

información útil puede derivarse del esfuerzo práctico de diseñar condiciones de proceso para producir la

microestructura requerida.

Una aproximación al desarrollo de un entendimiento del proceso de sinterización es conectar el

comportamiento o cambios en el comportamiento durante la sinterización a variables y procesos

controlables. Esto puede alcanzarse empíricamente midiendo el comportamiento de sinterización bajo un

conjunto de condiciones controladas o teóricamente modelizando el proceso. Los análisis teóricos y

estudios experimentales realizados durante los últimos 50 años pasados han producido un excelente

entendimiento cualitativo de la sinterización en términos de las fuerzas motrices, los mecanismos y la

influencia de las principales variables del proceso como son: el tamaño de partícula, la temperatura y la

presión aplicada. Sin embargo, la base de datos y los modelos son mucho menos acertados en el


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suministro de una descripción cuantitativa de la sinterización para la mayor parte de los sistemas de

interés.

La tabla 1.3 listas algunos parámetros importantes en la sinterización que puede servir para ilustrar

el alcance del problema.

Tabla 1.3 Algunos parámetros importantes en el proceso de sinterización de cerámicas.

En general, el procesado y los parámetros de los materiales proporcionan un conjunto útil de

variables para los modelos experimentales y los estudios teóricos. Algunos parámetros, tales como la

temperatura de sinterización, la presión aplicada, el tamaño medio de partícula y la atmósfera gaseosa,

pueden ser controlados con la exactitud suficiente. Otros parámetros, como las características del polvo y

el empaquetamiento de las partículas, son más difíciles de controlar, pero tienen un efecto significativo

sobre la sinterización.

Existe una falta de información para parámetros fundamentales como son las energía de superficie

y de límite de grano y los coeficientes de difusión. Esta carencia de información unida a la complejidad de

los sistemas prácticos cerámicos hace que las predicciones cuantitativas del comportamiento durante la

sinterización sean muy difíciles hasta para los sistemas más simples.


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Para que la sinterización ocurra, debe haber una disminución en la energía libre del sistema. La

curvatura de las superficies libres y la presión aplicada, cuando sea usada, proporciona la motivación

principal o la fuerza motriz para que la sinterización tenga lugar. Sin embargo, para lograr el proceso dentro

de un tiempo razonable, también se debe considerar la cinética del transporte de materia. En las cerámicas

cristalinas, el transporte de materia ocurre, predominantemente, por la difusión de átomos, iones u otras

especies cargadas. La difusión en estado sólido puede ocurrir por varios caminos que definen los

mecanismos de difusión y, de ahí, los mecanismos de sinterización.

La velocidad de difusión depende del tipo y concentración de defectos en el sólido, entonces un

entendimiento de la estructura de los defectos y los cambios de su concentración (Química de los defectos)

es importante. También se debe entender como la química de los defectos se puede controlar por variables

claves en el proceso de sinterización como son: la temperatura, la atmósfera gaseosa del horno y los

solutos (dopantes).

Para predecir como depende la velocidad de sinterización de las variables de procesado primarias,

deben formularse ecuaciones para el flujo de materia, que deben solucionarse sujetas a las condiciones

límites o de frontera apropiadas. El transporte de materia puede verse en términos de flujo de átomos

(iones) o, equivalentemente, en términos del contraflujo de vacantes.

Siguiendo las leyes de Fick de la difusión,

*

( )( )+

(Primera Ley de Fick)

(Segunda Ley de Fick)

el flujo puede analizarse en términos del gradiente de concentración de la especie que se difunde,

pero las ecuaciones toman una forma más generalizada cuando se expresan en términos del potencial

químico ( energía libre molar de Gibbs). En este caso, el transporte de materia ocurre de las regiones de

potencial químico más alto a las regiones de potencial químico inferior. En los sólidos inorgánicos, los

diferentes iones o especies cargadas difunden a velocidades diferentes pero el transporte de materia debe

ocurrir de tal modo que la estequiometría y electroneutralidad de los sólidos se conserve. Por lo tanto, la

difusión de los iones esta acoplada y esta difusión acoplada se denominan como la difusión ambipolar.

Los fenómenos de sinterización en materiales policristalinos son bastante más complejos que

aquellos que tienen lugar en la sinterización viscosa de materiales amorfos debido a la disponibilidad de

varios caminos de transporte de materia y la presencia de fronteras o límites de grano. El transporte

de materia en la sinterización en estado sólido puede ocurrir por al menos seis caminos diferentes que

definen los mecanismos de sinterización. En la práctica, más de un mecanismo puede funcionar durante

cualquier régimen dado de sinterización y la presencia de múltiples mecanismos hace que se complicado el


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análisis de la velocidad de sinterización y la determinación de los mecanismos de sinterización.

Quizás la consecuencia más importante de la presencia de las fronteras de grano es que tenga lugar

el crecimiento de grano durante la sinterización, un proceso normalmente denominado en ingles como

“coarsening”. Este proceso de aumento del tamaño de grano proporciona una ruta alternativa por la cual se

puede reducir la energía libre del sistema en polvo, por lo tanto, esto reduce la fuerza motriz

para densificación.

En contraste con la sinterización en estado sólido, el análisis de la sinterización viscosa parece, en

principio, relativamente simple. El transporte de materia ocurre por un mecanismo de flujo viscoso, pero el

camino a lo largo del cual tiene lugar el flujo de materia no se especifica. En cambio las ecuaciones para el

transporte de materia se deducen tomando como base un concepto de balance de energía propuesto por

Frenkel, en el cual la velocidad de disipación de energía por el flujo viscoso es igual a la velocidad de

energía ganada por la reducción del área de la superficie. Los modelos basados en este concepto de

balance de energía son , generalmente, acertados en la descripción de la cinética de sinterización de

materiales amorfos.

Una teoría comprensiva de la sinterización debería ser capaz de describir enteramente el proceso

de sinterización, así como la evolución de la microestructura (por ejemplo, el tamaño de grano y de poro y

la distribución tamaños de grano y de poro). Sin embargo, en vista de la naturaleza compleja del proceso,

es improbable que tal teoría pueda ser desarrollada. Una aproximación más realista, que se puede adoptar,

es desarrollar primero de forma separada un entendimiento de los fenómenos de la densificación y del

aumento del tamaño de grano y luego explorar las consecuencias de su interacción.

Se han usado varias aproximaciones teóricas para analizar el proceso de densificación

durante la sinterización, incluyendo el empleo de modelos analíticos, leyes de escala y simulaciones

numéricas. Estas aproximaciones, en particular los modelos analíticos, han sido criticados porque las

simplificaciones drásticas que se asumen en los modelos los hacen inadecuados para predecir

cuantitativamente el comportamiento durante la sinterización de los sistemas en polvo reales.

Comúnmente, los modelos asumen un empaquetamiento uniforme de partículas esféricas del mismo

tamaño, la presencia de un solo mecanismo para el transporte de materia y ningún crecimiento de grano. A

lo más, los modelos proporcionan un entendimiento cualitativo de la sinterización. A pesar de esos

defectos, el papel de los modelos teóricos en el desarrollo del entendimiento de sinterización no debería

ser pasado por alto.

Otras aproximaciones, como las ecuaciones fenomenológicas y mapas de sinterización, intentan

representar los datos de la sinterización en términos de ecuaciones o diagramas, pero proporcionar muy

poca idea en el proceso.


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A. Definición.

Debido a su alto punto de fusión, dureza y fragilidad, los componentes cerámicos no pueden ser

fabricados por los procesos que se usan para los metales y polímeros. En la figura 1.3 puede verse un

esquema simplificado de la fabricación de los materiales cerámicos, del cual forma parte la sinterización.

Figura 1.3.- Esquema general del proceso de fabricación de materiales cerámicos.


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La sinterización es el proceso de tratamiento térmico (Cocción), con o sin aplicación de presión

externa, de un sistema de partículas individuales (metálicas, cerámicas, poliméricas) en forma de un

aglomerado poroso

compacto (previamente conformado), con el objeto de transformarlo en un producto denso que

evoluciona hacia un estado de máxima compactación (Reducción de la porosidad, tendiendo a que

sea nula) y resistente, como resultado de la unión entre las partículas adyacentes del material, sin que se

llegue a la fusión total.

La unión de las partículas se produce a una temperatura suficiente (T < TF) con el fin de estimular

los mecanismos de transporte de masa.

La sinterización puede ocurrir con la presencia o ausencia de una fase líquida. En el primer caso, se

denomina sinterización en presencia de fase líquida, donde las composiciones y temperaturas de

calentamiento son elegidas de tal forma que se origine un líquido durante el procesamiento. En ausencia

de una fase líquida, el proceso se denomina sinterización en estado sólido.

Tal definición del proceso de sinterización engloba los siguientes hechos o fenómenos, de

forma explicita o implícita:

(a) Necesidad de energía térmica (temperatura) para que el sistema evolucione (activación térmica).

(b) Se produce un aumento de la cohesión por formación de puentes o cuellos entre las partículas, que

llegan a "soldarse" en estado sólido unas a otras (solid-state sintering o diffusion bonding), como puede

apreciarse en la figura 1.4.

Figura 1.4.- Formación de cuellos debido a la sinterización.

(c) Se opera un proceso de densificación que elimina progresivamente la porosidad inicial.

(d) Las partículas individuales que integran, inicialmente el sistema, pueden ser de la misma ó diferente

naturaleza.

(e) La sinterización, para llevarse a cabo, no necesita del concurso de una presión externa aplicada, pero,


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eventualmente, con objeto de acelerar el proceso, pudiera hacerse use de ella (pressure sintering).

(f) Aunque el vocablo sinterización implica que, al menos, exista una fase sólida, durante el tratamiento

térmico, es posible (y muchas veces deseable ó necesario) la presencia de una fase liquida, de modo

transitorio (liquido reactivo) ó permanente (liquido de equilibrio) durante el proceso.

(g) Al final de la sinterización, el sistema no tiene por qué haber alcanzado el estado de energía libre

mínima pero, indefectiblemente, se encuentra mas cerca del que al principio.

Los cambios que tienen lugar durante el proceso de sinterización son:

(1).- Reducción de la energía interna del sistema de partículas inicial. Este tiende hacia un estado de

equilibrio que le confiere una estabilidad de forma y dimensiones.

(2).- Disminución de un modo importante de la porosidad inicial (cambios en la forma, tamaño y distribución

de los poros) (Figura 1.5).

(3).- Crecimiento de grano (cristal), con posibles recristalizaciones (cambios en el tamaño y la forma de los

granos (cristales)).

(4).- Cristalización o vitrificación parcial.

(5).- Difusión en estado sólido, líquido o gaseoso.

(6).- Cambios de fase.

(7).- Variación de las propiedades físicas (resistencia mecánica, conductividad térmica, traslucencia, etc)

Figura 1.5.- Cambios en la forma y tamaño de los poros durante el proceso de sinterización


14

En la cocción de los productos cerámicos, paralelamente a las reacciones quimico-fisicas que en ella

se desarrollan, que dan lugar a la formación de nuevas fases cristalinas y vítreas, tiene lugar una serie de

cambios microestructurales de la pieza. El cambio en la forma y tamaño de los poros es uno de los más

importantes, ya que gran parte de las propiedades físicas del producto cocido son dependientes de este

parámetro (resistencia mecánica, resistencia al choque térmico, resistencia a las heladas, expansión por

humedad, etc.).

Para aumentar el valor de algunas de las propiedades, es deseable eliminar tanta porosidad como

sea posible, lo que se consigue durante el tratamiento térmico, mediante la transferencia de materia de

unas partes a otras del compacto poroso y mediante la disminución de volumen.

B. Etapas de la sinterización.

Cuando dos o más partículas sólidas de un material capaz de sinterizarse se ponen en contacto y

son sometidas a un ciclo de cocción determinado, el comportamiento de estas se puede esquematizar en

tres etapas idealizadas: Inicial o formación de cuellos (Necking stage), intermedia (Densificación y

crecimiento de granos) y final (Formación de porosidad cerrada). En la tabla 1.3 se dan los cambios

microestructurales que se presentan en las etapas inicial, intermedia y final de la sinterización en el estado

sólido y en la figura 1.6 puede verse, de forma esquemática, el avance del fenómeno de la sinterización.

Tabla 1.3 Cambios microestructurales presentes en las diferentes etapas de la sinterización.

(i).- Primera etapa o inicial

Reordenamiento

Formación de cuellos o puentes (necking stage) entre partículas y su crecimiento.

Se presentan enlaces en los contactos entre las partículas. Relación (X/D) < 0.3

Formación de los límites de grano

Suavizado de la superficie de las partículas

Redondeo de los poros abiertos interconectados

Difusión de dopantes segregados

Disminución de la porosidad (< 12 %)

(ii).- Segunda etapa o intermedia (Cubre la mayor parte del proceso de sinterización)

Se produce una contracción de los poros abiertos por intersección con los límites de grano.

Crecimiento de cuellos

Crecimiento lento de granos.

Alta contracción (Densificación). La porosidad decrece significativamente.

Los poros van siendo esféricos y aislados

Fase continua de poros.


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(iii).- Tercera etapa o final

Final (1)

La densidad es, aproximadamente, del 92 % de la teórica (> 85 % en materiales heterogéneos)

Intenso crecimiento de granos.

Fase discontinua de poros (Formación de porosidad cerrada). Se forma poros aislados e interceptan

los límites de grano

Se produce una contracción de los poros a un tamaño limitado o incluso desaparecen

Eliminación de poros en las juntas de grano

Los poros mayores que los granos contraen relativamente lento

En general, hay movilidad de poros y borde de grano.

Final (2)

Aparecen rápidamente granos mucho mayores

Contracción lenta de los poros que se encuentran en el interior de los granos grandes.

Figura 1.6 Esquema de las etapas en la sinterización.

(a) Polvo de partida. Esferas tangentes

(b) Etapa inicial, Cerca del final de esta etapa las esferas comienzan a coalescer

(c) Etapa intermedia. Los granos adoptan la forma de un tetracaidecaedron, encerrando canales de

poros en los bordes de grano

(d) Etapa final. Los poros son inclusiones tetraédricas en los vértices donde se encuentran cuatro

tetracaidecaedros.


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Algunos de los parámetros asociados con las tres etapas idealizadas del proceso de sinterización se

resumen en la tabla 1.4 y en la figura 1.7 se da un ejemplo de microestructura real (Sección plana) de

compactos de polvo en las etapas inicial, intermedia y final.

Figura 1.7 Ejemplos de microestructuras reales (Secciones planas) para: (a).- Etapa inicial (b).- Etapa

intermedia (c).- Etapa final


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Tabla 1.4 Parámetros asociados con las etapas de sinterizacion de sólidos policristalinos.

(I).- PRIMERA ETAPA. FORMACIÓN DE CUELLOS (NECKING STAGE)

Esta etapa inicial tiene lugar, cuando las partículas comienzan a unirse entre si, mediante la

formación de cuellos (Figura 1.8). En este estado de la sinterización no tiene lugar un crecimiento

apreciable de los granos y la contracción macroscópica de la muestra es prácticamente inapreciable. Es

posible, sin embargo, seguir la sinterización en este estado, mediante la evolución de la superficie

específica de la muestra que disminuye mientras la sinterización avanza.

Figura 1.8 Formación de cuellos a partir de dos partículas esféricas. Cambios que ocurren durante la etapa inicial de la sinterización: (a) Partículas de partida (b) Reordenamiento (c) Formación de cuellos

Los radios de los cuellos, crecen en el estado inicial variando de cero a 0.2-0.3 del radio de las

partículas. Además, hay una menor rugosidad de las superficies. Durante este estado la densidad relativa

se incrementa del 60 al 65 %, esto es que hay una reducción lenta de la porosidad.


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(II).- SEGUNDA ETAPA. DENSIFICACIÓN Y CRECIMIENTO DE LOS GRANOS.

Paso a paso con el avance de la sinterización, se observa un crecimiento de los granos de

material, perdiendo estos su identidad. Los cuellos se engrosan creando una estructura tridimensional, en

la que las partículas tienden a redondear los espacios vacíos, formando una textura porosa.

Los poros en este estado tienden a formar una estructura continua y abierta. Con el

avance de la sinterización se puede alcanzar una densidad de material del 80 % a 90 % de la densidad

teórica. A partir de este momento se inicia la formación de poros cerrados, que conduce al estado final de

la sinterización.

El efecto macroscópico más característico en esta etapa de la sinterización, es una marcada

contracción de la muestra, que alcanza casi el valor final de todo el proceso. Paralelamente al aumento de

la contracción, tiene lugar una reducción intensa de la porosidad abierta y consecuentemente un aumento

de la densidad aparente del material (Figura 1.9).

Figura 1.9 Cambios que ocurren durante la segunda etapa de la sinterización: (a) Crecimiento de los cuellos y contracción de volumen (b) Alargamiento de los bordes de grano (c) Continua el crecimiento de los cuellos, el alargamiento de los bordes de grano y la contracción de volumen y hay un crecimiento de

grano.

Este estado intermedio se caracteriza por la presencia de canales de poros continuos, coincidentes

con las confluencias de tres partículas.


19

(III).- TERCERA ETAPA. FORMACIÓN DE POROSIDAD CERRADA.

En esta etapade la sinterización, los poros tienden a conseguir la forma esférica, perdiendo su

textura continua y se aíslan en la masa de la pieza. La velocidad de sinterización disminuye y el aumento

de la contracción de la pieza es mucho menos marcado que en la etapa anterior, hasta el punto de resultar

difícil determinar con exactitud cuando ha finalizado el proceso de sinterización.

Esta etapa final de la sinterización implica la eliminación de la porosidad final, que desaparece por la

difusión de vacantes a lo largo de las fronteras de grano. Por lo tanto, los poros deben permanecer cerca

de las fronteras de grano.

La eliminación de los poros y la difusión de vacantes se favorecen por el movimiento de las

fronteras de grano y el crecimiento controlado de grano. Sin embargo, si el crecimiento de grano es

demasiado rápido, las fronteras de grano pueden moverse más rápido que los poros y , por tanto, dejarlos

aislados dentro de un grano. Como el grano sigue creciendo, el poro cada vez está más lejos del borde de

grano y disminuye la posibilidad de su eliminación. Por lo tanto, el crecimiento de grano debe ser

controlado para alcanzar la máxima eliminaión de porosidad.

Las fronteras curvas de los granos se mueven de tal modo que posean un radio de curvatura más

grande, es decir, se enderezan. Esto sólo puede lograrse por el crecimiento de los granos. Los granos

más pequeños tienen un radio de curvatura más pequeño y, por tanto, más energía motriz para moverse,

cambiar de forma, y hasta ser consumido por los granos más grandes.

Los cambios físicos que ocurren durante la etapa final de la sinterizacion se ilustran en la figura

1.10. La distribución final de granos y poros se denomina microestructura.

Figura 1.10 Cambios que ocurren durante la etapa final de la sinterización: (a) Crecimiento de los granos y porosidad discontinua (b) Continúa el crecimiento de grano y se reduce la porosidad (c) Continua

el crecimiento de grano y se elimina la porosidad

Los canales de poros se rompen, formándose poros aislados. Esto comunmente ocurre cuando la

densidad de la muestra se ha incrementado ha ensidad teórica del material. Los poros

individuales son o de forma lenticular, si se sitúan sobre los bordes de grano, o redondeados, si se

distribuyen dentro de un grano. Una característica importante de este estado es el aumento en las

movilidades de los poros y de los bordes de grano, que tiene que ser controlado si se quiere alcanzar la

densidad teórica.


20

C. Energías Motrices de la Sinterización

La principal fuerza motriz de sinterización, es la disminución de la energía libre superficial de los

compactos debido a la transferencia de masa, provocada por el alto volumen de poros y que conduce a

una disminución del volumen total de la pieza.

La reducción de energía libre superficial

Compactos tienen un exceso de energía libre superficial, ↑↑ Σ/V. Si ↓Σ, se reduce la energía libre

superficial. Por lo tanto ∆G <0.

Esta fuerza motriz será mayor cuanto más pequeñas e irregulares sean las partículas

Termodinámicamente este fenómeno se explica en términos de la tensión superficial.

Las partículas tienen superficies curvas, que la sinterización intenta eliminar. Las superficies

almacenan una gran cantidad de Energía, y se curvan, la cantidad de superficie aumenta, y con ello la

energía almacenada

La presión en el interior de una superficie curva siempre es mayor que en el exterior,

independientemente de las fases que separa la superficie.

[

]

σ: Tensión de vapor de superficie

Ω: Volumen atómico

ϒ:Tensión superficial

R: Radios de curvatura principales

Ecuación de Laplace: La tensión de vapor

debida a la diferencia de energía superficial

entre el cuello y la superficie de la partícula

vale:

En la esfera R=R1=R2

En el cuello R1=x/2 y R2= -ρ

Si σ (cuello) < σ (esfera), crecen los cuellos


21

La tensión de vapor sobre zonas cóncavas, es menor que sobre zonas convexas.

La concentración de vacantes en zonas de cuellos, es mayor que en otras zonas sumidero de átomos mayor difusión


22

1.3.2 SINTERIZACIÓN EN PRESENCIA DE FASE-LÍQUIDA (LPS)

La sinterización en presencia de fase líquida (Liquid-phase sintering, LPS) es una técnica

importante para la obtención de componentes cerámicos densos a partir de piezas en verde de polvos

compactados. En muchos sistemas cerámicos la formación de una fase líquida se usa, comúnmente, para

ayudar a la sinterización y a la evolución microestructural. La cantidad de fase liquida oscila entre el 1 y el

20 % y se forma al calentar la mezcla de polvos cerámicos.

Varios sistemas cerámicos técnicamente importantes utilizan para su fabricación la sinterización en

presencia de fase liquida, entre ellos se pueden citar: sustratos de alúmina, juntas mecánicas, varistores

de óxido de cinc, enchufes y clavija de la luz de carburo de silicio, piezas estructurales de nitruro de silicio,

condensadores de titanato de bario, componentes piezoeléctricos de plomo-lantano-circonato-titanato

(PLZT) y materiales compuestos.

El propósito de la sinterización en presencia de fase líquida es:

1.- Aumentar la velocidad de densificación.

2.- Acelerar el crecimiento de grano.

3.- Producir propiedades específicas de los límites de grano.

Hay tres requisitos generales para la sinterización en presencia de fase liquida:

1. Debe de estar presente una fase liquida a la temperatura de sinterización.

2. La fase liquida debe mojar adecuadamente al sólido, es decir el ángulo de contacto ha de ser

pequeño.

3. La solubilidad del sólido en la fase liquida debe ser apreciable.

La tensión superficial de la fase líquida que se forma es un factor importante para determinar la

velocidad de sinterización. La distribución de la fase líquida y las fases sólidas resultantes de la

solidificación producida después del enfriamiento es crítica para lograr las propiedades requeridas

del material sinterizado. Usualmente, la cantidad de fase líquida formada durante la sinterización es

pequeña, típicamente, menor de unos pocos tantos por ciento en volumen.

La sinterización en presencia de fase líquida es particularmente efectiva para cerámicas tales como

Si3N4 y SiC, las cuales poseen un alto grado de enlace covalente y, por tanto, resulta complicado

densificarlas por sinterización en estado sólido. El proceso también es importante cuando el uso de la

sinterización en estado sólido es demasiado caro o se requieren altas temperaturas de fabricación.

Las dos principales ventajas de la sinterización en presencia de fase liquida son:

1. Mejora de la cinética de la sinterización.

2. Propiedades a medida.

Una desventaja de este tipo de sinterización es que la fase líquida usada para promover la

densificación, comúnmente, permanece como fase vítrea intergranular que puede degradar las

propiedades mecánicas a altas temperaturas tales como la resistencia a la fluencia y a la fatiga. Otra

desventaja es que las cerámicas densificadas por sinterización en presencia de fase liquida son


23

susceptibles de que su forma se distorsione y puede ser complicado controlar los parámetros de

sinterización debido a las complicaciones adicionales que supone la presencia de la fase liquida (por

ejemplo, la disolución y cristalización dependientes de la temperatura).

Algunos ejemplos de sistemas cerámicos con sinterización en presencia de fase líquida y sus

aplicaciones se dan en la tabla 1.5.

Tabla 1.5.- sistemas cerámicos con sinterización en presencia de fase líquida. Aplicaciones.

En contraste con los sistemas metálicos, los sistemas cerámicos se caracterizan por la presencia de

una fase viscosa en el límite de grano, una solubilidad mutua limitada, reacciones lentas entre los

constituyentes y propiedades anisotrópicas del material.

La sinterización en presencia de fase liquida inicialmente requiere la presencia de, al menos, dos

polvos sólidos mezclados homogéneamente (en seco o en húmedo), que posteriormente se conforman

(pieza en verde con una densidad relativa del 50-60 %) por distintas técnicas, como por ejemplo prensado

uniaxial, prensado isostático en frío (CIP), colado, moldeo por inyección, etc.

Un proceso relacionado es la sinterización activada en la cual pequeñas cantidades de aditivos que

segregan de forma significativa de los límites de grano pueden mejorar la velocidad de transporte de masa

a lo largo de los límites de grano, ocasionando una aceleración de la densificación a temperaturas por

debajo de la temperatura de formación de fase líquida del sistema. En los sistemas activados la cantidad

de aditivos es pequeña de tal modo que la presencia de una película de fase líquida sobre los límites de

los granos es difícil de detectar.

Si existe una cantidad de fase líquida del orden del 25-30 %, el reordenamiento de la fase sólida

asociada con el flujo de fase líquida puede conducir a un material completamente densificado. Tales

volúmenes de fase líquida se usan, comúnmente, en las cerámicas tradicionales a base de materiales

arcillosos tales como las porcelanas y en los carburos cementados. En las cerámicas tradicionales la fase

líquida son silicatos fundidos que permanecen en la fase vítrea después del enfriamiento, dando a los

materiales obtenidos una apariencia vítrea. Tales cerámicas se denominan vitrificadas y el proceso de

sinterización vitrificación.


24

A. Características de la sinterización en presencia de fase líquida.

Aumento de la densificación.

Comparada con la sinterización en estado sólido la presencia de fase líquida conduce a un aumento

de la densificación a través de:

(1) Mejora del reordenamiento de las partículas sólidas.

(2) Mejora del transporte de masa a través de la fase líquida.

En la figura 1.11 muestra un modelo idealizado de dos esferas en el cual se comparan los

aspectos microestructurales de la sinterización en presencia de fase líquida con la sinterización en estado

sólido. En la sinterización en presencia de fase líquida, asumiendo que esta moja y se extiende

recubriendo la superficie de las partículas sólidas, estas estarán separadas por un puente líquido.

La fricción entre las partículas se reduce de tal modo que ellas se reordenan más fácilmente bajo la

acción de las tensiones compresivas debidas a la capilaridad, ejercidas por la presencia de la fase líquida.

En la sinterización en estado sólido mediante la difusión a través de los límites de grano, un parámetro

importante que controla la velocidad de difusión es el producto del coeficiente de difusión en los límites de

grano, Dgb, por el espesor del límite de grano, gb.

En la sinterización en presencia de fase líquida el parámetro correspondiente es el producto del

coeficiente de difusión, DL, de los átomos de soluto en la fase líquida por el espesor del puente liquido,

gL. Puesto que, gL es, típicamente, varias veces más grande que gb y además la difusión a través de

la fase líquida es más rápida que a través de la fase sólida, la presencia de una fase líquida proporciona

un medio para aumentar el transporte de masa.

Figura 1.11 Modelo idealizado de dos esferas comparando los aspectos microestructurales de la sinterización: (a).- Sinterización en estado sólido, (b).- Sinterización en presencia de fase líquida.


25

Fuerza motriz para la densificación.

La Figura 1.12 ilustra, de forma simplificada, el contacto entre dos granos (También denominado el modelo de las dos esferas) representando el conjunto sólido-fase liquida-vapor.

Figura 1.12 Modelo clásico de dos esferas para la sinterización en presencia de fase liquida. La

fuerza laplaciana desarrolla en el contacto de los granos, debido a la curvatura de los meniscos de fase liquida, una tensión compresiva en dicho contacto.

La densificación durante la sinterización en presencia de fase liquida es conducida por la

fuerza motriz que minimiza la energía libre superficial del sistema. En general, el cambio de energía

libre ΔG al pasar de un configuración a otra (Figura 1.13) en un sistema sólido-liquido-vapor viene

dada por:

ΔG = ΔASV ϒSV + ΔASSϒSS + ΔASLϒSL + ΔALVϒLV (1.3)

Donde ΔASV, ΔASS, ΔASL, y ΔALV representan los cambios en las partículas superficiales ϒSV,

ϒSS, ϒSL, y ϒLV sus correspondientes energías de superficie. Si la fase liquida moja de manera

correcta a la sólida los términos ΔASV y ΔASS son poco importantes, igualmente si no hay crecimiento

de grano se puede despreciar el término correspondiente a ΔASL. Por consiguiente, ΔALV es el

término principal y la variable más importante para la determinación de la fuerza motriz para la

sinterización en presencia de fase liquida.

Figura 1.13 Esquema de la microestructura típica y tamaño de poro para las tres etapas de la sinterización.


26

Asumiendo que la fase líquida moja y se extiende recubriendo la superficie de las partículas

sólidas, la intercara sólido-vapor del sistema particulado y los poros se formarán en la fase líquida.

La reducción del partícula interfacial fase líquida-vapor proporcionará la fuerza motriz para la

contracción (Densificación) del sistema.

Para un poro de forma esférica de radio r presente en la fase líquida, la diferencia de presión a

través de la superficie curva viene dada por la ecuación de Young y Laplace:

(1.4)

Donde:

= Energía superficial especifica de la inter-cara liquido-vapor.

La presión en la fase líquida es más baja que en el interior del poro y, por tanto, este genera

una tensión de capilaridad de compresión sobre las partículas. Esta tensión de compresión debida

a la presencia de fase líquida es equivalente a colocar al sistema bajo una presión hidrostática

externa, cuya magnitud viene dada por la ecuación (1.4).

Tomando ϒLV 1 J/m2 y r 0.5 µm se obtiene Δp 4 MPa. Presiones de dicha magnitud

pueden proporcionar una fuerza motriz apreciable para la sinterización.

Formación de la fase líquida.

En la sinterización en presencia de fase líquida, la pieza en verde, en general, esta compuesta

por una mezcla de dos polvos: un componente mayoritario y un aditivo minoritario (Figura 1.14)

Figura 1.14 Mezcla de dos polvos: un componente mayoritario y un aditivo minoritario

Al calentar la mezcla el aditivo se funde o reacciona con una pequeña parte del componente

mayoritario formando un líquido eutéctico, lo que es muy común en los sistemas cerámicos, por

ejemplo MgO (CaO- SiO2) y ZnO (Bi2O3). En los sistemas que dependen de la formación de un

líquido eutéctico, los diagramas de fase juegan un papel importante en la selección del aditivo y en la

elección de las condiciones de cocción.

A pesar de la presencia de una fase líquida viscosa entre las partículas, la estructura no

colapsa, a menos que el volumen de fase líquida sea muy grande. Las tensiones de capilaridad,

relativamente grandes, debidas a la presencia de fase líquida mantienen a las partículas sólidas

juntas. La viscosidad efectiva del sistema es, sin embargo, mucho más baja que la de un sistema


27

similar sin presencia de fase líquida.

En la mayoría de los sistemas, la fase líquida persiste a lo largo del proceso de sinterización y

su volumen no cambia de forma apreciable. Esta situación se denomina sinterización con

presencia de fase líquida persistente. Durante el enfriamiento se forma una fase vítrea en los

límites de grano. En un número de sistemas pequeño la fase líquida puede estar presente en una

mayor porción del proceso de cocción pero luego desaparece por:

(1) Incorporación en la fase sólida dando lugar a una solución sólida, por ejemplo Si3N4

(Al2O3-AlN).

(2) Cristalización de la fase líquida, por ejemplo Si3N4 (Al2O3- Y2O3).

(3) Evaporación, por ejemplo BaTiO3 (LiF).

El término sinterización en presencia de fase líquida transitoria se usa para describir el

proceso de sinterización en el cual la fase líquida desparece antes de que se termine la cocción.

Microestructuras.

Además de cualquier tipo de porosidad que pueda estar presente, la microestructura de

los productos obtenidos por sinterización en presencia de fase líquida consiste de dos fases:

(1) Los granos cristalinos.

(2) La fase límite de los granos (fronteras de grano), resultado de la solidificación de la fase

líquida, la cual suele ser amorfa. Dependiendo de las tensiones interfaciales, esta fase puede

penetrar total o parcialmente en los límites de grano. Si la penetración es completa los granos están

separados unos de otros por una delgada capa de 1-5 nm.

Dependiendo de la composición de las partículas de sólido y de la fase líquida, pueden

observarse formas de grano variadas, que van desde las equiáxicas hasta las alargadas, con los

lados curvos o rectos (Facetados). Para los sistemas con energías interfaciales isotrópicas y con una

cantidad de fase líquida moderada (por encima de, aproximadamente 5 % en volumen), se observan

granos con forma redondeada (Figura 1.15.a), mientras que para contenidos más altos de fase

líquida, la forma de grano se hace esferoidal.

Para fracciones de volumen de fase líquida más bajas (menos del 2-5 % en volumen), los

granos sufren cambios considerables de la forma y desarrollan una morfología en la cual las

regiones de contacto entre granos vecinos son relativamente planas (Figura 1.15.b). Los cambios de

forma permiten a los granos empaquetarse de una manera más eficiente, fenómeno por lo general

descrito como acomodamiento de la forma de grano.

En sistemas con energías interfaciales no isotrópicas puede ocurrir un crecimiento de grano

anisotrópico y anormal. Los granos pueden tomar una forma prismática cuando el contenido de fase

líquida es alto (Figura 1.15.c), mientras que si el contenido de fase líquida es más pequeño pueden

observarse granos alargados con lados curvos o granos laminares con lados rectos (facetados)

(Figura 1.15.d).


28

Figura 1.15 Microestructuras comúnmente observadas de cerámicas producidas por sinterización de fase líquida. (a) Granos redondeados en una cantidad moderada de fase líquida (> 5 % vol); (b) Granos

con superficies de contacto planas en una fracción de volumen de fase líquida baja (<2 - 5 % vol) (c) Granos prismáticos resultado de una energía interfacial anisotrópica con un volumen de fase líquida de

moderada a alta (> 10 % vol); (d) Granos alargados con lados planos o curvos que son el resultado de una energía interfacial anisotrópica con un contenido de fase líquida bajo (<2-5 % vol).

B. Etapas de la sinterización en presencia de fase líquida.

En la mayor parte de los sistemas que presentan sinterización en presencia de fase líquida, las

reacciones químicas entre las partículas sólidas y la fase líquida son relativamente débiles, de modo

que las energías interfaciales tienen un efecto dominante sobre la velocidad de sinterización. En

estas condiciones, como se ilustra en la Figura 1.16, la sinterización en presencia de fase líquida,

puede dividirse en tres etapas dominantes distintas definidas según cual sea el mecanismo que

controla la velocidad de reacción. Al ir incrementándose la densidad, el mecanismo de densificación

cambia de forma progresiva según la secuencia:

(1) Redistribución del líquido y reordenamiento de las partículas sólidas bajo la influencia de

los gradientes de tensión debidos a la capilaridad

(2) Densificación y acomodación de la forma de grano por solución - precipitación

(3) Etapa final de la sinterización conducida por la porosidad residual en la fase líquida.

Eliminación final de los poros (o fase vapor)

Sin embargo, existe un solapamiento significativo en la conexión de las tres etapas. En

general, la velocidad de densificación disminuye de forma significativa al ir progresando el proceso

de sinterización, con unos valores típicos que varían desde 10-3/s hasta 10-6/s.


29

Figura 1.16 Papel de la densificación durante la sinterización en presencia de fase líquida como función del reordenamiento, solución-precipitación y eliminación final de los poros

(a).- Esquema de la microestructura típica y tamaño de poro para las tres etapas de la sinterización.

(b).- Densificación en función del tiempo de sinterización para el sistema Al2O3-MÁS (vidrio de

aluminosilicato de magnesio) sinterizado a 1600 ºC con un tamaño del polvo de alúmina de 3.6

µm. Volumen inicial de fase líquida, Vi0

= 5 % en volumen.

En la figura 1.17 se muestra la evolución esquemática, en función del tiempo, de un compacto

de polvos durante la sinterización en presencia de fase líquida.


30

Figura 1.17 Evolución esquemática de un compacto de polvos durante la sinterización en presencia de fase líquida.

Para describir de forma cuantitativa los tres regímenes del proceso de sinterización, Kwon y

Messing han desarrollado el diagrama ternario de la figura 1.18. Las etapas de la sinterización en

presencia de fase líquida y los mecanismos dominantes de la sinterización se ha representado como

una función de las fracciones de volumen relativas de sólido (VS), fase líquida (VL) y poros (VP). Los

cambios en las fracciones de volumen relativas durante la densificación en la sinterización en estado

sólido (SSS), sinterización en presencia de fase líquida (LPS), sinterización compuesta viscosa

(VCS) y sinterización vítrea viscosa (VGS) se muestran como lugares de densificación.

Para la sinterización en presencia de fase líquida (LPS) un compacto poroso de polvo

representado por el punto O se espera que densifique atravesando tres regiones que siguen

mecanismos consecutivos (regiones I, II y III de la figura 1.18, a lo largo de la flecha para darnos un

compacto denso representado por el punto Q. Entre las tres regiones pueden determinarse dos

límites mediante análisis geométricos de las estructuras compactas.

El reordenamiento de las partículas cesara cuando VS = 0.74, ya que se alcanza el

empaquetamiento compacto. Los límites para la densificación por solución-precipitación se

determinan de modo conservador mediante una región triangular (DEF en la figura 1.18):

0.74 VS 0.92

0 VL 0.20

0.08 VP 0.26

Cuando se va aumentando la temperatura del cuerpo en verde, puede ocurrir la sinterización

en estado sólido antes de la formación de la fase líquida, produciendo una densificación significativa

en algunos sistemas. Asumiendo un buen mojado entre el líquido y las partículas sólidas, una

densificación posterior ocurre como consecuencia de la fuerza capilar ejercida por la fase líquida

sobre las partículas. Las partículas se contraen cuando el sólido se disuelve en la fase líquida y

rápidamente se reordenan para producir una mayor densidad de empaquetamiento, liberando fase

líquida para llenar los poros entre las partículas


31

Figura 1.18.- Diagrama ternario mostrando las relaciones volumétricas de fase durante la densificación por SSS, LPS, sinterización compuesta viscosa (VCS) y sinterización viscosa vítrea (VGS). Las flechas representas lugares de cambio volumétrico de fases con una densidad inicial del compacto del 60 %. En la región LPS (ABCS), se destacan subdivisiones según los mecanismos dominantes: (I).- Reordenamiento (II).- Solución-precipitación (III).- Eliminación de poros.

Las tensiones capilares harán que el líquido se redistribuya entre las partículas y en los

pequeños poros, conduciendo a un posterior reordenamiento. Los puntos de contactos entre

aglomerados serán disueltos debido a su solubilidad más alta en la fase líquida, y los fragmentos

también experimentarán un reordenamiento. A través del proceso, la disolución de los bordes agudos

hará que las superficies de las partículas sean más suaves, reduciendo el partícula interfacial y

ayudando al reordenamiento del sistema. Al principio, el cambio ocurre rápidamente, pero al ir

progresando la densificación, la viscosidad del sistema, aumenta haciendo que la velocidad de

densificación disminuya continuamente.

Cuando la densificación por reordenamiento se reduce, aparecen los efectos dependientes de

la solubilidad del sólido en la fase líquida y predomina la difusividad en la fase líquida, comenzando

la segunda etapa denominada solución - precipitación. El sólido se disuelve en la inter-cara sólido-

fase líquida con un potencial químico más alto, difunde a través de la fase líquida y precipita sobre

las partículas en otros sitios con un potencial químico inferior. Un tipo de lugar de disolución es la

partícula de contacto mojada entre las partículas donde existe una tensión capilar debida a la fase

líquida o donde una tensión externa aplicada conduce a un potencial químico más alto.


32

La precipitación ocurre en sitios fuera del partícula de contacto. Para sistemas con una

distribución de tamaños de partícula, la materia también puede ser transportada de las partículas

pequeñas a las grandes por difusión a través de la fase líquida, mediante el proceso denominado

“maduramiento de Ostwald” El resultado neto es un engrosamiento de la microestructura.

La densificación por el mecanismo de solución-precipitación también viene acompañada por

cambios de la forma de los granos. Cuando la cantidad de fase líquida es grande, los granos suelen

tomar una forma redondeada (Figura 1.15.a). Sin embargo, si la cantidad de fase líquida es pequeña,

los granos desarrollan caras planas y toman la forma de un poliedro para alcanzar un

empaquetamiento más eficiente, dando lugar al proceso denominado como acomodamiento de la

forma de grano (Figura 1.15.b).

La etapa final de la sinterización en presencia de fase líquida esta controlada por la

densificación de la red esquelética formada por las partículas sólidas. Este proceso es lento debido a

las grandes distancias de difusión en la estructura de tamaño de grano grueso y el esqueleto rígido

formado por los granos sólidos en contacto. El mecanismo de maduramiento de Ostwald domina la

etapa final y los poros residuales se hacen más grandes si contienen gas atrapado, conduciendo al

hinchamiento del compacto. El engrosamiento viene acompañado por la acomodación de la forma de

grano, lo que permite un empaquetamiento más eficiente de los granos. El líquido puede ser liberado

de las regiones con un empaquetamiento más eficiente y puede fluir hacia los poros aislados,

conduciendo a la densificación.

Las etapas de la sinterización en presencia de fase líquida se resumen en la figura 1.17 El

grado en el cual cada etapa influye en la densificación depende de la fracción de volumen de fase

líquida. Cuando la fracción de volumen de líquido es alta, la densificación completa puede alcanzarse

por el proceso de reordenamiento solamente. Por otra parte, si el contenido de fase líquida es baja,

lo que es común para muchos sistemas, el esqueleto sólido inhibe la densificación, de modo que se

requieren el proceso solución- precipitación solución y la etapa final de la sinterización para lograr

una densificación posterior.

1.4 Tecnología de Sinterización Tipos de Horno

Continuos Discuontinuos

Grandes producciones, atmósfera controlada. Aplicaciones: componentes estructurales, metal duro, cojinetes…..

Cinta

Empujadores

Viga galopante

Rodillos

Mufla: mejor control de atmósfera. Metales refractarios, Carburos cementados Vacío: Metales refractarios, aceros inoxidables, aceros de herramientas, Carburos cementados.


33

Horno de Cinta: El horno de sinterizado sobre cinta (CBS, ingl. conveyor belt sintering) es una instalación

industrial muy difundida y es un estándar para las aplicaciones pulvimetalúrgicas. Por base, todos los modelos CBS son aptos para la aplicación de atmósferas de gas inerte. El calentamiento se efectúa, a elección, eléctricamente o mediante quemadores de gas indirectos .

Horno Continuo de Empuje: Estos hornos son usados a menudo para sinterizar piezas de acero inoxidable a temperaturas de alrededor de 1.350 °C con atmósfera 100% de Hidrógeno.


34

Horno Discontinuo de Vacio: La sinterización del vacío y enfriamiento del horno se utiliza principalmente en

la metalurgia de polvo del producto, la inyección de metal de la formación de producto, y la sinterización de la base de acero inoxidable, la aleación dura, la aleación de super, la alta proporción de aleación, el material de cerámica, el material magnético, el de neodimio hierro boro y así sucesivamente.

Horno Discontinuo de Mufla Los hornos de mufla están concebidos para realizar ensayos térmicos a muy altas temperaturas, así como calcinaciones y tratamientos en una gran variedad de sectores industriales y en investigación aplicada de materiales. Su construcción puede ser adaptada a cualquier tamaño y forma, tanto en lo que a compartimento de ensayo se refiere, como a estructura exterior.


35

II. PROCESO DE CONFORMADO PARA PLÁSTICOS

El término plástico en su sentido original se aplica a un material que puede hacerse fluir para poder

moldearse o modelarse. Esto es cierto en los metales, arcilla y otros materiales, pero el nombre ha

llegado a denominar en forma específica un grupo de sólidos orgánicos que pueden hacerse fluir con

facilidad mediante calor o presión o ambos en formas y darles un valor comercial.

Los plásticos en su mayor parte son productos de este siglo. Desde la antigüedad se han conocido

placas y betunes naturales. El celuloide fue descubierto por Hyatt en 1868 en la búsqueda para encontrar

un sustituto del marfil para hacer bolas de billar. La industria moderna del plástico principió con el

desarrollo de la baquelita por Baekeland en 1909. Desde entonces, el progreso ha sido rápido con más

de 30 familias químicamente distintas de plásticos, cientos de compuestos y miles de productos.

Los plásticos han tenido aceptación creciente ya que ofrecen combinaciones únicas con una

amplia variedad de propiedades que se ajustan en forma particular a muchos desarrollos modernos. Los

plásticos son de peso ligero; la mayoría pesan menos que el magnesio. Fuera de espumas plásticas

especialmente ligeras, la gravedad específica promedio es aproximadamente 1.4. Esto los hace

adecuados para guarniciones y accesorios en la aviación comercial y ha ayudado a aligerar muchos

implementos manuales. Los plásticos son buenos aisladores eléctricos a frecuencias bajas y altas y

tienen usos importantes en la industria eléctrica. También son buenos aisladores del calor. Algunos

soportan la intemperie bien y son muy resistentes a la corrosión y el ataque químico.

Las resistencias de los plásticos abarcan una amplia gama. La mayoría de estos materiales están

en el extremo bajo del rango, pero algunos tienen resistencias bastante altas. Su principal ventaja

estructural es una relación alta de resistencia a peso. La resistencia a la tensión de algunos plásticos es

sólo 7 MPa aproximadamente y la mayoría varían de 35 a 140 MPa, pero algunos plásticos reforzados

tienen resistencias que llegan hasta 3 GPa. Como ejemplo de la ventaja resistencia-peso, una epoxy

reforzada con tela tejida de vidrio con una resistencia a la tensión de 590 MPa y una gravedad especifica

de 1.85, tiene una relación de resistencia-peso de casi el doble que el acero de aleación tratado

térmicamente y solo un poco menos que una aleación de titanio con tratamiento térmico.

La mayoría de las propiedades mecánicas de los plásticos son inferiores a las de los metales. Los

plásticos están sujetos a cierta inestabilidad dimensional, con fluencia apreciable y flujo frío en todas las

temperaturas, y algunos se hinchan con la humedad. La expansión térmica es grande en comparación

con la de los metales. Las temperaturas más altas de trabajo varían desde 65 ºC hasta 315 ºC

aproximadamente. En la mejor condición, la resistencia a la fatiga y la rigidez de los plásticos están

bastante abajo de los metales.

La manufactura de los plásticos es económica porque la mayoría de los productos pueden ser

acabados por completo mediante moldeo y formado sin operaciones secundarias. Las operaciones de

moldeo y formado se ayudan por la facilidad de plegamiento y sensibilidad al calor; por ejemplo, una

parte plástica puede hacerse intrincada con más facilidad en un molde que una parte metálica.

Es frecuente que el moldeo deje un buen acabado en la superficie, además puede agregarse lustre

más brillante por un simple tratamiento con solvente o pulido. Están disponibles todos los colores. El color

se impregna en un objeto y es más duradero que la pintura. Algunos plásticos ofrecen verdadera

transparencia sin la fragilidad del vidrio, los recipientes plásticos han sustituido en gran parte a los de


36

vidrio. Es común el uso de materiales plásticos para revestimiento, protección y decoración.

El volumen total de polímeros (plásticos y hules) excede ahora al de los metales (el tonelaje es

todavía mucho menor debido a la densidad de los metales, aunque el volumen es considerablemente

mayor).

Aunque para formar plásticos se requiere usualmente el calentamiento, se necesita menos energía

que para los metales porque las temperaturas de procesamiento son mucho más bajas para los plásticos.

A causa de las bajas temperaturas usadas en el procesamiento, el manejo del producto se simplifica

durante la producción. Muchos métodos de procesamiento plástico son de una sola operación (por

ejemplo, moldeo) por tanto, el manejo de productos se reduce sustancialmente comparado con los

metales No se requiere acabado por pintura o depositación para los plásticos, excepto en circunstancias

inusuales.

Los dos tipos de plásticos son termoplásticos y termofijos La diferencia es que los termofijos

durante su calentamiento y conformación sufren un proceso de curado, que causa un cambio químico

permanente en su estructura molecular (encadenamiento transversal). Una vez que se han curado, no

pueden fundirse a través de recalentamiento. Por el contrario los termoplásticos no experimentan el

proceso de curado y su estructura química permanece básicamente sin cambio en los recalentamientos,

aun cuando se transformen de sólido a líquido. Los termoplásticos son los tipos comerciales más

importantes de los dos, comprenden más del 80% del tonelaje total de plásticos.

Se empezara examinando las propiedades de los polímeros fundidos; porque casi todos

los procesos de conformación de termoplásticos comparten el paso común de calentamiento del

plástico para hacer que éste fluya.

2.1 PROPIEDADES DE LOS POLÍMEROS FUNDIDOS

Para formar un polímero termoplástico, éste debe calentarse hasta que tome una consistencia

líquida. Esto es lo que se conoce como un polímero fundido, el cual exhibe varias propiedades que se

considerarán en esta sección.

2.1.1 Viscosidad Debido a su alto peso molecular, un polímero fundido es un fluido espeso con alta viscosidad.

La viscosidad, es una propiedad del fluido que relaciona el esfuerzo cortante experimentado durante el

flujo del fluido con la velocidad de corte. La viscosidad es importante en el procesamiento de polímeros,

debido a que la mayoría de los métodos de conformado Involucran el flujo de polímeros fundidos a

través de los pequeños canales o aberturas del dado. Las velocidades de flujo son frecuentemente

grandes, e implican altas velocidades de corte; y como los esfuerzos cortantes se incrementan con la

velocidad de corte, se requieren presiones significativas para realizar estos procesos.


37

FIGURA 2.1 Relaciones de viscosidad para fluidos newtonianos y un polímero fundido

típico.

La figura 2.1 muestra la viscosidad en función de la velocidad de corte para dos tipos de fluidos.

Para un fluido newtoniano (que incluye a los fluidos más simples como el agua y el aceite) la viscosidad

es una constante a una temperatura dada y no cambia con la velocidad de corte. La relación entre el

esfuerzo y la deformación cortante es proporcional, siendo la viscosidad la constante de proporcionalidad:

Ŷ (2.1)

Donde:

= esfuerzo cortante, N/m2;

= coeficiente de viscosidad de corte, Ns/m2 o Pa*s

Ŷ = velocidad de corte, seg-1

.

Sin embargo para un polímetro fundido la viscosidad decrece con la velocidad de corte, lo cual

indica que el fluido se hace más delgado a velocidades de corte más altas. Este comportamiento se llama

pseudoplasticidad y puede modelarse con una razonable aproximación mediante la expresión:

= k (Ŷ )n (2.2)

Donde: k = una constante correspondiente al coeficiente de viscosidad y

n = índice de comportamiento de flujo.

Para n=1 la ecuación se reduce a la ecuación previa (2.1) para un fluido newtoniano y k se vuelve n

para un polímero fundido, los valores de n son menores a 1.

Además del efecto de la velocidad de corte (velocidad de flujo del fluido), la temperatura afecta la

viscosidad de un polímero fundido. Como en la mayoría de los fluidos, su valor decrece al incrementarse

la temperatura. Esto se muestra en la figura 2.2 para varios polímeros comunes a una velocidad de

corte de 10 seg-1

. Esta velocidad de corte se aproxima a las que se encuentran en las operaciones de

moldeo por inyección y operaciones de extrusión a alta velocidad.


38

De esta manera vemos que la viscosidad de un polímero fundido decrece con valores crecientes

de velocidad de corte y temperatura. Nuestra ecuación previa (2.2) puede aplicarse, excepto que k

depende de la temperatura como se muestra en la figura 2.2.

FIGURA 2.2 Viscosidad en función de la temperatura para polímeros seleccionados a

una velocidad de corte de 103

seg-1

.

FIGURA 2.3 Dilatación en el dado, una manifestación de la viscoelasticidad en

polímeros fundidos, como se muestra aquí al salir del dado de extrusión.

2.1.2 Viscoelasticidad

Otra propiedad de los polímeros fundidos es la viscoelasticidad, un buen ejemplo es la dilatación en

el dado en la extrusión, en la cual, el plástico caliente se expande cuando sale de la abertura del dado. El

fenómeno, ilustrado en la figura 2.3, puede explicarse haciendo notar que el polímero estaba contenido en

una sección transversal mucho mas ancha antes de entrar al estrecho canal del dado. En efecto, el


39

material extruido recuerda su antigua forma y tiende a retornar a ella después de dejar el orificio del dado.

Técnicamente el esfuerzo de compresión que actúa en el material al entrar a la pequeña abertura del dado

no se releva inmediatamente. Cuando el material subsiguiente sale del orificio y se remueve la restricción,

los esfuerzos no relevados hacen que la sección transversal se expanda.

La dilatación en el dado puede medirse fácilmente para una sección transversal circular por medio

de la relación de dilatación, que se define como:

(2.3)

Donde:

rs = razón de dilatación,

Dx = diámetro de la sección transversal extruida, mm,

Dd = diámetro del orificio del dado, mm.

La cantidad de dilatación en el dado depende del tiempo que el polímero fundido permanece en el

canal del dado. La dilatación en el dado se reduce aumentando el tiempo en el canal, y esto se logra por

medio de un canal más largo.

2.1.3 Índice de flujo de la fusión El índice de flujo de la fusión es una medida ampliamente usada que relaciona el flujo y la

viscosidad característicos del polímero. El polímero se calienta en un cilindro a una temperatura T y luego

se hace fluir a través de la abertura del dado de un diámetro particular D, bajo una presión especificada. Los

parámetros del ensayo están normalizados por organizaciones tales como la ASTM. El índice de flujo de la

fusión IFF (en inglés melt flow index, MFI) se define Como el peso del material que fluye a través del orificio

del dado durante un periodo especificado.

El índice de flujo de la fusión mide una propiedad compleja que depende de la temperatura y de la

velocidad de corte. No debe usarse para comparar diferentes tipos de polímeros; sin embargo, es

apropiado para comparar diferentes grados del mismo polímero, por ejemplo polietileno. Para este

propósito, es un medio útil que distingue diferencias en el peso molecular de un polímero. A medida que

disminuye el MFI, el peso molecular y el grado de polimerización aumentan. La viscosidad de un polímero

fundido no depende solamente de la temperatura y de la velocidad de corte, sino también de su peso

molecular.

A continuación se analizaran los procesos de manufactura para plásticos, estos se clasifican en:

extrusión, producción de laminas y películas, procesos de recubrimiento, moldeo por inyección, moldeo

por compresión y transferencia, moldeo por soplado y moldeo rotacional, termoformado, procesamiento y

formado de espumas de polímeros,

2.2 EXTRUSIÓN

La extrusión es un proceso de compresión en el cual se fuerza al material a fluir a través del orificio


40

de un dado para generar un producto largo y continuo, cuya forma esta definida por la forma de la

sección transversal del orificio. Es un proceso de conformación para polímeros que se usa ampliamente

con termoplásticos y elastómeros (rara vez con termofijos) para producir masivamente artículos como

tubos, ductos, mangueras, perfiles estructurales (molduras de ventanas y puertas), láminas y películas,

filamentos continuos, recubrimientos de alambres y cables eléctricos. Para este tipo de productos, la

extrusión se lleva a cabo como un proceso continuo y se corta en las longitudes deseadas.

2.2.1 Procesos y Equipos

En la extrusión de polímeros el material en forma de pelets se alimenta a un cilindro de extrusión,

donde se calienta y se le hace fluir a través del orificio de un dado por medio de un tornillo giratorio

(gusano), como se ilustra en la figura 2.4. Los dos componentes principales del extrusor son el cilindro y el

tornillo. El dado no es un componente del extrusor, sino una herramienta especial que debe fabricarse

con el perfil particular a producir.

FIGURA 2.4 Componentes y características de un extrusor (de tornillo único) para

plásticos y elastómeros. La relación L/D está reducida para mayor claridad del dibujo.

El diámetro interno del cilindro extrusor fluctúa típicamente entre 25 a 150 mm. El cilindro es largo

con respecto a su diámetro con una relación L/D usualmente ente 10 y 30. Las relaciones más grandes

se usan para materiales termoplásticos, mientras que los valores más bajos de L/D son para elastómeros.

La tolva que contiene el material de alimentación se localiza en un extremo del cilindro. Los pelets se

alimentan por gravedad sobre el tornillo giratorio, que mueve el material a lo largo del cilindro. Se utilizan

calentadores eléctricos para fundir inicialmente los pelets sólidos; el mezclado y el trabajo mecánico

subsiguiente del material generan el calor adicional que mantiene la fusión. En algunos casos, el

mezclado y la acción cortante generan el calor suficiente, de manera que no se requiere calentamiento

externo. De hecho, en algunos casos el cilindro debe ser enfriado externamente para prevenir el

sobrecalentamiento del polímero.

El material se transporta a través del cilindro hacia la abertura del dado por la acción del tornillo

extrusor, que gira aproximadamente a 60 rev/min. El tornillo tiene varias funciones y se divide en


41

secciones que corresponden a cada función. Las secciones y las funciones son: 1) Sección de

alimentación, en la cual el material se mueve desde la puerta de la tolva y se precalienta; 2) sección de

compresión; donde el polímero adquiere una consistencia líquida, el aire atrapado entre los pelets se

extrae de la fusión y el material se comprime y 3) sección dosificadora; en la cual se homogeneiza la

fusión y se desarrolla suficiente presión para bombearla a través del orificio del dado.

FIGURA 2.5 Detalles de un tomillo extrusor dentro del cilindro.

La operación del tornillo está determinada por su geometría y su velocidad de rotación. La

geometría típica de un tornillo extrusor se describe en la figura 2.5. El tornillo consiste en paletas o

aspas espirales (roscas) con canales entre ellas, que conducen el polímero fundido. El canal tiene un

ancho Wf y una profundidad dc , Al girar el tomillo, las paletas empujan el material hacia adelante a través

del canal desde la tolva hasta el dado, Aunque no se aprecia en el diagrama, el diámetro de la paleta es

más pequeño que el del cilindro D con un pequeño claro de aproximadamente 0.05mm. La función de

este claro es limitar la fuga de la fusión hacia atrás, a través del canal conductor. La pared de la paleta

tiene un ancho Wf, y está hecha de acero endurecido para resistir el desgaste al girar y al rozar contra el

interior del cilindro. El tornillo tiene un paso, cuyo valor es generalmente cercano al diámetro D. El ángulo

de la paleta A es el ángulo de la hélice del tornillo y puede determinarse mediante la relación:

(2.4)

El incremento de presión que se aplica al polímero fundido en las tres secciones del cilindro se

determina en gran parte por la profundidad del canal dc. En la figura 2.4, dc es relativamente grande en la

sección de alimentación para permitir la admisión de grandes cantidades de polímero granular en el

cilindro. En la sección de compresión, dc se reduce gradualmente, aplicando así presión creciente en el

polímetro al ser fundido. En la sección dosificadora, dc es pequeño y la presión alcanza un máximo al

restringirse el flujo por el empaque de la pantalla y la placa de sostén. En la figura 2.4, las tres secciones

del tornillo se muestran iguales en longitud; esto es apropiado para un polímero que funde gradualmente


42

como el polietileno de baja densidad PEBD (en inglés LDPE). Para otros polímeros, las longitudes

óptimas de las secciones son diferentes. Para polímeros cristalinos como el nylon, la fusión ocurre más

bien abruptamente en un punto específico de fusión, en consecuencia es apropiada una sección corta de

compresión. Los polímeros amorfos como el cloruro de polivinilo funden más lentamente que el LDPE, y

la zona de compresión para estos materiales debe tomar casi la longitud entera del tornillo. Aunque el

diseño óptimo del tornillo para cada tipo de material es diferente, es una práctica común usar tornillos de

propósito general. Estos diseños representan un compromiso entre los diferentes materiales y se evita la

necesidad de hacer frecuentes cambios de tornillo, asociados con los paros del equipo.

El avance de los polímeros a lo largo del cilindro conduce finalmente a la zona del dado. Antes de

alcanzar el dado, la fusión pasa a través de una malla la cual es una serie de cribas de alambre

soportadas por un plato rígido (llamado plato rompedor) que contiene pequeños agujeros axiales. La

malla funciona para 1) filtrar contaminantes y terrones duros de la fusión, 2) acumular presión en la

sección dosificadora y 3) enderezar el flujo del polímero fundido y borrar su memoria del movimiento

circular impuesto por el tornillo. Esta última función se relaciona con la propiedad viscoelástica del

polímeros; si el flujo no fuera enderezado hacia la izquierda, el polímero podría recuperar sus giros dentro

de la cámara de extrusión, tendiendo a crecer y a distorsionar la extrusión.

Lo que hemos descrito hasta aquí es una máquina convencional de extrusión de tornillo simple. Es

necesario mencionar los extrusores de tornillo doble porque estos ocupan un lugar importante en la

industria. En estas máquinas, los tornillos son paralelos dentro del cilindro. Los extrusores de tornillos

gemelos parecen especialmente adaptados para el PVC rígido, un polímero difícil de extruir normalmente

y para materiales que requieren un mayor mezclado

2.2.2 Configuraciones de los dados y productos extruidos

La forma del orificio del dado determina la forma de la sección transversal de la extrusión. Los

perfiles comunes del dado y las formas correspondientes de las extrusiones son: 1) perfiles sólidos; 2)

perfiles huecos, tubos por ejemplo; 3) láminas y películas; 4) recubrimientos de cables y alambres. Las

primeras dos categorías se cubren en la presente sección. En la sección 2.3.3 se examinan métodos de

producción de láminas y películas y en la sección 2.3.4 se describe el proceso de recubrimiento.

Perfiles sólidos: Los perfiles sólidos incluyen formas regulares, como secciones redondas,

cuadradas e irregulares, como los perfiles estructurales, molduras para puertas y ventanas, accesorios

automotrices y chapas domésticas. En la figura 2.6 se ilustra una vista lateral de la sección de un dado

para producir estas formas sólidas. Al final del tornillo y antes del dado, la fusión de polímero pasa a

través de un empaque cernidor y de una placa rompedora para enderezar las líneas de flujo. Luego fluye

hacia el interior de la entrada convergente del dado, forma diseñada generalmente para mantener el flujo

laminar y evitar los puntos muertos en las esquinas que podrían presentarse cerca del orificio. La fusión

fluye entonces a través de la abertura misma del dado.


43

FIGURA 2.6 (a) Vista lateral de la sección de un dado de extrusión para formas sólidas

regulares como material redondo; (b) vista frontal del dado con el perfil de la extrusión.

La dilatación en el dado es evidente en ambas vistas. Algunos detalles de la

construcción del dado están simplificados o se omiten para mayor claridad.

Cuando el material deja el dado todavía está suave. Los polímeros con alta viscosidad de fusión,

son los mejores candidatos para la extrusión, ya que durante el enfriado mantienen mejor la forma. El

enfriado se realiza por soplo de aire, por rociado con agua o pasando la extrusión en una cuba o depósito

de agua. Algunas veces se estira la extrusión para compensar la expansión de la dilatación en el dado.

FIGURA 2.7 (a) Sección transversal del dado mostrando el perfil requerido para obtener

(b) un perfil cuadrado de extrusión.

Para formas no redondas, la abertura del dado se diseña con una sección ligeramente diferente del

perfil deseado, así el efecto de la expansión en el dado provee la corrección de la forma. Esta corrección

se ilustra en la figura 2.7 para una sección cuadrada. La forma de la sección del dado depende del

material a extruir, ya que los diferentes polímeros exhiben diferentes grados de dilatación en el dado. Se

requiere considerable habilidad y juicio para diseñar un dado para secciones transversales complejas.


44

FIGURA 2.8 Vista lateral del corte de un dado de extrusión para formar secciones huecas

como ductos y tubos; la sección A-A es una vista frontal que muestra Cómo se sujeta el

mandril en su lugar; la sección B-B muestra la sección transversal tubular poco antes de

salir del dado; la dilatación en el dado causa una dimensión mayor en el diámetro.

(Algunos detalles de construcción están simplificados.)

Perfiles huecos: La extrusión de perfiles huecos, como tubos, ductos, mangueras y otras

secciones similares, requiere un mandril para dar la forma hueca. Una configuración típica del dado se

ilustra en la figura 2.8. El mandril se mantiene en su lugar usando una araña, como se muestra en la

sección A-A de la figura. El polímero fundido fluye alrededor de las patas que soportan el mandril para

volver a reunirse, formando la pared monolítica del tubo. El mandril incluye frecuentemente un canal a

través del cual se sopla aire para mantener la forma hueca de la extrusión durante el endurecimiento. Los

tubos y ductos se enfrían usando cubas abiertas de agua o jalando la extrusión suave mediante tanques

llenos de agua con mangas calibradoras que limitan el diámetro exterior del tubo, mientras se mantiene la

presión de aire en el interior.

2.2.3 Defectos en la extrusión

Los productos de extrusión pueden sufrir numerosos defectos. Uno de los peores es la fractura de

fusión, en la cual los esfuerzos que actúan sobre la fusión inmediatamente antes y durante el flujo, a

través del dado, son tan altos que causan rupturas que originan una superficie altamente irregular. Como

se indica en figura 2.9, la fractura de fusión puede ser causada por una aguda reducción en la entrada

del dado que causa un flujo turbulento y rompe la fusión. Esto contrasta con el flujo laminar uniforme en el

dado gradualmente convergente de la figura 2.6.


45

FIGURA 2.9 Fractura de la fusión causada por flujo turbulento en la fusión a través de una aguda reducción a la entrada del dado.

FIGURA 2.10 (a) Perfil de velocidades de la fusión al fluir a través de la abertura del dado, el cual puede conducir

al defecto llamado piel de tiburón y (b) formación del tallo de bambú

Un defecto muy común en extrusión es la piel de tiburón, en la cual la superficie del producto se

arruga al salir del dado. Conforme la fusión atraviesa la abertura del dado, la fricción con la pared

produce un perfil diferencial de velocidades a través de la sección transversal (figura 2.10). Esto ocasiona

esfuerzos tensiles en la superficie del material que se estira para igualar el movimiento más rápido del

núcleo central. Estos esfuerzos causan rupturas menores que arrugan la superficie. Si el gradiente de

velocidad se vuelve más grande, se forman marcas prominentes en la superficie que dan la apariencia de

un tallo de bambú de aquí el nombre de este defecto más severo.

2.3 PRODUCCIÓN DE LÁMINAS Y PELÍCULAS

Las láminas y películas termoplásticas se producen por numerosos procesos, los más importantes

son los basados en el proceso de extrusión. El término lámina u hojas se refiere a los materiales con un

espesor entre 0.5 mm hasta cerca de 12.5mm y se usan para productos tales como cristales planos de

ventana y material para termoformado (sección 2.8). El término película se refiere a espesores por

debajo de 0.5mm. Se usan películas delgadas para material de empaque (envolturas, bolsas para

abarrotes y bolsas de basura); las aplicaciones de películas mas gruesas incluyen cubiertas y

revestimientos, por ejemplo cubiertas para piscinas y revestimientos para canales de irrigación.

Todos los procesos que se exponen en esta sección son continuos, operaciones de alta

producción. Más de la mitad de las películas producidas hoy en día se hacen de polietileno, en su


46

mayoría de baja densidad. El polipropileno, el cloruro de polivinilo y la celulosa regenerada (celofán) son

otros materiales ampliamente utilizados, todos ellos son polímeros termoplásticos.

Extrusión de lámina y película con dado de rendija: Las láminas y las películas se producen en

varios espesores mediante extrusión convencional, usando un dado cuya abertura tiene la forma de una

rendija delgada. La rendija puede tener hasta 3m de largo con un ancho cercano a 0.04mm.

FIGURA 2.11 Configuración para la extrusión de láminas y películas.

En la figura 2.11, se ilustra una configuración posible del dado. Éste incluye un conducto

distribuidor que extiende la fusión de polímero lateralmente, antes de que fluya a través de la rendija

(orificio delgado).Una dificultad del método de extrusión es la uniformidad del espesor a lo ancho del

material. Esto se debe al cambio drástico de forma que experimenta la fusión de polímero durante su

paso a través del dado y a las variaciones de la temperatura y de la presión en el dado. Generalmente,

los bordes de la película deben recortarse debido a que su espesor es más grande. Para ayudar a

compensar estas Variaciones los dados incluyen labios ajustables (no mostrados en el diagrama) que

permiten alterar el ancho de la rendija.

Para alcanzar altas velocidades de producción es necesario incorporar al proceso de extrusión,

métodos eficientes de enfriamiento y recolección de la película; esto se logra conduciendo

inmediatamente la extrusión hacia un baño de temple con agua o sobre rodillos refrigerados corno se

muestra en la figura 2.12. El método de los rodillos refrigerados parece ser el más importante

comercialmente. Las bajas temperaturas de los rodillos provocan el rápido enfriamiento y solidificación en

la extrusión, de hecho, el extrusor sirve como un dispositivo de alimentación de los rodillos refrigerantes,

pero éstos son los que realmente forman la película El proceso es notable por sus altas velocidades de

producción de hasta 5m/s. Además pueden lograrse estrechas tolerancias en el espesor de la película.

Debido al método de enfriamiento usado en este proceso se le conoce como extrusión con rodillos

refrigerantes.


47

FIGURA 2.12 (a) Uso de baño de enfriamiento rápido o (b) rodillos refrigerantes pala

solidificar 1,1 película, fundida después de la extrusión.

Proceso de extrusión de película soplada: Éste es otro proceso ampliamente utilizado para

hacer películas delgadas de polietileno para empaque. Su complejidad combina la extrusión y el soplado

para producir un tubo de película delgada; a continuación se describe con referencia al diagrama de la

figura 2.13. El proceso empieza con la extrusión de un tubo que se estira inmediatamente hacia arriba, y

aún fundido, se expande simultáneamente su tamaño por inflado de aire través del mandril del dado. Una

línea del nivel de penetración de una temperatura más baja ("frost líne") marca la posición donde ocurre

la solidificación del polímero a lo largo de la burbuja que se mueve hacia arriba. La presión de aire dentro

de la burbuja tiene que ser constante para mantener uniforme el espesor de la película y el diámetro del

tubo. Los rodillos de presión, que aprietan otra vez el tubo antes de que haya enfriado, mantienen el aire

dentro del tubo. Los rodillos guía y los rodillos de compresión se usan también para limitar el tubo soplado

y dirigirlo hacia los rodillos de compresión. El tubo plano es entonces enrollado en un carrete final.

El efecto que produce el soplado con aire es estirar la película en ambas direcciones mientras se

enfría. Como resultado, la película adquiere propiedades de resistencia isotrópica, esto representa una

ventaja sobre otros, procesos en los cuales el material se estira principalmente en una sola dirección. La

facilidad con que puede cambiarse la velocidad de extrusión y la presión de aire para controlar el ancho y

el calibre del material, son otras ventajas del proceso. Comparándolo con la extrusión en dado de rendija,

el método de película soplada produce películas más fuertes (por eso puede usarse una película más

delgada para empacar un producto), pero el control del espesor y la velocidad de producción son bajas.

La película soplada final puede dejarse en forma tubular (por ejemplo para bolsas de basura) o pueden

cortarse los bordes para suministrar dos películas delgadas paralelas.


48

FIGURA 2.13. Proceso de soplado de película delgada tabular para alta producción.

Calandrado: El calandrado es un proceso para producir hojas y películas de hule o termoplásticos

anulados como el PVC plastificado. En el proceso se pasa el material inicial a través de una serie de

rodillos que trabajan el material y reducen su espesor al calibre deseado. Una disposición típica se ilustra

en la figura 2.14. El equipo es costoso, pero las velocidades de producción son altas; son posibles

velocidades que se aproximan a 2.5m/seg. Se requiere un estrecho control sobre las temperaturas de los

rodillos, presiones y velocidades de rotación. El proceso es notable por su buen acabado superficial y alta

precisión de calibración en la película. Los productos plásticos hechos por el proceso de calandrado

incluyen cubiertas de PVC para pisos, cortinas para baños, manteles de vinilo, cubiertas de piscinas,

botes inflables y juguetes.


49

FIGURA 2.14 Una configuración típica de los rodíllos en calandrado.

2.4 PROCESOS DE RECUBRIMIENTO

El recubrimiento de plásticos (o hule) involucra la aplicación de una capa de un polímero sobre un

material. Se distinguen 3 categorías: 1) recubrimiento de alambres y cables; 2) recubrimiento planar, el

cual involucra el recubrimiento de una película plana; y 3) recubrimiento de contorno, el recubrimiento de

un objeto de tres dimensiones.

Recubrimientos de alambres y cables: El recubrimiento de alambres y, cables aislados es uno de

los procesos de extrusión de polímeros más importante. Como se muestra en la figura 2.15 para

recubrimiento de alambre. La fusión de polímero se aplica al alambre desnudo, mientras ésta pasa a alta

velocidad a través del dado. Se aplica un ligero vacío entre el alambre y el polímero para propiciar la

adición del recubrimiento. El alambre provee la rigidez necesaria durante el enfriamiento, al pasarlo ya

recubierto a través de una cuba de agua. El producto se enreda en grandes, carretes a velocidades hasta

de 50 m/seg.

FIGURA 2.15 Vista lateral del corte de un dado para recubrimiento de alambre eléctrico

por extrusión. Algunos detalles de construcción están simplificados.


50

El recubrimiento planar: se usa para recubrir telas, papel, cartón y hojas metálicas; estos artículos

constituyen los productos principales, de algunos plásticos. Los polímeros importantes incluyen al

polietileno y al polipropileno, y con aplicaciones de menor importancia al nylon, al PVC y al poliéster. En

muchos casos, el recubrimiento es solamente de 0.01 a 0.05 mm de grueso. Las dos técnicas más

importantes de recubrimiento planar se ilustran en la figura 2.16. En el método de rodillos, el

recubrimiento del material de polímero se comprime contra el sustrato por medio de rodillos opuestos. En

el método del bisturí, un borde afilado controla la cantidad de fusión de polímero que se aplica sobre el

sustrato. En ambos casos, el material de recubrimiento se alimenta ya sea por un proceso de extrusión

con dado de rendija o por calandrado.

FIGURA 2.16 Proceso de recubrimiento plano: (a) método de rodillos y (b) método de

bisturí (Doctor blade),

El recubrimiento de contorno: para objetos tridimensionales se puede realizar por inmersión o

por aspersión. La inmersión implica sumergir el objeto en un baño apropiado de fusión o solución de

polímero, aplicando en seguida un enfriamiento o secado. La aspersión es un método alternativo para

aplicar un recubrimiento de polímero a un objeto sólido, como pintura con pistola de aspersión o

atomizador.

2.5 MOLDEO POR INYECCIÓN

El moldeo por inyección es un proceso en el que un polímero se calienta hasta un estado

altamente plástico y se hace fluir bajo alta presión dentro de la cavidad de un molde donde solidifica La

parte moldeada, llamada moldeo se remueve entonces de la cavidad. El proceso produce componentes

separados o discretos que son casi siempre formas netas. La duración del ciclo típico de producción es

de 10 a 30 segundos, aunque no son raros los ciclos de un minuto o mayores. El molde también puede

tener más de una cavidad, de manera que se pueden producir múltiples piezas moldeadas en cada ciclo.

El moldeo por inyección puede producir formas intrincadas y complejas, la limitación es la

capacidad de fabricar un molde cuya cavidad tenga la misma forma que la pieza; además, el molde debe

propiciar la remoción de la pieza. Los tamaños pueden variar desde unos cuantos gramos hasta unos 23


51

Kg., el límite superior está representado por componentes como puertas de refrigerador y defensas de

automóviles. El molde de inyección es la herramienta especial que determina la forma y el tamaño de la

pieza. Para partes grandes y complejas puede costar varios cientos de dólares. Para partes pequeñas

puede construirse con múltiples cavidades, pero también es costoso. El moldeo por inyección sólo es

económico para producción a gran escala.

2.5.1 Procesos y equipo

El equipo para el moldeo por inyección evolucionó a partir de la fundición de metales en dados. En

la figura 2.17 se muestra una máquina grande de moldeo por inyección. Una máquina de moldeo por

inyección, como se ilustra en nuestra figura esquemática 2.18, consiste en dos componentes principales:

1) la unidad de inyección del plástico y 2) la unidad sujetadora del molde.

FIGURA 2.17 Una máquina de moldeo por inyección con 3000 ton de capacidad

(cortesía de Cincinatti Milacron).


52

FIGURA 2.18 Diagrama de una máquina de moldeo por inyección de tornillo

reciprocante, algunos detalles mecánicos están simplificados.

La unidad de inyección: se parece mucho a un extrusor. El sistema está formado por un cilindro

conectado, en uno de sus extremos a una tolva de alimentación que contiene una provisión de pelets de

plástico. Dentro del cilindro hay un tornillo cuya operación supera a la del tornillo de extrusión en el

sentido de que además de girar para mezclar y calentar él polímero, también actúa como un émbolo que

mueve rápidamente el plástico fundido hacia adelante para inyectarlo en el molde. Una válvula de no

retorno, montada cerca de la punta del tornillo, previene que la fusión fluya hacia atrás a lo largo de la

rosca del tornillo. Al final del ciclo de moldeo el émbolo vuelve a su posición original. Debido a esta acción

dual se le llama tornillo reciprocante, cuyo nombre identifica al tipo de máquina.

FIGURA 2.19 Dos sistemas alternativos de inyección para el tornillo reciprocante de la

figura 2.18:(a) tornillo preplastificador y (b) tipo émbolo.

Una unidad alternativa incluye el uso de cilindros separados para plastificar e inyectar el polímero,

como se muestra en la figura 2.19(a). Este tipo se llama máquina de tornillo preplastificador o máquina de

dos etapas. La tolva alimenta los pelets de plástico en la primera etapa y utiliza un tornillo para mover el

polímero hacia adelante y fundirlo. Este cilindro alimenta a un segundo cilindro, que usa un émbolo para

inyectar la fusión en el molde. Las máquinas antiguas usaban un cilindro impulsado por un émbolo para


53

fundir e inyectar el plástico. Estas máquinas son llamadas máquinas de moldeo por inyección tipo

émbolo, figura 2.19 (b). Para resumir, las funciones de la unidad de inyección son 1) fundir y

homogeneizar el polímero y 2) inyectar la fusión en la cavidad del molde.

La unidad de sujeción: tiene que ver con la operación del molde. Sus funciones son: 1) mantener

las dos mitades del molde alineadas correctamente entre sí, 2) mantener cerrado el molde durante la

inyección aplicando una fuerza de sujeción suficiente para resistir la fuerza de inyección y 3) abrir y cerrar

el molde en los momentos apropiados dentro del ciclo de moldeo. La unidad de sujeción consiste en dos

placas, una fija y otra móvil y un mecanismo para accionar la placa móvil. El mecanismo es básicamente

una prensa de potencia operada por un pistón hidráulico o por dispositivos mecánicos articulados de

varios tipos. Las máquinas grandes pueden generar fuerzas de sujeción de varios miles de toneladas.

Los diseños de la sujeción o de prensado son de tres tipos: articulados, hidráulicos e hidromecánicos. La

sujeción articulada incluye varios diseños, uno de éstos se ilustra en la figura 2.20(a). Un accionador

mueve los cabezales transversales hacia adelante, extendiendo los eslabones articulados para empujar

la placa móvil hacia la posición de cerrado. Al principio del movimiento la potencia mecánica es baja y la

velocidad es alta, pero cerca del final de la corrida la situación se invierte. Los sujetadores articulados

proporcionan así, alta velocidad y alta fuerza en puntos diferentes del ciclo cuando dichos parámetros son

necesarios. Los sujetadores articulados se accionan ya sea por cilindros hidráulicos o tomillos movidos

por motores eléctricos. La unidad de sujeción articulada parece más adecuada para máquinas de tonelaje

relativamente bajo. La sujeción hidráulica que se muestra en la figura 2.20(b), se usa en máquinas de

moldeo por inyección de alto tonelaje, típicamente de 150 a 1000 ton (1300 a 8900 KN). Estas unidades

son más flexibles que la de sujeción articulada, ya que hacen posible fijar el tonelaje en determinadas

posiciones durante la corrida. Las sujeciones se diseñan para grandes tonelajes, usualmente más de

1000 ton ( 8900 KN), operan mediante: 1) uso de cilindros hidráulicos para mover rápidamente el molde

hacia la posición de cerrado, 2) cierre en posición por medios mecánicos y 3)uso de cilindros hidráulicos

de alta presión para cierre final y acumulación de tonelaje.


54

FIGURA 2.20 Dos diseños de sujeción: (a) sujeción articulada (1) abierta y (2) cerrada; y

(b) sujeción hidráulica, (1) abierta y (2) cerrada., No se muestran las barras tensoras que

guían el movimiento de las placas.

El ciclo de inyección por moldeo de polímeros termoplásticos procede según la secuencia de la

figura 2.21, que se ilustra a continuación. La acción empieza con el molde abierto y la máquina lista para

iniciar un nuevo ciclo de moldeo (1) Se coloca el molde y se sujeta. (2) Una porción de la fusión a

temperatura y viscosidad correctas, obtenida por calentamiento y trabajo mecánico en el tornillo, se

inyecta a alta presión en la cavidad del molde. El plástico se enfría al contacto con la superficie fría del

molde y empieza a solidificar. La presión del émbolo se mantiene para compactar la fundición adicional

en la cavidad y compensar así la contracción durante el enfriado. (3) El tornillo gira y se retrae con la

válvula de no retorno abierta, para permitir que fluya el polímero fresco a la siguiente porción del cilindro,

mientras tanto, el polímero en el molde se ha solidificado completamente (4) El molde se abre y expulsa

la parte moldeada.


55

FIGURA 2.21 Ciclo típico de moldeo: (1) molde cerrado, (2) la fusión se inyecta en la

cavidad, (3) el tornillo se retrae y (4) el molde se abre y se retira la pieza.

2.5.2 El molde

El molde es la herramienta especial del moldeo por inyección, se diseña y fabrica a la medida de la

pieza a producir. En esta sección examinamos varios tipos de moldes para inyección.

Molde de dos placas: El molde de dos partes convencional se ilustra en la figura 2.22, consiste en

dos mitades sujetas a dos placas de la unidad de sujeción de la máquina. Cuando la unidad de sujeción

se abre, las dos mitades del molde también se abren como se muestra en (b). La característica más obvia

del molde es la cavidad, cuya forma se obtiene generalmente por remoción del metal, esta operación se

realiza a las dos partes del molde. Los moldes pueden contener una sola cavidad o múltiples cavidades

para producir más de una pieza en cada ciclo. La figura muestra un molde con dos cavidades. Las

superficies de separación (o plano de separación en una vista de la sección del molde) son las partes

donde se abre el molde para remover la pieza.

Además de la cavidad, otras características del molde tienen funciones indispensables durante el

ciclo de moldeo. El molde debe tener un canal distribuidor por donde fluye el polímero fundido, de la

boquilla del cilindro a la cavidad del molde. El canal distribuidor consiste en (1) un surtidor o bebedero

que conduce el plástico de la boquilla al molde (2) canales de alimentación, los cuales conducen del

surtidor a la cavidad (o cavidades) y (3) puertas que restringen el flujo del plástico a la cavidad. Hay una o

más puertas para cada cavidad en el molde


56

FIGURA 2.22 Detalles de un molde de dos placas para moldeo por inyección de

termoplásticos: (a) cerrado y (b) abierto. El molde tiene dos cavidades para producir dos

partes en forma de copa (se muestra la sección transversal).

Se necesita un sistema de eyección para expulsar de la cavidad las partes moldeadas al final del

ciclo. Los pernos eyectores o de expulsión, construidos generalmente en la parte móvil del molde,

cumplen con esta función. La cavidad se divide entre las dos mitades del molde, de manera que la

contracción natural del molde haga que la parte se pegue a la mitad móvil Cuando se abre el molde, los

pernos eyectores empujan la parte fuera de la cavidad.

Se requiere un sistema de enfriado para el molde Éste consiste en una bomba externa conectada a

los pasajes de circulación de agua a través del molde para remover el calor del plástico caliente. También

se debe evacuar el aire de la cavidad del molde al entrar el polímero. A través de los claros de los

pequeños pernos eyectores del molde pasa una gran cantidad de aire. Con frecuencia se maquinan

delgadas ventilas de aire en la superficie de separación del molde, de solamente 0.03 mm de profundidad

y de 12 a 25 mm de ancho, estos canales permiten que escape el aire al exterior, pero son demasiado

pequeños para que la fusión viscosa del polímero fluya a través de ellos.

Para resumir, un molde consiste en: 1) una o más cavidades que determinan la forma de la parte,

2) canales de distribución a través de los cuales fluye el polímero fundido hacia las cavidades, 3) un

sistema de eyección para remover la parte, 4) un sistema de enfriado y 5) ventilas para permitir la

evacuación del aire de las cavidades.

Otros tipos de molde: Los moldes de dos placas son los más comunes en el moldeo por

inyección. Una alternativa es el molde de tres placas, mostrado en la figura 2.23 para la misma parte del

molde anterior. Este diseño de molde posee algunas ventajas. Primero, el flujo del plástico fundido pasa a

través de una puerta localizada en la base de la parte en forma de copa, y no a un lado. Esto permite una

distribución más homogénea de la fusión en los lados de la copa. En el diseño de puerta lateral en el

molde de dos placas de la figura 2.22, el plástico fluye alrededor del corazón y se junta en el lado


57

opuesto, creando posiblemente una debilidad en la línea de soldado. Segundo, el molde de tres partes

permite una operación más automatizada en la máquina de moldeo. Al abrir, el molde se divide en tres

partes con dos aberturas entre ellas. Esto fuerza la separación de las partes del canal alimentador las

cuales caen por gravedad en diferentes recipientes debajo del molde (con la posible asistencia de aire

soplado o un brazo de robot).

El surtidor (o bebedero) y el canal de alimentación (o al alimentador) en un molde convencional de

dos o tres placas representa material de desperdicio. En muchos casos este desperdicio puede molerse y

volverse a usar; sin embargo, en algunas ocasiones el producto debe hacerse de plástico virgen (no

usado previamente). El molde de alimentación en caliente elimina la solidificación del surtidor y del canal,

emplazando calentadores alrededor de los canales correspondientes de alimentación. Mientras que el

plástico solidifica en la cavidad del molde, el material que aún se encuentra en el surtidor y en los canales

de alimentación permanece fundido, listo para ser inyectado a la cavidad en el ciclo siguiente.

FIGURA 2.23 Molde de tres placas (a) cerrado (b) abierto.

2.5.3 Contracción

Los polímeros tienen altos coeficientes de expansión térmica, y durante el enfriado ocurre una

contracción significativa del plástico en el molde.

Después de la inyección en el molde, algunos termoplásticos experimentan contracciones cercanas

al 10% en volumen. La contracción de los plásticos cristalinos tiende a ser mayor que la de los polímeros

amorfos. La contracción se expresa como la reducción de las dimensiones lineales ocurrida durante el

enfriamiento, desde la temperatura de moldeo hasta la temperatura ambiente para cada polímero dado.

Las unidades apropiadas son (mm/mm) para la dimensión que se considere. En la tabla 2.1 se dan los

valores típicos para polímeros seleccionados. Los rellenos o rellenadores presentes en los plásticos

tienden a reducir la contracción.


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TABLA 2.1 Valores típicos de contracción para moldeado de plásticos selectos

Plásticos Contracción, mm/mm

Termoplásticos

ABS

Nylon-6,6

Policarbonato

Polietileno

Poliestireno

Cloruro de polivinilo

Termofijos

Fenólicos

0.006

0.020

0.007

0.025

0.004

0.005

0.010

En la práctica del moldeo comercial, es necesario obtener del proveedor los valores de contracción

para los compuestos específicos de moldeo antes de hacer el molde. Las dimensiones de la cavidad del

molde deben ser mayores a las que se especifican en parte, a fin de compensar la contracción. Se puede

usar la siguiente fórmula:

Dc = D p+ D pS + D p S2 (2.5)

Donde:

Dc = dimensión de la cavidad en mm;

D p = dimensión de la parte moldeada, mm y

S = valores de contracción obtenidos de la tabla 2.1.

El tercer término del lado derecho corrige la contracción que ocurre durante el proceso. EJEMPLO 2.1 CONTRACCIÓN EN EL MOLDEO POR INYECCIÓN

La longitud nominal de una parte hecha de polietileno es 76.2mm. Determine la dimensión

correspondiente de la cavidad del molde que debe compensar la contracción.

Solución: De la tabla 2.1, la contracción del polietileno es S = 0.025mm/mm. Usando la ecuación 2.5, el

diámetro de la cavidad del molde debe ser:

Dc = 76.2 + 76.2(0.025) + 76.2(0.025)2

Dc = 76.2 +1.905 + 0.047625

Dc = 78.153 mm

Es claro que deben determinarse las dimensiones del molde para el polímero particular que se va a

moldear. El mismo molde producirá diferentes tamaños de parte para diferentes tipos de polímeros.

Los valores en la tabla 2.1 representan una simplificación en bruto de la contracción. En realidad, la

contracción es afectada por muchos factores y cualquiera de ellos puede alterar la magnitud de la


59

contracción experimentada por un polímero dado. Los factores más importantes son la presión de

inyección, el tiempo de compactación, la temperatura de moldeo y el espesor de la pieza. Al aumentar la

presión de inyección, se fuerza más material dentro de la cavidad del molde y la contracción se reduce. El

incremento del tiempo de compactación tiene un efecto similar, asumiendo que el polímero no se

solidifica y sella la cavidad; el mantenimiento de la presión fuerza más material dentro de la cavidad

mientras que tiene lugar la contracción. Por tanto, la contracción neta es reducida.

La temperatura de moldeo se refiere a la temperatura del polímero en el cilindro inmediatamente

antes de la inyección. Se podría esperar que una temperatura de polímero más alta incrementara la

contracción, ya que la diferencia entre dicha temperatura y la ambiente es mayor. Sin embargo, la

contracción es realmente más baja a temperaturas de moldeo más altas. La explicación es que las altas

temperaturas disminuyen significativamente la viscosidad del polímero fundido, permitiendo que se

compacte más material dentro del molde; el efecto es el mismo que la inyección a altas presiones.

Entonces, el efecto sobre la viscosidad compensa una mayor diferencia de temperaturas.

Finalmente, las partes más gruesas exhiben mayor contracción. La pieza solidifica del exterior al

interior; el polímero en contacto con la superficie del molde forma una cáscara que crece hacia el centro

de la parte. En algún punto durante la solidificación, la puerta se solidifica, aislando el material en la

cavidad del sistema de alimentación y de la presión de compactación. Cuando esto sucede, el polímero

fundido dentro de la cáscara representa la mayoría de la contracción remanente. Una sección más

gruesa experimenta una contracción más grande, ya que contiene una alta proporción de material

fundido.

2.5.4 Defectos en el moldeo por inyección

El moldeo por inyección es un proceso complicado y pueden faltar muchas cosas. Algunos

defectos comunes en las partes moldeadas por inyección son los siguientes:

Llenado deficiente: Igual que en fundición, éste se produce en una pieza que ha solidificado antes

de llenar completamente la cavidad. El defecto puede corregirse incrementando la temperatura o la

presión. El efecto también puede originarse por el uso de una máquina con capacidad de dosificación

insuficiente, en cuyo caso se necesita una máquina más grande.

Rebaba: Esto ocurre cuando la fusión de polímero se mete en la superficie de separación entre las

partes del molde también puede ocurrir alrededor de los pernos de eyección. El defecto es causado

generalmente por 1) ventilas y claros muy grandes en el molde, 2) presiones de inyección demasiado

altas comparadas con la fuerza de sujeción, 3) temperatura de fusión demasiado alta o 4) tamaño

excesivo de la dosis.

Marcas hundidas y huecos: Éstos son defectos relacionados generalmente con secciones gruesas de la pieza. Una marca hundida ocurre cuando la superficie exterior del molde solidifica, pero la contracción del material interno causa que la costra se deprima por debajo de la superficie nominal Un hueco se causa por el mismo fenómeno básico; sin embargo, el material de la superficie retiene su forma y la contracción se manifiesta como un hueco interno debido al alto esfuerzo a la tensión en el polímero aún fundido. Estos defectos pueden tener su origen en un incremento de la presión de compactación que sigue


60

a la inyección. Una mejor solución es diseñar la parte para tener secciones con espesor uniforme y usando secciones más delgadas.

Líneas soldadas. Las líneas soldadas ocurren cuando la fusión del polímero fluye alrededor de un

corazón u otros detalles convexos en la cavidad del molde y se encuentran en la dirección opuesta; los

límites así formados se llaman líneas soldadas y pueden tener propiedades mecánicas que son inferiores

a las del resto de la parte. Las temperaturas altas de fusión, las presiones altas de inyección, las

localizaciones alternas de las puertas en la pieza y una mejor ventilación son formas de evitar este

defecto.

2.6 MOLDEO POR COMPRESIÓN Y TRANSFERENCIA

En esta sección se estudiarán dos técnicas de moldeo ampliamente usadas para polímeros

termofijos y elastómeros. Excepto para aplicaciones muy especiales, estas técnicas no pueden igualar la

eficiencia del moldeo por inyección para termoplásticos.

2.6.1 Moldeo por compresión

El moldeo por compresión es un proceso antiguo y muy utilizado para plásticos termofijos. Se

aplica también a discos fonográficos termoplásticos, llantas de hule y varios compuestos en matriz de

polímero.

El proceso, ilustrado en la figura 2.24, para un plástico termofijo es el siguiente: 1) se coloca en el

fondo de un molde calentado, una cantidad fija de compuesto de moldeo llamada carga; 2) se unen las

mitades del molde para comprimir la carga y forzarla a tornar la forma de la cavidad; 3) se calienta la

carga a través del molde para que polimerice y cure el material, transformándose en una pieza sólida y 4)

se abre el molde y se retira la parte de la cavidad.

La carga inicial del compuesto de moldeo puede estar en forma de polvos, pelets, líquido, o partes

preformadas. La cantidad de polímero debe controlarse con toda precisión para obtener una consistencia

uniforme en el producto moldeado. Se ha vuelto una práctica común precalentar la carga antes de

colocarla en el molde; esto suaviza el polímero y acorta la duración del ciclo de producción. Los métodos

de precalentamiento incluyen calentadores infrarrojos, calentamiento por convección en estufa y el uso de

tornillos giratorios dentro de un cilindro calentado. Esta última técnica (tomada del moldeo por inyección)

se usa también para medir la cantidad de la carga.


61

FIGURA 2.24 Moldeo por compresión para plásticos termofijos: (1) se pone la carga, (2)

y (3) la carga se comprime y cura, y (4) la parte se expulsa y se retira (se omiten algunos

detalles).

Las prensas de moldeo por compresión están orientadas verticalmente y contienen dos placas a

las cuales se sujetan las mitades del molde. El proceso involucra dos tipos de actuación: 1) carrera

ascendente de la placa del fondo o 2) carrera descendente de la placa superior, pero esta última es la

configuración más común. Un cilindro hidráulico acciona generalmente las placas, el cual puede

diseñarse para suministrar fuerzas de sujeción de hasta varios cientos de toneladas.

Los moldes para este proceso son generalmente más simples que los de su contraparte, el moldeo

por inyección. No hay vertederos o sistemas de alimentación en un molde por compresión y se procesan

partes de formas más simples debido a que los materiales termofijos poseen una capacidad de flujo más

baja. Sin embargo, se necesitan accesorios para calentar el molde que puede hacerse mediante

resistencia eléctrica, vapor o circulación de aceite caliente. Los moldes de compresión pueden

clasificarse en moldes manuales usados para corridas de ensayo; semiautomáticos, en los cuales a la

etapa de prensado le sigue un ciclo programado, pero el operador carga y descarga manualmente la

prensa; y automático el cual opera bajo ciclos de prensado completamente automático (incluyendo la

carga y la descarga automática).

Las resinas fenólicas, melamina, urea formaldehído, epóxicos, uretanos y elastómeros son

materiales para moldeo por compresión. Las piezas típicas moldeadas con plástico termofijo incluyen

contactos eléctricos, portalámparas, mangos de sartenes y vajillas de plástico. Son notables las ventajas

del moldeo por compresión para estas aplicaciones ya que es más simple, menos costoso y requiere bajo

mantenimiento genera poco desperdicio y deja bajos esfuerzos residuales en las partes moldeadas (este

proceso se prefiere para partes delgadas y planas como los discos fonográficos). La principal desventaja

es la mayor duración del ciclo y, por tanto, la velocidad de producción es más baja que la del moldeo por

inyección.


62

FIGURA 2.25 (a) Moldeo con depósito de transferencia y (b) moldeo con émbolo de transferencia. El ciclo en ambos

procesos es: (1) se coloca la carga en el depósito, (2) el polímero ablandado se prensa en la cavidad M molde y se cura

y (3) se expulsa la parte moldeada.

2.6.2 Moldeo por transferencia

En este proceso, se carga un termofijo (preformado) en una cámara inmediata a la cavidad del

molde, donde se calienta; se aplica entonces presión para forzar al polímero suavizado a fluir dentro del

molde caliente, donde el polímero se cura. Las dos variantes de este proceso se ilustran en la figura 2.25:

(a) moldeo con recipiente de transferencia, en el cual la carga se inyecta de un recipiente a través de un

canal vertical en la cavidad; y (b) moldeo con émbolo de transferencia, en el cual se inyecta la carga en la

cavidad del molde por medio de un émbolo desde un depósito que se calienta a través de los canales

laterales. En ambos casos se produce material de desperdicio en cada ciclo por la pieza desechada que

se queda en la base del depósito y en los canales laterales (que en inglés se denominan cull). Además, el

vertedero del recipiente de transferencia es también material de desecho. Este desecho no puede

recuperarse debido a que los polímeros son termofijos.


63

El moldeo por transferencia está relacionado estrechamente con el moldeo por compresión, debido

a que utiliza el mismo tipo de polímeros (termofijos y elastómeros). Existen similitudes con el moldeo por

inyección, ya que la carga se precalienta en una cámara separada, y fuego se inyecta en el molde. En el

moldeo por transferencia se pueden moldear formas de partes más intrincadas que en el moldeo por

compresión pero no tan intrincadas como las del moldeo por inyección. El moldeo por transferencia

también se presta para usar insertos de metal o de cerámica que se colocan en la cavidad antes de la

inyección, el plástico calentado se adhiere al inserto durante el moldeo,

2.7 MOLDEO POR SOPLADO Y MOLDEO ROTACIONAL

Los procesos de moldeo por soplado y moldeo rotacional se usan para hacer partes huecas sin

costura a partir de polímeros termoplásticos. El moldeo rotacional se puede usar también para termofijos.

Las piezas varían en tamaño, desde pequeñas botellas plásticas de unas cuantas onzas hasta grandes

tambores de almacenamiento de 38000 litros de capacidad. Aunque los dos procesos compiten en ciertos

casos, generalmente tienen sus propios nichos. El moldeo por soplado es más apropiado para la

producción en masa de recipientes pequeños desechables, mientras que el moldeo rotacional se adapta

mejor a grandes formas huecas

2.7.1 Moldeo por soplado

El moldeo por soplado es un proceso que usa presión de aire para hacer formas huecas inflando

plástico suave dentro de la cavidad de un molde. Es un proceso industrial importante para hacer partes

de plástico huecas de una sola pieza con paredes delgadas, tales corno botellas y envases similares.

Como la mayoría de estos artículos se usan para bebidas consumibles en mercados masivos, la

producción involucra grandes volúmenes. La tecnología está tomada de la industria del vidrio, con la cual

compiten los plásticos en el mercado de los envases desechables.

El moldeo por soplado se realiza en dos pasos: 1) fabricación de un tubo inicial de plástico fundido,

llamado un parison (igual que en el vidrio soplado) y 2) soplado del tubo a la forma final deseada. La

formación del parison se realiza por cualquiera de los dos procesos: extrusión o moldeo por inyección.

Moldeo por soplado y extrusión Esta variante del moldeo por soplado funciona según el ciclo

ilustrado en la figura 2.26. En la mayoría de los casos el proceso se diseña como una operación de

producción a muy alta velocidad. La secuencia está automatizada y usualmente integrada con

operaciones posteriores como el llenado de los envases y el etiquetado.

Es un requerimiento usual que el recipiente soplado sea rígido y la rigidez depende entre otros

factores del espesor de las paredes. Podemos relacionar el espesor de las paredes del envase soplado

con el parison extruido inicial, asumiendo una forma cilíndrica para el producto final.


64

FIGURA 2.26 Moldeo por soplado y extrusión: (1) extrusión del parison; (2) cuando se

cierran las dos mitades del molde, el parison se oprime en la parte superior y se sella en

la parte inferior alrededor de tina espiga de soplado; (3) el tubo se sopla y torna la forma

(le la cavidad del molde y (4) se abre el molde para retirar la parte solidificada.

El efecto de la dilatación en el dado del parison se muestra en la figura 2.27. El diámetro medio del

tubo que sale del dado se determina por la media del diámetro del dado Dd . La dilatación en el dado

causa la expansión a un diámetro medio del parison D p Al mismo tiempo, el espesor de la pared se

dilata de td a t p . La relación de dilatación de diámetro del parison está dada por:

(2.6)

Donde la relación de dilatación para el espesor de la pared es:

(2.7)

La dilatación del espesor de la pared es proporcional al cuadrado del diámetro; esto es

(2.8)

Y por tanto:

(2.9)

Cuando se infla el parison al diámetro del molde Dm con la correspondiente reducción del espesor


65

de la pared a Tm , y suponiendo un volumen constante de la sección transversal tenemos:

(2.10)

Al resolver para Tm, obtenemos:

(2.11)

Sustituyendo la ecuación 2.6 y 2.9 en esta ecuación, obtenemos:

FIGURA 2.27 (1) Dimensiones del (lacio de extrusión mostrando el parison después de

la dilatación en el dado y (2) envase final moldeado por soplado y extrusión.

La magnitud de la dilatación en el dado, en el proceso de extrusión inicial, se puede medir por

observación directa, y las dimensiones del dado son conocidas. Entonces podernos determinar el

espesor de la pared en el envase moldeado por soplado.

Con el espesor de la pared del recipiente moldeado se puede desarrollar una expresión para la

presión máxima de aire, la cual evitará que el parison se reviente durante el soplado. Una ecuación

tomada de la resistencia de materiales relaciona los esfuerzos con la presión interna p en un tubo, dado

su diámetro D y el espesor de su pared t :

(2.12)


66

Suponiendo que el máximo esfuerzo ocurre justamente antes de que se expanda el parison al

tamaño del diámetro del molde (esto es, cuando D sea máximo y t sea mínimo) y remplazando en la

ecuación (2.12) para resolver p obtenernos:

(2.13)

Donde:

p = presión de aire durante el moldeo por soplado, en Pa

σ = esfuerzo a la tensión máxima permisible en el polímero durante el soplado, Pa

tm y Dm son espesor de la pared y diámetro respectivamente del molde, mm.

La dificultad para usar esta fórmula es la determinación del esfuerzo permisible, ya que el polímero

está caliente y en una condición altamente plástica. En una operación industrial los parámetros del

proceso se afinan por prueba y error.

Moldeo por inyección y soplado En este proceso el paríson inicial se moldea por inyección en

lugar de extrusión. Una secuencia simplificada se puede apreciar en la figura 2.28. Comparado con su

competidor basado en extrusión, el moldeo por inyección y soplado tiene Una velocidad de producción

más baja lo cual explica por qué no es tan ampliamente usado.

FIGURA 2.28 Moldeo por inyección y soplado: (1) el parison se moldea por inyección alrededor (le un tubo de

soplado; (2) se abre el molde de inyección y el parison se transfiere a un molde de soplado (3) el polímero suave se

infla para que tome la forma del molde de soplado y (4) se abre el molde y se retira ti pieza.


67

FIGURA 2.29 Moldeo por extensión y soplado: (1) moldeo por inyección del parison, (2)

extendido y (3) soplado.

En una variante del moldeo por inyección y soplado, llamado moldeo por extensión y soplado

(figura 2.29), el tubo de soplado se extiende hacia abajo dentro del parison moldeado por Inyección, el

plástico suave se alarga y se crea un esfuerzo más favorable en el polímero, que en el moldeo por

inyección y soplado convencional, o que en el moldeo por extrusión y soplado. La estructura resultante es

más rígida, con mayor transparencia y mayor resistencia al impacto. El material que se usa más

ampliamente en el moldeo por extensión y soplado es el tereftalato de polietileno, TPE (en inglés PET),

un poliéster que tiene una permeabilidad muy baja y se fortalece por el proceso de moldeado por

extensión y soplado. Su combinación de propiedades lo hace ideal para envase de bebidas

carbonatadas.

Materiales y productos El moldeo por soplado se limita a los termoplásticos. El polímero más

común para moldeo por soplado es el polietileno, en particular, el de alta densidad y alto peso molecular,

PEAD y PEAPM (en inglés HDPE y HMWPE, respectivamente). Al comparar sus propiedades con las del

polietileno de baja densidad, y además los requerimientos establecidos de rigidez del producto final,

resulta más económico usar estos materiales que si bien son más costosos porque las paredes del

recipiente pueden hacerse más delgadas. Se hacen otras piezas por soplado de polipropileno (PP),

cloruro de polivinilo (PVC), y tereftalato de polietileno (PET).

Los envases desechables para envasar líquidos de consumo constituyen la mayor parte de los

productos hechos por soplado; pero no son los únicos. También se fabrican grandes tambores para

embarcar líquidos y polvos (cuya capacidad alcanza los 250 litros), grandes tanques de almacenamiento

(con capacidad para 9000 litros), tanques para gasolina de automóviles juguetes y cascos para veleros y

botes pequeños. En este último caso, se hacen dos cascos de bote en un solo molde de soplado y

después se cortan en dos cascos abiertos.

2.7.2 Moldeo rotacional

El moldeo rotacional usa la gravedad dentro de un molde giratorio para hacer formas huecas El


68

proceso, también llamado rotomoldeo, es un moldeo alternativo del soplado para hacer formas huecas

grandes, se usa principalmente para polímeros termoplásticos, aunque las aplicaciones para los

termofijos y elastómeros se han hecho más comunes. El rotomoldeo se adapta mejor a formas externas

más complejas, partes más grandes y cantidades de producción más bajas que el moldeo por soplado. El

proceso consiste en los siguientes pasos: 1) se introduce una cantidad predeterminada de polvo de

polímero en la cavidad de un molde hendido 2) el molde se calienta y gira simultáneamente sobre dos

ejes perpendiculares, de manera que el polvo choca contra todas las superficies internas del molde y

forma gradualmente una capa fundida de espesor uniforme; 3) mientras está girando todavía, el molde se

enfría de manera que la capa de plástico se solidifica; y 4) se abre el molde y se retira la parte. Las

velocidades de rotación que se usan en el proceso son relativamente bajas. Es la gravedad, mas no la

fuerza centrífuga, la que provoca un recubrimiento uniforme de las superficies del molde.

FIGURA 2.30 Ciclo de moldeo rotacional realizado en una máquina secuenciadora de

tres estaciones: (1) estación de carga y descarga, (2) calentamiento y rotación del molde

y (3) enfriamiento del molde.

Los moldes para el moldeo rotacional son más simples y menos costosos que los del moldeo por

soplado o por inyección, pero el ciclo de producción es mucho más largo, su duración es de diez minutos

en adelante. Para balancear estas ventajas y desventajas en la producción, el moldeo rotacional se

realiza frecuentemente en una máquina secuenciadora con múltiples cavidades, como la máquina de tres

estaciones que se muestra en la figura 2.30. La máquina está diseñada de manera que se puedan

seleccionar tres moldes en secuencia a través de tres estaciones de trabajo. Así los tres moldes trabajan

simultáneamente.


69

La primera estación de trabajo realiza los procesos de carga y descarga, donde la parte terminada

se retira del molde y se carga dentro de la cavidad el polvo para la siguiente pieza. La segunda estación

consiste en una cámara donde se calienta el molde por convección de aire, mientras gira

simultáneamente. Las temperaturas dentro de la cámara son aproximadas a los 375 oC, dependiendo del

polímero y del artículo que se moldea. La tercera estación enfría el molde con aire forzado o aspersión de

agua, para solidificar la parte de plástico dentro del molde.

Con el moldeo rotacional se manufactura una fascinante variedad de artículos. La lista incluye

juguetes huecos como caballitos, pelotas de playa, cascos para canoas y botes, cajas de arena y

albercas pequeñas, boyas y otros dispositivos flotantes, partes para carrocería de camiones tableros de

instrumentos para automóviles y tanques de gasolina, piezas de equipaje, muebles y cestos de basura,

maniquíes, grandes barriles industriales, contenedores y tanques de almacenamiento casas portátiles y

fosas sépticas. El material más popular para moldeo es el polietileno, especialmente HDPE. Otros

plásticos incluyen polipropileno, ABS y poliestireno de alto impacto.

2.8 TERMOFORMADO

El termoformado es un proceso en el cual se usa una lámina plana de material termoplástico para

darle la forma deseada. El proceso se usa ampliamente en el empaque de productos de consumo para

fabricar grandes artículos como tinas de baño, domos grandes para tragaluces y revestimiento internos

para refrigeradores.

El termoformado consta de dos pasos principales: calentamiento y formado. El calentamiento se

realiza generalmente mediante radiadores eléctricos en uno o ambos lados de la lámina de plástico

inicial, a una distancia aproximada de 125 mm. La duración del ciclo de calentamiento necesita ser

suficiente para ablandar la lámina, dependiendo del polímero, su espesor y color. Los métodos de

formado pueden clasificarse en tres categorías básicas: 1) termoformado al vacío, 2) termoformado a

presión y 3) termoformado mecánico Describirnos aquí los métodos para el formado de material laminar;

pero en la industria del empaque la mayoría de las operaciones de termoformado se realizan con

películas delgadas.

2.8.1 Termoformado al vacío

El método más antiguo es el termoformado al vació (llamado simplemente formado al vacío en sus

inicios, en los años cincuenta) en el cual se usa presión negativa para adherir la lámina precalentada

dentro la cavidad del molde. El proceso se explica en la figura 2.31 en su forma más básica. Los agujeros

para hacer el vacío en el molde son del orden de 0.8 mm de diámetro, así sus efectos en la superficie del

plástico son menores.

2.8.2 Termoformado a presión

Una alternativa del formado al vacío involucra presión positiva para forzar al plástico caliente dentro


70

de la cavidad del molde. Esto se llama termoformado a presión o formado por soplado; su ventaja sobre

el formado al vacío radica en que se pueden desarrollar presiones más altas, ya que en el método

anterior este parámetro se limita a un máximo teórico de una atmósfera. Son comunes las presiones de

formado de tres a cuatro atmósferas. La secuencia del proceso es similar a la anterior, la diferencia es

que la lámina se presiona desde arriba hacia la cavidad del molde. Los agujeros de ventilación en el

molde dejan salir el aire atrapado. La parte del formado de la secuencia (pasos 2 y 3) se ilustra en la

figura 2.32.

FIGURA 2.31 Termoformado al vacío: (1) se suaviza una lámina plana de plástico por

calentamiento; (2) se coloca sobre la cavidad de un molde cóncavo; (3) el vacío atrae la

lámina hacia la cavidad, y (4) el plástico se endurece al contacto con la superficie fría del

molde, la parte se retira y luego se recorta de la hoja.


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FIGURA 2.32 Termoformado a presión. (2), la lámina se coloca sobre una cavidad M

molde y en (3) la presión positiva fuerza a la lámina dentro de la cavidad.

Es conveniente distinguir aquí entre moldes negativos y positivos. Los moldes que se muestran en

las figuras 2.31 y 2.32 son moldes negativos porque tienen cavidades cóncavas. Un molde positivo tiene

una forma convexa. Ambos tipos se usan en termoformado. En el caso del molde positivo, la lámina

caliente recubre la forma convexa, y se usa presión negativa o positiva para forzar al plástico contra la

superficie del molde. El molde positivo se muestra en la figura 2.33 para el caso de formado al vacío.

FIGURA 2.33 Uso de un molde positivo en termoformado al vacío, (1) la lámina de

plástico caliente se coloca sobre el molde positivo y (2) la mordaza desciende en

posición, cubriendo el molde con la lámina mientras el vacío fuerza a la lámina contra la

superficie del molde.

La diferencia entre moldes positivos y negativos puede parecer poco importante ya que las formas

de las partes son virtualmente idénticas, como se muestra en los diagramas. Sin embargo, si la parte es

embutida dentro de un molde negativo, entonces la superficie exterior tendrá el contorno exacto de la

cavidad del molde. La superficie interna poseerá una aproximación del contorno y un acabado

correspondiente al de la lámina u hoja inicial. Al contrario, si la lámina recubre un molde positivo,


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entonces la superficie interior será idéntica a la del molde convexo y la superficie exterior la seguirá

aproximadamente. Dependiendo de los requerimientos del producto esta distinción puede ser importante

Otra diferencia es el adelgazamiento de la lámina de plástico, el cual constituye un problema en

termoformado que debe tomarse en cuenta. A menos que el contorno del molde sea poco profundo,

habrá diferencias significativas si la lámina se estira para ser conformada en el contorno del molde. Los

moldes positivos y negativos producen diferentes modelos de adelgazamiento en una pieza. Por ejemplo,

considérese una tina. En el molde positivo, al colocar la lámina sobre la forma convexa, la porción que

hace contacto con la superficie superior (correspondiente a la base de la tina) solidifica rápidamente y no

experimenta prácticamente ningún estiramiento. Esto da corno resultado tina base gruesa, pero un

adelgazamiento significativo en las paredes de la tina. Por el contrario, un molde negativo producirá una

distribución más pareja del estiramiento y adelgazamiento de la lámina, antes de que ésta entre en

contacto con la superficie fría del molde.

Una manera de mejorar la distribución del adelgazamiento en un molde positivo es estirando

previamente la lámina antes de recubrir la forma convexa. Como se muestra en la figura 2.34, la lámina

de plástico caliente se estira uniformemente por presión de vacío en una forma esférica antes de ponerla

sobre el molde.

El paso descrito en el primer cuadro de la figura 2.34 se puede utilizar como un método para

producir partes en forma de globo como domos transparentes o tragaluces. En el proceso se aplica

presión de aire estrechamente controlada para soplar la lámina suave. La presión se mantiene hasta que

la forma soplada se haya solidificado.

FIGURA 2.34 Estirado previo de la lámina, (1) antes de cubrir el molde positivo y aplicar

el vacío en (2).


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FIGURA 2.35 Termoformado mecánico: (1) 1,1 lámina caliente de plástico se coloca

sobre el molde negativo y (2) se cierra el molde para conformar la lámina.

2.8.3 Termoformado mecánico

El tercer método, llamado termoformado mecánico, usa un par de moldes (positivo y negativo) que

se aplican contra la lámina u hoja de plástico caliente, forzándola a asumir su forma. En el método de

formado mecánico puro no se usa vacío ni presión de aire. El proceso se ilustra en la figura 2.35.

Sus ventajas son un mejor control dimensional y la posibilidad de detallar la superficie en ambos

lados de la pieza. La desventaja es que se requieren las dos mitades del molde, por tanto, los moldes

para los otros dos métodos son menos costosos.

Aplicaciones El termoformado es un proceso secundario, el proceso primario es el que produce la

lámina o película. Solamente se pueden termoformar los termoplásticos ya que las láminas extruidas de

polímeros termofijos o elastómeros están encadenados transversalmente y no pueden ablandarse por

recalentamiento. Los plásticos termoformados comunes son el poliestireno, el acetato de celulosa y el

acetato butirato de celulosa, ABS, PVC, el acrílico (polimetil nieta acrilato), el polietileno y el polipropileno.

En la industria del empaque se realizan operaciones de producción en masa de termoformados. Las

láminas o películas iniciales se alimentan rápidamente a través de cámaras de calentamiento y luego se

forman mecánicamente en la forma deseada. Con frecuencia, las operaciones se diseñan para producir

varias partes en cada golpe de una prensa que usa moldes con punzones y cavidades múltiples En

algunos casos, la máquina de extrusión que produce la lámina o película se localiza inmediatamente

antes del proceso de termoformado eliminando así la necesidad de precalentar el plástico. Para mayor

eficiencia, el proceso de llenado de alimentos consumibles en el envase se localiza inmediatamente

después del termoformado.

Los artículos empacados en películas delgadas que se producen masivamente por termoformado

incluyen empaques de ampolla (blisters) y empaques de película. Ofrecen formas atractivas para exhibir


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ciertos productos de consuno como cosméticos, herramientas pequeñas, artículos para baño y

sujetadores (uñas, tornillos, etc.). Las aplicaciones de los termoformados incluyen partes grandes que

pueden ser producidas de láminas más gruesas, Algunos ejemplos incluyen cubiertas para máquinas de

negocios, cascos de bote, casetas para regadera, difusores para luz, anuncios luminosos y señales, tinas

y ciertos juguetes. Hemos mencionado previamente tragaluces contorneados y revestimientos internos

para puertas de refrigeradores. Éstos podrían manufacturarse respectivamente con acrílico (por su

transparencia) y ABS (porque es fácil de formar y es resistente a los aceites y grasas que se encuentran

en los refrigeradores).

2.9 FUNDICIÓN (COLADO) DE PLÁSTICO

En el conformado de polímeros, la fundición o colado del plástico implica vaciar una resina líquida

en un molde usando la fuerza de gravedad para llenar la cavidad y dejando que el polímero endurezca.

Tanto los termoplásticos como los termofijos se funden. Ejemplos de los primeros son los acrílicos, el

poliestireno, las poliamidas (nylon) y los vinilos (PVC). La conversión de la resina líquida en un

termoplástico endurecido puede realizarse de varias maneras las cuales incluyen: 1) calentamiento de la

resina termoplástica a un estado altamente fluido, de manera que fluya fácilmente y llene la cavidad del

molde, dejándola enfriar y solidificar en el molde 2) por polimerización de un prepolímero de peso

molecular bajo (o monómero) en el molde para formar un termoplástico de peso molecular alto y 3) por

vaciado de un plastisol (una suspensión líquida de finas partículas de resina termoplástica, como PVC en

un plastificante) en un molde caliente para que forme un gel y solidifique.

Los polímeros termofijos formados por colado incluyen poliuretanos, poliésteres insaturados,

fenólicos y epóxicos. El proceso implica el vaciado de los ingredientes líquidos que forman el termofijo en

un molde donde ocurre la polimerización y el encadenamiento transversal. Se requiere y calor y/o

catálisis, dependiendo del sistema de resina. La reacción debe ser lo suficientemente lenta para permitir

que se vacíe completamente en el molde Los sistemas termofijos de reacción rápida, como ciertos

sistemas de poliuretano, requieren procesos alternativos de conformado como moldeo por inyección con

reacción.

Las ventajas del colado sobre otros procesos alternativos, como moldeo por inyección, son que 1)

el molde es más simple y menos costoso, 2) el artículo vaciado es relativamente libre de esfuerzos

residuales y de memoria viscoelástica y 3) el proceso se adapta a producción en bajas cantidades.

Enfocando la ventaja 2) las láminas de acrílico (Plexiglass, Lucite) se vacían generalmente entre dos

piezas de vidrio plano altamente pulimentado. El proceso de vaciado permite un alto grado de planicidad

y cualidades ópticas deseables para lograr láminas plásticas claras. Dicha planicidad y claridad no se

pueden obtener por extrusión de láminas planas. Una desventaja en algunas aplicaciones es la

contracción significativa de la parte vaciada durante la solidificación. Por ejemplo, las láminas de acrílico

sufren una contracción volumétrica cercana al 20% cuando se vacían, bastante mayor que en el moldeo

por inyección, donde se usa alta presión para empacar la cavidad del molde a fin de reducir la

contracción.

La fundición hueca es una alternativa sobre el colado convencional, tornado de la tecnología de


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fundición de metales. En la fundición hueca se vacía un plastisol líquido en la cavidad de un molde

hendido caliente, formándose una costra en la superficie del molde. Después de algún tiempo,

dependiendo del espesor deseado de la costra, se vacía el líquido excedente del molde; el molde se abre

entonces para retirar la parte. A este proceso también se le conoce como vaciado en concha.

Una aplicación importante del vaciado en electrónica es el encapsulado, en el cual los artículos

como transformadores, bobinas, conectores y otros componentes eléctricos se encierran en el plástico

por vaciado.

2.10 PROCESAMIENTO Y FORMADO DE ESPUMAS DE POLÍMEROS

Una espuma de polímero es una mezcla de polímero y gas que da al material una estructura

celular porosa. Otros términos que se usan para las espumas de polímeros incluyen polímero celular,

polímero soplado y polímero expandido. La espuma de postinero más común es el poliestireno

(Styrofoam, una marca registrada) y poliuretano. Otros polímeros usados para hacer espumas incluyen el

hule natural (hule espuma) y el cloruro de polivinilo (PVC).

Las propiedades características de los polímeros espumados incluyen 1) baja densidad, 2) alta

resistencia por unidad de peso, 3) buen aislamiento térmico y 4) buena calidad de absorción de energía.

La elasticidad del polímero base determina la correspondiente propiedad de la espuma. Las espumas de

polímero se pueden clasificar como 1) elastómeras, en las cuales la matriz de polímero es hule,

susceptible de una gran deformación elástica; 2) flexibles, en las cuales la matriz es un polímero

altamente plastificado como el PVC suave; y 3) rígidas, en las cuales el polímero es un termoplástico

rígido como el poliestireno o un plástico termofijo como un fenólico. Dependiendo de la formulación

química y del grado de encadenamiento transversal, los poliuretanos pueden entrar en las tres

categorías.

Las propiedades características de las espumas de polímero y la disposición de controlar su

comportamiento elástico, mediante una buena la selección del polímero base, hace a estos materiales

muy adecuados para ciertos tipos de aplicaciones como recipientes para bebidas calientes, materiales

estructurales aislantes del calor y núcleos de paneles estructurales, materiales de empaque, materiales

de acolchonamiento para muebles camas y tableros acojinados para automóviles y productos que

requieren flotabilidad.

2.10.1 Procesos de espumado

Los gases comunes usados en las espumas de polímero son aire, nitrógeno y bióxido de carbono.

Las proporciones de gas pueden llegar hasta 90% o más. El gas se introduce en el polímero mediante

varios métodos llamados procesos de espumado que incluyen: 1) mezcla de una resina líquida con aire

por agitación mecánica y después el endurecimiento del polímero por medio de calor o reacción química;

2) mezclando un agente de soplado físico con el polímero, con gases como el nitrógeno (N2) o pentano

(C5H12), que pueden disolverse a presión en la fusión del polímero, de manera que al reducirse la presión,

el gas salga de la solución y la expanda; y 3) mezclando el polímero con unos compuestos químicos


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llamados agentes de soplado químico que se descomponen a temperaturas elevadas y liberan gases

como el C02 o N2 dentro de la fusión.

FIGURA 2.36 Dos estructuras de espuma de polímero: (a) celdas cerradas, y (b) celdas

abiertas.

La manera como se distribuye el gas a través de la matriz de polímero distingue dos estructuras

espumosas básicas, ilustradas en la figura 2.36: (a) de celda cerrada, en la cual los poros de gas son

aproximadamente esféricos y completamente separados uno de otro por la matriz del polímero y (b) de

celda abierta en la cual los poros se interconectan en cierto grado, permitiendo el paso de fluidos a través

de la espuma Una estructura de celdas cerradas hace un salvavidas satisfactorio; una estructura de

celdas abiertas podría convertirse en una esponja que chupa agua. Otros atributos que caracterizan a la

estructura son la proporción relativa de polímero y gas (ya mencionada) y la densidad de celdas (número

de celdas por unidad de volumen), la cual se relaciona inversamente con el tamaño de las celdas

individuales.

2.10.2 Procesos de conformado

Hay muchos procesos de conformado para productos de espuma de polímero. Como las dos

espumas más importantes son el poliestireno y el poliuretano, limitaremos nuestra revisión a los procesos

de conformado para estos dos materiales. Ya que el poliestireno es un termoplástico y, el poliuretano

puede ser un termofijo o un elastómero (también puede ser un termoplástico, pero es menos importante

en esta forma). Los procesos descritos aquí para dichos materiales son representativos de aquellos que

se usan para otras espumas de polímero.

Espumas de poliestireno: Las espumas de poliestireno se conforman por extrusión y moldeado.

En la extrusión se alimenta un agente de soplado químico o físico en la fusión del polímero al final del

cilindro de extrusión, cerca del extremo del dado; por tanto la extrusión consiste en un polímero

expandido. De esta manera se fabrican láminas y tableros, los cuales se cortan al tamaño para paneles y

secciones de aislante térmico.

Se dispone de varios procesos de moldeo para espumas de poliestireno. Hemos analizado

previamente el moldeo de espuma estructural y el moldeo en sándwich. Un proceso más utilizado es el

moldeo de espuma expandible, en el cual el material de moldeo consiste generalmente en molduras de


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poliestireno. Las molduras preformadas se producen a partir de pelets de poliestireno sólido que han sido

impregnados con un agente de soplado físico. El preespumado se realiza en un tanque grande aplicando

vapor caliente para expandir parcialmente los pelets, agitándolos simultáneamente para prevenir la

fusión. Entonces, en un proceso de moldeado, las molduras preformadas se alimentan a la cavidad de un

molde donde se expanden nuevamente y se fusionan para formar un producto moldeado. Los vasos de

espuma de poliestireno para bebidas calientes se producen en esta forma. En algunos procesos se omite

el paso de preespumado, y las cuentas impregnadas se alimentan directamente en la cavidad del molde,

donde se calientan para expandirlas y fusionarlas. En otras operaciones, la espuma expandible se forma

primero en una lámina plana por el proceso de extrusión de película soplada (sección 2.3.3) y luego se

conforma mediante termoformado en recipientes de empaque como cartones para huevos.

Espumas de poliuretano: Los productos de espuma de poliuretano se hacen en un proceso de un

paso, en el cual dos ingredientes líquidos (poliol e isocianato) se mezclan y se vierten de inmediato

dentro de un molde u otra forma que sintetice el polímero, y simultáneamente dé forma a la pieza. Los

procesos de conformado para espuma de poliuretano se pueden dividir en dos tipos básicos: aspersión y

vaciado. La aspersión o atomización involucra el uso de una pistola aspersora que se alimenta

continuamente con los dos ingredientes, éstos se mezclan y después se rocían en una superficie. Las

reacciones que conducen a la polimerización y al espumado ocurren después de la aplicación en la

superficie. Este método se usa para aplicar espuma, de aislamiento rígido en los paneles de

construcción, carros de ferrocarril y artículos grandes similares. Durante el vaciado se homogeneizan los

ingredientes en una cabeza mezcladora y se surten dentro de un molde abierto o cerrado donde ocurren

las reacciones. Un molde abierto puede ser un recipiente con el contorno requerido (por ejemplo, para el

cojín de un asiento de automóvil), o un canal largo que pasa lentamente frente al surtidor para hacer

secciones largas y continuas de espuma. El molde cerrado es una cavidad completamente cerrada en la

cual se surte una cierta cantidad de la mezcla. La expansión de los reactivos llena completamente la

cavidad para conformar la parte. Para poliuretanos que reaccionan rápidamente, la mezcla debe

inyectarse rápidamente en la cavidad del molde usando moldeo por inyección con reacción. El grado de

encadenamiento transversal, controlado por los ingredientes iniciales, determina la rigidez relativa de la

espuma resultante.

2.11 CONSIDERACIONES PARA EL DISEÑO DE PRODUCTOS

Los plásticos son un material importante de diseño, pero el diseñador debe estar consciente de sus

limitaciones. En esta sección describimos algunos de los lineamientos de diseño para componentes de

plástico, empezando con aquellos de aplicación general y después con los aplicables a extrusión y

moldeo (moldeo por inyección, compresión y transferencia).

2.11.1 Consideraciones generales

Estos lineamientos generales se aplican independientemente del proceso de conformado. En su


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mayoría son limitaciones de los materiales plásticos que el diseñador debe considerar.

Resistencia y rigidez: Los plásticos no son tan fuertes y rígidos como los metales No deben

usarse en aplicaciones donde se pueden encontrar altos esfuerzos. La resistencia a la termofluencia

también una limitación. La resistencia de los plásticos varía significativamente entre unos y otros, la

relación de resistencia al peso para algunos polímeros plásticos es competitiva con los metales en ciertas

aplicaciones.

Resistencia al impacto: La capacidad de los plásticos para absorber los impactos en general es

buena; se comparan favorablemente con la mayoría de los cerámicos.

Temperaturas de servicio: Las temperaturas de servicio de los plásticos son limitadas con

respecto a los metales de ingeniería y a los cerámicos.

La expansión térmica: es más grande para los plásticos; así que los cambios dimensiónales

debidos a variaciones de la temperatura son mucho más significativas que para los metales.

Muchos tipos de plástico están sujetos a degradación por la luz del sol y otras formas de radiación.

También algunos plásticos se degradan en atmósferas de oxígeno y ozono. Finalmente los plásticos son

solubles en muchos solventes comunes. Por el lado positivo, los plásticos son resistentes a los

mecanismos convencionales de corrosión que afligen a muchos metales. El diseñador debe tornar en

cuenta las debilidades específicas de los plásticos.

2.11.2 Consideración para el proceso de extrución

La extrusión es uno de los procesos de conformado de plásticos más utilizado, Se presentan varias

recomendaciones de diseño aquí para los procesos convencionales

Espesor de las paredes: El espesor uniforme de las paredes es conveniente en secciones

transversales extruidas. Las variaciones en el espesor (le las paredes son el resultado de un flujo plástico

no uniforme y de un enfriamiento irregular que tiende a arrugar la extrusión.

Secciones huecas: Las secciones huecas complican el diseño del dado y el flujo del plástico. Es

conveniente usar secciones transversales extruidas que no sean huecas y que satisfagan los

requerimientos funcionales.

Esquinas: Se deben evitar las esquinas agudas dentro y fuera de la sección transversal, ya que

provocan un flujo irregular durante el procesado que deja concentraciones de esfuerzos en el producto

final.

2.11.3 Consideración para el proceso de moldeo

Hay muchos procesos de moldeo de plásticos. En esta sección enumeramos los lineamientos que

se aplican al moldeo por inyección (el proceso de moldeo más popular), moldeo por compresión y moldeo

por, transferencia

Cantidades de producción económica: Cada parte moldeada requiere un molde único y el molde

para cualquiera de estos procesos puede ser costoso, particularmente para moldeo por inyección. Las

cantidades de producción mínima para el moldeo por inyección son usualmente alrededor de 10000


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piezas; para el moldeo por compresión, la cantidad mínima es alrededor de 1000 piezas, debido al diseño

más simple del molde El moldeo por transferencia se ubica entre las otras dos.

Complejidad de la pieza: Aunque las formas más complejas de las piezas significan moldes más

costosos, de cualquier manera puede ser más económico diseñar un molde complejo si la alternativa

implica ensamblar muchos componentes individuales. Una ventaja del molde de plásticos es que permite

combinar múltiples características funcionales en una parte.

Espesor de las paredes: El espesor de la sección transversal es generalmente indeseable;

representa desperdicio de material, probabilidad de causar arrugas debido a la contracción y más tiempo

para endurecer. Se pueden usar costillas de refuerzo para lograr incrementar la rigidez sin espesores

eexcesivos de pared. Las costillas deben hacerse más delgadas que las paredes que refuerzan para

minimizar las marcas hundidas en el exterior de la pared.

Radios de las esquinas y bordes: Las esquinas agudas, tanto externas como internas, son

inconvenientes en las partes moldeadas; interrumpen el flujo laminar de la fusión, tienden a crear

defectos superficiales y causan concentraciones de esfuerzo en las partes acabadas.

Agujeros: Los agujeros son posibles en los moldeados plásticos, pero complican el diseño del

molde y la remoción de la parte. También causan interrupciones en el flujo de la fusión.

Ángulo de salida: La parte moldeada debe diseñarse con un ángulo de salida en sus lados para

facilitar su remoción del molde. Esto es especialmente importante en las paredes interiores de una parte

en forma de copa, porque el plástico moldeado se contrae contra el molde positivo. El ángulo

recomendado para termofijos está entre 1/2 y 1o

y para termoplásticos varía usualmente entre 1/8 y 1/2o.

Los proveedores de compuestos para el moldeo de plásticos proporcionan los valores recomendados de

ángulos para sus productos.

Tolerancias: Las tolerancias especifican las variaciones permisibles en la manufactura de una

parte. Aunque la contracción es predecible bajo condiciones estrechamente controladas, son deseables

amplias tolerancias en el moldeo por inyección, debido a las variaciones de los parámetros del proceso

que se ven afectados por la contracción y la diversidad de formas que suelen encontrarse en las partes.

La tabla 2.2 enlista las tolerancias típicas para las dimensiones de las partes moldeadas de plásticos

seleccionados.

TABLA 2.2 Tolerancias típicas en partes moldeadas de plásticos seleccionados

Plástico

Tolerancias para:

Dimensiones 50 mm Agujeros 10 mm

Termoplásticos

ABS

Polietileno

Poliestireno

Termofijos

Epóxicos

Fenólicos

±0.2 mm

±0.3 mm

±0,15 mm

±0.15 mm

±0.2 mm

±0.08 mm

±0.013 mm

±0.01 mm

±0.05 mm

±0.08 mm


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BIBLIOGRAFIA

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