El arte de sustituir metal por plástico (Parte II)

Ver 1ª PARTE

Al trabajar con un metal, que pretendemos sustituir por plástico, partimos de unas propiedades estandarizadas, pues los metales están mucho más normalizados que los plásticos, sin embargo en los plásticos entramos en un mundo más espinoso ya que las propiedades son más heterogéneas. Las diferencias entre plásticos similares son muy sutiles, y pueden ser sencillamente el peso molecular o la distribución del peso molecular del polímero, la longitud de las fibras de vidrio, y los tipos de aditivos empleados en los compuestos. Una primera aproximación es hablar con proveedores de plásticos, que nos ayudarán a seleccionar materiales con propiedades próximas a las que buscamos, pero esto sólo es el comienzo, ya que la información estará sesgada hacia sus productos. Si queremos afinar más, e incluso sustituir un plástico por otro, lo tenemos más difícil aún porque al proveedor no le va a interesar ofrecernos un plástico más barato que el que ya tenemos. Es por tanto el momento de profundizar en las propiedades de los plásticos y acometer un proyecto de mejora de materiales. Otra cuestión a tener en cuenta, es que en la industria suele haber un cierto rechazo a sustituir metales por plásticos, ya que la mentalidad es que disminuimos la calidad del producto, cuando no tiene por qué ser así. En la industria se tiende a sobredimensionar, a utilizar soluciones que van más allá de lo que realmente requiere la aplicación que deseamos resolver; y esta es precisamente la mentalidad que hay que cambiar. Una industria productiva es la que usa solamente lo justo y necesario, el resto está sobrando.

¿Cómo acometer el proyecto?

Es difícil dar una pauta fija de actuación, ya que todo dependerá de lo crítica que sea la pieza que pretendemos sustituir. Es decir, si hablamos de piezas poco transcendentes, podemos experimentar diferentes soluciones, pero si utilizamos una metodología de diseño más rigurosa, y sobre todo si las piezas están condicionadas por la seguridad, la herramienta clave es el análisis de elementos finitos (ya hablaremos en detalle de este método). Utilizando este método de análisis podremos buscar las áreas del modelo que indican que hay un mayor número de tensiones presentes. Si las tensiones son elevadas, el material que hemos elegido es equivocado. Además de los valores cuantitativos es importante estudiar cómo se comportará el polímero a largo plazo, pues en los plásticos la estructura molecular no es tan regular como en los metales, y el tipo de estructura puede verse influido por pequeños cambios de temperaturas. En lo metales, por ejemplo, no suele haber problemas por cargas sostenidas si no se alcanza el límite elástico del material, pero los plásticos si son susceptibles a la aparición de grietas. La unidad más pequeña de cualquier material polimérico es una molécula muy extendida comparándola con cualquier metal. Incluso la molécula más pequeña es aproximadamente 50 veces la estructura molecular del metal más pesado que encontramos en la naturaleza. Estas moléculas pueden cambiar de forma sin límite, y no todas las moléculas son del mismo tamaño, lo cual incrementa las posibilidades de variaciones locales en la estructura de un material. Todo ello tiene importantes implicaciones mecánicas y térmicas que hay que valorar.

La deformación del plástico

Cuando intentamos buscar un sustituto a un metal es también muy importante estudiar la fluencia del plástico a lo largo del tiempo, cómo le afectan las tensiones, o que deformaciones produce la temperatura. En efecto, el comportamiento mecánico de un plástico viene influido por el efecto combinado de tres factores: Temperatura, tiempo, y tensiones. La deformación provocada por tensiones mantenidas puede calcularse, pero no la que produce la temperatura, no es factible dar una respuesta cuantitativa para valorar cómo afecta la temperatura a la deformación del plástico. Si bien puede determinarse la deformación del plástico que producen los incrementos de temperatura, los valores se obtienen bajo carga, lo cual es irrelevante a efectos de diseño. La valoración de cómo afecta el tiempo al plástico si puede valorarse más fácilmente, con ensayos bajo carga sostenida, estudiando conjuntamente temperatura y tiempo. El motivo es que la relajación del material que se produce a altas temperaturas es similar al que se produce a bajas temperaturas, pero en el primer caso ocurre más rápidamente. Por último, es necesario definir las tensiones que soporta el plástico, que serán proporcionadas por el fabricante. Una vez que conocemos estas tres propiedades básicas del material, podremos obtener respuesta a casi cualquier cosa, y especialmente averiguar cómo se comportará el material ante condiciones de carga constantes. Utilizando métodos de análisis como elementos finitos podremos obtener gráficas que indiquen cómo se comporta el plástico a diferentes temperaturas, y valorar la idoneidad del material para nuestra aplicación.

Bibliografía: The Art and Science of Metal Replacement