25 mayo 2008

Factores críticos en el rendimiento de los plásticos

Hemos visto en otros posts que la utilización de plásticos es una forma óptima de mejorar la productividad. El motivo es que podemos sustituir materiales más caros por otros de menor coste y que cumplen las especificaciones requeridas para el producto o proyecto. Pero trabajar con plásticos no es sencillo, puesto que predecir el rendimiento de los plásticos no se consigue con un simple cálculo matemático. Deben considerarse muchos factores, como la tendencia a la fluencia (incremento de la deformación cuando un material es sometido a un esfuerzo constante) de los plásticos o su comportamiento en diferentes condiciones ambientales. Pero si conseguimos sustituir una pieza metálica por otra de plástico habremos obtenido enormes beneficios: Simplificaremos el diseño, reduciremos el peso y obtendremos otras propiedades que no pueden darnos los metales, por ejemplo la resistencia a la corrosión o la lubricidad. En este artículo hablaremos de algunos de los factores prácticos que deberemos tener en cuenta en un proyecto de sustitución de metales por plásticos. Factores de seguridad de los plásticos: La primera cuestión que debemos plantearnos en el proyecto es averiguar qué ocurre si la pieza falla, debemos entender qué repercusiones en el conjunto o en el proceso va a tener el fallo de la pieza. En función de la importancia que el fallo tenga en la seguridad, normalmente se definen factores de seguridad, que básicamente consiste en sobredimensionar el diseño para hacerlo adecuado ante situaciones extremas. La estructura molecular de los metales es muy predecible, y ello conlleva que los factores de seguridad de los metales sean fáciles de considerar e incorporar al cálculo. Pero los plásticos están formados por un gran número de componentes que hace que ni siquiera el fabricante tenga capacidad para estimar su comportamiento en todas sus posibilidades de uso. A ello se añade la dificultad existente para predecir las propiedades del plástico a largo plazo, y especialmente la fatiga. De hecho, no hay datos sobre los límites de fatiga en los termoplásticos de ingeniería. La forma de actuar es la realización de ensayos imitando las condiciones ambientales de utilización, y especialmente la temperatura. Hablaremos en otros artículos cómo debemos sistematizar los ensayos de productos industriales para permitir la comparación entre distintos diseños. En nuestro proyecto de selección de plásticos, procederemos al estudio de diferentes opciones de las que nos ofrecen los fabricantes, y para ello compararemos las propiedades del mayor número de materiales posible. Ello nos ayudará a ir afinando en nuestra búsqueda. Las cinco propiedades que debemos analizar son las siguientes:
  • Viscoelasticidad: El rendimiento de los plásticos depende de su grado de deformación, temperatura y tiempo, no sólo carga y alargamiento. Los plásticos tienden a fluir a temperatura ambiental, lo que no ocurre con los metales, y ello puede condicionar el comportamiento de nuestra pieza.
  • Consideraciones de diseño especiales: También deberemos prestar una atención especial al ángulo de tracción, espesor, esquinas y refuerzos. Las esquinas internas son un punto típico de fallo en las piezas de plástico, ya que se concentran las tensiones en un único punto. El radio debe ser al menos 2, 3 veces el utilizado con los metales.
  • Impacto de refuerzos y otros aditivos: En la fibra de vidrio, por ejemplo, la orientación de las fibras varía entre las diferentes piezas, y por ello el ensayo no nos indicará con exactitud el modelo de resistencia bajo el cual se comportará el plástico durante su utilización. En los plásticos reforzados debemos considerar en detalle la orientación de las fibras, ya que ello tendrá una gran repercusión en el rendimiento. De todas formas ya se están desarrollando nuevos grados que proporcionan rigidez sin el refuerzo del vidrio, pero son aún costosos. Un ejemplo es el polifenilo auto reforzado PrimoSpire (SRP) (fabricado por Solvay Advanced Polymers).
  • Proceso de fabricación: Otra cuestión importante es el diseño y ejecución de moldes, que debe hacerse con cuidado, normalmente recurriendo a empresas especializadas. El proceso de moldeado en si mismo puede inducir tensiones y otros puntos de fallo en productos de plástico terminados. En la operación de moldeado de las piezas de plástico deben seguirse estrictamente las condiciones, especialmente térmicas, recomendadas por el productor de las resinas. Podemos haber seleccionado el material adecuado, y disponer del diseño correcto, pero si el material no se procesa correctamente, no obtendremos las propiedades que buscamos en el material. Los termoplásticos resistentes a altas temperaturas son un buen ejemplo de la importancia del proceso de fabricación. En efecto, el enfriamiento de la pieza debe ser controlado cuidadosamente, y si una herramienta enfriada con agua se enfría demasiado rápido parte de la pieza puede ser amorfa. El uso de análisis de elementos finitos y análisis del flujo ayudarán en el diseño del modelo y las condiciones de llenado del molde.
  • Condiciones de campo: Deben revisarse con cuidado las condiciones ambientales que se encontrará el plástico durante su utilización, y cómo pueden afectar esas atmósferas al producto final. El rendimiento de la pieza puede verse condicionada si en las condiciones ambientales de utilización la pieza está expuesta a atmósferas químicas. Los productos químicos pueden atacar la pieza y hacer que sus propiedades disminuyan. Son especialmente preocupantes las salpicaduras ocasionales, ya que suelen escaparse de ser consideradas en la etapa de diseño. Los plásticos pueden utilizarse en condiciones extremas, para múltiples aplicaciones, pero siempre se requiere un análisis detallado de las agresiones que la pieza puede recibir durante su utilización. Para ello deben ensayarse los plásticos en condiciones simuladas en os que se someten a atmósferas que imitan diferentes condiciones de utilización.
A partir de estos factores debemos estudiar las posibilidades de fallo. Uno de los problemas, ya lo hemos comentado es la fluencia, que se produce cuando las tensiones se aplican durante un largo periodo, particularmente cuando la pieza está sometida a ciclos térmicos. El fenómeno de la fluencia es uno de los que más puede hacer disminuir el rendimiento de la pieza, y como resultado puede producirse el fallo de la misma. Por ejemplo, un tornillo puede fallar y separar las piezas que está uniendo. Por otra parte, si no se usan limitadores de la compresión, las conexiones pueden debilitarse con el tiempo. La mejor forma para solucionar este problema es insertar puntos de fijación estructurales.
Bibliografía:
  • DuPont Design Guide.
  • Five critical factors tu ensure plastics performance. Design News, May 19, 2008
  • Vitrex
Palabras clave: engineering thermoplastic