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Conformado De Plásticos Y Materiales Compuestos Delgado Martínez Oswaldo [email protected] Facultad de Ciencias Químicas e Ingeniería Profesor: Juan Manuel Arzola Castro 

Resumen— En la industria metalmecánica, existen diferentes tipos de proceso de conformado, siendo cada uno adecuado para un propósito determinado. La elección del proceso de conformado determinado, depende de la forma y/o tratamiento al que se quiera llevar el material.

extrusión se lleva a cabo como proceso continuo; el extruido (producto extruido) se corta después con las longitudes deseadas. En esta sección se estudia el proceso básico de extrusión, y en varias de las posteriores se examinan procesos que se basan en ésta.

INTRODUCCIÓN Los plásticos pueden conformarse en una variedad amplia de productos, tales como piezas moldeadas, secciones extruidas, películas y hojas, recubrimientos para aislar alambres eléctricos y fibras para textiles. Además, es frecuente que los plásticos sean el ingrediente principal de otros materiales, como pinturas y barnices, adhesivos y varios compuestos de matriz de polímero. En este capítulo se estudian las tecnologías por las que estos productos reciben su forma, y se deja para capítulos posteriores el análisis de pinturas y barnices, adhesivos y compuestos. Muchos procesos para darles forma a los plásticos se adaptan a los cauchos y a los compuestos de matriz de polímero. I. PROCESAMIENTO POR EXTRUCIÓN DE LÁMINAS Y PELÍCULAS La extrusión es uno de los procesos fundamentales para dar forma a los metales y cerámicos, así como a los polímeros. La extrusión es un proceso de compresión en el que se fuerza al material a fluir a través de un orificio practicado en un troquel a fin de obtener un producto largo y continuo, cuya sección transversal adquiere la forma determinada por la del orificio. Como proceso para dar forma a polímeros, se emplea mucho para termoplásticos y elastómeros (rara vez para termofijos) para producir en masa artículos tales como tubería, ductos, mangueras y formas estructurales (tales como molduras para ventanas y puertas), hojas y película, filamentos continuos, así como recubrimientos para alambres y cables eléctricos. Para estos tipos de productos, la

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Las hojas (láminas) y películas de termoplástico se producen por medio de varios procesos; los más importantes son dos métodos que se basan en la extrusión. El término hoja se refiere a material cuyo espesor es de 0.5 mm (0.020 in) de alrededor de 12.5 mm (0.5 in), y se usa para productos como recubrimientos para ventanas y materiales para termo formados. El término película se refiere a espesores por debajo de 0.5 mm (0.020 in). Las películas delgadas se usan para empacar (material para envolver productos) bolsas para abarrotes y basura); las aplicaciones de película más gruesa incluyen cubiertas y forros (cubiertas para albercas y para canales de irrigación). Todos los procesos que se estudian en esta sección son operaciones continuas de producción elevada. Más de la mitad de las películas que se producen hoy día son de polietileno, la mayor parte PE de baja densidad. Los demás materiales principales son el polipropileno, cloruro de polivinilo y celulosa regenerada (celofán). Todos éstos son polímeros termoplásticos.  Extrusión de hoja y película con troquel de rendija Se producen hojas y películas de espesores diversos por medio de extrusión convencional, con el uso de una rendija angosta como abertura del troquel. Ésta puede medir hasta 3 m (10 ft) de ancho y ser tan angosta como 0.4 mm (0.015 in). En la figura 1. Se ilustra una configuración posible del troquel.

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Éste incluye un colector que distribuye el polímero en forma lateral antes de que fluya a través de la rendija (el orificio del troquel). Una de las dificultades de este método de extrusión es la uniformidad del espesor a todo lo ancho del material. Esto se debe al cambio drástico de forma que experimenta el polímero fundido durante su flujo a través del troquel, y a las variaciones de la temperatura y presión en éste.

Figura 1. Ejemplo de troquel.

 Proceso de extrusión de película soplada Éste es el otro proceso muy usado para hacer película delgada de polietileno para empaque. Es un proceso complejo que combina la extrusión y el soplado para producir un tubo de película delgada; se explica mejor con referencia al diagrama de la figura 2.

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por medio de aire que entra a su interior a través del mandril del troquel. Una “línea de congelación” marca la posición en que ocurre la solidificación del polímero de la burbuja que asciende. La presión del aire en la burbuja debe permanecer constante para mantener uniforme el espesor de la película y el diámetro del tubo. El aire es contenido en el tubo por medio de rodillos de presión que lo exprimen una vez que se ha enfriado. Los rodillos de guía y los de aplanado también se utilizan para fijar el tubo soplado y dirigirlo hacia los rodillos de presión. Luego se colecta el tubo plano en un carrete. El efecto del inflado por aire es estirar la película en ambas direcciones conforme se enfría desde su estado fundido. Esto da como resultado propiedades isotrópicas de resistencia, lo que es una ventaja sobre otros procesos en los que el material primero se estira en una dirección. Otras ventajas incluyen la facilidad con la que pueden cambiarse la tasa de extrusión y la presión del aire para controlar el ancho y espesor del material. Si se compara este proceso con la extrusión por troquel de rendija, el método de la película soplada produce una película más resistente (de modo que puede usarse una película más delgada para empacar un producto), pero el control del espesor y las tasas de producción son menores. La película soplada final puede almacenarse en forma tubular (por ejemplo para bolsas de basura) o cortarse después por las orillas a fin de obtener dos películas delgadas paralelas. II. MOLDEO POR INYECCIÓN Y SOPLADO  Moldeo por inyección

Figura 2. Proceso de película soplada para la producción a gran escala de película tubular delgada.

El proceso comienza con la extrusión de un tubo que se jala de inmediato hacia arriba mientras aún está fundido, y se expande en forma simultánea

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El moldeo por inyección es un proceso con el que se calienta un polímero hasta que alcanza un estado muy plástico y se le fuerza a que fluya a alta presión hacia la cavidad de un molde, donde se solidifica. Entonces, la pieza moldeada, llamada moldeo, se retira de la cavidad. El proceso produce componentes discretos que casi siempre son de forma neta. Es común que el ciclo de producción dure de 10 a 30 segundos, aunque no son raros ciclos de un minuto o más. Asimismo, el molde puede contener más de una cavidad, de modo que en cada ciclo se producen molduras múltiples. Es posible obtener formas complejas e intrincadas con el moldeo por inyección. El reto en esos casos 28 de Marzo del 2017

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es fabricar un molde cuya cavidad tenga la misma forma que la pieza, y que también permita el retiro de ésta. El tamaño de la pieza varía de alrededor de 50 g (2 oz) hasta 25 kg (más de 50 libras); el límite superior está representado por componentes tales como puertas de refrigerador y defensas de autos. El molde determina la forma y el tamaño de la pieza, y es la herramienta especial en el moldeo por inyección. Para piezas complejas y grandes, el molde llega a costar cientos de miles de dólares. Para piezas pequeñas, el molde se puede construir para que contenga cavidades múltiples, lo que también hace que sea caro. Así, el moldeo por inyección es económico sólo para cantidades grandes de producción. El moldeo por inyección es el proceso que más se usa para los termoplásticos. Algunos termofijos y elastómeros se moldean por inyección, con modificaciones en el equipo y parámetros de operación, a fin de permitir el entrecruzamiento de estos materiales.

Figura 3. Moldeo soplado por inyección: 1) se inyecta al parison moldeado alrededor de una barra de soplado, 2) se abre el molde de inyección y el parison se transfiere a un molde de soplado, 3) se infla el polímero suave para conformarlo al molde de soplado y 4) se abre el molde de soplado, y se retira el producto.

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compiten en el mercado de las botellas desechables y reciclables. El moldeo por soplado se lleva a cabo en dos etapas: 1) fabricación de un tubo de inicio de plástico fundido, llamado parison (igual que en el soplado del vidrio), y 2) inflación del tubo hasta que adquiere la forma final que se desea. El formado del parison se lleva a cabo por cualquiera de dos procesos: 1) extrusión o 2) moldeo por inyección. III. PROCESAMIENTO DE PLASTICOS REFORZADOS Un plástico reforzado está constituido por una matriz de resina polimérica combinada con algún agente de refuerzo. La matriz polimérica permite la conformación del material, dándole cohesión y las fibras de refuerzo confieren propiedades mecánicas como resistencia y rigidez. Las fibras de refuerzo más utilizadas en aplicaciones para ingeniería son las de vidrio y las de carbono, pudiendo recurrir para aplicaciones específicas las fibras de boro o aramida. Debido a su estructura única, los plásticos reforzados requieren métodos especiales para moldearlos y formar productos útiles. El cuidado que se requiere y los diversos pasos de fabricación de estos plásticos hacen que los costos de procesamiento sean apreciables ya que, en general, no sean competitivos con los materiales y las formulas tradicionales.

 Moldeo por soplado El moldeo por soplado es un proceso en el que se utiliza presión del aire para inflar plástico suave dentro de la cavidad de un molde. Es un proceso industrial importante para fabricar piezas de plástico huecas, de una sola pieza y con paredes delgadas, como botellas y contenedores similares. Debido a que muchos de esos artículos se utilizan para bebidas para el consumidor destinadas a mercados masivos, su producción está organizada para cantidades muy grandes. La tecnología proviene de la industria del vidrio, con la que los plásticos

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Figura 4. Proceso de fabricación de un compuesto.

Para obtener buena adhesión entre las fibras de refuerzo y matriz de polímero, al igual que para protegerlas durante el procesamiento siguiente, las 28 de Marzo del 2017

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fibras se tratan superficialmente por impregnación. Se suelen agregar fibras cortas a los termoplásticos para el modelo por inyección; para el modelo por inyección y reacción se pueden usar fibras molidas; las fibras más largas trozadas se usan principalmente en el modelo de plásticos reforzados por compresión. IV. PROCESAMIENTO DE COMPUESTOS CON MATRIZ METALICA Los materiales compuestos son aquellos materiales constituidos por dos o más materiales de características distintas con el fin de compensar las propiedades negativas y potenciar las positivas de ambos.

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MPa la tensión axial. Otras fibras son el Sic, grafito, alúmina y wolframio o tungsteno. Fabricación - Proceso rapi-press: Las láminas se consolidan y adhieren por un proceso de enrollamiento en caliente. - Proceso de fundición: Las fibras de refuerzo se colocan en un molde de fundición y se añade el metal fundido. (Usado en piezas complejas). -Adhesión- difusión: las láminas se calientan a la temperatura adecuada y se someten a vacío. - Pultrusión: es un proceso isotermo en caliente que da lugar a perfiles de geometría determinada por consolidación y adhesión de las láminas. (Figura 6).

Tipos de matrices: - Las más utilizadas son metales con baja densidad. - Los metales más utilizados son: aluminio, magnesio y titanio. El magnesio y el aluminio tienen densidades más bajas que las matrices poliméricas. Existen tres tipos de MMC (figura 5): a. Reforzados con fibras continúas b. Reforzados con fibras discontinuas c. Reforzado con partículas

Figura 6. Procesamiento en matriz metálica.

V. PROCESAMIENTO DE COMPUESTOS CON MATRIZ CERAMICA Las matrices cerámicas incluyen aquellos sólidos inorgánicos no metálicos. Se clasifican en:

Figura 5. Tipos de materiales compuestos de matriz metálica.

MMC reforzados con fibras continúas La fibra continua proporciona las mejores propiedades en cuanto a rigidez y resistencia. Ejemplo: Matriz de aluminio reforzado con fibra de boro. Se fabrica por presión en caliente de fibras de boro entre láminas de aluminio. La adición de un 50% en volumen de boro aumenta de 310 a 1417

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a) Vidrios: son silicatos amorfos b) Materiales cerámicos tradicionales: basados en silicatos, se utilizan en fabricación de productos de alfarería y cemento. c) Nuevos materiales cerámicos: son los más utilizados en materiales compuestos. Están basados en compuestos de óxidos y carburos entre los que destacan: - alúmina (Al2O3) que se obtiene de la bauxita, y se caracteriza por sus buenas propiedades mecánicas

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- carburo de silicio (SiC), que se obtiene a partir de arena y coque (tiene menor densidad que la alúmina). Los materiales cerámicos se caracterizan por las siguientes propiedades: - Resisten elevadas temperaturas, por lo que se pueden utilizar como materiales refractarios (materiales que pueden soportar temperaturas extremadamente altas sin perder su solidez), - Tienen elevada resistencia en compresión pero no en tracción. Proceso de obtención del material compuesto: sinterizado El sinterizado es la técnica más utilizada por su sencillez. En ella, la matriz en forma de polvo y las fibras se mezclan y presión en caliente para producir materiales compuestos de baja porosidad. Permite fabricar grandes piezas de series pequeñas de geometría no muy compleja. El proceso consta de las siguientes etapas: a) Preparación de la materia prima En esta etapa el material se reduce a polvo y se puede llevar a cabo por métodos mecánicos o métodos químicos. En el caso de los métodos mecánicos, inicialmente el material se tritura y pulveriza con el objetivo de obtener un material en forma de polvo fino con una granulometría controlada. La trituración se lleva a cabos mediantes trituradores y molinos trituradores que actúan por impacto, compresión y rozamiento, reduciendo el tamaño de los grandes bloques de partida. Los bloques obtenidos en la fase de trituración se pulverizan mediante el proceso de molienda. En la molienda, los mecanismos predominantes son el impacto y la abrasión, que actúan por el movimiento de un medio duro y libre (bolas, piedras, barras) sobre el que interactúa el material. En los métodos mecánicos los elementos de molido pueden contaminar el material. Los métodos químicos son más complejos pero proporcionan una mayor homogeneidad y calidad del polvo. Los dos métodos que se emplean son: - secado por congelación: se parte de una sal de la materia prima que se disuelve en agua. Esta disolución se pulveriza en pequeñas gotas que se Procesos de Manufactura

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congelan rápidamente, y que son desecadas en cámaras de vacío. Posteriormente, la sal se descompone térmicamente dando lugar a partículas finas partículas de material cerámico. - Precipitación de una solución: la materia prima se disuelve en agua y se filtra para eliminar las impurezas. Posteriormente, se produce la precipitación del material en forma de compuesto intermedio, que da lugar al material cerámico por descomposición térmica. Después tiene lugar el mezclado de los distintos componentes y aditivos que componen la materia a moldear. b) Moldeado En esta fase se mezclan los distintos componentes y aditivos que componen la materia a moldear y se le da al material la forma deseada. Se puede llevar a cabo por diferentes métodos: - Moldeado deslizante: se necesita una pasta muy fluida para que fluya y rellene correctamente el molde sin que se produzcan defectos por falta de llenado. - Prensado isostático en frío: se lleva a cabo con presión de fluido y con moldes de goma. - Prensado isostático en caliente: se lleva a cabo con presión de gas y moldes de chapa metálica. c) Sinterizado Es una operación de tratamiento térmico que se efectúa sobre la pieza moldeada para unir sus partículas e incrementar su resistencia mecánica. Posteriormente, se lleva acabo el acabado del material mediante arranque de material de elevada dureza con ayuda de abrasivos. VI. CONCLUSIÓN La conclusión de este trabajo es que para que exista el conformado de plásticos deben de pasar por una serie de pasos para poder llegar a conformado, y que el proceso de obtención de compuestos con matriz metálica y todos los tipos de procesos se deben de realizar con seguridad ya que son de gran riesgo este tipo de procesos al fundir metal a un grado de obtenerlo en su forma liquida. VII. REFERENCIAS [ I.] MATERIALES COMPUESTOS DE MATRIZ CERÁMICA. (s.f.). Obtenido de https://www.google.com.mx/search?q=I.%09PROCESA MIENTO+DE+DEPOSITOS+CON+MATRIZ+CERAM 28 de Marzo del 2017

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¿Qué es el plástico reforzado? (23 de Febrero de 2006). Obtenido de https://www.quiminet.com/articulos/que-es-el-plasticoreforzado-6743.htm

[ III.] Fundamentos de tecnología de materiales. (s.f.). Obtenido de https://ingenierosenapuros.files.wordpress.com/.../mate riales-compuestos-de-matriz-m... [ IV.] Groover, M. P. (2007). Fundamentos de manufactura moderna. Mexico D.F.

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