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Historia del plástico:

Durante milenios el hombre ha conocido y hecho uso de materiales plásticos naturales como el asta, el ámbar y el carey.

Esto se ha debido principalmente a sus buenas propiedades y a que la única transformación necesaria para hacer uso de ellos, ya sea como herramienta u ornamento, era el conformado mecánico adecuado para obtener la forma del objeto deseado.

Sin embargo, la historia de los plásticos artificiales es relativamente reciente. Se remonta a 1869, fecha en que John Wesley Wyatt, al intentar fabricar bolas de billar de material sintético, descubrió el celuloide. No obstante, los plásticos no tuvieron una gran repercusión sobre la industria hasta que en el año 1907 el Dr. Leo Baekeland patenta el procedimiento de obtención de una resina fabricada a partir de fenol y formaldehído que, en su honor, recibió el nombre de baquelita. Su descubrimiento estimuló la búsqueda de otros plásticos y dio lugar a una industria que ha llegado a ser una de las diez mayores de EE.UU.

La verdadera naturaleza de los materiales plásticos fue descubierta en 1920 por el alemán Hermann Staudinger (Premio Nobel de Química en 1953) que demostró que estaban constituidos por grandes cadenas formadas por unidades moleculares, denominadas macromoléculas.

Poco tiempo después, entre 1929 y 1937, los estudios llevados a cabo por Wallace Hume Carothers sobre la polimerización dieron un nuevo impulso al conocimiento de los plásticos y su fabricación, se sintetizaron un gran número de ellos, entre los que cabe destacar el primer caucho sintético en 1930 y el nylon en 1937.

A partir de 1937, P. Flory (Premio Nobel en 1974) consigue incluir el estudio de los polímeros como una rama de la ciencia, gracias al establecimiento de sus bases teóricas y argumentaciones científicas.

Como puede verse, entre las dos Guerras Mundiales se produce un gran avance en el conocimiento de los materiales plásticos. Pero es al final de la Segunda Guerra Mundial cuando, con el abaratamiento del petróleo y sus productos derivados, se origina un rapidísimo crecimiento de sus aplicaciones.

Durante las décadas de los cincuenta y sesenta la producción y el consumo de plásticos crecen desmesuradamente, siendo el momento de mayor apogeo comercial de este campo. Posteriormente el ritmo de crecimiento de la industria del plástico ya ha sido más moderado.

No obstante, los plásticos se han constituido como un material imprescindible en la sociedad actual. Para comprobarlo basta con observar los objetos de cualquier entorno cotidiano y darse cuenta de que están presentes en la mayoría de los bienes y productos: nuestra vestimenta lleva incorporada un alto porcentaje de fibras plásticas; el acabado estético de multitud de elementos se logra gracias al recubrimiento de materiales plásticos como pinturas y barnices; gran parte del mobiliario es de plástico, o bien está recubierto por láminas de melamina; los envoltorios y embalajes de muchos productos son, o llevan incorporado, material plástico; las carcasas u otras estructuras que no deban soportar cargas o esfuerzos muy elevados, suelen ser enteramente plásticas.

En definitiva, la gran mayoría de los objetos que diariamente encontramos a nuestro alrededor están fabricados entera o parcialmente por componentes de plástico: televisores, carpetas, bolígrafos, mecheros, calculadoras, ordenadores, discos, equipos hi-fi, electrodomésticos, coches, aviones; y así podría hacerse una interminable lista de cosas para las que la tecnología actual recurre al empleo de plásticos.

La gran profusión del empleo de materiales plásticos se debe fundamentalmente a que su precio es muy competitivo, y a que sus propiedades son muy ventajosas respecto a otros materiales a los que sustituyen; incluso, han sido imprescindibles para el desarrollo de algunos procesos técnicos.

Tabla 1: Fecha de descubrimiento y/o introducción de los primeros plásticos.

Plástico Año introducción

NITRATO DE CELULOSA 1868

ACETATO DE CELULOSA 1894

FENOL-FORMALDEHIDO 1909

ETERES DE CELULOSA 1912

VINILOS 1927

UREA-FORMALDEHIDO 1929

ACRILATOS 1931

FURANOS 1934

POLIESTIRENO 1937

POLIAMIDAS 1938

POLIESTERES 1942

POLIETILENO 1943

POLIPROPILENO 1957

FENOXI 1962

Tabla 2: Abreviaturas internacionales de nombres de plásticos.

Abreviaturas Nombre plástico

CA -ACETATO DE CELULOSA

CPVC -POLI(CLORUR. DE VINILO)

MF -RESINA MELAMINA FORMAL.

PAN -POLIACRILONITRILO

PC -POLICARBONATO DE BISFENOL

PE -POLIETILENO

PF -RESINAS FENOL-FORMALDEHIDO

PIB -POLISOBUTILENO

PMMA -POLI(METIL METACRILATO)

PP -POLIPROPILENO

PS -POLIESTIRENO

PVC -POLI(CLORURO DE VINILO)

PUR -POLIURETANO

PVAC -POLI(VINIL ACETATO)

PVB -POLI (VINIL BUTIRAL)

Propiedades comunes de los plásticos.

A pesar de la gran variedad en la composición y estructura que pueden presentar los distintos plásticos, hay una serie de propiedades comunes que poseen los plásticos y que los distinguen de otros materiales.

El rango de densidades de los plásticos es relativamente bajo y se extiende desde 0.9 hasta 2.3 g/cm 3 (tabla 3). Entre los plásticos de mayor consumo se encuentran el PE y el PP, ambos materiales con densidad inferior a la del agua. La densidad de otros materiales es varias veces mayor, como el aluminio con densidad 2.7 g/cm3 o el acero con 7.8 g/cm3. Esta densidad tan baja se debe fundamentalmente a dos motivos; por un lado los átomos que componen los plásticos como C, H, O y N son ligeros, y por otro, las distancias medias de los átomos dentro de los plásticos son relativamente grandes.

Tabla 3. Densidad, conductividad térmica y eléctrica de diferentes materiales.

Material
Densidad (g/cm3)
Cond. Térmica (W/mK)
Cond. Eléctrica (s)

Plásticos
0.9 – 2.3
0.15 – 0.5
---

PE
0.9 – 1.0
0.32 – 0.4
---

PC
1.0 – 1.2
---
---

PVC
1.2 – 1.4
---
10-15

Acero
7.8
17.50
5.6

Aluminio
2.7
211
38.5

Aire
---
0.05
---

Por otra parte, el valor de la conductividad térmica de los plásticos es sumamente pequeño. Los metales, por ejemplo, presentan conductividades térmicas 2000 veces mayores que los plásticos, esto se debe a la ausencia de electrones libres en el material. Un inconveniente de la baja conductividad aparece durante la transformación de los plásticos. El calor necesario para transformar los plásticos se absorbe de manera muy lenta y, por otra parte la eliminación del calor resulta igualmente costosa. Durante el uso de los plásticos, la baja conductividad térmica aparece como una ventaja, pues permite el empleo de estos materiales como aislantes.

Igualmente los plásticos conducen muy mal la corriente eléctrica. Presentan resistencias muy elevadas, y por tanto, bajas conductividades. La resistencia eléctrica es función de la temperatura, y a elevadas temperaturas conducen mejor. Gracias a su elevada resistencia eléctrica los plásticos se utilizan frecuentemente como aislantes eléctricos de aparatos y conducciones que funcionan con corriente o la transportan.

Por otra parte, los termoplásticos amorfos como el PC, PMMA, PVC, resinas de UP presentan transparencia que no difieren mucho del propio vidrio. Su transparencia es aprox. del 90% (relación entre la intensidad de la luz transmitida sin desviación y la luz incidente). La transparencia de los plásticos se puede perder, al menos parcialmente, por exposición a la intemperie o a cambios bruscos de temperatura.

Clasificación de los materiales plásticos.

Como se ha podido apreciar, existe una gran cantidad de materiales para fabricar engranajes plásticos, sin embargo se pueden agrupar en dos grandes grupos, esencialmente en dependencia de las cadenas de polímeros:

Termoplásticos: Si la cadena de polímeros permanece linear y separada después del moldeo.

Termoestables: Si la cadena se convierte en una cadena tridimensional reticulada.

Para seleccionar el material, en el caso particular de los engranajes plásticos, hay que basarse en factores tales como: Absorción de humedad, resistencia al impacto, resistencia a la tracción y costos.

Materiales termoplásticos. Características y propiedades mecánicas.

Los materiales termoplásticos son polímeros lineales, que pueden ser ramificados o no y puesto que no se encuentran entrecruzados son polímeros solubles en algunos disolventes orgánicos, son capaces de fundir y son reciclables. Los termoplásticos más frecuentes como PE, PP, PS y PVC se fabrican y emplean en cantidades muy grandes, si los comparamos con los plásticos restantes. Más de la mitad de la cifra total procesada corresponde a los cuatro plásticos citados.

Para que un polímero tenga aplicación como termoplástico debe tener una temperatura de transición vítrea Tg (si se trata de un material amorfo), o una temperatura de fusión Tm (si se trata de un material cristalino), superior a la temperatura ambiente. Por lo general los materiales termoplásticos presentan un buen conjunto de propiedades mecánicas, son fáciles de procesar, reciclables y bastante económicos. La principal desventaja deriva del hecho de que son materiales que funden, de modo que no tienen aplicaciones a elevadas temperaturas puesto que comienzan a reblandecer por encima de la Tg, con la consiguiente pérdida de propiedades mecánicas

Dentro de los materiales termoplásticos los más comúnmente usados son:

ABE (acrilonitrilo-butadieno-estireno): Muy tenaz, pero duro y rígido; resistencia química aceptable; baja absorción de agua, por lo tanto buena estabilidad dimensional; alta resistencia a la abrasión; se recubre con una capa metálica con facilidad.

Acetal: Muy fuerte, plástico rígido usado en ingeniería con estabilidad dimensional excepcional, alta resistencia a la deformación plástica y a la fatiga por vibración; bajo coeficiente de fricción; alta resistencia a la abrasión y a los productos químicos; conserva la mayoría de sus propiedades cuando se sumerge en agua caliente; baja tendencia a agrietarse por esfuerzo.

Acrílico: Alta claridad óptica; excelente resistencia a la intemperie en exteriores; duro, superficie brillante; excelentes propiedades eléctricas, resistencia química aceptable; disponible en colores brillantes transparentes.

Celulósicos: Familia de materiales tenaces y duros; acetato, propionato, butirato de celulosa y etil celulosa. Los márgenes de las propiedades son amplios debido a las composiciones; disponible con diversos grados de resistencia a la intemperie, humedad y productos químicos; estabilidad dimensional de aceptable a mala; colores brillantes.

Fluoroplásticos: Gran familia (PTFE, FEP. PFA, CTFE, ECTFE, ETFE y PVDF) de materiales caracterizados por excelente resistencia eléctrica y química, baja fricción y estabilidad sobresaliente a altas temperaturas; la resistencia es de baja a moderada; su costo es alto.

Nylon (poliamida): Familia de resinas usadas en ingeniería que tienen tenacidad y resistencia sobresalientes al desgaste, bajo coeficiente de fricción y propiedades eléctricas y resistencia química excelentes. Las resinas son higroscópicas; su estabilidad dimensional es peor que la de la mayoría de otros plásticos usados en ingeniería.

Óxido Fenileno: Excelente estabilidad dimensional (muy baja absorción de humedad); con propiedades mecánicas y eléctricas superiores sobre un amplio margen de temperaturas. Resiste la mayoría de los productos químicos, pero es atacado por algunos hidrocarburos.

Poli carbonato: Tiene la más alta resistencia al impacto de los materiales transparentes rígidos; estabilidad en exteriores y resistencia a la deformación plástica bajo carga excelentes; resistencia a los productos químicos aceptable; algunos solventes aromáticos pueden causar agrietamiento al esfuerzo.

Poliéster: Estabilidad dimensional, propiedades eléctricas, tenacidad y resistencia química excelentes, excepto a los ácidos fuertes o bases; sensible al ranurado; no es adecuado para uso en exteriores o en instalaciones para agua caliente; también disponible en los termo fraguantes.

Polietileno: Amplia variedad de grados: compuestos con densidad baja, mediana y alta. Los tipos BD son flexibles y tenaces. Los tipos MD y AD son más fuertes, más duros y más rígidos; todos son materiales de peso ligero, fáciles de procesar y de bajo costo; poca estabilidad dimensional y mala resistencia al calor; resistencia química y propiedades eléctricas excelentes. También se encuentra en el mercado polietileno de peso molecular ultra-alto.

Poliamida: Gran resistencia al calor (5OOºF continuos, 9OOºF intermitente) y al envejecimiento por el calor. Resistencia al impacto y resistencia al desgaste altas; bajo coeficiente de expansión térmica; excelentes propiedades eléctricas; difícil de procesar por los métodos convencionales; alto costo.

Sulfuro de polifenileno: Resistencia sobresaliente química y térmica (450ºF continuos); excelente resistencia a baja temperatura; inerte a la mayoría de los compuestos químicos en un amplio rango de temperaturas; inherentemente de lenta combustión. requiere alta temperatura para su proceso.

Polipropileno: Resistencia sobresaliente a la flexión y al agrietamiento por esfuerzo; resistencia química y propiedades eléctricas excelentes; buena resistencia al impacto arriba de 15ºF; buena estabilidad térmica; peso ligero, bajo costo, puede aplicársele una capa galvanoplástica.

Poliestireno: Bajo costo, fácil de procesar, material rígido, claro, quebradizo como el cristal; baja absorción de humedad, baja resistencia al calor, mala estabilidad en exteriores; con frecuencia se modifica para mejorar la resistencia al calor o al impacto.

Polisulfona: La más alta temperatura para la deflexión por calor entre los termoplásticos que se procesan por fusión; requiere alta temperatura de proceso; tenaz (pero sensible al ranurado), fuerte y rígido; propiedades eléctricas y estabilidad dimensional excelentes, a una alta temperatura puede aplicársele una capa galvanoplástica; alto costo.

Poliuretano: Material tenaz, de extrema resistencia a la abrasión y al impacto; propiedades eléctricas y resistencia química buenas; puede obtenerse en películas, modelos sólidos o espumas flexibles; la exposición a la radiación ultravioleta produce fragilidad, propiedades de menor calidad y color amarillo; también hay poliuretanos termofraguantes.

Cloruro de polivinilo: Muchos tipos disponibles; los rígidos son duros, tenaces y tienen excelentes propiedades eléctricas, estabilidad en exteriores y resistencia a la humedad y a los productos químicos; los flexibles son fáciles de procesar, pero tienen propiedades de menor calidad; la resistencia al calor va de baja a moderada para la mayoría de los tipos de PVC; bajo costo.

Materiales termoestables. Características y propiedades mecánicas

Los plásticos termoestables son materiales que adquieren un estado final reticulado (entrecruzado), que hace que el material sea insoluble e incapaz de fundir otra vez. A partir de materias primas de bajo peso molecular se forma, en una primera fase, un producto intermedio (prepolímero), de peso molecular intermedio, no reticulado o muy poco y por tanto todavía capaz de fundir (y por tanto de rellenar un molde).

La reticulación espacial que da lugar a la formación de la macromolécula termoestable tiene lugar por reacción química (curado) durante el moldeo de la pieza, es decir, durante el proceso de transformación. Puesto que no funden y no reblandecen son materiales que presentan muy buenas propiedades a elevadas temperaturas. Junto con su alta resistencia térmica presentan alta resistencia química, rigidez, dureza superficial, buena estabilidad dimensional, etc.

Sin embargo el empleo de estos materiales ha ido disminuyendo en los últimos años. Existen numerosas razones por las que ha ocurrido esto. Los termoestables requieren métodos de transformación lentos, puesto que la reacción de polimerización tiene lugar durante la transformación. Los acabados son pobres comparados con los de la mayoría de los termoplásticos; por lo general las resinas termoplásticas son bastantes opacas y en muchos casos presentan cierta coloración amarillenta.

Los ejemplos más corrientes de estos materiales son los poliuretanos reticulados (PUR), las resinas de fenol-formaldehido (fenoplastos) y las resinas de amina-formaldehido (aminoplastos)

A continuación se exponen algunos de estos materiales:

Alquídicos: Propiedades eléctricas y resistencia al calor excelentes; más fáciles y rápidos de moldear que la mayoría de los termoestables; no son productos volátiles.

Alilos (dialilftalatos): Estabilidad dimensional y propiedades eléctricas sobresalientes; fáciles de moldear, excelente resistencia a la humedad y a los productos químicos a temperaturas altas.

Amino (urea, melamina): Resistencia a la abrasión y a astillarse; buena resistencia a los disolventes; la urea se moldea con mayor rapidez y cuesta menos que la melamina; la melamina tiene una superficie más dura y más alta resistencia al calor y a los productos químicos.

Resinas epóxicas: Resistencia mecánica excepcional, sus propiedades eléctricas y de adhesión superan a la mayoría de los materiales; baja contracción durante el moldeo; algunas fórmulas pueden curarse sin calor o presión.

Fenólicas: Material de bajo costo con buen equilibrio de las propiedades mecánicas, eléctricas y térmicas; limitadas a colores negro y café.

Poliéster: Excelente equilibrio de propiedades, colores ilimitados; transparentes u opacos; no libera volátiles durante el curado, pero la contracción en el moldeo es alta; se pueden usar moldes de bajo costo sin calor o presión; utilizado ampliamente con refuerzo de vidrio para producir componentes "de fibra de vidrio"; también hay poliéster termoplástico.

Poliuretano: Puede ser flexible o rígido, dependiendo de la fórmula; presentan excepcional tenacidad y resistencia a la abrasión y al impacto; particularmente adecuado para piezas grandes hechas de espuma, ya sea en tipos rígidos o flexibles; también se produce con fórmulas termoplásticas.

Siliconas: Resistencia al calor (desde –100ºF a +500ºF), propiedades eléctricas y compatibilidad con los tejidos del cuerpo sobresalientes; su curado es mediante una variedad de mecanismos; alto costo; disponible en muchas formas: resinas para laminados, resinas para moldeo, revestimientos, vaciados o resinas vertidas y selladores.

Aplicaciones de los plásticos.

Hasta el momento se ha hecho un esbozo general acerca de las principales propiedades y características de los materiales plásticos. A continuación se desglosan, en la tabla 4 y a manera de resumen, las principales aplicaciones de los materiales plásticos

Tabla 4: Aplicaciones de los materiales plásticos.

Termoplásticos
Termoestables

Aplicación
ABS
Acetales
Acrílicos
celulósicos
Fluoroplásticos
Nylon
Oxidos de fenileno
Policarbonatos
poliésteres
Polietilenos
polimidas
Sulfuros de polifenileno
polipropileno
poliestireno
Polisulfonados
Poliuretanos
Cloruros de polivinilio
fenólicos
Poliésteres
Poliuretanos

Estructuras, engranajes, levas, pistones, rodillos, válvulas, impulsores de agua, hojas de ventiladores, rotores, agitadores de máquinas lavadoras.

X



X

X
X



X




X



Servicio mecánico ligero y decorativo. Perillas, manillas, estuches de cámara, conexiones de tubería, cajas de batería, volantes de dirección automotriz, monturas de anteojos, mangos de herramientas.
X

X
X





X



X
X


X



Pequeñas cubiertas protectoras y formas huecas. Cajas de linternas y teléfonos, cascos, Carcazas para de herramientas de potencia, bombas, pequeños aparatos domésticos,
X


X


X
X
X
X



X
X


X
X


Grandes cubiertas protectoras y formas huecas. Cascos de lanchas, carcazas de artefactos domésticos grandes, tanques, tinas, conductos, revestimientos de refrigeradores.
Espuma





Espuma

Espuma
Espuma



Espuma
Espuma

Espuma

Relleno con vidrio
Espuma

Partes ópticas y transparentes. Anteojos de seguridad, lentes, vidrieras de seguridad y resistente al vandalismo, vehículos para nieve, parabrisas, anuncios, estantería para refrigeradores.


X
X



X






X
X





Piezas para uso desgastador, engranajes, bujes, cojinetes, bandas de rodamiento, revestimientos de canalones, ruedas de patines, cintas antifricción para el desgaste

X


X
X


X


X




X

X

En la tabla 5 se muestran las propiedades mecánicas de algunos plásticos que pueden ser usados en ingeniería comparadas con algunos metales.

Tabla 5. Propiedades Típicas de Materiales de Ingeniería

Propiedad
Unidades
Material

Nylon
Torlon
Bronce
Acero
Aluminio

Densidad
g/cm3
1.15
1,41
8,8
7,84
2,7

Resistencia a la Tracción
MPa
83
124
152
248
207

Módulo de elasticidad
MPa
2,75*103
4,13*103
1,1*105
2*105
2,9*104

Resistencia relativa al peso
Acero=1
2,27
2,78
0,54
1
2,41

Coeficiente de expansión térmica lineal
mm/mm/ºK
100*10-6
28*10-6
20*10-6
12*10-6
24*10-6

Materiales para engranajes.

Los materiales para engranajes tienen que cumplir algunos requisitos básicos. Los materiales deben ser bastante resistentes para soportar las cargas sobre el diente y también tener buenas características en cuanto a la fricción y resistencia al desgaste. Las resistencias al impacto y a la corrosión también son importantes en algunas aplicaciones. El diseñador del engranaje debe evaluar cuidadosamente los requisitos, medioambientales y mecánicos, que exige el engranaje, y debe comparar éstos con las propiedades asociadas para los materiales propuestos.

Los valores para evaluar un engranaje no se encuentran fácilmente en la bibliografía y cuando se logran ubicar generalmente se evalúan propiedades físicas y mecánicas bajo condiciones normales que raramente se observan en engranajes. Si las propiedades de ingeniería, como las curvas de tensión deformación, el creep o datos de fatiga por flexión, estuvieran disponibles, para una variedad de temperaturas y regímenes de tensión, entonces pudiera observarse un mejor cuadro de cómo se comporta un determinado material. Aún cuando los datos requeridos estén disponibles, se recomienda fuertemente el ensayo de un prototipo.

A pesar de que la mayoría de los datos de desgaste no se aplican directamente para los engranajes, los datos de desgaste para arandelas, anillos o pasadores pueden dar una valoración comparativa para los posibles candidatos. Los extensos datos de prueba para las arandelas se han obtenido con compuestos termoplásticos contra acero y otros metales (aluminio, latón, etc.) a temperaturas elevadas. Este tipo de datos puede ser útil cuando proyectamos los candidatos potenciales para el prototipado del engranaje. El factor de desgaste de 200 del Nylon 6/6 sin relleno es la referencia para determinar si un compuesto tiene una relación de desgaste aceptable. Factores de desgaste mayores de 200 indican que un material tiene una relación de desgaste alta e inaceptable y es inadecuada para la mayoría de las aplicaciones en engranajes. Factores inferiores a 200 indican un material para engranajes potencialmente viable.

Otro número que debe emplearse cuando estamos seleccionando un material para engranajes es el valor PV (presión–velocidad) límite. Este indica la carga permisible para un compuesto o las limitaciones de velocidad. En la prueba de PV, la carga sobre un rodamiento en rotación se incrementa gradualmente hasta el fallo. La selección del compuesto generalmente se realiza basado en un máximo del 50% del PV límite permisible para un factor de seguridad dado.

El acetal y el Nylon 6/6, ambos sin relleno, están entre los primeros termoplásticos comúnmente empleados para engranajes. Estas resinas cristalinas poseen buena resistencia inherente al desgaste, bajos coeficientes de fricción y buena resistencia química. Sin embargo, su alta contracción en el molde y la reducida capacidad carga/velocidad limitan el número de aplicaciones potenciales. Hoy, se componen muchas resinas termoplásticas con lubricantes internos para aumentar la resistencia al desgaste y disminuir fricción, y con refuerzos para agregar resistencia.

Aditivos lubricantes.

Entre los lubricantes ampliamente usados tenemos el polvo de PTFE (polytetrafluoroethylene) y fluido de silicona. Las partículas de PTFE manchan el contacto entre las superficies de desgaste dando como resultado una película de PTFE que se transfiere a la superficie de desgaste del acoplamiento. Esta película de PTFE contra PTFE resulta en coeficientes de fricción y regímenes de desgaste significativamente reducidos

Por ejemplo, cuando el PES (polyethersulfone) es lubricado con un 20% de PTFE, el coeficiente dinámico de fricción disminuye de 0.37 a 0.11 y el factor de desgaste baja de 1500 a 32. Con un factor de desgaste muy por debajo de 200 esta resina amorfa puede ser considerada ahora como un candidato potencial para engranajes. Las resinas amorfas son importantes porque tienen una relación de contracción en el molde más baja que las resinas cristalinas y puede moldearse para producir engranajes más exactos.

Otro lubricante popular, el fluido del silicona, emigra a la interface de desgaste y está presente en el arranque. Este lubricante se emplea solo o junto con el PTFE para reducir aún más el factor de desgaste. El factor de desgaste de un Nylon 6/6 lubricado con un 2% de silicona, Lubricomp® RL-4410, disminuye de 200 a 40.

Una combinación de 18% PTFE y 2% de silicona reduce el factor de desgaste, más allá, hasta 6. La combinación de PTFE/silicona ofrece mejoras a altas velocidades y a menudo se selecciona para las aplicaciones donde ocurren oscilaciones de velocidad o en el movimiento.

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Figura 1 Efecto de la Lubricación con PTE sobre varias resinas

Refuerzos.

Fibras de refuerzo como el vidrio, carbono o aramid compuestos dentro de una resina mejoran el desempeño mecánico. El refuerzo con fibras de carbono proporciona la mayor mejora en la fuerza mecánica y rigidez seguidas por las fibras de vidrio y por último las fibras del aramid. Con solo la adición de refuerzos de fibras disminuye significativamente el factor de desgaste de la mayoría los sistemas de resinas (Tabla 6). La Combinación de PTFE y los refuerzos de fibra producen una reducción extensa en el factor de desgaste. Para un Nylon 6/6 lubricado con un15% PTFE y reforzado con fibras típicas (30% para vidrio y carbono, 10% para el aramid) los factores de desgaste se reducen a menos de 20.

La desventaja principal de las fibras de vidrio y carbono es que ellos inducen una contracción anisotrópica en el molde, lo que podría producir engranajes menos precisos. Las fibras de Aramid se comportan más isotrópicamente, con un pequeño diferencial entre contracción en la dirección del flujo y transversal a él. Las formulaciones compuestas con un mínimo de fibras de refuerzo pueden mejorarse con rellenos como vidrio molido o rosarios de vidrio que no aumentan la contracción diferencial. Sin embargo, estos materiales generalmente tendrán más bajas propiedades mecánicas y los regímenes de desgaste más altos.

Uno de los progresos en compuestos reforzados que ofrecen un potencial para el crecimiento de la sustitución de engranajes de metal es el empleo de la tecnología de fibra larga. Una comparación de las propiedades del uso de las fibras vidrio largas y cortas para el Nylon 6/6 con un 40% fibras de vidrio y 10% PTFE revela mejoras significativas en los esfuerzos de flexión e impacto para el refuerzo de fibra larga. El régimen de desgaste no aumenta dramáticamente ya que el número de extremos de fibra se reduce. Los altos esfuerzos y propiedades de impacto se traducen en la mejora de la fuerza del diente y resistencia a la fatiga bajo un alto torque logrado en algunas aplicaciones del engranaje (Tabla .7).

Tabla 6. Comparación de las fibras de refuerzo en una matriz de Nylon6/6.

Unidad
Sin relleno
10% de Carbono
10% de Vidrio
10% de Aramid

Contracción
A favor de la fibra
%
1.5
0.6
0.6
0.8

Transversal
%
1.8
1.1
1.1
1.1

Resistencia a la tracción
Mpa
87
96,5
138
93

Resistencia a flexión
Mpa
282
448
689
358,5

Coeficiente de fricción
Estático
0.22
0.21
0.18
0.23

Dinámico
0.28
0.28
0.24
0.25

Factor de desgaste
Pul5.min/pies.lb.hr
200
80
65
30

Tabla 7: Comparación entre Nylon reforzado con fibras de vidrio largas y cortas, ambos lubricados con PTFE.

Propiedad
Unidad
40% de fibras largas de vidrio y 10% de PTFE
40% de fibras cortas de vidrio y 10% de PTFE

Resistencia a tracción
psi
30000
29000

Elongación
%
4.0
3.0

Módulo de flexión
psi
1750000
1650000

Resistencia al impacto
Pies.lb/pul
3.8
2.4

HTD
0F, a 264psi
500
495

Efecto del Material sobre la Precisión del Engranaje.

La selección del material puede tener un efecto apreciable sobre precisión del engranaje. Las resinas amorfas tienen características de contracción que tienden a ser más isotrópicas que las resinas cristalinas, y los rellenos particionados se comportan más isotrópicamente que los fibrosos. Si se conoce bien el comportamiento de contracción de un material, entonces la cavidad del molde puede ser tallada para moldear un engranaje preciso, para ese material. No obstante, la contracción isotrópica es más fácil de compensar al tallar una cavidad para engranajes.

Para evaluar los efectos de diferentes resinas y sistemas de relleno sobre la precisión de engranajes moldeados fueron inyectados varios compuestos termoplásticos para obtener un engranaje cilíndrico de dientes rectos con 32 de diametral pitch, 20° de ángulo de presión, 1.25" de diámetro de paso, y 0.125" de ancho, integralmente moldeado con un piñón más pequeño (Figura 2). El engranaje tenía una sola entrada fuera de centro, en la trama del engranaje. Las resinas bases seleccionadas fueron el Nylon 6/6 y el policarbonato.

Figura 2 - Engranajes de Prueba: Diametral pitch 32.

Estos materiales para engranajes, que son comúnmente usados, representan a los dos tipos principales de resinas termoplásticas: los materiales cristalinos de alta contracción (nylons, acetals, y olefins) y a los compuestos amorfos de baja contracción (polycarbonates, polysulfones, ABS y SAN). Las condiciones de moldeo usadas fueron las típicas para cada resina y se mantuvieron constantes sin tener en cuenta el tipo de relleno o contenido.

Para cada una se moldearon formulaciones con un 40% de fibras de vidrio reforzado, un 30% de rosarios de vidrio redondeados y un 30% fibras de vidrio lubricados con un15% PTFE. En la Figura 3 se muestran gráficas del TCE para cada formulación. Para ambas resinas bases, las formulaciones con fibras de vidrio reforzadas mostraron una sola cresta grande. Esta cresta es una gran mancha en el engranaje, y es el resultado de una gran orientación de la fibra en el lado del engranaje opuesto a la entrada.

Los compuestos de Nilón 6/6 rellenos con rosarios de vidrio también mostraron una sola cresta, pero la magnitud de la cresta es menor comparada con la de relleno con fibra de vidrio reforzada. Esto es que porque los rellenos particionados se contraen isotrópicamente y su alineación en el lado más lejano del engranaje es irrelevante. La cresta en este compuesto se debe a la naturaleza anisotrópica de los materiales cristalinos. Los compuestos de policarbonato rellenos con rosarios de vidrio se contrajeron esencialmente de forma isotrópica y dan una curva plana. Este compuesto produjo el engranaje más preciso.

La gráfica de TCE para los compuestos con un 30% fibra de vidrio, lubricados con un15% PTFE mostraron una sola cresta, similar los compuestos con un 40% de fibras de vidrio reforzado. La adición del PTFE a un compuesto reforzado con vidrio tiene poco efecto sobre el runout.

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Figura 3 – Resultado de los ensayos.

Dos aspectos importantes a tener en cuenta además de las propiedades mecánicas para la selección de un material plástico son la absorción de humedad y el efecto de la temperatura. La firma Intech ha investigado la influencia de estos parámetros en la resistencia de los dientes, específicamente para el PA 66, como se muestra en las figuras 4, 5 y 6.

Figura 4. Efecto de la temperatura sobre el módulo de Elasticidad.

Figura 5. Efecto de la temperatura en la resistencia a la flexión.

Figura 6. Variación de la resistencia a la tracción en función de la absorción de humedad.

Aspectos a tener en cuenta a la hora de seleccionar el material plástico para una aplicación dada en Ingeniería.

Revisión del ambiente químico (Consultar tabla de resistencia química del plástico según concentración y temperatura).

Revisión del ambiente térmico (Verificar temperaturas máximas y mínimas, verificar pico de temperatura y tiempo).

Revisión de las condiciones mecánicas de operación (Resistencia requerida a la flexión, al impacto, desgaste, fatiga, fractura, etc.).

Revisar disponibilidad del material (Laminado, tubo o necesidad de moldear).

Revisar proceso de fabricación y montaje (Costo de maquinado, posibilidad de moldeado, tolerancias, etc.).

Aspectos más importantes:

Los materiales plásticos para engranajes en la actualidad son múltiples y se adaptan para casi la generalidad de las aplicaciones en todas las ramas de la industria

Los materiales plásticos para engranajes se clasifican en: Termoplásticos y Termoestables, siendo los termoplásticos los que encuentran mayor aplicación debido a su facilidad de procesamiento durante el moldeo.

Con el uso de los diferentes aditivos en los materiales plásticos para engranajes se han logrado buenos resultados en el mejoramiento de sus propiedades mecánicas, siendo los aditivos fundamentales los reforzadores y los lubricantes.

Los materiales termoplásticos presentan un buen conjunto de propiedades mecánicas, son fáciles de procesar, reciclables y bastante económicos; y. la principal desventaja deriva del hecho de que su aplicación está limitada a bajas temperaturas, derivado esto por ser materiales que funden.

Los materiales termoestables presentan muy buenas propiedades a elevadas temperaturas y junto con su alta resistencia térmica presentan alta resistencia química, rigidez, dureza superficial y buena estabilidad dimensional. Y tienen como desventajas que requieren métodos de transformación lentos y los acabados son pobres comparados con los de la mayoría de los termoplásticos.

La Humedad y la temperatura tienen una gran influencia sobre la resistencia de los dientes. En este caso la resistencia a la flexión disminuye con la temperatura. Se puede concluir que cuanto mayor es la humedad, menor será la resistencia a la tracción también

Compilado por: Ricardo Ibazeta en: Septiembre 5, 2005 03:39 AM | TrackBack