Soldadura por ultrasonido - Departamento de Electrónica y

Soldadura por Ultrasonido
Flores Esteban, Ruíz Nelson Iván
Cátedra: Aplicaciones Industriales delUltrasonido
Curso 2014
Departamento de Electrónica y Automática-Facultad de Ingeniería
Universidad Nacional de San Juane-mail
1.Introducción
El ensamble plástico por ultrasonido es la unión o reformación de termoplásticos mediante
el calor generado por un movimiento mecánico de alta frecuencia. Esto se logra
convirtiendo la energía eléctrica a movimiento mecánico de alta frecuencia (vibraciones),
las cuales crean calor en el punto de unión. Las vibraciones cuando son aplicadas a una
parte bajo presión/fuerza, crean calor en la interferencia causando que el plástico que está
en el punto de unión se derrita, creando una unión molecular entre los componentes
plásticos.
La mayoría de las personas están familiarizadas con lo que ocurre cuando un material es
golpeado continuamente con un martillo. Si el impacto es muy fuerte y ocurre
frecuentemente, el objeto de metal empezara a calentarse. Si esta acción continua, la
temperatura del metal se elevara drásticamente. El objeto de metal se calienta porque sus
moléculas se mueven o vibran a una velocidad que causa un incremento de temperatura.
De acuerdo con las leyes básicas de la física, la verdadera definición de calor es “la energía
asociada con el movimiento aleatorio o vibraciones de las moléculas”. Teóricamente,
solamente en cero absoluto (-273ºC) no hay movimiento molecular. Por lo tanto, en la
práctica las moléculas de cualquier sustancia están vibrandoconstantemente. La velocidad
de la vibración molecular en una sustancia determina su temperatura. Mientras más vibren
las moléculas más caliente es la sustancia. En el ejemplo anterior, el impacto del martillo
causa una vibración molecular en el metal, que incrementa su temperatura. Enfocando las
vibraciones de alta frecuencia a un área especificada de un termoplástico, las moléculas del
material son “agitadas” y la temperatura se incrementa hasta que el material se derrita y se
forme una unión (soldadura) o que tome la forma del sonotrodo (reformación).
Como el ensamble por ultrasonido es un proceso relacionado con el calor, alguno de los
principios de la soldadura por calor son los mismos. La diferencia principal es como se
introduce el calor al área deseada. Con el resultado, el sonotrodo transmite vibraciones de
alta frecuencia que debe atravesar el material y concentrarse en el área de unión deseada,
causando que el calor se desarrolle en el material por sí solo.
2.¿Cómo se logra la soldadura por ultrasonido?
La soldadura por ultrasonido se logra convirtiendo energía eléctrica de alta frecuencia a
movimiento mecánico de alta frecuencia. El movimiento mecánico, junto con la fuerza
aplicada, crean calor en las superficies de contacto (área de unión) de los componentes
plásticos logrando que el material plástico se derrita y forme una unión molecular entre las
dos piezas.
El generador es alimentado por la línea de voltaje de CA de 50 o 60 hertz la cual es
convertida a 20000 o 40000 hertz. Esta energía eléctrica de alta frecuencia es enviada a un
transductor (convertidor) piezoeléctrico, el cual convierte la energía eléctrica a vibraciones
2
mecánicas. Estas vibraciones cuando son aplicadas a una parte bajo fuerza/presión, van a
crear calor causando que el plástico se derrita en el área de unión. Cuando el plástico se
enfrié, se crearauna unión molecular entre los componentes.
La soldadura por ultrasonido, es la aplicación más común del ensamble por ultrasonido. Al
soldar el sonotrodo hace contacto con una de las piezas, una fuerza es aplicada y las
vibraciones ultrasónicas viajan a través del material generando calor en el área de unión
entre las dos piezas. El material de plástico se derrite y fluye entre las superficies de ambas
partes. Cuando las vibraciones cesan, el plástico se solidifica y las dos piezas quedan
unidas. La figura 1 muestra el proceso de soldadura por ultrasonido detalladamente:
Figura 1. Soldadura por ultrasonido
1. Los dos materiales termoplásticos a unir, son colocados juntos, uno arriba del otro
en un soporte llamado nido.
2. Un componente de titanio o aluminio llamado sonotrodo, hace contacto con la parte
de plástico superior.
3. Una presión controlada es aplicada por el sonotrodo empujando las dos piezas de
plástico contra el nido.
4. El sonotrodo esta vibrando verticalmente, 20 khz en algunas maquinas y en otras a
40 khz, a una distancia medida en milésimas de pulgada (micrones) por un
predeterminado tiempo llamado tiempo de soldadura. Las vibraciones mecánicas
son dirigidas al punto de contacto de las dos partes.
Las vibraciones mecánicas son transmitidas a través del material termoplástico al
punto de unión para crear calor, cuando la temperatura en el punto de unión alcanza
el punto de fusión, el plástico se derrite y fluye y las vibraciones cesan. Esto permite
que el plástico derretido se enfrié y se solidifique.
5. La fuerza ejercida sobre las piezas, se mantiene por un tiempo predeterminado
permitiendo que las piezas se unan, logrando una unión molecular. Este se conoce
3
como tiempo de sostenimiento. Al cual se le puede aplicar otra fuerza mayor para
mejorar la fuerza de unión entre los materiales. Esto se logra usando una doble
presión sobre el material.
6. Una vez que el plástico halla solidificado, la fuerza ejercida sobre las piezas se
elimina y el sonotrodo se retracta. Las dos piezas de plástico ahora están unidas
como si hubieran sido moldeadas juntas y son removidas del nido como una pieza.
3.Componentes del sistema y sus funciones1
El sistema básico del ensamble por ultrasonido consta principalmente de cuatro
componentes:
• Generador (fuente de poder).
• Transductor (convertidor).
• Amplificador.
• Sonotrodo (pieza acústica).
Se necesita una prensa para sostener el convertidor-amplificador-sonotrodo (cañón) y un
nido para sostener las piezas a unir para completar el sistema de ensamble plástico por
ultrasonido.
El generador, cambia la energía eléctrica convencional (120Vac, 50hz) a energía eléctrica a
una frecuencia a la cual el sistema está diseñado a operar. Aunque diferentes frecuencias de
operación son usadas en todo el mundo, las frecuencias más comunes usadas en la
producción de manufactura son de 20000hz o 40000hz.
La energía eléctrica de alta frecuencia producida por el generador, es enviada a través de un
convertidor, el cual cambia la energía eléctrica a movimiento mecánico vertical de baja
amplitud, o vibraciones. Estas vibraciones son transmitidas al amplificador, el cual es usado
para incrementar o disminuir la amplitud de las vibraciones.
La cantidad de amplitud requerida depende del material, tipo de aplicación y el trabajo que
se necesita hacer. A veces es necesario cambiar la amplitud de la vibración que va al
sonotrodo, para que el resultado sea apropiado en una aplicación especifica. El amplificador
incrementa o decrementa la amplitud para hacer esto posible. La cantidad de incremento en
la amplitud, es expresada como la razón conocida como ganancia.
1
4
Para esto, un amplificador de 2 a 1 unido al convertidor, duplica la amplitud de la vibración
en su salida. Un amplificador de 3:1 triplica la vibración. Un amplificador de 0.5:1
decrementa la amplitud de las vibraciones a la mitad.
Después las vibraciones son transmitidas al sonotrodo de una forma y tamaño apropiado
para entregar mejor las vibraciones a la pieza. Dependiendo de su forma, el sonotrodo
puede incrementar la amplitud de las vibraciones.
En resumen, el generador provee la energía eléctrica de alta frecuencia al convertidor, el
cual la transforma a vibraciones de alta frecuencia. El amplificador altera la amplitud de las
vibraciones entre el convertidor y el sonotrodo para una aplicación específica. El sonotrodo
es diseñado para aplicar las vibraciones a la parte a ensamblar. La figura 2 muestra la
función de cada uno de los componentes básicos y como la energía es creada e
incrementada.
Figura 2. Componentes básicos y sus funciones
3.1 Sonotrodo2
El sonotrodo refuerza y transmite concentradamente las oscilaciones mecánicas emitidas
por el transductor, a la pieza a soldar.
2
5
Su superficie de apoyo, debe de adaptarse correctamente al contorno de la pieza a tratar,
con el fin de que el sentido de la oscilación se encuentre verticalmente y con la mayor
exactitud posible con respecto al director de energía.
3
Debe ser construido en resonancia con la frecuencia nominal del transductor. Su
relación de masas configura la fuerza deseada o amplitud. Se puede diseñar con mayor
emisión de fuerza y menor amplitud o mayor amplitud y menor emisión de fuerza.
Cuando no es posible obtener la amplitud deseada en la fabricación de un sonotrodo, por
su forma o relación entrada/salida, se recurre a modificar la amplitud mediante el
empleo de los boosters.
La oscilación del sonotrodo se produce por el prensado y dilatación de la textura de su
material, la cual está sujeta a cargas extremadamente intensas. El esfuerzo del material
esta en proporción a la amplitud de la oscilación, y por tanto se destruye al rebasar los
límites de amplitud específicos para cada sonotrodo.
Los sonotrodos se fabrican con aleaciones de titanio altamente resistentes y con
excelentes propiedades acústicas; también se utilizan aleaciones de aluminio y en casos
de escasa amplitud, de acero. Son diversas las formas que puede adoptar un sonotrodo,
ya que en su diseño y cálculo intervienen varios factores:
•
Naturaleza del material a soldar.
•
Forma y dimensión de la pieza.
•
Operación a realizar.
•
Amplitud suministrada por el generador/transductor.
•
Booster a emplear.
•
Material del sonotrodo.
•
Dimensiones de la forma del sonotrodo.
De entre las formas básicas se destacan:
•
Sonotrodos redondos rectos, redondos catenoidales, redondos
exponenciales y redondos escalonados.
•
Sonotrodos rectangulares o de pala y cuadrados.
3
6
•
Figura 3. Diferentes tipos de Sonotrodos
4.Ventajas del ensamble por ultrasonido
Es un proceso rápido, eficiente y repetitivo, que produce uniones fuertes usando poca
energía. No se requieren solventes, adhesivos, sujetadores mecánicos ni calor externo. El
ensamble final es fuerte y limpio. El ensamble de piezas tiene un ciclo rápido, porque la
energía es transferida hacia el área de unión y el calor se desarrolla rápidamente. La rápida
disipación de calor hace este proceso más rápido que otros métodos de ensamble. El
ensamble por ultrasonido es muy aceptado y es usado en la industria automotriz, médica,
eléctrica y electrónica, comunicaciones, electrodomésticos, juguetes, industria textil y en la
de empaque. La industria de azúcar y alcohol, ya empezó a abrir las puertas a esta solución,
ya que se encuentran conductos, tubulares, tanques de almacenaje, de transporte y proceso
hechos en plástico reforzado. Es un proceso económico que incrementa significativamente
la producción a un costo bajo. En el siguiente cuadro se resumen algunas de las ventajas
junto con alguna de sus restricciones:
Ventajas
Los tiempos de ciclo son menores a un
segundo.
Alta calidad de soldadura y uniforme.
Consume poca energía.
Restricciones
No permite hacer soldaduras de cordón.
Piezas con espesores pequeños(menor a
3mm).
Solo para superficies planas o con pequeñas
curvaturas.
Permite unir metales diferentes.
No hay calentamiento por lo que no se
fragilizan zonas afectadas por calor.
No contamina al no emitir gases ni residuos.
Las uniones son más fuertes que en otros
métodos.
7
5.Tipos de soldadura ultrasónica4
Hay tres tipos de soldadura ultrasónica dependiendo de las aplicaciones que se le darán. Lo
que varía en estos sistemas es la forma del sonotrodo que permitirá soldaduras en puntos
específicos, continuas o circulares.
•
Soldadura de punto (spot welding)5
Figura 4. Soldadura de punto
4
5
8
•
Soldadura de costura (seamwelding)6
Figura 5. Soldadura de costura
•
Soldadura en torsión (torsión welding)7
Figura 6. Soldadura en torsion
6
7
9
6.Soldadura ultrasónica para recuperar el caucho de los neumáticos
Motivación
Considerando los desechos generados por la industria automotriz por neumáticos en desuso
y la poca capacidad para obtener productos de alta calidad se propone la soldadura
ultrasónica como método para obtener piezas que a su vez pueden volver a reciclarse
gracias a que la soldadura ultrasónica no contamina con otros productos al elemento de
base. Por este motivo a continuación analizaremos los distintos tipos de caucho, los
métodos utilizados para la recuperación de este material, las distintas piezas que pueden ser
fabricadas con dicha técnica y demás aspectos que tendremos en cuenta para sacar
conclusiones que nos permitan afirmar si es posible o no la aplicación de la soldadura
ultrasónica en el caucho.
6.1 Tipos de caucho
Caucho Natural: es el caucho más utilizado en el mundo, y a partir del cual se han ido
desarrollando todos los cauchos sintéticos. El caucho natural se califica como no-resistente
al aceite, y su temperatura de trabajo es de 70ºC. Estas dos características no son las más
favorables pero ofrece otras cualidades que lo hacen insustituible, como son:
• Excelentes características mecánicas, incluso en mezclas sin carga, entre las que
destacan la resistencia a la tracción y la resistencia al desgarro.
• Excelente resiliencia.
• Buena deformación remanente.
• Buena resistencia a bajas temperaturas.
Como contrapartida a estas características debemos de resaltar:
• Escasa resistencia a la intemperie y al ozono, por lo que es preciso protegerlo con
antiozonantes y antioxidantes.
En cuanto a su utilización destaca la fabricación de neumáticos, fundamentalmente los
grandes neumáticos y los de competición, debido a las severas condiciones de trabajo.
Cauchos sintéticos de uso general:
Poliisopreno sintetico:
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Gracias a él se logro obtener por síntesis un material homologo al caucho natural y su
formulación es muy similar a la de este. En las operaciones de moldeo, tanto por
compresión como por inyección, estos poliisoprenos sintéticos fluyen con mucha más
facilidad que el caucho natural, lo que puede ser particularmente ventajoso en el modelo
por inyección o en la fabricación de piezas complicadas o de poco espesor y gran
superficie; en cambio, su menor resistencia al desgarro, sobre todo a las temperaturas de
vulcanización, puede causar dificultades en el desmoldeo de tales piezas complicadas.
En la extrusión, calandrado y confección de artículos compuestos, los poliisoprenos
sinteticos no presentan dificultades especiales, excepto las que puedan derivarse de su
menor tenacidad y resistencia en crudo, y en el caso de los obtenidos con butil-litio, de su
flujo en frio. La menor tendencia a la cristalización que poseen los poliisoprenos sinteticos
se traduce en valores más bajos de dureza, rigidez, resistencia a la tracción y al desgarro, y
por un menor índice de retención de estas mezclas sin cargas.
La mayor pureza de los poliisoprenos sintéticos da lugar a un mejor comportamiento como
aislante eléctrico, así como a una menor coloración. Al tratarse de materiales sintéticos,
presentan una uniformidad de características inalcanzables para el caucho natural.
Cauchos de Butadieno-Estireno (SBR):
Los cauchos de butadieno-estireno constituyen el tipo de caucho sintetico de mayor
volumen de consumo. Como el caucho natural, el SBR puede vulcanizar por medio de
azufre y acelerantes, por medio de peróxidos o por medio de otros agentes vulcanizantes
especiales.
El SBR es menos sensible a la oxidación que el caucho natural, en parte por llevar ya
incorporado un antioxidante y en parte por su naturaleza intrínseca. Los SBR, además,
necesitan de la presencia de cargas reforzantes para alcanzar un nivel satisfactorio de
resistencia mecánica. Con tales cargas se obtiene una resistencia a la abrasión que
frecuentemente supera a la del caucho natural.
Los cauchos SBR son claramente inferiores al caucho natural en lo que se refiere a
resilencia. En lo que respecta al comportamiento frente a la fatiga dinámica, los SBR son
mejores que el caucho natural en cuanto a que tardan más en que aparezcan grietas, pero
una vez iniciadas estas, por fatiga o por eventual laceración mecánica, se propagan a mayor
velocidad que en los vulcanizados de caucho natural.
En cuanto a sus principales aplicaciones destacan la fabricación de cubiertas de neumáticos,
aislamientos de cables, artículos técnicos moldeados, calzado, correas, mangueras, o
adhesivos, entre otros.
11
Cauchos de polibutadieno (BR):
Los polímeros de butadieno figuran entre los primeros cauchos sintéticos fabricados a
escala industrial. Cuando se emplea como único caucho en un vulcanizado, los BR de alto
contenido cis-1,4 dan valores más altos de resistencia a la tracción y al desgarro, y de
alargamiento en la rotura.
También es mejor su resistencia a la abrasión, que en todos los BR es superior a la del SBR
y a la del caucho natural.
Una de las peculiaridades de los vulcanizados de BR es su elevada resiliencia, que a
temperatura ambiente es superior incluso a la del caucho natural. También es sobresaliente
su resistencia al frio. Los BR de alto contenido cis mantienen su elevada resiliencia a
temperaturas tan bajas como -40ºC.
Si en una formulación a base de caucho natural se sustituye progresivamente este por BR,
hasta que la proporción del último no supere un valor de aproximadamente 40-45 por
ciento, no produce un empeoramiento apreciable de las características de elaboración, y en
cambio se obtienen las ventajas siguientes:
• Mejor resistencia a la abrasión
• Menor tendencia al agrietamiento por fatiga
• Mayor resistencia a la reversión
Análogamente, en el caso de una formulación a base de SBR, hasta que no se llega a
sustituir aproximadamente el 50% del mismo por BR las características de elaboración no
resultan afectadas de modo sensible, y en cambio se consigue:
• Mejor resistencia a la abrasión
• Menor tendencia al agrietamiento por fatiga
• Mayor resiliencia y menor histéresis, lo que se traduce en una menor generación de
calor, y por lo tanto en menores temperaturas de rodaje
6.2 Composición y características de los neumáticos8
En la actualidad, la mayoría de los neumáticos de vehículos de pasajeros como los de
camión sonradiales, por lo que están compuestos de una banda de rodamiento elástica, una
cinturaprácticamente inextensible y una estructura de arcos radialmente orientada, sobre
una membranainflada y sobre unos aros también inextensibles que sirven de enganche a
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otro elemento rígido,que es la llanta. También existe otro tipo de neumáticos llamados
diagonales, utilizadosprincipalmente en camiones.
La complejidad de la forma y de las funciones que cada parte del neumático tiene que
cumplir setraduce también en una complejidad de los materiales que lo componen. El
principal componentedel neumático es el caucho: casi la mitad de su peso.
El caucho natural se extrae a partir del árbol Hevea Brasiliensis que es un látex con
partículas de caucho en suspensión. Después de un proceso de secado y de ahumado se
utilizan diferentesproductos. Hoy en día alcanza el 30 % del mercado de los cauchos, el
resto lo ocupan los cauchossintéticos, todos basados en hidrocarburos. Los tipos de caucho
más empleados en la fabricaciónde los neumáticos son:
9
•
Cauchos naturales (NR) Polibutadienos (BR)
•
Estireno – Butadieno (SBR) Polisoprenos sintéticos (IR)
La matriz de caucho más utilizada es el copolímero estireno-butadieno (SBR), en el que la
proporción es de aproximadamente un 25 % en peso de estireno, o una mezcla de caucho
naturaly SBR.Todos los tipos de cauchos poseen diferentes propiedades, pero también con
algo en común:todos, una vez vulcanizados, pueden ser muy duraderos, por lo que
necesitarían una gran cantidadde tiempo para su degradación. En el proceso de
vulcanización el caucho pasa de ser un material termoplástico a ser uno elastomérico. Las
posibilidades de deformación son muy diferentes, como se ilustra en la Figura 7:
Figura 7. Esfuerzo vs Deformación
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También se agregan además, otros materiales al caucho para mejorar sus propiedades, tales
como: suavizantes, que aumentan la trabajabilidad del caucho, antes de la vulcanización;
óxido de Zinc y de Magnesio, comúnmente denominados activadores, pues son mezclados
para reducir el tiempo de vulcanización de varias a horas a pocos minutos; antioxidantes,
para dar mayor vida al caucho sin que se degrade por la acción del oxígeno y el ozono; y
finalmente negro de humo, especie de humo negro obtenido por combustión incompleta de
gases naturales, que entrega mayor resistencia a la abrasión y a la tensión. 10En forma
general el neumático está compuesto por los siguientes componentes:
Según la Rubber Manufacters Association, se tiene otra versión acerca de la composición y
características de los diferentes tipos de neumáticos:
Neumáticos de Pasajeros (automóviles y camionetas)
Neumáticos MCT (camiones y microbuses)
10
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6.3 Recuperación de desechos11
Poco después de la invención de la llanta de neumático en 1877, el fabricante
estadounidense Chapman Mitchel fundó una nueva rama de la industria introduciendo un
proceso de recuperación del caucho de desecho con ácido, reciclándolo para usarlo en
nuevos productos. Para ello empleó ácido sulfúrico que destruye los tejidos incorporados al
caucho, y después, al calentarlo, consiguió que el caucho adquiriera la plasticidad suficiente
para incorporarlo en lotes de caucho crudo. Alrededor de 1905, el químico estadounidense
Arthur H. Marks inventó el proceso de recuperación alcalina y estableció el primer
laboratorio de fábrica de caucho. Este método permitió la producción de grandes cantidades
de caucho, de gran demanda, sin rebajar sustancialmente la calidad del producto acabado.
Al año siguiente, el químico estadounidense George Oenslager, que trabajaba en el
laboratorio de Marks investigando el uso de caucho de baja graduación en los procesos de
manufacturación, descubrió los aceleradores orgánicos de la vulcanización, como la
fenilamina y la tiocarbanilida. Estos aceleradores no sólo reducían en un 60-80% el tiempo
necesario de calentamiento para la vulcanización, sino que además mejoraban la calidad del
producto.
6.4 Reutilización y reciclado de neumáticos fuera de uso12
Un neumático necesita grandes cantidades de energía para ser fabricado (medio barril de
petróleo crudo para fabricar un neumático de camión) y también provoca, si no es
convenientemente reciclado, contaminación ambiental al formar parte, generalmente, de
vertederosincontrolados. Existen métodos para conseguir un reciclado coherente de estos
productos perofaltan políticas que favorezcan la recogida y la implantación de industrias
dedicadas a la tarea derecuperar o eliminar, de forma limpia, los componentes peligrosos de
las gomas de los vehículos ymaquinarias.
RECICLADO
Como aprovechamiento de los materiales, se puede señalar que existen diversos
procedimientos para anular las características elásticas de los desperdicios del caucho,
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dotándoles nuevamente de propiedades plásticas como las del caucho no vulcanizado.
Veremos a continuación los más importantes:
REGENERACION
Este proceso se basa en romper las cadenas que forman el material para obtener una materia
prima que, aunque dista mucho de la original, podría volver a vulcanizarse y fabricar de
nuevo el caucho. El caucho regenerado en teoría podría ser utilizado en la fabricación de
neumáticos, pero cada día las mezclas utilizadas en la fabricación de los neumáticos, a los
que se exigen altísimas prestaciones, tienen que cumplir con unas especificaciones tan
estrictas que hacen difícil, por el momento, la utilización generalizada de caucho
regenerado. En cualquier caso puede aplicarse a la fabricación de otros productos de
caucho, o cubiertas macizas para otro tipo de vehículos.
TERMÓLISIS
Se trata de un sistema en el que se somete a los materiales de residuos de neumáticos a un
calentamiento en un medio en el que no existe oxígeno. Las altas temperaturas y la ausencia
de oxígeno tienen el efecto de destruir los enlaces químicos. Aparecen entonces cadenas de
hidrocarburos. Es la forma de obtener, de nuevo, los compuestos originales del neumático,
por lo que es el método que consigue la recuperación total de los componentes del
neumático. Se obtienen metales, carbones e hidrocarburos gaseosos, que pueden volver a
las cadenas industriales, ya sea de producción de neumáticos u a otras actividades.
PIROLISIS
Está poco extendido, debido a problemas de separación de compuestos carbonados que ya
están siendo superados. Este procedimiento (fabrica piloto) está operativo en Taiwán desde
2002 con cuatro líneas de pirolisis que permiten reciclar 9000 toneladas / año. En la
actualidad el procedimiento ha sido mejorado y es capaz de tratar 28.000 toneladas de
neumáticos usados/año, a través de una sola línea. Los productos obtenidos después del
proceso de pirolisis son principalmente:
- GAZ, similar al propano que se puede emplear para uso industrial
- Aceite industrial liquido que se puede refinar en Diesel
- Coke y acero
INCINERACION
Proceso por el que se produce la combustión de los materiales orgánicos del neumático a
altas temperaturas en hornos con materiales refractarios de alta calidad. Es un proceso
costoso y además presenta el inconveniente de la diferente velocidad de combustión de los
diferentes componentes y la necesidad de depuración de los residuos por lo que no resulta
fácil de controlar y además es contaminante. Genera calor que puede ser usado como
energía, ya que se trata de un proceso exotérmico. Con este método, los productos
contaminantes que se producen en la combustión son muy perjudiciales para la salud
humana, entre ellos el Monóxido de carbono, Xileno, Hollín, Óxidos de nitrógeno, Dióxido
de carbono, Óxidos de zinc, Benceno, Fenoles, Dióxido de azufre, Óxidos de plomo,
Tolueno. Además el hollín contiene cantidades importantes dehidrocarburos aromáticos
policíclicos, altamente cancerígenos. El zinc, en concreto, es particularmente tóxico para la
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fauna acuática. También tiene el peligro de que muchos de estos compuestos son solubles
en el agua, por lo que pasan a la cadena trófica y de ahí a los seres humanos.
TRITURACION CRIOGENICA13
Este método necesita unas instalaciones muy complejas lo que hace que tampoco sean
rentables económicamente y el mantenimiento de la maquinaria y del proceso es difícil. La
baja calidad de los productos obtenidos, la dificultad material y económica para purificar y
separar el caucho y el metal entre sí y de los materiales textiles que forman el neumático,
provoca que este sistema sea poco recomendable.
TRITURACIÓN MECÁNICA
Es un proceso puramente mecánico y por tanto los productos resultantes son de alta calidad
limpios de todo tipo de impurezas, lo que facilita la utilización de estos materiales en
nuevos procesos y aplicaciones. La trituración con sistemas mecánicos es, casi siempre, el
paso previo en los diferentes métodos de recuperación y rentabilización de los residuos de
neumáticos. Este concepto incluye la fragmentación del neumático en gránulos (GTR,
Caucho de Ruedas Granulado) y separación de componentes (acero y fibras) y des
vulcanización o no. Ejemplos de uso son: materiales de relleno en productos de caucho,
modificadores de asfalto, superficies de atletismo y deportes, y productos moldeados y
calandrados. Lo que se pretende es incrementar la calidad y consistencia del GTR, y ello
conducirá a un reciclado del material mucho más extenso. Algunos fabricantes indicaron
que el uso de hasta un 10% de GTR como relleno en los neumáticos no altera sus
prestaciones y calidad. Hoy en día los neumáticos contienen un 5% de material reciclado.
Hay opiniones que dicen que podrían contener hasta un 30%.
NEUMATICOS CONVERTIDOS EN ENERGIA ELECTRICA
Los residuos de neumáticos una vez preparados, puede convertirse también en energía
eléctrica utilizable en la propia planta de reciclaje o conducirse a otras instalaciones
distribuidoras. Los residuos se introducen en una caldera donde se realiza su combustión.
El calor liberado provoca que el agua existente en la caldera se convierta en vapor de alta
temperatura y alta presión que se conduce hasta una turbina. Al expandirse mueve la
turbina y el generador acoplado a ella produce la electricidad, que tendrá que ser
transformada posteriormente para su uso directo.
6.5 Usos tras el reciclado
Los materiales que se obtienen tras el tratamiento de los residuos de neumáticos, a partir de
la trituración mecánica, una vez separados los restos aprovechables en la industria, pueden
tener varios usos.
Entre otros usos podemos mencionar:
- Drenaje en campos de deporte y pistas deportivas
- Planchas para revestimientos y baldosas
- Productos moldeados y bandejas
- Guardabarros de vehículos
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- Aislantes para cables
- Cintas transportadoras y componentes reparadores
- Juntas de expansión
- Tuberías porosas de irrigación
- Superficies no deslizantes, y cubiertas de barcos
- Cintas de carga y descarga
- Revestimientos para suelos de hospitales y pisos industriales
También existen avances en el desarrollo de productos plásticos a partir de triturado de
caucho, con adición de ligantes de tipo termoplástico o de ligantes tipo poliuretano pueden
fabricarse diferentes materiales y objetos como suelas de zapatos, carcasas, láminas
aislantes, respaldos, cascos de motorista, etc. Pero con esta adición de ligantes se degrada
cada vez más la composición química del mismo. La goma granulada es la goma triturada
en pequeñas partículas (menos de 3/8 de pulgada) libre de acero y las fibras que se obtiene
del neumático. Esta goma granulada puede ser utilizada para hacer nuevos productos tales
como correas y mangueras para automóviles, cañerías de irrigación, barreras de sonido para
autopistas y varios productos moldeados. A partir de este método, una vez obtenida la goma
granulada es que se propone la utilización de la soldadura ultrasónica para el moldeado de
piezas pequeñas de utilización específica. Un tipo de aplicación específica sería: moldeado
de piezas para reducir la vibración transmitida por motores industriales hacia la estructura
de soporte o fijación, con ello se mejoran las características acústicas del lugar donde se
encuentran instalados, además de proteger las instalaciones de daños provocados por las
vibraciones constantes de los mismos. Para lograrlo se podría utilizar una máquina de
soldado de las llamadas “soldadoras de banco” teniendo en cuenta las potencias que debe
manejar para poder moldear la pieza. Cuya frecuencia de trabajo oscila entre 15Khz y 40
Khz según el fabricante y modelo del que se trate. A modo de ejemplo se ilustra a
continuación un modelo comercial de soldadora por ultrasonidos (figura 8):
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Figura 8: Maquina de soldadura por ultrasonidos
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Un posible diseño de instrumento de adaptación se muestra en a siguientes imágenes:
Figura 9. Diseño del instrumento
Esta pieza se utiliza como base o apoyo del motor y puede utilizarse sin fijación (solo
apoyo) o a través de un tornillo de sujeción en el eje central y una arandela metálica en el
extremo en contacto con la superficie de fijación para evitar el desgaste excesivo en este
punto. El espesor de la pieza está definido según el peso a soportar de manera permanente y
la magnitud de las vibraciones que el dispositivo es capaz de disipar. El caucho por sus
características elastométricas después del proceso de vulcanizado que se utiliza para la
construcción de neumáticos lo convierte en el material ideal para componer la pieza, brindando
una característica de esfuerzo Vs deformación aproximadamente lineal (ver figura 9). El aro
superior metálico, es solidario con la pieza maciza de caucho lo que permite una correcta
adherencia y solidez, las medidas tentativas son las siguientes:
• Alto(incluyendo el anillo de acero solidario): 22 mm
• Alto(sin anillo de acero solidario): 16mm
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• Diametro Exterior: 32mm
• Espesor(mayor): 5,5 mm
• Diametro del orificio central: 7 mm
Dicha pieza debe ser sometida a ensayos para determinar los parámetros de peso a soportar
sin sufrir deterioro y máxima amplitud de vibraciones capaz de amortiguar. La cantidad de
piezas a colocar en la base puede variar en función de la carga mecánica que puede soportar
cada una de manera permanente, pudiendo incluso realizar combinaciones de un mayor
número de piezas que soporten menos carga individualmente pero que ofrezcan una
aislación más amplia a las vibraciones dentro de un rango de frecuencias de interés.
Para el proceso de moldeado de la pieza se propone lo siguiente:
Se construye una preforma de acero o de aluminio de alta resistencia, se coloca algún
liquido desmoldante para facilitar luego la extracción de la pieza. Luego va a ser colocada
la goma granulada obtenida de la trituración a temperatura ambiente, según la reseña hecha
anteriormente (ver TRITURACION MECANICA), en el interior de la preforma. Mientras
que la pieza de acero superior debe ser colocada antes de aplicar presión y ultrasonido con
el sonotrodo. Por ejemplo puede adherirse temporariamente al sonotrodo utilizando un tipo
de unión electromagnética hasta completar el proceso de moldeado. Se aplica el ultrasonido
a la frecuencia adecuada y el tiempo que sea necesario para obtener una pieza uniforme y
sólida. Generalmente se lleva a cabo en menos de 1 minuto por pieza.
7. Referencias
1. “PRICIPIOS DE ULTRASONIDO”,Paginas:14-15.Autor:Sin información.Disponible en Internet:
http://tesis.uson.mx/digital/tesis/docs/12586/Capitulo2.pdf
2. “PRICIPIOS DE ULTRASONIDO”,Paginas:18 y 19.Autor:Sin información.Disponible en Internet:
http://tesis.uson.mx/digital/tesis/docs/12586/Capitulo2.pdf
3. “SOLDADURA POR ULTRASONIDOS”,Pagina:14.Autor:Francisco GutierrezMerelo.Disponible
en Internet:http://www.csisif.es/andalucia/modules/mod_ense/revista/pdf/Numero_28/FRANCISCO_GUTIERREZ_2.pdf
4. “SOLDADURA POR ULTRASONIDOS”,Pagina:14.Autor:Francisco GutierrezMerelo.Disponible
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5. Imagen:http://www.bransoneurope.eu/producto/soldadura-por-ultrasonidos/utillajes
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Alberto
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Aguilar
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“SOLDADURA
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Alberto
Schafer:Disponible en Internet:http://biblio3.url.edu.gt/Libros/2013/pro_ma/20.pdf
Aguilar
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“SOLDADURA
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Aguilar
20
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