Sector Técnico

La tecnología está orientada al área metal mecánica, más específicamente, corresponde a un rodillo metálico reforzado, útil para la fabricación de productos de acero. Técnica Anterior

Hoy en día, la industria metal mecánica está enfocada en optimizar sus procesos productivos y aumentar la producción. Específicamente, para la fabricación de productos de acero se utilizan normalmente rodillos de acero de diferentes tamaños y geometrías, que permiten obtener una gran gama de productos terminados a partir de la materia prima según sea su disposición en la línea de producción. Estos dispositivos han sido sometidos a altas condiciones mecánicas, siendo el mayor problema el desgaste por deslizamiento y rodadura, el cual disminuye la vida útil de éstos.

Actualmente se han desarrollado recubrimientos plásticos para disminuir el desgaste en aplicaciones industriales, principalmente, para la industria del papel. Si bien tecnologías como Metaline ^® o Sika ^® han contribuido a solucionar este problema, aún persiste la necesidad de desarrollar nuevas alternativas más eficientes para condiciones más exigentes, donde estas soluciones no cumplen con las condiciones mecánicas.

Los rodillos recubiertos son utilizados actualmente en aplicaciones industriales de alto desempeño, como en molinos en la industria del papel donde están sometidos a altas temperaturas, cargas cíclicas y condiciones de desgate. No se han encontrado aplicaciones específicas para la industria metal-mecánica, por ejemplo, en el proceso de laminado los rodillos están sometidos a altas cargas y condiciones de desgaste superiores a las expuestas en la industria papelera. Actualmente, el problema del desgaste de los rodillos es confrontado mediante tratamientos térmicos de alto costo, siendo una solución transitoria ya que con el paso del tiempo y el desgaste de los mismos, éstos deben ser mecanizados.

Los principales documentos que guardan relación con la presente tecnología se detallan a continuación:

1.- Solicitud de patente ES 2334165, denominada: "Nanomateriales compuestos multifuncionales reforzados tridimensionalmente". La tecnología resguarda un estratificado de material compuesto reforzado tridimensionalmente, que comprende: un material de matriz; un reforzamiento posicionado sustancialmente dentro de la matriz que comprende una tela de fibra tejida y nanotubos de carbono que están conectados a la fibra tejida, extendiéndose hacia fuera desde una superficie definida por la tela tejida; en el que la tela de fibra tejida comprende al menos una de fibras de SiC o fibras que tienen una capa de revestimiento de SiC sobre al menos la superficie de la tela de fibra. Además se reivindica un reforzamiento de material textil y un procedimiento para fabricar un estratificado de material compuesto reforzado tridimensionalmente. 2 - Solicitud de patente US 2010/0143701 A1 , denominada: "Fiber-Reinforced Polymer Composites Containing Functionalized Carbón Nanotubes". Se protege un método de integración de nanotubos de carbono en compuestos poliméricos epoxi a través de la funcionalización química de nanotubos de carbono y de compuestos poliméricos de nanotubos de carbono-epoxi producidos por dicho método. La integración es mejorada a través de una mejor dispersión y/o unión covalente con la matriz epoxi durante el proceso de curado. Además, se protege una composición de nanotubos de carbono mejorada con fibras de refuerzo polimérico.

3. - Solicitud de patente WO 2008/060294 A2, denominada: "Polymer matrix composites with nano-scale reinforcements". Se resguarda un material compuesto que comprende un material de matriz y un material de refuerzo que tiene al menos una dimensión de aproximadamente 100 nm o menos dispersos en la matriz; donde el reforzamiento está presente en una concentración entre aproximadamente 0,01-0,4% sobre la base del peso del material compuesto, así como para mejorar al menos la resistencia y/o dureza del material compuesto.

4. - Patente de invención ES 2240253, denominada: "Revestimientos sobre materiales compuestos reforzados con fibras". Esta iniciativa resguarda un material compuesto reforzado con fibras, que comprende un sustrato de polímero reforzado con fibras; una primera capa polimérica que reviste el sustrato de polímero reforzado con fibras para unir dos diferentes materiales poliméricos compuestos, estando la primera capa polimérica exenta de fibras y material en partículas; una segunda capa polimérica que reviste la primera capa polimérica, la cual comprende una matriz polimérica y un material en partículas dentro de la matriz polimérica; y al menos un material proyectado térmicamente que reviste la segunda capa polimérica para formar un revestimiento multicapas adherente unido al sustrato de polímero reforzado con fibras, donde el material en partículas de la segunda capa polimérica es un material metálico. Además se protege un procedimiento para aplicar un revestimiento sobre un material compuesto reforzado con fibras. Este tipo de material se puede aplicar a metales, pero no solucionan el problema del desgaste en condiciones de alto desempeño, ya que poseen menores propiedades mecánicas. 5. - Patente de invención EP 487477 A1 , denominada: "Method for coating of a roll, and a roll coating". Esta tecnología corresponde a un método para el recubrimiento de un rodillo, en particular de rodillos de tamaño de las prensas y máquinas de revestimiento, en donde el método de recubrimiento del polímero se ajusta sobre el marco del rollo. Un polímero o mezcla de polímeros son utilizados como el material de la matriz para el material de revestimiento. Este material se mezcla previamente con óxidos y/o carburos y/o sulfates para mejorar la resistencia al desgaste y las propiedades técnicas del proceso. La invención también incluye el recubrimiento del rodillo. No se hace mención a la mejora en el desgaste del rodillo.

6. - Patente de invención EP 2241522 A2, denominada: "Reduced feed roll wear using carbón nanotube additives in rubbers". Esta innovación protege un método para elaborar rodillos, el cual puede incluir una composición de nanotubos solubles proporcionando una primera composición elastomérica de caucho y mezclar la composición de los nanotubos de carbono con la composición elastomérica para formar una composición de caucho compuesta, de tal manera que los nanotubos estén dispersos uniformemente en la composición compuesta. El método también puede incluir la aplicación de la composición de caucho compuesta a un molde y curar el compuesto para formar un neumático de caucho, de tal forma que los nanotubos queden dispersos en el material, proporcionado al menos 10% de disminución de desgaste a la abrasión. No se señala la resistencia mecánica, por lo que se puede deducir por el tipo de material que no es suficientemente rígido como lo requerido en la industria metalmecánica.

7. - Patente de invención US 5,334,124, denominada: "Guide rolls". Esta innovación resguarda un rodillo de guía que comprende una capa interna de un material reforzado de fibras que consiste esencialmente en una composición de resinas epoxi como una matriz y al menos algún tipo de fibras de refuerzo, seleccionadas del grupo fibras de carbono, fibras de vidrio, fibras de alúmina, fibras de aramida, fibras de poliéster y fibras de polietileno; y una capa externa que consiste esencialmente de resina fluorada. Esta tecnología si bien presenta buena resistencia a la abrasión, no menciona mejoras al desgaste por deslizamiento y rodadura.

Por lo anteriormente mencionado, se hace necesario el desarrollo de tecnologías que permitan otorgar mayor durabilidad y efectividad a los materiales en el área metalmecánica, específicamente, en el desarrollo de rodillos de acero.

Divulgación de la Invención

La presente tecnología corresponde a un rodillo metálico reforzado y a su procedimiento de elaboración. Dicho rodillo permite disminuir la tasa de desgaste específico por deslizamiento y rodadura, además disminuye el peso de los equivalentes en acero, lo que permite aumentar la velocidad de producción y evita el mecanizado.

El rodillo presenta al menos los siguientes componentes:

a. un cuerpo metálico con forma preferente del tipo disco con un espesor entre 2 - 500 mm;

b. fibras de carbono, vidrio, aramida o mixtas con una densidad planar entre 100 - 600 g/m ² contenidas entre 30 - 55% en volumen;

c. una matriz polimérica termoestable, preferentemente, resina epóxica entre 70 - 45 % en volumen;

d. un activador del tipo preferente 3-aminometil-2,5,5- trimetilciclohexylamina, cobalto, peróxido, metil-etil-ketona-peróxido (MEKP), entre otros, en un porcentaje de la resina entre 0,3 - 25% en volumen ; y

e. nanorefuerzos, preferentemente, nanotubos de carbono que pueden o no ser funcionalizados, entre 0,05 - 3% en peso de la resina.

Para una mejor comprensión de la tecnología, en las Figuras 1 y 2, se presenta una vista frontal y un corte transversal del molde donde son elaborados los rodillos.

El procedimiento para la fabricación del rodillo recubierto contempla las siguientes etapas:

a. elaboración del cuerpo metálico: se le da forma al material con una fresadora y se le otorga un acabado superficial moleteado para permitir la interacción con el material compuesto;

b. incorporación del cuerpo metálico en un molde de acero: se debe posicionar el cuerpo metálico en un eje central (2) que atraviesa las tapas laterales (1 , 4) y la zona central (3) del molde; y posteriormente se debe asegurarlo mediante una chaveta;

c. incorporación de la cinta de fibra: se posiciona el comienzo de la cinta de fibra en la superficie moleteada del cuerpo metálico, y luego se montan la tapa (1) y la contra tapa (4) del molde en las zonas laterales y se cierran mediante pernos (7). Para la salida de dicha cinta el molde está acondicionado con una ranura superior (6);

d. mezclado de resina y nanotubos de carbono: estos componentes se mezclan mediante agitación mecánica con un agitador vertical a una velocidad entre 300 - 800 rpm durante 5 - 20 min, y luego se introducen en un baño ultrasónico durante 90 - 150 min a baja frecuencia (80 kHz) manteniendo una temperatura inferior o igual a 30°C, posteriormente se adiciona un activador y se continúa con el mezclado hasta que éste quede completamente incorporado a la mezcla. Opcionalmente, esta mezcla se alimenta a un equipo de tres rodillos para otorgarle mayor homogeneidad;

e. adición de la mezcla: para efectuar el mezclado, el material de acero en conjunto con la cinta se giran dentro del molde por medio de su eje a una velocidad entre 30 - 100 rpm, a continuación se comienza con el vertido del material obtenido en la etapa "d" por la entrada superior del molde (6), lo que permite el contacto directo de las fibras con la mezcla. Adicionados estos materiales se procede a cerrar el molde con una tapa superior (5), la cual es apernada al molde mediante pernos (8);

f. curado de la resina: el rodillo con el recubrimiento de material compuesto se mantiene en el molde por al menos 24 h a temperatura ambiente (aproximadamente 20°C) y luego se procede al desmolde del dispositivo.

Para verificar las propiedades del material obtenido se presentan las siguientes pruebas: a.- Análisis POD (Pin On Disc).

Para asegurar la disminución de la tasa de desgaste específico por deslizamiento y rodadura se debe efectuar el análisis de POD, el cual permite obtener directamente la tasa específica de cada material, basado en la norma ASTM G99.

Basado en nuestras mediciones, para compuestos de fibra de carbono con o sin nanorefuerzos la tasa específica de desgaste varía entre 15 x 10 ^"6 - 27 x 10- ⁶ mm ³ /Nm y para compuestos de fibra de carbono-aramida con o sin nanorefuerzos entre 60 x 10 ^"6 - 80 x 10 ^"6 mm ³ /Nm. Estos valores son claramente inferiores a los materiales utilizados actualmente en la industria metal mecánica como, por ejemplo, el acero 60SiCr7 que tiene una tasa específica de desgaste entre 100 x 10 ^"6 - 400 x 10 ^"6 mm ³ /Nm y el acero austenítico SUS304 que presenta valores entre 100 x 10 ^"6 - 1000 x 10 ^"6 mm ³ /Nm, según información disponible en la literatura especializada. Por lo que queda demostrado que nuestra tasa específica de desgaste es menor que la de los materiales usados actualmente. b.- Homogeneidad en ultrasonido.

Para verificar la homogeneidad del material de refuerzo se utiliza un equipo de ultrasonido, el cual permite utilizar transductores en un rango de frecuencia desde 2,25 hasta 30 MHz, por ejemplo, utilizar un transductor de 5 MHz y ½" de diámetro.

Este equipo permite medir espesores entre 0, 1 mm hasta 635 mm dependiendo del transductor y el material. Los rangos de variación para compuestos aceptables a base de fibra de vidrio con un 50% en volumen son entre 2560 a 3050 m/s y para fibra de carbono en la misma cantidad entre 2500 y 3000 m/s. En el caso de esta tecnología, todas las mediciones caen dentro del rango, por lo que se consideran aceptables.

De forma adicional, se prueba el dispositivo en un banco de ensayos que simula las condiciones de operación. Este banco permite controlar la presión de aplicación y la velocidad de giro, por lo que el rodillo de prueba puede trabajar a las mismas condiciones que opera realmente. Estos ensayos nuevamente son favorables y aseguran el buen funcionamiento del rodillo metálico reforzado una vez puesto en la línea. Ejemplo de aplicación

Ejemplo 1. Rodillo metálico reforzado y su proceso de elaboración.

Los componentes utilizados para elaborar el rodillo reforzado fueron los siguientes: un disco de acero SAE 1045 para eje de 2" con chavetero de 7 x 12 mm ² , ancho de 50 mm y diámetro exterior de 138 mm con terminación superficial moleteada;

50% en volumen de fibra de carbono de 125 g/m ² unidireccional;

40% en volumen de resina epóxica, compuesta por 49% de bisfenol-A- (epiclorhidrina), 25,5% de bisfenol-F-(epiclorhidrina) y 25,5% derivativos epoxi;

10% en volumen del activador 3-aminometil-2,5,5- trimetilciclohexylamina; y

un 0,3% en peso de resina de nanotubos de carbono multicapa funcionalizados con grupo amina.

En la Tabla 1 se detallan las propiedades obtenidas a partir de la composición para elaborar el rodillo.

Tabla . Pro iedades del com uesto

Estas propiedades permiten comprobar que el material es apto para aplicaciones de alto desempeño.

El procedimiento para la elaboración del rodillo reforzado consistió, primeramente, en posicionar el disco de acero en un eje central de 2" del molde de acero, sujetado a éste mediante una chaveta. Luego se posicionó el comienzo de la cinta de fibra sobre el disco y se montó el molde en las zonas laterales del disco, ajusfándolo mediante pernos. El molde estaba provisto de un agujero superior, que permitía la salida de la cinta de fibra. Por otra parte, se preparó la mezcla de nanotubos de carbono con la resina epóxica en un reactor provisto de un sistema de agitación mecánica. Estos componentes se mezclaron durante 10 minutos con una agitación de 520 rpm, seguido de 120 minutos en baño ultrasónico a 80 kHz manteniendo una temperatura constante a 30 °C, luego se incorporó el activador de forma manual durante dos minutos para alcanzar una mezcla homogénea.

La mezcla obtenida en la etapa anterior se adicionó manualmente al molde, mientras el eje con el núcleo giraba a una velocidad de 20 rpm y enrollaba la fibra de carbono, permitiendo de esta manera la reacción entre la matriz y la fibra de carbono. Este procedimiento permitió el mezclado homogéneo del recubrimiento.

Posteriormente, se mantuvo el rodillo en el molde durante 24 horas a 20°C para asegurar el curado de la resina. Luego se procedió al desarme del molde y se retiró el rodillo recubierto. A continuación, la pieza se sometió a un postcurado durante 15 horas a 100°C.

Una vez finalizada esta etapa, se midió con un equipo de ultrasonido la superficie de la pieza, la velocidad de propagación de la pieza varió entre 2600 - 2900 m/s, lo que indica que la pieza se encuentra dentro del rango aceptable (entre 2500 - 3000 m/s), por lo que cumple con el requerimiento.