Materiales para engranajes plásticos. Características y propiedades

2. Historia del
   plástico
3. Propiedades comunes de los
   plásticos
4. Clasificación de los
   materiales plásticos
5. Materiales termoplásticos.
   Características y propiedades
   mecánicas
6. Materiales
   termoestables. Características y propiedades
   mecánicas
7. Aplicaciones de los
   plásticos
8. Materiales para
   engranajes
9. Aditivos
   lubricantes
10. Refuerzos
11. Efecto del Material sobre la
    Precisión del Engranaje
12. Aspectos a tener en cuenta a la
    hora de seleccionar el material plástico para una
    aplicación dada en Ingeniería

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.

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:

1. Termoplásticos: Si la cadena de
   polímeros permanece linear y separada después del
   moldeo.
2. 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.

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

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.

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

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.

1. Revisión del ambiente químico
   (Consultar tabla de resistencia química del
   plástico según concentración y
   temperatura).
2. Revisión del ambiente térmico
   (Verificar temperaturas máximas y mínimas,
   verificar pico de temperatura y tiempo).
3. Revisión de las condiciones mecánicas
   de operación (Resistencia requerida a la flexión,
   al impacto, desgaste, fatiga, fractura, etc.).
4. Revisar disponibilidad del material (Laminado, tubo o
   necesidad de moldear).
5. Revisar proceso de fabricación y montaje
   (Costo de maquinado, posibilidad de moldeado, tolerancias,
   etc.).

Aspectos más
importantes:

1. 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
2. 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.
3. 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.
4. 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.
5. 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.
6. 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
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Autor:

Dr. Jorge L. Moya Rodríguez *

Ing. José Alberto Velázquez
Pérez **

Dr. Juan F. Soriano Peña*

jsoriano[arroba]fim.uclv.edu.cu

* Universidad
Central "Marta Abreu" de Las Villas Cuba

** Universidad Veracruzana, sede Xalapa