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Hoy, 16 de diciembre de 2020, la empresa Indorama Ventures Química SLU, el mayor fabricante mundial de PET, ha impartido un webinar en el IES Almussafes donde nos ha explicado las características y usos de este plástico. Aquí resumimos algunas de las cosas que nos han enseñado.
El PIA, el PTA y el PET
En la fábrica de Indorama producen 3 plásticos fundamentales: el PIA, el PTA y el PET.
El PIA
Se trata del ácido isoftálico purificado.Es un polvo blanco, resistente a la corrosión. Se obtiene por oxidación catalítica con aire del meta-xileno con ácido acético.
Entre sus usos destacan:
Copolímero del PET (como aditivo para mejorar su fluidez)
Recubrimiento de superficies (pinturas, barnices…)
Resinas insaturadas
Fibras innífugas (para trajes de bomberos, por ejemplo)
Adhesivos
El PTA
Se trata del ácido tereftálico purificado. Es igual a la vista que el PIA. Su principal diferencia radica a nivel químico, pues se obtiene del para-xileno y no del meta-xileno. Fluye de modo diferente porque su polvo tiene estructura distinta. Se obtiene por oxidación catalítica con aire del p-xileno con ácido acético.
Entre sus usos destacan:
Como copolímero para la fabricación de PET
Para uso directo como obtención de fibras de poliéster (pañales, ropa)
Pinturas
Film transparente
El PET
El PET se obtiene mezclando PTA con etilenglicol. Puede ser homopolimero (sin aditivación extra) o copolímero, con PIA, para disminuir el punto de fusión del PET y favorecer su fluidez durante su procesamiento en máquina de inyección. Su uso más fundamental es la fabricación de botellas y envases para alimentación, ya que es una excelente barrera frente al CO2 y el oxígeno. Tanto en su versión virgen como reciclada puede emplearse para recipientes alimenticios capaces de soportar las temperaturas de un horno. Es un plástico 100% reciclable, así como admite pigmentos para su coloración. Se vende en forma de pellets o granza para su posterior tratamiento en plantas de extrusión o inyección soplado para la fabricación de botellas fundamentalmente.
En su proceso productivo, en una primera etapa se añade el PTA con etilenglicol, PIA y otros aditivos para obtener un PET de baja cristalinidad, transparente, y bajo peso molecular. Este PET es el típico que vemos en las botellas, pero tiene unas propiedades de viscosidad que no le permiten ser inyectado con facilidad. Por eso, a esta primera etapa de polimerización le sigue otra etapa en la que se consigue una cristalización relativa de las cadenas de PET, alcanzando éste un mayor peso molecular y adquiriendo un color blanco opaco. Ahora, este PET es mucho más fácil de inyectar en las máquinas de inyección. Una vez inyectado, al fundirse, volverá a adquirir las propiedades amorfas de la primera parte del proceso productivo, dando lugar al PET que conocemos en las botellas, transparente.
El PET y la sostenibilidad
El PET es un producto muy sostenible porque es 100% reciclable, frente a otros plásticos como el PVC o el PS que rara vez son reciclados. Es el material más empleado para botellas de bebidas no alcohólicas, pues es un producto barato y tiene un bajo impacto medioambiental.
Al PET reciclado se le conoce como RPET.
Sobre Indorama
Indorama es el mayor fabricante del mundo de PET, con una producción de 11 millones de toneladas de PET al año. Como dato, diremos que una de cada cinco botellas de PET, o uno de cada dos pañales que emplean fibras de poliéster, han sido fabricados con la materia prima producida por ellos.
Indorama Ventures Química está situada en San Roque, Cádiz, entre el mediterraneo y el atlántico, junto al puerto de Algeciras. Allí fabrican combined PET (PIA, PTA, PET). Entre sus clientes destacan farmacéuticas, fabricantes de ropa, productos de higiene, muebles, botellas… Su sede está en Tailandia.
La empresa Indorama tiene un gran compromiso con el medio ambiente, fomentando el reciclaje, la economía circular, etc… Por eso tienen varios premios a nivel mundial relacionados con el respeto al medio ambiente.
Tienen el compromiso de, en 2025, emplear un 25-30% de PET reciclado en su fabricación de PET virgen, así como reciclar 750.000 botellas de PET al año, reduciendo las emisiones de dióxido de carbono y los plásticos vertidos al mar. Para ello, las botellas se trituran haciendo flakes (copos) que se añaden como aditivo al proceso productivo, para producir PET virgen con un 25-30% de material reciclado.
¿Has intentado mecanizar titanio alguna vez? ¿Te has dado cuenta de que al hacerlo, tanto la herramienta como el cabezal tienen una gran tendencia a calentarse? ¿Sabes por qué pasa esto?
El titanio pertenece al grupo S de materiales para piezas a mecanizar junto con las superaleaciones termorresistentes (HRSA), lo que de entrada ya nos indica que se trata de un material difícilmente mecanizable. Si miramos sus propiedades mecánicas, veremos que, efectivamente, sus características no son precisamente las más adecuadas para hacer de su mecanizado algo sencillo:
Dureza 36 HRC (va a depender mucho de la aleación y tratamiento)
Conductividad térmica de 22 W/Km
Calor específico 520 J/KgK
Fuerza especifica de corte 1400N/mm2
En definitiva, hablamos de un material duro, con poca conductividad térmica, alto calor específico y alta fuerza específica de corte. Esto se traduce en que es un material que requiere grandes esfuerzos para ser mecanizado en máquina herramienta, que genera una gran cantidad de calor y que además, debido a su baja conductividad térmica, no va a tener tendencia a evacuar el calor a través de la propia pieza, con lo que tanto la herramienta como su cabezal tenderán a calentarse. En principio, esto debería ser suficiente para explicar por qué se calienta el cabezal de la herramienta y la herramienta al mecanizar titanio… Sin embargo, observemos las propiedades del acero inoxidable F-316:
Dureza 15 HRC
Conductividad térmica de 16 W/Km
Calor específico 502 J/KgK
Fuerza especifica de corte: similar e incluso superior a la del titanio
Excepto en lo que respecta a la dureza, podemos observar que el acero inoxidable tiene unas propiedades similares a las del titanio en los valores observados… Pero sin embargo, los aceros inoxidables están dentro del grupo de materiales M, más sencillos de mecanizar que los del grupo S al que pertenece el titanio. Además, ni mucho menos calientan tanto la herramienta ni el cabezal como lo hace el titanio, a pesar de poseer un coeficiente de conductividad térmica aún peor.
Siendo así, podemos deducir que existen algunas características particulares del titanio que hacen que éste sea un material más difícil de mecanizar que los aceros inoxidables. Entre ellas, podemos destacar las siguientes:
Mantiene su resistencia a altas temperaturas (con lo que el calor generado en el corte no lo hace más fácilmente mecanizable)
Generación de mucho calor en el filo que deberá ser evacuado vía herramienta/cabezal
Gran dureza
Para el mecanizado de titanio suelen emplerse herramientas de metal duro sin recubrimiento.
Estas propiedades son compartidas por las superaleaciones termorresistentes HRSA, razón por la que están incluidas en el mismo grupo de materiales.
Por su parte, los aceros inoxidables (grupo M), no siendo fáciles de mecanizar, no tienen ni tanta dureza ni mantienen su resistencia a altas temperaturas, con lo que su mecanizado resulta más sencillo que el caso del mecanizado del titanio. Por estas mismas razones, tampoco calientan tanto ni la herramienta ni el cabezal de ésta, ni se emplean el mismo tipo de herramientas para su mecanizado.
Los grupos de materiales de piezas, mucho más que una simple clasificación
A la hora de seleccionar una herramientas de corte, los materiales se clasifican en los siguientes grupos:
Grupo ISO P, aceros en general
Grupo ISO M, aceros inoxidables
Grupo ISO K, fundiciones
Grupo ISO N, metales no ferrosos (aluminio, cobre, latón…)
Grupo ISO S, superaleaciones termorresistentes (HRSA) y titanio
Grupo ISO H, aceros templados u otros aceros muy duros
Esta clasificación, lejos de ser una simple lista de tipos de materiales, tiene una razón de ser muy lógica. Dado que estamos hablando de la clasificación de herramientas según el tipo de material a mecanizar, se corresponde con grupos de materiales que, a la hora de ser mecanizados, se comportan de forma similar y, por tanto, requieren del mismo tipo de herramienta.
Es por eso que las superaleaciones HRSA y el titanio, siendo materiales muy diferentes, están incluidos en el mismo grupo (pues todos ellos se caracterizan por su alta dureza y mantener sus propiedades a altas temperaturas, lo cual caracteriza su comportamiento al ser mecanizados), mientras que los aceros normales y los inoxidables o los templados están en grupos diferentes (pues poseen características muy diferentes a la hora de ser mecanizados, por lo que requieren diferentes tipo de herramienta).
Conocer el por qué de estas clasificaciones nos ayuda a entenderlas y aprenderla mejor que considerarlas como una clasificación de los materiales sin más.
El policarbonato (PC) es un termoplástico transparente y muy duro, con unas propiedades ópticas excepcionales, altamente flexible y resistente a los golpes, así como resistente a las altas temperaturas. Cuando hace falta sustituir el cristal por un material transparente con buenas propiedades ópticas y una alta resistencia a los golpes, el policarbonato es, sin duda, la mejor opción.
Entre sus varias aplicaciones encontramos los escudos de la policía, así como las ventanas de las naves espaciales de la NASA, los cascos de los astronautas, los cristales antibala o (menos glamouroso pero igualmente útil) algunas de las lentes que se emplean para las gafas.
Si lo comparamos con otro de los plásticos empleados para sustituir al cristal por excelencia, el metacrilato, éste último tiene mejores propiedades ópticas que el policarbonato. Sin embargo, debido a que el PC tiene mucha más resistencia a los golpes, es el plástico elegido cuando se requiere alta resistencia a los choques y similares (ambos tienen un coste similar).
Actualmente, debido a la pandemia por el coronavirus, muchos colectivos (médicos, vendedores, profesores, etc…) emplean pantallas protectoras en la cabeza además de mascarilla para evitar un posible contagio. Estas pantallas pueden estar construidas de diferentes materiales. Las pantallas más baratas pueden estar hechas de polietileno (PE) por ejemplo, lo cual las convierte en muy económicas y funcionales, pero debido a su mala óptica tienden a deformar las imágenes, provocando dolores de cabeza y mareos. Las pantallas de PC, por su parte, pueden adaptarse igualmente a la forma de la cabeza debido a su alta flexibilidad, además de proporcionar unas excepcionales propiedades ópticas que reducen muy considerablemente los dolores de cabeza y mareos derivados del uso de pantallas protectoras. Como contrapartida, su precio es considerablemente más elevado. Mientras que una pantalla de PE o similar puede tener un coste de en torno a los 3-5€, el coste de una pantalla de PC puede rondar los 30€. A partir de aquí, ya es cuestión de las posibilidades económicas de cada uno y del uso que vaya a hacer de la pantalla para decidirse por una u otra opción…
Los Lego están hecho de uno de los plásticos técnicos por excelencia, el ABS (acrilonitrilo-estireno-butadieno). Se trata de un plástico con unas propiedades excelentes -buena resistencia a los golpes, duro, buena resistencia térmica, resistencia a la abrasión, muy buen acabado.
Por todas estas razones, así como por la gran cantidad de colores que se pueden conseguir con la adición de colorantes, es por lo que Lego emplea el ABS como material para sus piezas.
El ABS está compuesto por acrilonitrilo y estireno (SAN, material plástico muy empleado en utensilios de cocina, por ejemplo) con pequeñas esferas de goma de butadieno que le confieren aún mejor resistencia a los golpes. Asimismo, mediante la adición de ácido crómico, paladio, cobre, níquel y finalmente cromo puede dársele el acabo cromado, que le confiere un agradable y elegante acabado metálico. Asimismo, el ABS tiene una gran pintabilidad, es decir, es fácilmente pintable. La pintura es de gran utilidad para proteger al ABS de la radiación ultravioleta, la cual, con el tiempo, es capaz de degradar el plástico.
Estamos frente a un pico de producción, la tensión en planta es máxima, y de repente… ¡Un molde tiene una fuga en el circuito de refrigeración! En 24 horas podremos llevar el molde a reparar, pero hasta entonces necesitamos una solución rápida y sencilla que resuelva el problema de forma temporal… ¿Qué podemos hacer?
El azafrán, algo más que un ingrediente para la cocina
¿Por qué será que cuando más urgencia tenemos es cuando surge una avería inesperada? ¿Leyes de Murphy? ¿Entropía? ¿Mala suerte? La verdad es que da igual cual sea la razón: cuando hay una urgencia, necesitamos actuar con rapidez y resolución.
Uno de los problemas que podemos encontrarnos en un taller de moldes es que tengamos una pequeña fuga de agua en el circuito de refrigeración. Cuando esto pasa, evidentemente, hay que sacar el molde de producción, abrirlo, estudiar el problema que tenemos y resolverlo de un modo adecuado. Pero… ¿y si no podemos sacarlo en ese momento? ¿Qué podemos hacer?
Una solución tan antigua como eficaz es utilizar azafrán. De hecho, el azafrán era uno de los ingredientes que antiguamente podía encontrarse en muchos talleres de automoción. La razón es que el azafrán en polvo, debido a su textura, resistencia y tamaño, puede colarse entre los orificios que están originando las pequeñas fugas, taponándolas, y dándonos un tiempo de servicio hasta que podamos retirar el molde para su mantenimiento (o, en caso de que no pueda taponar la fuga, deja un rastro que nos indica dónde está el escape).
Evidentemente, no podemos reparar una gran fuga con azafrán, ni debemos emplear esta técnica como sustituto del mantenimiento preventivo ni correctivo… ¡Pero puede salvarnos de un apuro!
¿Podrá la fabricación aditiva -impresoras 3D- modificar el mercado de la fabricación de piezas de plástico mediante moldeo? ¿Cuál es el lugar de la maquinaria CNC, los moldes, la fabricación aditiva y demás técnicas de fabricación en el mercado actual del plástico?
Nota: los valores presentados en este documento son aproximados y orientativos.
En el mercado actual disponemos de una gran cantidad de procesos de fabricación diferentes. A grandes rasgos, tradicionalmente se ha diferenciado entre los procesos con arranque de viruta, tales como el fresado o el torneado, en los cuales a una pieza de material le vamos arrancando material hasta darle la forma deseada (como un escultor que coge una piedra y la va esculpiendo hasta obtener una estatua) y los procesos por conformado, en los cuales el material se deforma para darle una forma concreta (como sucede al inyectar material en un molde para obtener una pieza de plástico, por ejemplo, o al estampar un trozo de chapa en una matriz para obtener una cuchara de acero, o al estilar un hilo de cobre para obtener un alambre).
Últimamente está surgiendo un nuevo tipo de fabricación: la fabricación aditiva, o impresora 3D. Tal es la promesa de esta nueva tecnología que su desarrollo ha alcanzado ya la impresión 3D de metales.
Esta situación nos puede hacer llegar a la siguiente conclusión: ¿desplazará la fabricación aditiva a los otros métodos de fabricación? En este artículo vamos a analizar los costes de fabricación aditiva de una pieza de plástico frente a los costes de fabricación de esa misma pieza a través de un molde de aluminio y un molde de plástico, para compararlos entre sí y ver cuáles serían las aplicaciones industriales de cada uno de ellos.
Datos de partida
Para poder hacer nuestros cálculos, inicialmente vamos a suponer que la pieza a fabricar es una carcasa de móvil fabricada en plástico ABS. Partimos de los siguientes datos (los datos pertenecientes a la impresora 3D se han obtenido parcialmente de Cuánto cuesta una impresora 3D de la página descubrearduino.com):
Equipo
Coste
Tiempo de producción de una carcasa
Unidades producidas de una vez
Vida útil
Posibilidad de cambios en el diseño
Impresora 3D básica
300€
35 minutos
1
–
Sí
Impresora 3D aficionado
1200€
30 minutos
1
–
Sí
Impresora 3D entusiasta
3000€
30 minutos
1
–
Sí
Impresora 3D profesional
5000€
25 minutos
1
–
Sí
Impresora 3D industrial
Entre 20.000€ y 100.000€
20 minutos
1
–
Sí
Molde de aluminio
50.000€
30 segundos
10
10.000 inyecciones
No*
Molde de acero
150.000€
30 segundos
10
100.000 inyecciones
No*
*No en general, aunque podrían hacerse pequeñas modificaciones mediantes insertos y retrabajos
Asimismo, vamos a suponer que el coste medio del material empleado para producir la carcasa es de 0.50€ de ABS, así como la carcasa vamos a venderla por un valor de 0.75€ a nuestro cliente fabricante de móviles.
Comparativa de datos
Comparemos los datos anteriores para analizar qué resultados obtendríamos para cada una de las tecnologías anteriores. En el caso de las impresoras 3D, por motivos de calidad, nos centraremos en las impresoras industriales.
Equipo
Coste del equipo
Beneficio por pieza
Cantidad de piezas necesarias para amortizar el equipo
Carcasas producidas en una 1 hora
Tiempo necesario para amortizar el equipo (producción 24h/día nonstop)
Impresora industrial
50.000€
0.75-0.50=0.25€
50.000/0.25 = 200.000 carcasas
60’/20’ = 3 carcasas
200.000/3 = 67.000 horas = 7.5 años
Molde de aluminio
50.000€
0.75-0.50=0.25€
50.000/0.25 = 200.000 carcasas
10*60/0.5 = 1.200 carcasas
200.000/1200 = 167 horas = 7 días*
Molde de acero
150.000€
0.75-0.50=0.25€
150.000/0.25 = 600.000 carcasas
10*60/0.5 = 1.200 carcasas
600.000/1200 = 500 horas = 21 días
*Ojo porque estas 200.000 piezas son 20.000 inyecciones, y hemos dicho que con el molde de aluminio podríamos hacer hasta 10.000 inyecciones (en cada inyección sacamos 10 carcasas). Vamos a suponer que nuestro molde aguanta las 20.000 inyecciones para simplificar.
Comparativa
A efectos únicamente del ROI (Return of Inversion, es decir, lo que se tarda en recuperar la inversión), sin duda alguna el equipo más rentable de todos sería el molde de aluminio. Sin embargo, hay muchos más factores a tener en cuenta:
El número de piezas a producir
La necesidad (o no) de que las diferentes piezas no sean iguales
Las características finales de la pieza producida
La velocidad de fabricación
Veamos, en función de cuántas piezas de ABS queremos fabricar, qué tecnología sería más adecuada:
Situación
Tecnología más apta
Explicación
Desde el ROI
Molde de aluminio
Se amortiza en 7 días (siempre y cuando podamos vender las 200.000 carcasas)
Desde el número de piezas a producir
Molde de acero
Es el que más va a durar sin romperse ni dar problemas de funcionamiento
Desde la necesidad de fabricar diferentes tipos de carcasas
Fabricación aditiva
Un mismo molde sólo podrá imprimir un tipo de carcasa
Desde las características finales de la pieza
Molde de aluminio o acero
En principio, las piezas producidas en molde de aluminio serán más resistentes que las producidas en impresora 3D
Velocidad de fabricación
Molde de acero o aluminio
Lo que en un molde se puede hacer en días, se tardaría años de hacer en una impresora 3D
¿Cuál es, por tanto, el campo de aplicación de la fabricación aditiva?
La fabricación aditiva, a la luz de los resultados anteriores, tan sólo serviría para pequeñas tiradas de piezas (por ejemplo para prototipado). De hecho, esta es una de sus principales aplicaciones. Sin embargo, existen otras posibilidades para la fabricación aditiva:
La impresión de moldes en impresora 3D. Dado que los moldes se van a fabricar a muy pequeña escala, su fabricación aditiva sí es rentable desde la fabricación aditiva. Además, evita todos los problemas de fabricación de los moldes (mecanizados con herramientas muy duras y caras, electroerosión, etc…). Analicemos esto en mayor detalle. Actualmente se pueden fabricar moldes en una impresora 3D de ABS digital y en resinas. Si los fabricamos en ABS digital, el molde impreso podrá servir para fabricar hasta 100 piezas de plástico (PLA, TPE, HDPE, PP, LDPE, ABS). Si los fabricamos en resina, el molde podrá servir para hasta 25 piezas. De ese modo, la fabricación aditiva de moldes serviría para fabricar moldes para tiradas muy pequeñas. En este caso, sí saldría rentable.
La impresión en granjas de impresoras 3D. Existe un nuevo concepto, la granja de impresoras 3D, que consiste en una fábrica con cientos de impresoras 3D fabricando a la vez. De esa manera, el tiempo de fabricación en impresora 3D deja de ser un problema (si una impresora 3D tarda 20 minutos en fabricar una carcasa y tienes 1000 impresoras a la vez, en 20 minutos has fabricado 1000 carcasas). Sin embargo, esto no cambia la rentabilidad de la impresora 3D (1000 impresoras 3D son 1000 veces más caras que una impresora 3D), de modo que nuestro análisis anterior desaconsejaría las granjas de impresoras 3D para grandes tiradas (al comprador le interesaría, pero al dueño de las impresoras no tendría por qué salirle rentable).
¿Y qué hay de la fabricación por arranque de viruta?
La fabricación por arranque de viruta estaría en un lugar intermedio entre el molde y la impresora 3D. La maquinaria de arranque de viruta (centros de mecanizado, tornos, fresadoras) tienen un precio equiparable a los moldes y las impresoras 3D. Por otro lado, su tiempo de fabricación no es ni lejanamente comparable a los moldes, pero con un buen proceso de fabricación, en general, va a ser mejor que el de la impresora 3D. En resumen, podríamos colocar esta tecnología como una tecnología a caballo entre una y la otra, y que se emplearía para estas condiciones intermedias.
Conclusión
Las nuevas tecnologías de fabricación no son un sustituto de las anteriores, sino un complemento que responde a una nueva necesidad de mercado. La fabricación aditiva no viene a sustituir a los moldes, sino a responder a una nueva forma de producción, complementaria a la anterior. De la misma manera que los moldes y los centros de mecanizado llevan muchos años conviviendo en los mismos talleres, las impresoras 3D cada día pasarán a compartir espacio con esta maquinaria.
Sí que habrá que seguir de cerca la pista a las impresoras 3D de metal. Si algún día se pudiese imprimir de forma rentable un molde de metal tan resistente como un molde de acero para herramientas clásico, eso sí podría cambiar considerablemente el mundo de la fabricación de moldes de metal, aunque aún estamos lejos de llegar a ese momento.
