La segunda parte de la serie sobre nuevos materiales trata del caucho. En los años 30, los retenes radiales consistían en una carcasa de chapa y un manguito de cuero. Pero entonces el cuero empezó a escasear y a ser caro y Freudenberg lo sustituyó por caucho.
Compacto
Historia del Simmerring: En la década de 1930, el cuero fue sustituido por el caucho en los Simmerring porque el cuero era caro. El caucho demostró ser dimensionalmente estable y elásticamente remoldeable, con alta resistencia a la temperatura y al hinchamiento 1.
Producción de caucho: El paso del caucho natural o sintético al caucho de alta tecnología (elastómero) es complejo y requiere una mezcla de entre diez y veinte ingredientes, incluidas cargas como el negro de humo y la sílice, plastificantes y agentes antienvejecimiento.
Procesos de vulcanización: Freudenberg Sealing Technologies (FST) utiliza diversos procesos de vulcanización, como el moldeo por compresión (CM) y el moldeo por inyección (IM). Estos procesos difieren en su grado de automatización y el tipo de procesamiento.
Propiedades químicas y físicas: Los materiales de caucho deben ser resistentes a diversos medios y temperaturas, en función de la aplicación. La vida útil de una junta de goma se reduce considerablemente cuando aumentan las temperaturas.
Procedimientos de ensayo e innovación: FST realiza pruebas de resistencia para determinar los límites de aplicación de los nuevos materiales. Estas pruebas simulan condiciones reales y aportan conclusiones importantes para la idoneidad práctica de nuevas soluciones materiales.
Hace casi 100 años, el primer Simmerring® consistía en una carcasa de chapa con una funda de cuero. Pero el cuero era caro. Freudenberg buscó un sustituto y encontró lo que buscaba, sustituyendo su tradicional producto de tecnología de sellado por caucho. Pronto resultó que las buenas propiedades del caucho eran convincentes. El caucho, dimensionalmente estable pero elásticamente remoldeable, se caracterizaba, entre otras cosas, por una resistencia a la temperatura y al hinchamiento muy superior a la de los aceites lubricantes para motores utilizados habitualmente en los años treinta. Esto marcó el inicio del avance triunfal del caucho como material de sellado, que continúa hasta nuestros días: primero en Simmerrings, luego en juntas tóricas, después en juntas planas…
¿Ingeniero o pastelero?
El camino desde el caucho natural o sintético hasta el caucho de alta tecnología, técnicamente conocido como elastómeros, es largo. El caucho por sí solo, ya sea de origen natural o sintético, no es suficiente. Un compuesto de caucho suele constar de entre diez y veinte ingredientes. Al igual que para hornear un pastel, se necesitan los ingredientes adecuados en las cantidades correctas.
Al final, es la sofisticada combinación de harina, azúcar, huevos, mantequilla, leche o cacao la que produce el resultado deseado… y la experiencia (de sabor). Además de la goma, los rellenos como el negro de carbón y la sílice son especialmente importantes para la mezcla perfecta de la goma, ya que aumentan su resistencia y durabilidad. Además, los plastificantes mejoran inicialmente el comportamiento de flujo durante el procesado y posteriormente el comportamiento de expansión e hinchamiento. Los agentes antienvejecimiento ralentizan la fatiga del material, mientras que otros ingredientes protegen, por ejemplo, contra el ozono.
Planta mezcladora: del pesaje a la expedición
En función de la receta, todos los ingredientes se pesan primero al miligramo en las plantas mezcladoras de materias primas de Freudenberg Sealing Technologies (FST) repartidas por todo el mundo. A continuación, se mezclan en una gran amasadora hasta formar una masa homogénea. A continuación, se homogeneiza en un laminador mediante plegado y laminado constantes.
Por último, la densidad, dureza, resistencia y elasticidad de cada lote se comprueban con precisión en pruebas que acompañan a la producción en serie. Una vez superada la prueba de calidad, la mezcla se enfría en un sistema denominado batch-off y se transforma en tiras, cordones u otros formatos. Tras el envasado, la mezcla acabada se envía a las instalaciones de producción de moldes. La tendencia en las plantas de mezcla de FST es hacia máquinas conectadas en red, digitalización y automatización en todos los pasos de trabajo. La planta de mezcla en bruto de Weinheim es una de las pioneras en este sentido.
El plástico se vuelve elástico
Los reticulantes, como el azufre, son un ingrediente muy importante de la mezcla. Porque lo que la cocción en el horno es para los pasteles, la vulcanización es para el caucho durante el moldeo en la producción en serie. Durante la vulcanización, las moléculas de caucho se reticulan a una temperatura de entre 120 y 160 grados centígrados. Esta reticulación confiere al caucho su elasticidad, transformando el plástico en elástico.
Volvamos por última vez a la analogía de la panadería: como un buen pastelero, FST escribe la receta, mezcla los ingredientes y los hornea ella misma. FST solo compra los «ingredientes para hornear», igual que el pastelero, que no muele su propia harina.
Varios procesos para un mismo objetivo: caucho
FST utiliza varios procesos de vulcanización para producir juntas a partir de materiales de caucho. Los dos más importantes se abrevian CM e IM.
En el moldeo por compresión (CM), la pieza en bruto se introduce manualmente en el molde de componentes de la herramienta abierta. La prensa se cierra. El calor generado en la parte superior e inferior por las placas calefactoras pone en marcha el proceso de vulcanización. Se trata del proceso más sencillo.
En el moldeo por inyección (IM), el compuesto, que previamente se ha procesado en cordones o cintas, se inyecta directamente en el molde cerrado a alta presión y se vulcaniza allí. Se trata del proceso más complejo y con mayor grado de automatización.
Otros procesos se denominan Moldeo por Transferencia (TM) y Moldeo por Transferencia de Inyección (ITM).
Dependiendo del material de caucho utilizado, las juntas deben someterse a un proceso de postcalentamiento tras el moldeo. En el horno de postcalentamiento, los aditivos y los coadyuvantes de transformación se desgasifican y la red de vulcanización queda firmemente sellada. En resumen: el poscalentamiento confiere a las juntas y sus materiales sus propiedades finales.
Química y física
Dependiendo de la aplicación, los materiales de estanquidad elastómeros deben ser químicamente resistentes a medios como aceites y grasas lubricantes minerales y sintéticos. Deben resistir el frío, el calor, el agua, el aire húmedo, el vapor caliente, el ozono o los agentes de limpieza agresivos.
Aquí se aplica la regla empírica: La velocidad de las reacciones químicas se duplica con un aumento de temperatura de diez grados centígrados (regla RGT). A la inversa, esto significa que la vida útil de una junta de goma se reduce considerablemente cuando aumentan las temperaturas. Por tanto, la resistencia a los medios de los materiales de caucho depende en gran medida de la temperatura. También disminuye debido a una mayor presión, mayores velocidades y mayor fricción, porque todos estos fenómenos aumentan la temperatura.
Desde el punto de vista físico, las juntas de goma se ocupan principalmente de evitar el hinchamiento, la contracción y la penetración de un gas en el material de estanquidad, lo que se conoce como permeación. La baja fricción también reduce la temperatura y, por tanto, el desgaste y el consumo de energía.
No todo el caucho es igual
Por lo general, los materiales de caucho se caracterizan por una gran elasticidad, que se asocia a un elevado efecto de sellado y fuerzas de recuperación. En combinación con el lubricante adecuado, se caracterizan por una buena resistencia al desgaste y a la abrasión. Una de las desventajas del caucho como material es que sólo es adecuado en cierta medida para aplicaciones de alta presión, por ejemplo en hidráulica, debido a su falta de dureza.
No todo el caucho es igual. Los distintos materiales de caucho difieren en cuanto a densidad, dureza, resistencia a la tracción, comportamiento de deformación, rango de temperatura de uso y muchos otros valores característicos. Por eso son adecuados para distintos ámbitos de aplicación.
Algunos ejemplos: El material estándar de FST, por ejemplo para los retenes radiales clásicos, es el NBR. El HNBR tiene una mayor resistencia a la temperatura y a los medios. La silicona es menos resistente a la abrasión, por lo que es la primera opción, sobre todo para los retenes estáticos. El ACM soporta bien temperaturas frías de hasta -40 grados Celsius y calor de hasta 160 grados Celsius, y también es resistente al ozono y al aire caliente. El FKM ha demostrado su versatilidad para resolver problemas. FFKM Simriz® es la solución de gama alta de FST para la industria de procesos.
En el banco de pruebas
En varios centros de FST, los campos de pruebas son componentes clave de su fuerza innovadora. ¿Cuáles son los límites de aplicación de los nuevos materiales? ¿Pueden soportar las altas velocidades que predominan en la electromovilidad? ¿Pueden soportar nuevos tipos de lubricantes, las consecuencias de los cambios de carga eléctrica, la presión, el frío, las salpicaduras de agua, la suciedad y las vibraciones? Las pruebas de resistencia en el campo de pruebas reproducen la realidad lo más fielmente posible y aportan conclusiones importantes para la idoneidad práctica de las nuevas soluciones de materiales. Aquí se pueden simular operaciones en el Ártico y el desierto, así como viajes en coche a través del agua y el barro. El mayor centro de pruebas Simmerring está en Weinheim. En Plymouth, FST puede probar a cámara rápida cómo los materiales de los electrolizadores de hidrógeno demuestran su valía en años de uso continuado.
Sin embargo, ni siquiera las pruebas de larga duración de 1.000 horas en el banco de pruebas bastan para garantizar que las juntas durarán décadas, como se requiere en las turbinas eólicas marinas, por ejemplo. Para ello son esenciales las herramientas de simulación digital. FST lleva años utilizando modelos de eficacia probada, por ejemplo para el comportamiento de envejecimiento a largo plazo del caucho en juntas estáticas.
Nuevas tareas
Las juntas de goma tienen que cumplir cada vez más tareas adicionales que van mucho más allá del sellado. A veces deben ser conductoras de la electricidad, otras deben ser capaces de proteger del calor o de la radiación electromagnética. O tienen que ser capaces de predecir con la mayor precisión posible cuándo deben sustituirse, en lo que se conoce como Condition Monitoring. FST también desarrolla soluciones para ello.
