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Los fluidos magnetorreológicos pueden aplicarse en el sector de la amortiguación de automóviles, construcción civil y electrodomésticos, sistemas de freno, medicina y máquina-herramienta

Propiedades y aplicaciones de los fluidos magnetorreológicos

José Ramón Dios, Gaiker-IK418/11/2013

Los fluidos magnetorreológicos (FMR) son fluidos cuyas propiedades reológicas se ven alteradas por la presencia de un campo magnético. Su viscosidad al aplicar un campo magnético se puede regular desde un fluido poco viscoso hasta un estado similar a una masilla o lodo muy espeso, sin modificar ni su forma ni su volumen. Estos fluidos son útiles en dispositivos donde se requiera una disipación de energía controlada (como frenos o amortiguadores), así como elementos de fijación en base a su variación de viscosidad. Debido a su aplicabilidad y su capacidad para conseguir rápidas y simples interfaces de respuesta entre sistemas electrónicos y mecánicos, Gaiker-IK4 ha estudiado estos fluidos y ha desarrollado una solución para el apelmazamiento por decantación del fluido cuando se encuentra en reposo, simplificando el proceso de fabricación.

Visualmente, los fluidos magnetorreológicos son de color muy oscuro, prácticamente opacos. Si el fluido se encuentra en un recipiente abierto caerá, pero si se aplica suficiente campo no caerá y su aspecto y superficie se mantendrá invariable en el interior del envase.

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Comportamiento de un fluido magnetorreológico ante un estímulo magnético.

Su comportamiento activo ante un campo magnético se debe a que estos fluidos son, a grosso modo, suspensiones de partículas magnéticas en un fluido portador, estabilizado por un surfactante y otros aditivos. Al aplicar un campo magnético, las partículas tienden a polarizarse y alinearse con el campo, formando una estructura fibrilar encadenada en unos pocos milisegundos. Así, la viscosidad de estos fluidos aumenta en función de la intensidad del campo aplicado. Este aumento no es ilimitado sino que se termina por exhibir una saturación magnética gradual. Esta saturación del fluido se produce a un valor igual al producto de la polarización de saturación del material magnético. En caso del hierro 2,1 Teslas (T)  por el porcentaje de partícula contenida en el fluido.

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Estructura fibrilar generada en presencia del campo magnético que provoca un incremento de la viscosidad.

Es importante distinguir los fluidos magnetorreológicos (FMR) de los Ferrofluidos (FF). Los FMR presentan en su composición partículas de tamaño micro y nano, sin embargo, en los FF todas las partículas son entorno a los 10 nm con lo que el fluido es prácticamente una suspensión coloidal, no sedimenta y ante el campo magnético las partículas tienden a seguir las líneas de fuerza y forman agujas que sobresalen de su superficie, siendo sus propiedades y precio muy diferentes.

Composición y propiedades de los FMR

Las variables responsables de las características de los fluidos magnetorreológicos son varias y muy diferentes: el tipo de partícula así como el tamaño, geometría, distribución de tamaños y la cantidad utilizada; el fluido portador, que tiene una influencia importante en la viscosidad del fluido, comportamiento térmico, químico y en la sedimentación de las partículas; y los diferentes aditivos añadidos para el control de variables tales como sedimentación, viscosidad, tixotropía y estabilización del fluido.

El estudio de estas variables y su influencia sobre la resistencia al flujo de los fluidos magnetorreológicos es en lo que Gaiker-IK4 ha centrado sus esfuerzos en los últimos años. El conseguir predecir de una manera más o menos aproximada el comportamiento de los fluidos en base a su composición ha permitido conocer el comportamiento de estos materiales y ajustarlos a la medida de las aplicaciones.

Se han estudiado las diferentes variables que pueden afectar el comportamiento de estos materiales como los aditivos o la viscosidad del fluido portador, que tiene un efecto muy grande en la sedimentación de manera que cuanto menor sea ésta mayor es la sedimentación, independientemente de que ésta sea aditivada, para aumentar la viscosidad. También se han estudiado diferentes combinaciones de tamaño, forma y naturaleza de las partículas para alcanzar una óptima distribución.

El estudio de estas variables y su influencia sobre la resistencia al flujo de los fluidos magnetorreológicos es en lo que Gaiker-IK4 ha centrado sus esfuerzos en los últimos años

Gaiker-IK4 ha elaborado a lo largo de los últimos años fluidos con diversas propiedades y calidades entre los que se aprecian diferencias en el valor de ratio F. El punto de fluencia ‘Yield Point’ es el momento en que el fluido comienza a fluir. El esfuerzo necesario para llegar a este punto se llama ‘esfuerzo de fluencia’ o esfuerzo umbral, más conocido como ‘yield stress’. Los FMR muestran habitualmente yield strengths de 50-100 kPa para campos magnéticos aplicados de 150-250 kA/m (~2-3 kOe) y una viscosidad sin campo magnético de 200-300 mPa•s a 25°C.

El Esfuerzo Umbral Estático se considera el esfuerzo mínimo para que el fluido sufra una deformación que se pueda considerar como flujo. Para ello, se ha diseñado un ensayo de reología rotacional en el que se realiza una rampa de esfuerzo, con un tiempo de integración de 4 segundos para permitir que el equipo obtenga una buena medida del esfuerzo.

Otra propiedad a controlar es la inevitable sedimentación. Cuando el fluido queda en reposo, las partículas tienden a decantar, siendo necesario considerar para las aplicaciones las siguientes premisas: minimizar lo más posible la sedimentación desde la formulación; ante periodos largos de reposo del dispositivo que contiene los FMR, considerar sistemas de reflujo para mantener dispersas las partículas; y caracterizar adecuadamente el fluido para asegurar su rápida y óptima dispersión una vez se redispersa el fluido. Evitar que tras la sedimentación se generen aglomeraciones que modifiquen su dispersión y modifiquen las condiciones iniciales del fluido.

El comportamiento a fatiga, tanto del fluido magnetorreológico como de los dispositivos, se ensaya a distintas frecuencias y representa la fuerza frente al desplazamiento a distintas intensidades de campo. Por su lado, el efecto ‘In-Use-Thickening’ (IUT) se produce, por ejemplo, cuando un líquido es de relativa baja viscosidad y se convierte en una pasta con la consistencia de un betún.

Actualmente este problema ha sido identificado y, en muchos casos, resuelto ya que todos los FMR muestran un cierto grado de deterioro en función de las condiciones que hayan tenido que soportar según su aplicación. Se cree que la causa de este incremento de la viscosidad es debida a la destrucción de la superficie que se desmenuza fácilmente de las partículas de hierro. Por lo tanto, dependiendo del tipo de mecanismo en el cual se va a emplear el fluido, las condiciones a las que el fluido es expuesto y la duración de dicha exposición, puede inicialmente partir de una formulación genérica, pero si se desea un óptimo rendimiento necesitará de un desarrollo particular de la formulación.

Ventajas e inconvenientes de los MRF

Las ventajas de los MRF son varias. Muestran, bajo la acción de un campo magnético, una rápida variación en sus propiedades reológicas (15 – 25 milisegundos). Se rigen por la intensidad de corriente que genera el campo magnético. Sus rangos de voltaje son inferiores a 10 V y corrientes inferiores a 2 A pueden ser suficientes, lo cual permite contar, para el diseño de un dispositivo, con fuentes normales de energía. Los MRF son capaces de alcanzar valores altos de esfuerzos de cizalla (sobre 50-100 kPa) lo cual implica que solo es necesario activar una pequeña cantidad de fluido para llegar a las prestaciones requeridas. Esto afecta positivamente al tamaño y peso del diseño. No son muy sensibles a los contaminantes e impurezas que pueden aparecer durante su fabricación y posterior uso. Esta misma insensibilidad del principio de funcionamiento hacia los contaminantes permite estabilizar los FMR frente a la sedimentación sin afectar por ello a sus propiedades magnetorreológicas. Se puede lograr un modo ‘a prueba de fallos’ en los dispositivos introduciendo imanes permanentes de manera que se active el FMR sin necesidad de otra fuente de energía. Son capaces de operar en un amplio rango de temperaturas, en base al fluido portador y se adaptan fácilmente a diferentes geometrías. Son apropiados para ser empleados en utillajes de piezas de geometría compleja, de piezas muy flexibles y de piezas que se van debilitando a medida que se van mecanizando.

En cuanto a los inconvenientes, los campos magnéticos no son fáciles de aplicar ni de usar. La intensidad de campo se ve afectada por la presencia de materiales férricos, son pesados y requiere de espacio para albergar los electroimanes. La discordancia entre las densidades de la partícula metálica y el fluido portador es muy grande con lo que la tendencia a la sedimentación es alta. La alta densidad de la partícula también deriva en una alta densidad del FMR en conjunto (3-4 g / cm3). La viscosidad típica inicial (en ausencia de campo magnético) ya es relativamente alta, lo que conlleva una alta fricción o perdidas de carga en dispositivos como en los frenos rotatorios cuando no se requiere su activación. Su tiempo de respuesta, aun siendo muy rápido, es más lento que el de los fluidos electrorreológicos (FER).

Aplicaciones de los fluidos magnetorreológicos

Los fluidos magnetorreológicos son útiles en dispositivos donde se requiera una disipación de energía controlada (amortiguadores, frenos, embragues, etc.) así como elementos de fijación en base a su variación de viscosidad. El interés en estos materiales viene de su capacidad para conseguir rápidas y simples interfaces de respuesta entre sistemas electrónicos y mecánicos, por lo que es aplicable en los siguientes sectores:

  • Amortiguación de automóviles. Pruebas realizadas por Monroe, uno de los principales fabricantes de amortiguadores del mundo, determinó que la distancia de frenado con amortiguadores en mal estado aumentaba la distancia de frenado a 70 km/h de 23,2 metros hasta los 34,5 metros. Empresas fabricantes de automóviles como Cadillac y Audi, en el TT y R8, ya han empezado a incluir en algunos modelos amortiguadores basados en esta tecnología, como el sistema MagneRide de Delphi.
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A la izquierda amortiguador normal y en la derecha amortiguador con respuesta magnética. Sistema de Delphi MagneRide de suspensión activa.
  • Amortiguación en electrodomésticos, adaptando la rigidez del amortiguador a las distintas fases del ciclo de lavado y carga de ropa en la lavadora.
  • Amortiguadores en construcción civil, como pueden ser en puentes o edificios con dispositivos antiseísmos, entre otros. Permiten contrarrestar el movimiento que se produce en un puente debido al viento.
  • Medicina, como sistema de control en las prótesis de rodillas.
  • Sistema de freno, donde destaca la aplicación de frenos de bicicletas estáticas con sistema de freno de disco basado en presencia de fluidos magnetorreológicos.
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Esquema simple de freno rotatorio basado en fluidos magnetorreológicos.

  • Máquina-herramienta, se trabaja en dispositivos de amortiguación de vibraciones y en posibles dispositivos de fijación para la realización de utillajes flexibles. En este sentido, cabe destacar la experiencia de la Universidad de Nottingham, que ha patentado un sistema de amarre para el mecanizado de álabes de turbina de avión, mediante un sistema de ‘pins’.
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Aplicación de FMR en utillajes flexibles de fijación en Nottingham Inovative Manufacturing research Center, 2007.

Un ejemplo de desarrollo aplicado realizado desde Gaiker-IK4 para Krafft (financiado a través del programa ETORGAI del Gobierno Vasco), ha permitido poder resolver un problema habitual en los fluidos: el apelmazamiento por decantación del fluido cuando se encuentra en reposo por el elevado peso específico de los sólidos. A través de la modificación de la formulación y el proceso de fabricación, se ha logrado volver a homogeneizar el fluido magnetorreológico mediante una agitación leve y de corta duración. A la vez, se ha simplificado también el proceso de fabricación, prestando especial atención a las etapas de homogeneización progresiva durante la incorporación de las micropartículas magnéticas.

Comentarios al artículo/noticia

#2 - 13
13/06/2016 21:03:22
los fmr pueden ser utilizados en motores para sustituir la bobina haciendo que el propio liquido gire alrededor de un centro con polarización para que el fmr gire alrededor provocando un aumento del campo y haciendo el efecto de un motor autonmo
#1 - Mario Ildefonso Ramírez Pastor
10/10/2014 15:22:51
Sumamente interesante y con un amplio potencial de aplicación para el confort, desarrollo y conocimiento social. Vale la pena seguir,haciendo investigación en ese sentido. Llama la atención entre otras cosas, su aplicación en materia de salud en parecimientos de la rodilla.

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