Sustitución avanzada de metales

Los polímeros de ingeniería han sido utilizados habitualmente en la industria para proporcionar soluciones de materiales que optimicen los costes, la masa, las prestaciones y la estética en la fabricación de productos que se utilizan en todo el mundo en aplicaciones que van desde bienes de consumo a la industria pesada. La amplitud de uso de estos materiales como alternativas a los metales se basa en las muchas ventajas que proporcionan, entre las que se incluyen: baja masa y buena resistencia en relación al peso, resistencia a la corrosión, flexibilidad para el diseño, permitiendo la integración de la pieza y su fabricación en perfiles complejos y bajos costes de manufactura y mínimos procesos añadidos a su fabricación.

Figura 1 - Comparación de la resistencia y rigidez de los polímeros de ingeniería y de algunos metales.

Los recientes desarrollos de polímeros de elevadas prestaciones y de sistemas de reforzamiento avanzados han permitido un uso amplio de los polímeros de ingeniería como alternativas viables a los metales en aplicaciones muy exigentes. Sin embargo, incluso con los últimos desarrollos en tecnologías de polímeros, sigue existiendo un vacío en las propiedades mecánicas, que limitan la utilización de los polímeros de ingeniería en algunas aplicaciones. La Figura 1 muestra una comparación de las características típicas de resistencia y rigidez de los polímeros de ingeniería y de algunos metales. La investigación y desarrollo de tecnologías alternativas ha llevado a explorar soluciones materiales para cubrir mejor el vacío existente en las propiedades de los materiales. Algunas tecnologías nuevas implican una combinación de metales y plásticos en los sistemas híbridos para lograr ventajas de las propiedades de ambos materiales. Se ha avanzado en métodos más tradicionales de moldeado de metales laminados y de otras piezas de metal conformado, pero se ven limitados por la dependencia de la unión mecánica de los dos materiales y por frenos debidos a la complejidad de diseño y de herramientas.

El híbrido de metal nanocristalino/polímero MetaFuse es una nueva tecnología híbrida de polímero/metal introducida por DuPont Engineering Polymers y sus asociados, los canadienses Morph Technologies Inc. e Integran Technologies Inc. y la norteamericana PowerMetal Technologies. La tecnología híbrida metal nanocristalino/polímero MetaFuse emplea un proceso registrado que aplica con mucha precisión una fina capa metálica de ultra elevada resistencia a los componentes moldeados en polímeros de ingeniería para crear componentes ultraligeros con formas complejas con la rigidez del magnesio o el aluminio y mayor resistencia. La capa de metal de este sistema híbrido es única, en el sentido en que tiene como base una microestructura nanocristalina de metal, que proporciona una elevada resistencia que no puede ser igualada en otros procesos tradicionales de deposición de metales.

Figura 2 - Híbrido metal/polímero MetaFuse

Las capas de metal que se utilizan en los híbridos de metal nanocristalino/polímero MetaFuse poseen propiedades de resistencia ultraelevadas y se basan en un proceso registrado que proporciona la capacidad de procesar estas aleaciones metálicas controlando su microestructura durante el procesado del material. Aunque ha habido métodos para alterar las microestructuras por aleación, tratamiento térmico o trabajo en frío desde los comienzos de los trabajos metálicos, el avance que se desarrolla en este proceso es la capacidad de conformar materiales nanocristalinos de densidad completa de una forma efectiva a nivel de costes. Típicamente, los metales poseen microestructuras policristalinas que están compuestos por grupos de pequeños cristales independientes conocidos como granos.

Existen varios metales que poseen composiciones idénticas, pero con propiedades físicas que varían mucho. Estas diferencias están relacionadas con los cambios de la estructura microscópica. El tamaño del grano es uno de los factores que influyen en las propiedades de un material.

Otras propiedades tales como la resistencia a la tensión, dureza, resistencia al desgaste y coeficiente de fricción se refuerzan también al reducir el tamaño del grano. Esta tecnología proporciona una forma de producir un material con granos finos. El proceso, muy perfeccionado, reduce el tamaño del grano de la escala de micrómetros a la de nanómetros, con factor 1000. La figura 3 muestra fotomicrográficos en los que se ven las diferencias en las estructuras de granos al comparar el metal nanocristalino con el metal convencional, mientras que la Tabla 1 muestra algunas de las propiedades del níquel nanocristalino frente al níquel convencional.

Tabla 1: Comparación de propiedades del níquel y el nano-níquel [ASM International, 1990].

El metal nanocristalino posee un tamaño medio de grano de unos 20 nm, que es unas 1.000 veces más pequeño que los metales convencionales, y de 2 a 3 veces más resistente que los aceros habituales y el níquel-cromo decorativo. Las propiedades mostradas por estas aleaciones de metal nanocristalino no sólo poseen mayor resistencia que los metales convencionales, también tienen propiedades comparables a las de otros metales de alta resistencia. La figura 3 muestra la comparación de aleaciones de nanometal con metales de elevada resistencia, así como con el aluminio colado y el magnesio. La capacidad para depositar el nanometal sobre la superficie de las piezas de plástico permite dar a este metal formas complejas, lo que es muy difícil de hacer con metales de elevada resistencia tradicionales.

Al poseer el metal nanocristalino una resistencia significativamente mayor que los metales convencionales, se pueden aplicar capas relativamente finas a la superficie de los materiales plásticos para crear construcciones híbridas con propiedades estructurales, a diferencia de otras técnicas de deposición de metal como pueden ser la galvanización o la deposición por vapor.

Los híbridos MetaFuse nanometal/plástico se basan en la aplicación de metal nanocristalino en áreas seleccionadas de una pieza de polímero moldeado para incrementar la rigidez y mejorar otras propiedades. La tecnología MetaFus ha sido desarrollada utilizando procesos y polímeros específicos registrados de DuPont Engineering. Un aspecto muy sustantivo de este sistema es que coloca el metal en el lugar óptimo para mejorar la rigidez. En la práctica y en muchos usos, tanto las piezas de metal como las de plástico se encuentran sujetas a cargas que dan lugar a tensiones que producen alabeo en el material.

Figura 3 - Comparación de la aleación de nanometal a metales de elevada resistencia y otros.

Para estas cargas de flexión, el recubrimiento con nanometal es altamente ventajoso cuando se hace en los bordes exteriores de la pieza, en los puntos más alejados del eje neutral. Es aquí donde se experimentan las máximas resistencias a la tensión y a la compresión de la pieza, ya que las resistencias son directamente proporcionales a la distancia al eje neutral. Los nanometales, fuertes y resistentes, se disponen bien para soportar la carga. La resistencia a la flexión de la pieza se incrementa también ya que es producto del módulo y el momento de inercia; la inercia del recubrimiento se incrementó exponencialmente al alejarla del eje neutral. La resistencia a la torsión y la fuerza se mejoran también al desplazar radialmente hacia fuera el recubrimiento para incrementar el momento polar de la inercia. Las secciones externas experimentan la torsión mayor y es aquí donde la resistencia mayor del nanometal es más ventajosa.

Los ensayos se han completado con cierto número de sustratos de polímero de ingeniería distintos, para ver propiedades características del sistema híbrido MetaFuse. La magnitud de la mejora depende del sustrato plástico, su situación y el grosor del metal sobre la pieza de plástico. Aquí se ilustra una mejora característica de propiedades físicas que se basa en los ensayos de un polímero Zytel PA66 reforzado con un 25 por ciento de vidrio, moldeado por inyección en plaquetas ISO para ensayos de tracción y recubierto con 100 micras de aleación de metal nanocristalino níquel/hierro, encapsulando la plaqueta. La figura 4 muestra la comparación de propiedades a temperatura ambiente de un híbrido de nanometal/plástico frente al plástico sólo en tres propiedades: resistencia al curvado medida en el módulo de flexión, resistencia al impacto medida por impacto multi-axial y resistencia a la tensión.

Figura 4 - Comparación de propiedades físicas.

Tal y como se muestra en las cifras anteriores, los incrementos característicos obtenidos en el módulo de flexión y la resistencia al impacto son de dos a cuatro veces las del plástico solo. Estas propiedades dependen mucho de la geometría de la muestra, del grosor del metal y del material plástico del sustrato. La resistencia a la tensión es directamente proporcional a la cantidad de metal utilizado.

Los ensayos han demostrado también que los híbridos de nanometal/plástico MetaFuse son capaces de mantener propiedades estructurales excelentes en gamas de temperaturas en las que el polímero solo pierde significativamente sus propiedades. La Figura 6 muestra datos del Análisis Mecánico Dinámico (DMA), comparando propiedades del plástico frente al híbrido nanometal/plástico. DMA es una técnica que se utiliza para estudiar y definir características de propiedades del material, en la cual se deforma la muestra bajo carga en una amplia gama de temperaturas. De ello se deduce la rigidez de la muestra y se puede calcular su módulo. Los datos de la Figura 6 comparan las muestras de polímero y del hibrido nanometal/plástico, y demuestra que la muestra de plástico/metal mantuvo de un 70 por ciento a un 80 por ciento de su módulo inicial, incluso cuando la temperatura sobrepasó la temperatura de transición vítria del polímero. Esta información sugiere que el MetaFuse podría permitir el uso de polímeros en aplicaciones estructurales en temperaturas elevadas y ampliar la gama de temperaturas de trabajo de las piezas de polímeros en 50 a 75 grados C. A observar que los resultados dependerán de las propiedades del sustrato de plástico utilizado.

Para mostrar aún mejor las posibilidades de procesado con los híbridos de nanometal y plástico MetaFuse la Figura 5 muestra las curvas de carga/desviación que han sido estimadas con el ejemplo de un voladizo con grosores variables de sustrato plástico basado en Zytel HTN.

En muchas aplicaciones prácticas, podría no ser necesario recubrir con nanometal toda la superficie de la pieza. En estos casos, se puede aplicar el recubrimiento de metal nanocristalino solo en áreas seleccionadas de la pieza. La Figura 7 muestra algunos conceptos para el recubrimiento selectivo con nanometal.

Aunque este artículo se ha centrado fundamentalmente en las propiedades de rigidez y resistencia, los híbridos de nanometal/plastico MetaFuse también pueden proporcionar ventajas adicionales a los materiales plásticos, tales como resistencia al desgaste, resistencia a la deformación, conductividad eléctrica, resistencia química, blindaje EMI, permeabilidad a gas/fluido y estabilidad frente a rayos UV e higroscópica.

Figura 6 - Modulo frente a temperature para MetaFuse y para plástico solo

Existen muchas aplicaciones potenciales en mercados como automoción, electrónica de consumo, equipos deportivos y otros. Entre ellos se incluyen cárters de aceite, tapa de culata, bombas de agua y aceite, sistemas de juntas/soportes, brazos tensionadores de cadena, componentes y carcasas de transmisión, distribuidores de combustible, motores eléctricos en automoción, carcasas y tapas eléctricas, grapas de fijación de la columna de dirección y componentes del sistema de dirección, brazos de control y suspensión, carcasas y alojamientos de telefonía móvil, componentes de bicicletas, bobinas de pesca y cabezas de palos de golf.

Figura 7.

En desarrollos relacionados, PowerMetal ha comercializado recientemente un composite de polímero y nanocristalino para golf denominado Epic, con su tecnología de marca Nanofuse. PowerMetal también posee otras aplicaciones en los mercados de deporte y tiempo libre. Los híbridos de nanometal y plástico MetaFuse ofrecen un potencial significativo para ampliar el uso de polímeros a aplicaciones más exigentes que permiten fabricar componentes extremadamente ligeros con la resistencia y rigidez del metal, junto con las ventajas de diseño, flexibilidad y ligereza de los termoplásticos de elevadas prestaciones.