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DISEÑO DE UN EQUIPO PARA LA FABRICACIÓN DE ESPONJAS METÁLICAS Patricia Fernández M. *†, Mauricio Daza M. **, Eduardo Oviedo S. **, Javier Cruz R.*  * Grupo de Investigación sobre Nuevos Materiales, Facultad de Ingeniería Mecánica, Universidad Pontificia Bolivariana, Cq. 1 #70-01, of. 11-259, Medellín, Colombia ** Semillero Grupo de Investigación sobre Nuevos Materiales, Facultad de Ingeniería Mecánica, Universidad Pontificia Bolivariana Recibido ## Mes año; aceptado ## Mes año Disponible en línea: ## Mes año

 Resumen: Las esponjas metálicas son materiales innovadores que recientemente han despertado gran interés en el campo de investigación de los materiales debido a su combinación única de propiedades otorgadas por su estructura porosa. Sin embargo, los métodos de fabricación de esponjas metálicas se han caracterizado por ser costosos y requerir alta tecnología. En el presente artículo se expone el diseño y puesta en marcha de un equipo de infiltración de metal en preformas solubles para la obtención de esponjas a bajo costo y con estructuras bastante uniformes. Copyright © 2007 UPB. Abstract: Metallic sponges are innovative materials that recently have found great interest in the materials research field due to their exceptional combination of properties given by the porous structure. However, manufacturing processes of metallic sponges are expensive and need high technology. In this paper, the design and the starting of the equipment to metal infiltration of soluble preforms to obtain sponges at low cost and with very uniform structures, is exposed. Keywords: Infiltration casting, metal sponges, NaCl, Aluminium

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Autor al que se le dirige la correspondencia: Tel. (+574) 4159095 ext 118, fax 4112372. E-mail: [email protected] (Patricia Fernández M.).

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1. INTRODUCCIÓN

En el presente artículo se describirá el procedimiento llevado a cabo para el diseño y puesta en marcha de un equipo para la fabricación de esponjas metálicas de aluminio mediante infiltración del metal líquido de preformas solubles utilizando presión de vacío denominado Infiltración de Preformas Solubles (IPS).

Los metales celulares son materiales innovadores que poseen combinaciones únicas de propiedades físicas y mecánicas. En este sentido, es posible encontrar metales celulares con alta capacidad de absorción de energías de deformación, buena conductividad térmica y muy baja densidad. Las características brindadas tanto por el metal de la matriz como por su estructura porosa convierten a los metales celulares como materiales multifuncionales [Banhart, 2001; Ashby, M.F., et al. 2000]. Entre las aplicaciones más relevantes, es posible encontrar su uso en seguridad pasiva vehicular, aligeramiento de estructuras, paneles para absorción de sonido y vibraciones, intercambiadores de calor, soportes para catálisis, entre otras [Banhart, J., 2004].

2. FUNDAMENTOS DEL PROCESO IPS El proceso de IPS consta básicamente en el vaciado del metal líquido sobre una preforma porosa, de manera que el metal ocupa los intersticios dejados entre las partículas que constituyen dicha preforma [Brothers et al., 2005] Ver Fig. 1. Una vez el metal se ha solidificado, se procede a retirar el material de la preforma con el fin de dejar finalmente el metal poroso denominado esponja metálica. La infiltración del metal puede proceder por mecanismos impulsados por la fuerza de la gravedad [Casolco et al., 2005] o mediante infiltración con presión externa utilizando gases como Argón [Despois et al., 2007] o por presión de vacío [Cao et al., 2006].

En general, los metales celulares pueden ser obtenidos a partir de metales puros o de aleación y, según el proceso de manufactura pueden tener estructura de porosidad abierta los cuales se denominan esponjas o estructura de porosidad cerrada conocidas como espumas [Gibson y Ashby, 1997]. Si bien la idea de obtener materiales porosos no es reciente, su fabricación prácticamente si lo es; y aunque se ha evolucionado en la generación de diferentes métodos para la obtención de dichos materiales, esta tarea sigue siendo ardua en el campo de la investigación de materiales en numerosas universidades e institutos de investigación, primordialmente en algunos países vanguardistas de Europa, Oriente y Norteamérica. En Latinoamérica, se destaca el trabajo realizado por el Dr. Torres en México [Fernández M. et al., 2007].

Infiltración de la aleación

Moldeo de la preforma

Espacios vacíos

Sal

Aluminio

Disolución de la sal

Poros

Fig. 1. Esquema del proceso de infiltración. El material de la preforma debe poseer alta resistencia a la temperatura, no reaccionar químicamente con el metal y debe permitir su remoción del composite preforma/metal una vez el metal ha solidificado. Aunque la sal común, NaCl es el material más utilizado, también es posible el empleo de otras sales tales como el NaF, BaF2 y SrF2 [Chou y Song, 2002; Brothers et al, 2005] que pueden ser removidas por disolución en agua, esferas cerámicas que pueden ser removidas mediante vibración ultrasónica y, aglomerados de polímero-resina que pueden ser extraídos mediante tratamiento térmico [Hur, 2003]. Así mismo, entre los metales y sus aleaciones que pueden ser infiltrados por este proceso se tienen el Ni, Fe, Zn, Mg y Al, siendo este último el de mayor uso.

Existen diferentes métodos para la obtención de metales celulares que en general pueden clasificarse de acuerdo al estado de la materia prima: procesos por vía sólida (pulvimetalurgía), procesos por vía líquida (fundición) y procesos por vía gaseosa (deposición) [Banhart y Baumeister, 1998]. Sin embargo, los altos costos asociados a cada una de estas rutas han motivado una ardua labor en la búsqueda de procesos que sean no solo eficientes sino además económicos.

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3. DISEÑO DEL EQUIPO PARA EL PROCESO IPS

acoplables y desmontables fácilmente: 1) Subsistema de presión de vacío, 2) Subsistema de refrigeración y 3) Subsistema de temperatura. Ver fig. 2. para apreciar la forma espacial del diseño del equipo conservando la división de cada subsistema. En la figura puede observarse que el equipo es móvil y puede manipularse fácilmente. A continuación se explica como esta compuesto cada uno y que función cumple en el proceso.

La selección del proceso fue realizado mediante una exhaustiva búsqueda y análisis de literatura relacionada a la fabricación de esponjas metálicas. Se determinó de esta manera que el proceso de IPS sería el más apto para lograr la obtención de esponjas de aluminio a bajo costo y de buena calidad. Como fue mencionado anteriormente, este proceso puede realizarse infiltrando con el efecto de la gravedad o mediante el uso de presión externa. En el primer caso, la gravedad solo permite infiltrar tamaños de grano grandes (> 2 mm) y por lo regular las esponjas quedan con granos de la preforma atrapados en su interior aún después de realizada su remoción. En el caso de la infiltración con presión externa, lo que se encuentra es la desventaja que presenta con respecto al alto costo que representa el uso de gases como el Argón y la necesidad de utilizar equipos de alta tecnología.

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De lo expuesto anteriormente, se opta por realizar el proceso por IPS mediante el uso de presión de vacío, el cual resultaría en una disminución ostensible de los costos asociados al proceso.

3 Fig 2. Acople final de los subsistemas.

Como etapa inicial del proyecto se realizaron algunos ensayos preliminares de infiltración de la aleación de aluminio A356 en preformas de NaCl mediante gravedad con el fin de familiarizarse con el proceso y así mismo deducir algunos parámetros importantes a la hora del diseño del equipo para IPS con vacío, tales como temperaturas de infiltración, el comportamiento de la sal, fluidez del metal liquido durante la infiltración, entre otras. Adicionalmente, las esponjas obtenidas mediante IPS por gravedad servirían como punto de comparación en cuanto a la calidad con respecto a las que se pretendían fabricar mediante IPS con vacío.

3.1. Subsistema de temperatura El sistema de temperatura se encarga de fundir el aluminio además de hacerle un precalentamiento a la preforma de sal para eliminar la humedad propia de su carácter higroscópico y evitar el choque térmico con el aluminio liquido. El subsistema de temperatura esta compuesto por el horno y un crisol. En el diseño de este subsistema se contemplo que la puerta del horno se ubicaría en la parte superior a diferencia de los hornos tradicionales que la tienen en la parte frontal. Esto con el fin de permitir una temperatura mucho más homogénea alrededor del crisol durante todo el proceso, adicional a esto; se pretendía una mejor manipulación de las conexiones del crisol hacía el subsistema que estaría ubicado en la parte inferior del horno. Un control de temperatura ubicado en el horno permitiría graduar las rampas de temperaturas y su tiempo de manera más precisa.

Para el desarrollo del diseño se tuvieron en cuenta algunos aspectos relevantes tales como el económico, desarrollo tecnológico, interacción con los otros subsistemas y que cumpliera con las variables del proceso. Así mismo se establecieron como parámetros de proceso la presión, la temperatura de fusión del metal, la temperatura de infiltración, la cantidad de aire a evacuar y el tiempo de infiltración.

Entre los materiales para la fabricación del crisol se tenían opciones entre grafito, alúmina y acero. Por ser más económico y de más fácil manipulación, fue seleccionado un crisol de acero el cual al momento de usarse se recubre con un refractario como desmoldeante del composite Al/NaCl una vez se enfría y ocurre la

Aunque inicialmente el equipo fue contemplado en su diseño como una unidad, en el diseño final se considero un equipo con diferentes subsistemas

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solidificación. Un aspecto importante a tener en cuenta en el diseño del crisol, es la ubicación de un sistema de filtros que debía ser acoplado para evitar el que en el momento de realizar el vacío el aluminio llegara a la tubería y la obstruyera, Ver fig. 3. Aunque al principio se busco el uso de un filtro cerámico, la dificultad de encontrar este tipo de filtros en el mercado nacional hizo que el diseño se enfocara a la elaboración de un juego de anillos de acero que acoplarían dos conjuntos de 4 mallas de acero inoxidable en cada uno con un pequeño espacio entre cada conjunto para mayor seguridad.

líquido infiltre de forma homogénea la preforma de sal ubicada en el crisol. El valor de la presión de vacío fue establecida mediante el análisis de información reportada en la literatura para procesos tanto con presión externa como por vacío. Esta variable puede ser monitoreada mediante un vacuometro y puede ser regulada por la válvula de presión, lo cual permite realizar cambios de presión. Este subsistema está conectado por medio de tuberías de acero inoxidable flexibles diseñadas para soportar altas presiones y altas temperatura. Las conexiones de todo el subsistema de vacío se encuentra sellado herméticamente con acoples mecánicos y con sellos de grafoil. 4. RESULTADOS En la figura 4 se muestra el equipo una vez construido y ensamblado listo para su puesta en marcha. Una de las ventajas que le da un valor agregado al equipo es su versatilidad dada por el ensamble mediante subsistemas, lo cual permite el uso de cualquiera de los subsistemas en otros procesos desarrollados por el grupo de investigación. Así mismo, el sistema de ruedas de la estructura sobre la que se instalo el horno permite transportarlo o moverlo cómodamente.

Fig 3. Detalle del crisol y conjunto de filtros en la parte inferior. 3.2. Subsistema de refrigeración Seguido al subsistema de temperatura, se tiene el subsistema de refrigeración compuesto por un intercambiador de calor elaborado en tubería de cobre y sumergido en agua. Este sistema debe disminuir la temperatura desde alrededor de 700°C de los gases de salida del horno hasta temperaturas entre los 70-100°C, lo que prácticamente convierte este subsistema en parte de la seguridad que debe brindársele a la bomba de vacío, debido a que ésta solo resiste temperaturas inferiores a 70°C para cumplir con las condiciones de uso. Para el desarrollo de los cálculos del intercambiador de calor se contó con la asesoría del grupo de investigación de energía y termodinámica, lo cual permitió la interacción con otros grupos de la universidad.

Fig 4. Equipo construido para IPS Una vez diseñado e instalado el equipo, se procedió a su puesta en marcha, para lo cual se llevaron a cabo una serie de ensayos teniendo en cuenta los parámetros establecidos en las etapas previas. En este sentido, durante las infiltraciones de puesta en marcha, se varío la presión, la temperatura de infiltración y el tamaño del grano de las preformas, con el fin de determinar los

3.3. Subsistema de presión de vacío Este subsistema esta compuesto por la bomba de vacío, un vacuometro y las válvulas reguladoras de presión. Mediante este subsistema se provee la presión necesaria para lograr que el aluminio

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valores óptimos para la lograr la mejor calidad de las esponjas de aluminio.

la esponja metálica a fin de establecer posibles las aplicaciones.

Una de las variables de mayor relevancia a probar durante la puesta en marcha lo constituía la disminución del tamaño de grano de la preforma. Mediante este proceso fue posible bajar de un tamaño de grano de 2 mm utilizado en el proceso de IPS por gravedad hasta alrededor de 400 micras, Ver fig. 5. donde se puede apreciar la diferencia en los resultados obtenidos al realizar la IPS por gravedad vs por vacío; es así como la probeta obtenida por gravedad (M8) presenta un acabado mas rugoso que el mostrado por las muestras obtenidas por vacio, las cuales además poseen una morfología más homogénea gracias al proceso de infiltración más uniforme.

5. CONCLUSIONES El equipo diseñado funcionó eficientemente para el fin que se destinaría, la infiltración con aleación de aluminio de preformas de NaCl para la obtención de esponjas metálicas. Se considera que el diseño es versátil y de fácil manipulación. Además posee elementos que permiten un adecuado control de las variables de proceso más importantes como lo son la presión y la temperatura. El diseño de los filtros, el cálculo del intercambiador y la selección de la bomba se consideran como algunos de los aspectos de diseño que presentaron una mayor dificultad en su concepción. Los resultados obtenidos durante la puesta en marcha del equipo de IPS con vacío fueron satisfactorios, logrando fabricar esponjas de aleación de aluminio con tamaños de poro desde 400 micras, tamaños mucho menores a los trabajados con gravedad, los cuales eran mayores a los 2 mm.

Fig. Probetas obtenidas por gravedad (M8) y por vacío (M10-M16-M20 y M30). Para la realización del proceso con vacío, se estableció que la infiltración de tamaños de grano más finos requiere de mayores valores de de presión. Así mismo, se estableció que la variación de la temperatura no tiene una mayor influencia en el resultado de la infiltración.

AGRADECIMIENTO Los autores desean expresar sus agradecimientos al CIDI por la financiación del proyecto 054A05/07-18 que permitió la realización de este desarrollo.

En cuanto al diseño del equipo se encontró que funcionó satisfactoriamente para el proceso propuesto, arrojando resultados positivos durante los ensayos realizados. Se resalta el diseño del filtro, el cual fue uno de los mayores retos y que finalmente además de funcionar eficientemente; podía ser reutilizado para varios ensayos, soportando altas temperaturas sin deformarse y evitando el paso del aluminio hacia el resto del sistema. En cuanto al sistema de refrigeración desarrollado se encontró que cumplía su función al enfriar el aire hasta la temperatura de uso de la bomba de vacío. Una de las incógnitas a resolver era comprobar que el aluminio serviría como sello superior en el crisol para realizar su hermetizado al realizar el vacío, como evidentemente sucede de manera efectiva.

REFERENCIAS Ashby, M.F., et al. (2000). Metal foams: a design guide, Butterworth-Heinemann, p. 6-23. Oxford, UK, Banhart, J. (2001). Manufacture, characterization and application of cellular metals and metal foams. Progress in Materials Science, 46, 559632. Banhart, J. (2004) Industrialisation of Aluminium Foam Technology. Proceedings of the 9th International Conference on Aluminium Alloys. 764-770. Banhart, J. and Baumeister, J. (1998). Production methods for metallic foams. Mat. Res. Soc. Symp. Proc.. Materials Research Society, 1998. 521: 121-132.

Una vez terminados los ensayos se entregaron las probetas al grupo de investigación para realizarle diferentes tipos de ensayos y la caracterización de

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Brothers, A.H., Scheunemann, R. DeFouw, J.D. and Dunand, D.C. (2005). Processing and structure of open-celled amorphous metal foams. Scripta Materialia. 52: 335–339. Cao Xiao-qing, et al (2006). Effects of cell size on compressive properties of aluminum foam. Trans. Nonferrous Met. SOC. China, 16: 351356. Casolco; S. Torres V.; G. Gómez, A. y López. P. (2005) Influencia del tamaño de grano del NaCl en el procesamiento de espumas de ZnAl-Cu. En Mem. XI Congreso Internacional Anual SOMIM, IV Congreso Bolivariano de Ingeniaría Mecánica. Morelia, México. Chou, K. and Song, M. 2002. A novel method for making open-cell aluminum foams with soft ceramic balls. Scripta Materialia. 46: 379-382. Fernández M. et al., (2007). Fabricación de Metales Celulares Base Aluminio. Scientia et Technica Año XIII, No 36, Universidad Tecnológica de Pereira. ISSN 0122-1701. Gibson, L.J. and Ashby, M.F. (1997), Cellular solids, Cambridge University Press, Cambridge, UK. Hur, B.Y.; Um, Y.S.; Cho, J.S. and Park, B.K. (2003). Porosity control of open-cell Al foams prepared by negative pressure infiltration method. International Conference “Advanced Metallic Materials” 5−7 November, Smolenice, Slovakia. Despois, J.F. et al. (2007). Influence of the infiltration pressure on the structure and properties of replicated aluminium foams. Materials Science and Engineering A, 462: 68– 75.

Eduardo Oviedo S. Estudiante Mecánica. GINUMA.

Profesor Asociado de la Universidad Pontificia Bolivariana. Ph. D. en Ingeniería Industrial, Universidad Politécnica de Madrid. Coordinador Grupo de Investigación sobre Nuevos MaterialesGINUMA. Área de interés investigativo: Caracterización y procesado de materiales compuestos.

Patricia Fernández M. Profesor Asociado de la Universidad Pontificia Bolivariana. Magíster en Ingeniería de Materiales, graduado en la Universidad Pontificia Bolivariana, Estudiante de Doctorado en Ingeniería de Materiales de la Universidad Pontificia Bolivariana. Investigador GINUMA. Área de interés investigativo: Caracterización y procesado de materiales metálicos. Mauricio Daza M. último semestre Investigador del

de Ingenieria semillero del

Javier Cruz R.

SOBRE LOS AUTORES

Estudiante Mecánica. GINUMA.

último semestre Investigador del

de Ingenieria semillero del

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