Dispensación de materiales gruesos

Los materiales gruesos incluyen pasta térmicamente conductora (que se muestra), grasa, sellador, pasta de soldadura, epoxi relleno y juntas moldeadas o moldeadas in situ. Foto cortesía de Graco Inc.

La bomba de desplazamiento positivo TS8100 está diseñada para dispensar materiales que van desde recubrimientos de baja viscosidad hasta grasas, pastas y fundentes de alta viscosidad. Foto cortesía de Techcon Systems

El F4200N.1, un robot de mesa de tres ejes, tiene un área de trabajo de 200 milímetros cuadrados. Foto cortesía de Adhesivos Ellsworth

Las bombas Rhino Ratio aumentan la fluidez del material espeso multiplicando el nivel de presión de aire aplicado sobre el material por una proporción de 48 o 65 a 1. Foto cortesía de Nordson EFD

Las afirmaciones comparativas pueden ser positivas o negativas, subjetivas u objetivas. Pero, en todos los casos, su objetivo principal es ilustrativo. Un ejemplo común es cuando alguien afirma que una persona o un proceso es “tan lento como la melaza” (que, por cierto, tiene una viscosidad de sólo 5.000 a 10.000 centipoises [cps]).

En el mundo del ensamblaje, sin embargo, no sería sorprendente escuchar a los ensambladores y otros trabajadores de la planta decir que alguien o algo es tan lento como la mantequilla de maní (150.000 a 250.000 cps) o la manteca de cerdo (1 millón a 2 millones de cps). La razón es que muchos de los materiales que necesitan dosificar son así de gruesos.

La grasa es uno de esos materiales. Hasta hace poco, un fabricante de repuestos para automóviles luchaba a diario al intentar dispensar una banda de grasa muy espesa de 0,6 milímetros de ancho (2 millones de cps) en una junta tórica de 0,5 pulgadas de diámetro.

La empresa probó una válvula dispensadora de contacto Nordson EFD con una punta de calibre pequeño, pero la cantidad a dispensar era demasiado pequeña y la grasa estaba demasiado seca para transferirla a la pieza. Luego, la empresa probó el sistema de válvula de chorro sin contacto PICO Pμlse de Nordson EFD. Cary Long, especialista en aplicaciones de productos de Nordson EFD, dice que el sistema resultó exitoso debido a la fuerza con la que la válvula de chorro empuja la grasa fuera de la boquilla y hacia la junta tórica.

El fabricante de vidrio aislante (IG) Viracon también comercializa materiales gruesos. Para construir grandes unidades IG (165 pulgadas de alto por 60 pulgadas de ancho) para la Freedom Tower en la ciudad de Nueva York, los trabajadores de Viracon tuvieron que usar un sellador de acristalamiento estructural de dos componentes con una viscosidad de 250 000 a 300 000 cps.

Las especificaciones de diseño requerían que el material se mezclara con precisión en una proporción exacta y luego se dispensara. Desafortunadamente, el sistema dosificador y dosificador más antiguo de Viracon producía material que podía estar fuera de proporción y el sistema no podía alertar a los operadores sobre este problema. Para resolver el problema, la empresa cambió al ExactaBlend AGP (dosificador de acristalamiento avanzado) de Graco Inc. El nuevo sistema se apaga si el material se mezcla fuera de proporción. Más importante aún, aumentó la producción en un 20 por ciento.

El material espeso, ya sea grasa, sellador, pasta de soldadura, epoxi relleno, geles y pastas térmicamente conductores o juntas moldeadas o fundidas in situ, plantea desafíos especiales para los equipos dispensadores. Sabiendo esto, los fabricantes confían en válvulas precisas y bombas y sistemas de suministro potentes para proporcionar depósitos precisos, repetibles y sin goteo en cada aplicación.

La historia de la dosificación de materiales gruesos se remonta a muchas décadas. El fundador de Graco, Russell Gray, desarrolló una pistola de engrase impulsada por presión de aire en 1926, cuando las pistolas manuales de la gasolinera donde trabajaba resultaron poco fiables en las frías temperaturas de Minnesota. En 25 años, Russell y su hermano Leil formaron Gray Co. Inc. y desarrollaron bombas de lubricación para la industria automotriz y militar, así como una bomba directa desde el tambor para fluidos industriales de servicio pesado.

Desde entonces, varios otros proveedores han desarrollado válvulas, bombas, sistemas de suministro y componentes relacionados específicamente para manejar material con una viscosidad de 100.000 a más de 5 millones de cps. Techcon Systems, por ejemplo, comenzó como una empresa de envasado de selladores de silicona RTV para la industria aeroespacial en California a principios de la década de 1960, pero a los pocos años desarrolló equipos para dispensar este material espeso.

"Si el material no se puede verter, se debe presurizar con aire para dispensarlo", explica Pete Linder, gerente de ventas de dispensación avanzada de fluidos en Norteamérica en Graco. “Algunos materiales de menos de 100.000 cps apenas se pueden verter. Pero cualquier material por encima de 750.000 cps se considera grueso”.

Long señala que los materiales fluidos tienden a autonivelarse y la mayoría de los materiales de más de 100 000 cps no tienen esta característica. En cambio, cavitan (forman huecos en todas partes) y requieren una fuerza mecánica para autonivelarse. Sin la fuerza adecuada, la cavitación de materiales gruesos puede causar mucho ruido en el sistema dispensador, disminuir su eficiencia y dañar rápidamente los componentes.

El material espeso se dispensa mediante una jeringa, un cartucho, un balde de 5 galones o un tambor de 55 galones. La jeringa tiene una boquilla o aguja al final y contiene de 3 a 30 cc de material. La jeringa estándar puede dispensar materiales de hasta 150 000 cps con una presión de aire de 100 psi. Puede ser portátil para dispensación manual (tiempo-presión) o usarse como depósito para una válvula montada en un pequeño robot cartesiano XYZ para dispensación automatizada.

La serie Fisnar F4000N.1 de robots de mesa de tres ejes se puede utilizar como parte de un sistema de dosificación que dosifica con precisión selladores espesos. Fabricado por Fluid Research Corp. (una empresa de adhesivos de Ellsworth), hay cuatro modelos disponibles (F4200N.1, F4300N.1, F4400N.1, F4500N.1), con áreas de trabajo de 200, 300, 400 y 500 milímetros cuadrados, respectivamente. . Los robots ofrecen repetibilidad de 0,02 milímetros, resolución de 0,001 milímetros y un puerto USB que permite una fácil transferencia de datos a una PC. Almacenan hasta 100 programas de dosificación (50.000 puntos por programa).

La máquina UniXact de Graco cuenta con una plataforma multifuncional que permite la dosificación precisa de grandes volúmenes y el monitoreo del proceso en tiempo real. Su software de control de movimiento es fácil de programar (en la máquina o fuera de línea) para un movimiento preciso de la válvula a lo largo de los ejes XYZ. La máquina procesa diversos materiales de uno y dos componentes, incluidos los muy viscosos y abrasivos. Las aplicaciones van desde la dosificación de materiales de interfaz térmica (con una consistencia de grasa a pasta espesa) hasta la unión, encapsulado y sellado de piezas utilizadas en electrónica automotriz, dispositivos médicos y otros productos.

Los cartuchos contienen de 2,5 a 32 onzas de material, que se dispensa manualmente apretando un gatillo (similar a una pistola de calafateo) o automáticamente mediante un robot. Al igual que las jeringas, los cartuchos están clasificados para soportar sólo alrededor de 100 psi de presión de aire. A diferencia de las jeringas, a menudo pueden requerir la adición de una válvula.

Brad Smith, especialista en automatización y equipos de dosificación del grupo ESR en Ellsworth, dice que cuanto mayor sea el índice de viscosidad de un material, más probable será que necesite una válvula de cierre y un controlador para accionar la válvula.

Los materiales de un solo componente en cubos y tambores (como la silicona RTV) se bombean a una válvula con una boquilla o aguja adjunta. Para materiales de dos componentes, Smith dice que se requiere un sistema de medición, mezcla y dispensación para proporcionar adecuadamente los materiales a la válvula dispensadora. También señala que el uso de una aguja con un orificio demasiado pequeño en un sistema basado en bomba puede causar una contrapresión excesiva, lo que resulta en material que babea.

Los fabricantes pueden utilizar válvulas de carrete, barrena, aguja o rociador para dispensar materiales gruesos. Las válvulas de carrete son robustas y proporcionan una succión que evita el desperdicio de material debido al babeo o al hilo. Esta válvula cuenta con un tapón cilíndrico (al final de un carrete) que está sellado con un casquillo o junta tórica y accionado por un cilindro neumático. El material presurizado cierra la válvula al final de cada ciclo de dispensación.

Una tecnología de desplazamiento positivo, una válvula de barrena, garantiza precisión y repetibilidad del tamaño del disparo, lo que la convierte en una de las favoritas de los fabricantes de productos electrónicos para dispensar cantidades precisas de pasta de soldadura. Los fabricantes de otras industrias utilizan la válvula para dispensar epoxi y otros tipos de material relleno.

Con la válvula de barrena, el material ingresa a través de un puerto bajo presión y luego es expulsado a través del orificio de dispensación mediante un tornillo de Arquímedes (barrena) accionado por motor. La cantidad de material que se dispensa está determinada por el tornillo, no por el nivel de presión.

"Las válvulas de desplazamiento positivo son útiles cuando la viscosidad de un material cambia debido a las condiciones ambientales", afirma Linder. "Por ejemplo, el centipoise de un material puede ser más alto por la mañana cuando la planta está fría, pero más bajo por la tarde cuando la planta se calienta".

La válvula de aguja xQR41 MicroDot de Nordson EFD dispensa puntos de material tan pequeños como de 100 a 150 micrones de ancho a una velocidad de hasta 400 por minuto, u 80 por segundo con un actuador opcional. Presenta un factor de forma un 60 por ciento más pequeño que las válvulas estándar, un diseño modular intercambiable para una mayor personalización y control del proceso, y un cierre de liberación rápida que permite retirar fácilmente el cuerpo del fluido para reemplazar las piezas húmedas en segundos. El pequeño perfil de la válvula (2,6 pulgadas de largo por 0,93 pulgadas de ancho) permite montar varias válvulas juntas para obtener una mayor producción por lote. Con un peso de solo 5 onzas, la válvula reduce la carga útil de las herramientas para los robots cartesianos, lo que permite un movimiento más rápido del brazo y una mejor estabilidad de posicionamiento.

Los materiales gruesos casi siempre se dispensan en forma de punto o cordón. Rara vez se rocían. Sin embargo, el material antiadherente (como la grasa) que tenga entre 75 000 y 100 000 cps se puede rociar con una válvula de alta resistencia. El tamaño de su punta debe ser cuatro veces mayor que el de las partículas de relleno de la grasa para evitar obstrucciones y proteger los sellos de la válvula. Igualmente importante es que se debe agregar aire altamente presurizado al material para provocar cierta atomización. De lo contrario, el material probablemente salpicará una pieza en lugar de proporcionar una buena capa.

Las bombas de desplazamiento positivo son las más efectivas para mover materiales gruesos. Los tipos comúnmente utilizados incluyen cavidad progresiva, pistón, cubo y relación. Una bomba de cavidad progresiva transfiere material a través de una secuencia de cavidades pequeñas, discretas y de forma fija a medida que se gira su rotor.

La bomba de desplazamiento positivo TS8100 de Techcon dosifica materiales que van desde recubrimientos de baja viscosidad hasta grasas, pastas y fundentes de alta viscosidad. La bomba crea un flujo volumétrico que no cambia la forma o el tamaño del material y ofrece una repetibilidad de ±1 por ciento. Fácil de limpiar, la bomba viene con jeringa y soportes de montaje, un conector Luer Lock y un paquete de selección de puntas dispensadoras.

En una bomba de pistón, el pistón fuerza el material desde el lado de entrada hacia el lado de salida de la bomba. A medida que el pistón se mueve hacia arriba, reduce la presión en el cuerpo de la bomba, lo que hace que la válvula de succión se abra y permita que el material fluya hacia la bomba.

Las bombas de cubo cuentan con un pistón que presuriza y aspira el material hasta la boquilla de descarga. Estas bombas fueron diseñadas originalmente para bombear material manualmente desde baldes de 5 galones, pero hoy incluyen modelos automatizados para baldes, así como modelos grandes para uno o más tambores de 55 galones. Las bombas manejan material con una viscosidad de hasta 1 millón de cps.

Las bombas de relación también son para cubos y tambores. Long dice que este tipo de bomba aumenta la fluidez del material espeso al multiplicar el nivel de presión de aire aplicado sobre el material por una proporción específica. Por ejemplo, si la relación de la bomba es de 2 a 1 y 50 psi de presión de aire ingresan al motor neumático, el material saldrá de la bomba a 100 psi.

La bomba de relación Rhino de Nordson EFD viene en modelos de 5 y 55 galones, ambos disponibles con una relación de 48 o 65 a 1. El desplazamiento volumétrico de la relación inferior es de 8 pulgadas cúbicas por carrera, con una potencia máxima de 4,2 litros por minuto. Para la relación más alta, es de 5,8 pulgadas cúbicas por carrera y una potencia de 2,8 litros por minuto.

Todos los modelos funcionan con la válvula de alta presión 736HPA de la empresa (hasta 2500 psi). Tienen un diseño modular y permiten un cambio rápido del motor neumático para una salida de material uniforme. Las opciones incluyen despresurización automática, un regulador de aire y ruedas.

El bombeo de materiales gruesos presenta dos desafíos importantes para los fabricantes. Uno es evitar que quede aire atrapado en las mangueras durante el cebado. Linder dice que esto se puede lograr usando un sensor de nivel que indique cuando el cubo o tambor está casi vacío y reemplazándolo en ese punto. Otra forma es que el operador purgue cuidadosamente los puertos mientras se instala el nuevo cubo o cubeta. Si se forman burbujas en el material grueso, es probable que salpique al salir de la boquilla, lo que dará como resultado una pieza inutilizable y un desperdicio de material.

El otro desafío es mezclar completamente materiales de dos componentes, donde uno es muy viscoso y el otro menos viscoso. Long recomienda que los fabricantes utilicen un sistema de proporción fija que entregue adecuadamente ambos materiales al dispositivo dosificador. La proporción del sistema se puede configurar de 1 a 1 a 10 a 1.

Para evitar problemas, a menudo es mejor dispensar varios cordones estrechos de material grueso en lugar de uno ancho. Smith recuerda a un cliente que necesitaba cubrir un área de 1 pulgada de ancho en una pieza con un sellador espeso. En lugar de usar una boquilla grande para depositarlo todo de una vez, el fabricante descubrió que era mejor colocar tres cordones de material de 0,25 pulgadas y luego aplanarlos para llenar el área de 1 pulgada de ancho.

Jim es editor senior de ASSEMBLY y tiene más de 30 años de experiencia editorial. Antes de unirse a ASSEMBLY, Camillo fue editor de PM Engineer, Association for Facilities Engineering Journal y Milling Journal. Jim tiene un título en inglés de la Universidad DePaul.