Contracción del Caucho

Los efectos de la contracción del caucho, del material de construcción del molde y de la temperatura de vulcanizado.

El artefacto va a ser obtenido por moldeo en una cavidad de un molde construido en un determinado tipo de material (por no general es acero), y a una determinada temperatura de vulcanización. Dicho de otro modo: vamos a moldear la pieza en una cavidad que se encuentra dilatada, por efecto de la temperatura a la que se encuentra el molde, y esta dilatación será mayor cuanto mayor sea la temperatura de vulcanización. Esta expansión es, por otro lado, dependiente de las características térmicas del acero (su coeficiente de expansión térmica obviamente varía con el tipo de acero).

Después de la vulcanización se retira el artefacto del molde y se enfría hasta la temperatura del ambiente. En el decurso del enfriamiento ocurre su contracción, que va a llevar a que el artefacto presente su forma final con determinadas dimensiones. Y, en todo ese proceso, puede que exista aun algún anisotropismo de sus propiedades térmicas, sea del caucho sea del acero. Pero, para el cliente o también para el fabricante, las formas y dimensiones finales son las que tienen de estar de acuerdo con los diseños, con las diversas cotas y respectivas tolerancias, así debe pasar también con las diversas propiedades, que tienen que satisfacer los requisitos previamente especificados.

Para que todo esto ocurra, es necesario conocer, con rigor, determinados parámetros, que son:

El constructor del molde tiene de considerar estos parámetros, para que el molde permita obtener artefactos con las dimensiones correctas. Este tema ya se ha discutido con cierto detalle en la página Contracción del Caucho, en Propiedades Térmicas. (link)

Vamos a ver con algunos ejemplos, como la temperatura de vulcanización influencia los valores de la contracción y también el material que constituye el molde.

Consideremos la fabricación, por moldeo, de un artículo de caucho NBR, dureza Shore A 45 ± 2; en este artefacto consideraremos la cota fija de 255 mm. La tolerancia requerida es de clase M2 según ISO 3302-1 (2014). Para esa dimensión, el valor de tolerancia es de ±0,5 %, por lo que será de ±1,275 mm.

Entonces, esta dimensión de artefacto de 255 mm debe estar entre 256,275 y 253,725 mm.

La contracción del caucho, determinada en laboratorio, es de 3,05% a que corresponde un factor de expansión lineal α_Bor = 226 . 10^-6 /°C.

Para que el artefacto se quede, después de la contracción, con el valor central de la tolerancia, o sea, la dimensión de L = 255 mm, a 160°C, la cavidad del molde debe tener la dimensión de 262,78 mm, valor obtenido considerando la dimensión original del artefacto, 255 mm, más su dilatación al pasar de 25°C para 160°C:

L_A160 = L_A25 + L_A25 . α_Bor . (160 – 25);

L_A160 = 255 + 255 . 226 . 10^-6 . (160 – 25);

L_A160 = 262,78 mm.

L_A = cota do artefacto.

 

Para que el artefacto, después de enfriar, presente una contracción de 3.05%, en una vulcanización a 160°C, vimos ya que la correspondiente cota a 255 mm, en el molde a 160°C tendrá de tener la dimensión de 262,78 mm. Vamos a considerar también que el molde es construido en un acero, con un coeficiente de dilatación lineal de α_acero = 12.10^-6. La correspondiente dimensión de la cavidad del molde a 25°C debe ser:

L_M25 = L_M160 – L_M160 . α_acero . (160 – 25);

L_M25 = 262,78 – 262,78 . 12 . 10^-6 . (160 – 25);

L_M25 = 262,35 mm.

L_M = cota del molde (para la dimensión en cuestión).

 

Si el molde se construyó en aluminio, con α_al = 24,7 . 10^-6/°C, entonces la dimensión correspondiente a 262,78 mm, en el molde a 25°C, tendrá el valor:

L_M25 = L_M160 – L_M160 . α_acero . (160 – 25);

L_M25 = 262,78 – 262,78 . 24,7 . 10^-6 . (160 – 25);

L_M25 = 261,90 mm.

 

Por lo tanto: con el molde construido en acero o aluminio, con las dimensiones de la cavidad en cuestión de, respectivamente, 262,35 y 261,90 mm (a 25°C), la correspondiente dimensión del artefacto vulcanizado, después del enfriamiento y contracción, es de 255 mm.

Vamos ahora a ver cuáles son las dimensiones del mismo artefacto vulcanizado en los mismos moldes construidos en acero o en aluminio, pero a una temperatura de 170°C.

En el molde de acero, la dimensión de la cavidad a 170°C va a ser:

L_M170 = L_M25 + L_M25 . α_acero . (170 – 25);

L_M170 = 262,35 + 262,35 . 12 . 10^-6 . (170 – 25);

L_M170 = 263,29 mm.

 

Después del enfriamiento, el valor de esta cota del artefacto va a ser:

L_A25 = L_A170 – L_A170 . α_bor . (170 – 25);

L_A25 = 262,78 – 262,78 . 226 . 10^-6 . (170 – 25);

L_A25 = 254,67 mm;

 

Esta cota sigue dentro de los limites exigidos (tiene que estar entre 256,275 y 253,725 mm).

 

Si el molde se construyó en aluminio, a 170°C la dimensión de la cota considerada tiene el valor:

L_M170 = L_M25 + L_M25 . α_al . (170 – 25);

L_M170 = 262,35 + 262,35 . 24,7 . 10^-6 . (170 – 25);

L_M170 = 262,84 mm.

 

El artefacto después de vulcanizado a 170°C e enfriado, se contrae y se quedará con la siguiente dimensión:

L_A25 = L_A170 – L_A170 . α_bor . (170 – 25);

L_A25 = 262,84 – 262,84 . 226 . 10^-6 . (170 – 25);

L_A25 = 254,23 mm;

 

Esta cota sigue dentro de los limites exigidos (tiene que estar entre 256,275 y 253,725 mm).

 

Finalmente, vamos a ver ahora cuales van a ser las dimensiones del mismo artefacto si es vulcanizado a 180 °C, en los mismos moldes construidos en acero o en aluminio.

En el molde de acero, la dimensión de la cota de la cavidad en análisis, a 180°C va a ser:

L_M180 = L_M25 + L_M25 . α_acero . (180 – 25);

L_M180 = 262,35 + 262,35 . 12 . 10^-6 . (180 – 25);

L_M180 = 262,84 mm.

 

Después del enfriamiento, el valor de esta cota del artefacto va a ser:

L_A25 = L_A180 – L_A180 . α_bor . (180 – 25);

L_A25 = 262,84 – 262,84 . 226 . 10^-6 . (180 – 25);

L_A25 = 253,46 mm.

 

Esta cota NO está dentro de los limites exigidos (debe estar entre 256,275 y 253,725 mm).

 

Si el molde se construyó en aluminio, a 180 °C la dimensión de la cota considerada tiene el valor:

L_M180 = L_M25 + L_M25 . α_al . (180 – 25);

L_M180 = 261,90 + 261,90 . 24,7 . 10^-6 . (180 – 25);

L_M180 = 262,90 mm.

 

Después del enfriamiento, el valor de esta cota del artefacto va a ser:

L_A25 = L_A180 – L_A180 . α_bor . (180 – 25);

L_A25 = 262,90 – 262,90 . 226 . 10^-6 . (180 – 25);

L_A25 = 253,70 mm.

 

Esta cota NO está dentro de los limites exigidos (debe estar entre 256,275 y 253,725 mm).

 

Estos ejemplos sirven para enseñar que, los moldes construidos para operar a determinada temperatura pueden no ser adecuados por operar a temperaturas distintas. En el caso estudiado, la dimensión considerada es relativamente grande y la tolerancia exigida es relativamente poco exigente. Pero, imagine que puede pasar con artefactos de pequeñas dimensiones y tolerancias dimensionales mucha más exigentes (clase M1, por ejemplo).

En la construcción del molde se deben considerar, para mayor precisión:

Así, no van a presentarse sorpresas en el proceso de fabrico.