ES2285604T3 - Procedimiento para la fabricacion de estructuras reticulares metalicas. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento para la fabricación de estructuras reticulares metálicas mediante la utilización de una estructura reticular, preferentemente una estructura reticular de espuma, en la que los canales de colada formados por tales estructuras se estabilizan mediante materiales orgánicos antes de introducir el metal. El procedimiento se caracteriza por los siguientes pasos: (a) Compresión térmica, plana o por separado, de la estructura previa, de forma que ésta presente poros de tamaño creciente hacia adentro y, con ello, una estructura graduada en el área de la compresión. (b) Engrosamiento de los nervios de la estructura reticular mediante un revestimiento, aplicado una o varias veces, de un material orgánico o de varios materiales, preferentemente dos materiales orgánicos en este caso. (c) Introducción de la estructura revestida en un recipiente en unión continua y abierto en la parte superior, así como el rellenado de la estructura con una masa incombustible. (d) Realización de perforaciones, acanaladuras o similares, pasantes y/o no pasantes, en la estructura previa rellenada, con una distancia mínima entre sí de al menos dos poros. (e) Retirada del conjunto solidificado de estructura y cerámica del recipiente e introducción del conjunto en una cubeta cuyo fondo está relleno de material incombustible suelto. (f) Retirada de la estructura previa mediante transposición térmica en un horno. (g) Introducción de la cubeta en un recipiente resistente a la presión. (h) Colocación de una terraja de arena para moldes o de cerámica sobre la cubeta y la superficie superior del cuerpo cerámico, de forma que los bordes del cuerpo cerámico queden libres como canal de colada y la terraja constituya un aislamiento de la cubeta, con el fin de evitar una solidificación prematura del metal a introducir. (i) Introducción del metal / cierre del recipiente resistente a la presión. (j) Evacuación del recipiente resistente a la presión, con el fin de desgasear el metal y el espaciador. (k) Aireado del recipiente, extracción de la cubeta y puesta a enfriar.
Description
Procedimiento para la fabricación de estructuras
reticulares metálicas.
La invención corresponde a un procedimiento para
la fabricación de estructuras reticulares metálicas en forma de
espuma de poros abiertos.
Gracias a sus propiedades, las estructuras
reticulares de metal y otros materiales poseen multitud de
aplicaciones. Por ejemplo, estas estructuras pueden utilizarse como
elementos constructivos ligeros, placas de acumuladores, ánodos y
cátodos electroquímicos, filtros y mezcladores para fluidos,
catalizadores, absorbedores de gas y caloportadores, además de
muchas otras aplicaciones.
Se conocen procedimientos para la fabricación de
estructuras reticulares metálicas desde hace ya algún tiempo. Sin
embargo, estos procedimientos no suelen ser suficientes para una
aplicación industrial, debido a la difícil manipulación de los
materiales empleados, la complejidad de los pasos a seguir y el
tiempo que consumen.
Por ejemplo, la patente estadounidense 3.616.841
muestra un procedimiento para la fabricación de un material
espumoso con una estructura reticular predeterminada.
Este procedimiento comprende: la fabricación de
una espuma de poliuretano reticulada autoportante; la fabricación
de una masa incombustible mediante el relleno de los huecos de la
espuma de poliuretano con una suspensión de semiproducto moldeado
acuoso, que fragua; el calentamiento de la masa moldeada
incombustible hasta una temperatura de aproximadamente 120ºC
(250ºF) durante dos horas para su secado; la creación de huecos en
la masa moldeada incombustible mediante su calentamiento hasta entre
650 y 850ºC, el cual hace que se volatilice la totalidad de la
espuma; la adición de una sustancia fundida, compuesta por metales o
aleaciones metálicas, para rellenar los huecos practicados
anteriormente en la estructura reticulada; la solidificación de la
sustancia fundida mediante la reducción de la temperatura hasta un
nivel inferior al punto de fusión de la sustancia; y la eliminación
por lavado del material que compone la masa moldeada
incombustible.
Sin embargo, este procedimiento no parece
especialmente adecuado para una aplicación industrial, especialmente
para la fabricación automatizada de estructuras reticulares
metálicas, por los siguientes motivos: La estructura espumosa
determina los parámetros técnicos del producto final, de forma que
la dispersión estadística debe ser lo más reducida posible, para
garantizar los parámetros técnicos del producto final. Además, para
rellenar los huecos ramificados de la masa moldeada incombustible
con un metal fundido es necesario calentar la masa moldeada hasta
temperaturas que se encuentran por encima del punto de fusión de la
sustancia empleada. Esto hace que la solidificación del metal sea
muy lenta. En consecuencia, se obtiene un metal solidificado con
una estructura de granulación gruesa, lo que a su vez reduce la
solidez de la estructura. Para solucionar este problema, la patente
estadounidense 3.616.841 propone diferentes métodos de
refrigeración, como por ejemplo la aspersión con agua o aire. Sin
embargo, el efecto refrigerador se ve considerablemente reducido, ya
que la masa moldeada obstaculiza el flujo térmico. También la
fabricación de áreas de metal macizo junto con la estructura
reticular presenta el problema de la lentitud de la refrigeración.
Los pasos mencionados hacen muy difícil o imposible una
solidificación controlada del metal que permita obtener una
estructura sin rechupes y de grano fino. Además la lentitud de la
solidificación del metal implica procesos de larga duración, lo
cual también dificulta una producción automatizada.
La patente DE 199 39 155 muestra un
procedimiento para la fabricación de estructuras reticulares
metálicas en el que se introduce una estructura previa de espuma
reticulada en un recipiente con tapa abatible, se infiltra la
estructura espumosa previa con un material incombustible y se
solidifica el material incombustible. A continuación, se extrae el
material incombustible solidificado del recipiente, de retira la
estructura previa de espuma del material incombustible y se
introduce el cuerpo resultante, previamente calentado, en un
recipiente resistente al calor. Este cuerpo se infiltra con un baño
de metal fundido y, una vez solidificado este, se retira el cuerpo
del recipiente resistente al calor. A continuación, se retira el
material incombustible del cuerpo, con el resultado de una
estructura reticular de metal.
Este procedimiento tiene la ventaja, entre
otras, de que, al contrario de lo que ocurre con la patente
estadounidense 3.616.841, no es necesario adherir la estructura
previa de metal con el sistema de colada y el embudo de colada. Con
ello no solamente se reduce considerablemente el consumo de tiempo y
material para la fabricación del molde, sino que además se hace
posible una fabricación automatizada de estructuras reticulares
metálicas.
Aunque el procedimiento mostrado en la patente
DE 199 39 155 simplifica considerablemente la fabricación de
estructuras reticulares metálicas, es evidente que el consumo de
tiempo y material continúa siendo relativamente alto, de forma que,
aunque es posible una fabricación automatizada, la fabricación en
serie de este tipo de estructuras aún implica un coste elevado, en
comparación con la fabricación en serie de productos comparables.
Especialmente la gran cantidad de semiproducto moldeado que se seca
y se cuece, sin que pueda ser reutilizada en el proceso, representa
un coste imposible de compensar. El efecto aislante del semiproducto
moldeado requiere procesos de larga duración. De esta forma, no es
posible una producción bajo condiciones de mercado.
En consecuencia, el objetivo de la invención
consiste en eliminar los inconvenientes de las soluciones actuales.
Se trata especialmente de presentar un procedimiento para la
fabricación de estructuras reticulares metálicas que requiera
cantidades de material reducidas y que permita una producción más
rápida y, por lo tanto, en serie, de este tipo de estructuras.
A este objetivo corresponden las características
de la reivindicación 1ª. Las reivindicaciones 2ª a 11ª definen
configuraciones útiles.
La invención prevé, por una parte, la compresión
térmica, plana o por separado, de la estructura previa, de forma
que ésta presente poros de tamaño creciente hacia adentro y, con
ello, una estructura graduada en el área de la compresión. Por otra
parte, para la fabricación de estructuras reticulares metálicas se
prevé emplear una estructura previa reticulada, preferentemente una
estructura de espuma de PU, del modo en principio ya conocido, pero
cuyos nervios se han engrosado previamente mediante uno o varios
revestimientos con uno o varios materiales orgánicos diferentes.
Sorprendentemente, se ha constatado que lo arriba mencionado, junto
con los demás pasos procedimentales de la invención, facilita el
influjo del material. Al mismo tiempo, es posible así modificar de
forma precisa las propiedades mecánicas de la estructura. En este
sentido, es esencial la mejora sostenible alcanzada en cuanto a la
reproducibilidad de los valores característicos con respecto a la
tecnología actual.
Mediante modificaciones en la fórmula y/o en el
procedimiento, se adapta el grosor de los nervios de la estructura
de espuma de PU a los requisitos correspondientes, determinados por
la aplicación a la que esté destinada la estructura reticular
metálica. La invención prevé el revestimiento de los nervios de la
estructura previa mediante materiales fluidos y/o sólidos, por
ejemplo sumergiendo la estructura previa en cera líquida y
revistiéndola a continuación con polvo de cera (que tiene una
temperatura de fusión diferente) o con un polvo de polímero, como
por ejemplo polvo de poliestireno o de poliamida, que pueden
implicar también una pequeña proporción de adhesivo,
preferentemente un 5% vol. Especialmente la utilización de polvos
impide que la estructura se adhiera y asegura una capa de grosor
homogéneo, ya que, además, no se forman membranas entre los
nervios.
Una vez creada así la estructura previa, esta es
fijada en un semiproducto moldeado para el proceso de fundición.
En este proceso, la estructura previa se encaja
en el bastidor y se rellena con el semiproducto moldeado de forma
que no quede completamente recubierta, sino que quede libre un
margen de entre 2 y 5 mm. Los huecos restantes se rellenan con
arena y se comprimen. El recubrimiento de la estructura previa se
lleva a cabo mediante una barbotina cerámica, y se repite si es
necesario para obtener una capa estable. Si es necesario, puede
mecanizarse previamente la pieza encajada, por ejemplo mediante
fresado y taladrado, para crear botones u otras formas geométricas
de material sólido en la estructura, o mediante perforaciones que
permitan la introducción de clavijas para macho con el fin de
obtener conductos tubulares en la estructura. De acuerdo con la
invención, las perforaciones, acanaladuras y similares, sean
pasantes o no, deben practicarse en la estructura previa fundida
dejando una distancia de al menos dos poros entre ellas. Gracias a
este paso procedimental, se hace posible aumentar la densidad del
material y, en consecuencia, su estabilidad, en función de la
aplicación deseada. Al mismo tiempo, se obtiene una mejora duradera
de la conductividad térmica. Los diámetros de las oquedades se
optimizan de acuerdo con los requisitos en cuanto a la resistencia
del material.
Otro paso procedimental esencial consiste en
retirar térmicamente la estructura previa, por fusión o por cocción.
Para ello, el conjunto de estructura y cerámica se extrae del
bastidor y se introduce en una cubeta cuyo fondo está relleno de un
material incombustible suelto, preferentemente arena de fundición.
Como alternativa, es posible también secar y cocer la pieza
moldeada sin cubeta, mediante infrarrojos o microondas.
La cubeta comprende una terraja de arena para
moldes o de cerámica para los canales de colada. Además, posee un
aislamiento para evitar un enfriamiento prematuro de la pieza
moldeada. La cubeta consta, preferentemente, de arena para moldes
comprimida y un compuesto cerámico. La arena para moldes es
reciclable y, además, la utilización de semiproducto moldeado se
reduce al volumen necesario.
Tras estos pasos procedimentales se llevan a
cabo la fundición y el moldeo. Para ello, la cubeta con la pieza
moldeada se introduce en un recipiente resistente a la presión, se
rellena con metal líquido, se cierra el recipiente y se evacua, con
el fin de desgasear la pieza moldeada y la masa fundida. El
recipiente se airea para embutir la masa fundida en la pieza
moldeada. El crisol se encuentra en el recipiente; la cubeta está
conectada con la masa fundida mediante un tubo.
Una vez realizada la fundición y solidificada la
capa externa de metal, la pieza moldeada se retira de la cubeta. La
solidificación se puede dirigir a través de las piezas metálicas
unidas por fundición.
En principio, la estructura previa puede
fabricarse también mediante el vertido de materiales granulados
minerales o de materiales granulados orgánicos con un revestimiento
mineral. Estas estructuras granulares, preferentemente pellets en
forma de bola, permiten aumentar considerablemente el tamaño de los
poros de la estructura reticular. Mientras que las estructuras de
espuma de PU suelen permitir la obtención de poros de un máximo de 5
ppi, equivalente a un diámetro medio de los poros de entre 8 y 10
mm, el procedimiento citado permite alcanzar tamaños de entre 1 y 3
cm. Para ello, es necesario adherir los pellets entre sí en
superficies amplias, para asegurar que sólo los huecos entre los
pellets son empleados como canal de colada. No está previsto
revestir la estructura previa así creada, y tampoco es necesario,
ya que el revestimiento cerámico deseado ya está presente. Los
demás pasos procedimentales de la invención se mantienen. La
estructura así fabricada constituye un material ligero con
múltiples aplicaciones
posibles.
posibles.
A continuación se presenta la invención en mayor
detalle mediante ejemplos de ejecución. Las figuras muestran lo
siguiente:
Fig. 1: representación esquemática de una parte
de la estructura reticular previa descrita, realizada como
estructura de espuma de PU 1 (estructura previa) con los nervios
2.
Fig. 2: estructura de espuma PU con el
revestimiento 3, compuesta preferentemente de dos capas, una de cera
líquida y una de polímero.
Fig. 3: estructura de espuma PU 1 recubierta con
el semiproducto moldeado 4 (barbotina cerámica), y que, así, puede
ser procesada de la forma descrita.
Fig. 4: planta de la posible forma (circular,
ovalada) de los pellets 7, compuestos de materiales granulados
minerales o de materiales granulados orgánicos con un recubrimiento
mineral, y unidos por vertido o por adhesión. La estructura previa
así creada se diferencia de la estructura de espuma PU 1 por el
tamaño de sus poros, considerablemente mayor.
Fig. 5: semiproducto moldeado/pieza moldeada 5 y
los poros 6, creados por la eliminación térmica de los nervios.
Fig. 6: pieza moldeada 5, introducida en la
cubeta 8.
Fig. 7: cubeta 8, introducida a su vez en el
recipiente resistente a la presión 9.
\global\parskip0.500000\baselineskip
1
\tabulEstructura de espuma de PU (estructura previa)
2
\tabulNervio
3
\tabulRevestimiento
4
\tabulSemiproducto moldeado
5
\tabulSemiproducto moldeado cocido/pieza moldeada cocida
6
\tabulPoro
7
\tabulPellet
8
\tabulCubeta
9
\tabulRecipiente.
\global\parskip0.000000\baselineskip
Claims (11)
1. Procedimiento para la fabricación de
estructuras reticulares metálicas mediante la utilización de una
estructura reticular, preferentemente una estructura reticular de
espuma, en la que los canales de colada formados por tales
estructuras se estabilizan mediante materiales orgánicos antes de
introducir el metal. El procedimiento se caracteriza por los
siguientes pasos:
(a) Compresión térmica, plana o por separado, de
la estructura previa, de forma que ésta presente poros de tamaño
creciente hacia adentro y, con ello, una estructura graduada en el
área de la compresión.
(b) Engrosamiento de los nervios de la
estructura reticular mediante un revestimiento, aplicado una o
varias veces, de un material orgánico o de varios materiales,
preferentemente dos materiales orgánicos en este caso.
(c) Introducción de la estructura revestida en
un recipiente en unión continua y abierto en la parte superior, así
como el rellenado de la estructura con una masa incombustible.
(d) Realización de perforaciones, acanaladuras o
similares, pasantes y/o no pasantes, en la estructura previa
rellenada, con una distancia mínima entre sí de al menos dos
poros.
(e) Retirada del conjunto solidificado de
estructura y cerámica del recipiente e introducción del conjunto en
una cubeta cuyo fondo está relleno de material incombustible
suelto.
(f) Retirada de la estructura previa mediante
transposición térmica en un horno.
(g) Introducción de la cubeta en un recipiente
resistente a la presión.
(h) Colocación de una terraja de arena para
moldes o de cerámica sobre la cubeta y la superficie superior del
cuerpo cerámico, de forma que los bordes del cuerpo cerámico queden
libres como canal de colada y la terraja constituya un aislamiento
de la cubeta, con el fin de evitar una solidificación prematura del
metal a introducir.
(i) Introducción del metal/cierre del recipiente
resistente a la presión.
(j) Evacuación del recipiente resistente a la
presión, con el fin de desgasear el metal y el espaciador.
(k) Aireado del recipiente, extracción de la
cubeta y puesta a enfriar.
2. Procedimiento para la fabricación de
estructuras reticulares metálicas según la reivindicación 1ª, con
la característica de que el material orgánico utilizado para el
revestimiento de los nervios es cera líquida.
3. Procedimiento según la reivindicación 1ª, con
la característica de que el material orgánico utilizado para el
revestimiento de los nervios es un polvo de cera.
4. Procedimiento según la reivindicación 1ª, con
la característica de que el material orgánico utilizado para el
revestimiento de los nervios es polvo de poliestireno.
5. Procedimiento según la reivindicación 1ª, con
la característica de que el material orgánico utilizado para el
revestimiento de los nervios es polvo de poliamida.
6. Procedimiento según las reivindicaciones 1ª,
4ª y 5ª, con la característica de que el poliestireno/la poliamida
implican una pequeña proporción de adhesivo, preferentemente del
5%.
7. Procedimiento según las reivindicaciones 1ª a
6ª, con la característica de que, en caso de la aplicación de
varios revestimientos sobre los nervios de la estructura reticulada,
los diferentes revestimientos se aplican a diferentes temperaturas,
entre los 40 y los 80ºC.
8. Procedimiento según las reivindicaciones 1ª a
7ª, con la característica de que el revestimiento múltiple de los
nervios se lleva a cabo con dos modificaciones de cera, las cuales
tienen diferentes temperaturas de fusión.
9. Procedimiento según las reivindicaciones 1ª a
7ª, con la característica de que el revestimiento múltiple de los
nervios se lleva a cabo con una capa de cera y una de polvo.
10. Procedimiento según la reivindicación 1ª,
con la característica de que el material suelto incombustible
correspondiente al paso procedimental (c) es arena de fundición.
11. Procedimiento según la reivindicación 1ª,
con la característica de que se utilizan como estructura previa
rellenos de materiales granulados minerales o materiales granulados
orgánicos con revestimiento mineral.
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