WO2021019121A1 - Método y dispositivo para tratar en seco superficies metálicas mediante partículas sólidas eléctricamente activas - Google Patents

Método y dispositivo para tratar en seco superficies metálicas mediante partículas sólidas eléctricamente activas Download PDF

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dry
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Marc Soto Hernandez
Marc Sarsanedas Gimpera
Pau Romagosa Calatayud
Miguel Francisco Perez Planas
Edurne Galindo Sesé
Laia Fontelles Batalla
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Drylyte, S.L.
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Definitions

  • the object of the invention is a method for treating or polishing metallic surfaces characterized by the projection of electrically active solid particles on the piece to be polished from an electrode connected to an electrical source.
  • This method allows dry polishing of metal surfaces without having to introduce the surface to be treated in a tank, which allows treating surfaces due to their size, location, etc. previously they could not be treated, such as large elements, immovable elements, etc.
  • This method has advantages and characteristics that represent a notable novelty with respect to the current state of the art.
  • Another object of the invention is the devices used to treat metal surfaces by projecting electrically active solid particles from an electrode of an electrical source to the metal surface to be treated. These devices make it possible to treat metal surfaces at a certain distance without having to introduce the surface into a tank. This allows the surface treatment of large elements, immobile elements, etc. These devices can be designed to treat large elements by robotic arms, for use in booths, for use in line in production lines, for use in portable or autonomous equipment. These devices have advantages and represent a notable advance over the current state of the art that will be detailed below.
  • the field of the present invention is the industrial sector dedicated to the treatment of metal surfaces. Especially in the industrial sector dedicated to the polishing of metal surfaces, with applications in fields such as, for example, aeronautics, construction, automation, medicine, laser sintering, among many other fields of application.
  • polishing systems on the market by projecting abrasive particles onto the surface to be treated. SOR particles propelled with force towards the surface, producing a polishing effect proportional to the impact force. Polishing systems by spraying abrasive particles have a number of drawbacks. Polishing systems by projection of abrasive particles cause a lack of homogeneity in the applied surface since the abrasion is related to the pressure between the surface and the particles. The most exposed parts suffer more abrasive action, which generates a loss of definition of vertices and edges. This limits its application in cases that require precision or maintain sharpness.
  • polishing systems by projection of abrasive particles cause inclusions of the same abrasive particles on the metal surface, reducing the properties of the surface in terms of durability, chemical resistance and traction. Also noteworthy are the risks to respiratory health of these polishing systems by projection of abrasive particles that use abrasive particles, both due to the abrasive particles, as well as the dust and suspended microparticles generated during the process.
  • dry electropolishing systems described in ES2604830 (A1) as a "method for smoothing and polishing metals through the transport of ions by means of free solid bodies".
  • This method is based on introducing and rubbing the part to be treated in a medium composed of solid particles capable of ionic transport while applying an electrical potential between the part and a counter electrode.
  • This dry electropolishing system allows obtaining surfaces with low roughness and specular finishes. Furthermore, this system does not substantially modify the vertices of the edges in the object to be polished. Dry electropolishing systems have several drawbacks, among which are; the fact that it is impractical when it comes to polishing large pieces, such as the wing of an airplane, and the fact that it is not possible to apply it to treat immovable elements, such as construction elements, in between.
  • the method of dry polishing of metal surfaces by means of projection of electrically active particles that is the object of the invention represents a notable advance since it allows to combine the specular finishes of the dry electropolishing system with the advantages of the polishing system by means of projection of abrasive particles. , expanding the field of application of the first and reducing the inconveniences of the second.
  • the method and device for dry polishing metal surfaces by projection of electrically active particles has a series of advantages and identifying characteristics that are detailed below.
  • solid electrically active particles refers herein to particles that can be electrically charged, that can conduct electricity, or both simultaneously characteristic to some extent.
  • particle projection is understood in this text in the broad sense of any method or system by which the particles reach the surface to be treated, regardless of whether the driving force has been gravity, the flow of a fluid, compressed gas , electrostatic forces or centrifugal force among others
  • the term electrical source is understood in this text as any element capable of delivering electrical energy to electrically active solid particles.
  • the electrical source provides electrical energy to the solid particles.
  • the electric current applied by the electric source can be alternating, continuous or pulsed.
  • the electrical source includes a system that allows the applied voltage and intensity to be controlled.
  • a set of electrically active solid particles A set of electrically active solid particles
  • An electrical source with an electrode that transmits electrical charge to electrically active solid particles
  • A means of projection of the electrically active solid particles on the metallic surface to be treated.
  • a nozzle through which electrically active solid particles exit the device The interactions that occur between these minimal elements are as follows.
  • the electrically active particles contact an electrode of the electrical source and the latter transmits electrical charge. From the electrode, the particles move towards the metal surface to be treated, where they contact and transmit part of the electrical energy. This contact generates redox processes on the metal surface producing a polishing effect.
  • Figure 1 shows the design of a prototype as an example.
  • the surface to be treated must be conductive, preferably metallic. This includes surfaces of non-conductive materials, such as plastics that have undergone a metallization process.
  • These same particles when projected onto a metal surface, produce an electrical discharge that performs work on the surface. For example, when projected onto a 316 stainless steel surface they produce a defective current flow and appreciable surface modification.
  • This mechanism is favored by particles with a high dielectric constant and high applied voltages that allow a greater density of stored electrical energy, and a high separation of the particles that prevents them from discharging each other.
  • the mechanism of transmission of electrical charge by electrical conductivity by contact is favored in conditions in which a continuous contact of particles is established from the electrical source to the surface to be treated. In this case, an electric current is established directly through the particles, so this mechanism is favored by particles with high electrical conductivity and high flow compaction. This mechanism produces comparative intensities high current, which allows a faster treatment of the part.
  • the electrical charge transmission mechanism by discharges and arcs involves the transmission of electrical charge from the electrical source to the part through the particles and the interparticle medium. That is, the transmission of electric charge takes place, a! less partially, through ionized gas.
  • an element is added that promotes conductivity between the particles by means of voltaic arcs.
  • These elements can be solid, liquid, ions, etc., as well as the use of electromagnetic radiation.
  • liquid elements that favor conductivity between the particles by means of voltaic arcs those that have the ability to generate microdroplets or aerosols that increase the conductivity of the medium between particles stand out.
  • solid elements that favor conductivity between the particles by means of voltaic arcs that, due to electrical transmission, generate micro- or nano-particles in suspension, such as, for example, derivatives of carbon such as carbon fibers, graphite, or micronized carbon. Due to the passage of electricity, these carbon compounds raise their temperature and generate volatiles or suspended elements that favor electrical transmission.
  • Ions can be generated by ionizing and volatile substances, such as iodine, or by using electromagnetic, ionizing or non-ionizing radiation.
  • These different elements that increase the conductivity of the particle spacing can be used in combination with each other. They can be used in admixture with the electrically active particles, be added elsewhere to condition the medium, or they can be incorporated into the electrically active particles.
  • the particles can retain a certain amount of liquid, in that case the vibrations and frictions of the process generate microdroplets and aerosols between the particles, which modifies the conductivity of the system.
  • the use of electromagnetic radiation can increase the conductivity of the medium.
  • the use of ionizing electromagnetic radiation that is, ultraviolet, X-rays and rays, directly generates ions in the medium that increase the conductivity of the whole particles and gas between them.
  • the use of non-ionizing electromagnetic radiation is also possible to increase conductivity. For example, by using microwave radiation it is possible to generate plasmas from particles that increase the conductivity of the medium.
  • the electrical source provides electrical energy to the solid particles.
  • the electrical current applied by the electrical source can be alternating, continuous or pulsed.
  • the electrical source includes a system that allows the applied voltage and intensity to be controlled.
  • Direct current is the one that produces the fastest effects on the surface, so in particle / surface systems that do not accumulate residues during the process, it is the preferred option. If the system with direct current produces superficial accumulations, it is possible to improve the results by using current that contains polarity reversals. The most affordable way to obtain current with reversals of polarity is to use alternating current. This can be used directly or rectified by diodes or other electroactive elements.
  • a preferred alternative is the use of a pulsed current electrical source that allows control of the applied pulse parameters, such as positive and negative voltages, duration of positive and negative pulses, duration of pauses, etc.
  • the electrical parameters applied by the electrical source determine the effects of the particles on the surface.
  • the applied potential difference to produce polishing effects is in a wide range from 1 V to 50 kV and is an aspect that determines the electrical transmission mechanism.
  • the current applied to the electrode can be direct, alternating or pulsed.
  • a 30 kV direct current source with a pulsed and non-compact projection of particles by gravity, at a 18 cm distance between electrode and surface to be treated produces polishing effects on the metal surface.
  • a source of direct current at 30 V with a compact and continuous projection of particles by gravity, at a distance of 2 cm between electrode and surface to be treated produces polishing effects on the metallic surface.
  • a source of alternating current of 50 Hz at 2 kV, with a pulsed and non-compact projection of particles by gravity and driven by air at 5 bar, at a distance of 18 cm between electrode and surface to be treated produces arcs Visible electrical and polishing effects on the metal surface. It is possible to qualitatively attribute to each of these examples a higher relative proportion of each of the previously explained electric charge transmission mechanisms.
  • the electrode is a conductive element electrically connected to the electrical source with which the particles contact before they are projected onto the surface to be treated.
  • the shape of the output electrode depends on the application or surface to be treated. In general, the aim is to maximize the contact area of the particles with the electrode in the moments prior to projection.
  • a tube through which the particles circulate is connected to a metallic exit electrode, for example made of copper, in the shape of a narrowing cylinder.
  • the exit electrode can be a "curtain" system for applying the particles, that is, a linear exit slot.
  • the electrode consists of the nozzle.
  • Solid electrically active particles can transmit electrical charge from the electrical source to the metal surface to be treated.
  • Solid particles can preferably retain liquid. This retained liquid can partially dissolve the oxides and salts formed due to the passage of electric current, which improves the cleaning of the surface.
  • the electrically active solid particles They are made of a polymer gel, as it offers a compromise between physical integrity and the ability to retain liquid in its structure.
  • the electrically active particles are sulfonated polystyrene-divinylbenzene gel because they favor the process due to their reversible ability to retain dissolved metal ions.
  • the liquid retained in the electrically active particles is an acidic aqueous solution since most metal oxides, hydroxides and salts are more soluble in an acid medium.
  • the acidic aqueous solution includes one or more strong acids (pKa ⁇ 2) due to their greater dissociation, increasing electrical transmission while improving the solubility of metal oxides, hydroxides and salts, or resulting in greater surface cleaning! .
  • the electric charge transmission process can generate a redox reaction on the metal surface, which can lead to the formation of metal oxides on the surface. Controlled removal of the oxides formed is crucial for a good surface finish. These surface oxides can be removed, for example, by abrasive action or by dissolving action.
  • the removal of metal oxides on the surface by an abrasive action can occur by the action of the same electrically active particles that act as abrasive particles. Oxides can also be removed by the action of non-electrically active abrasive particles.
  • the action of the abrasive particles can be carried out simultaneously (abrasive particles and non-abrasive particles are projected at the same time) or consecutively to the action of the electrically active particles.
  • the removal of surface oxides can be carried out by dissolving action.
  • the dissolving action can be carried out by a free liquid or by liquid retained in the particles.
  • the dissolving action is carried out by liquid retained in the electrically active particles to produce the dissolution of the oxides in the same stage as their formation.
  • the projection of particles on the metal surface requires an impulse force.
  • this impulse is the force of gravity.
  • this impulse is delivered by a controllable element.
  • This controllable element is preferably the impulse of a compressed gas.
  • a pressurized gas allows to control the speed and the particle-surface contact pressure, as well as to have control over the flow and compaction of the particles.
  • the particles are projected onto the metal surface by the impulse of a turbine that propels the particles by centrifugal force.
  • the particles are projected onto the metal surface in a discontinuous manner by the impulse of a connecting rod-crank system. This allows a projection of the particles in a discontinuous manner with a highly configurable system in terms of speed and volume of each projection.
  • the particles are projected onto the metal surface continuously by the impulse of an endless screw system. This allows creating a continuous and compact flow of particles, favoring the electrical transmission mechanism by contact.
  • Particle outlet flow through the nozzle can be controlled by valves and timers to be continuous or pulsed.
  • the shape of the projection of the particles on the surface can be adapted to the needs of the part to be treated. For example, if you want to process a flat surface within a manufacturing chain, you can use a nozzle that allows the projection of particles in the form of a curtain on the surface that allows you to cover the entire width of the surface of the moving part. under the curtain.
  • the projection can be carried out using a nozzle in the form of an application hose through which the propelled particles would exit.
  • application hoses can be configured for example in terms of direction or size of the outlet hole.
  • These hoses can be moved in an automated way, for example inside a projection booth, or they can be used manually against the surface to be treated.
  • these hoses can incorporate in their final section an air dissipative element at the point of delivery of the particles to compact the particles and maintain a high conductivity.
  • Particle outlet flow through the nozzle can be controlled by valves and timers to be continuous or pulsed.
  • the shape of the projection of the particles on the surface can be adapted to the needs of the piece to be polished. For example, if you want to process a flat surface within a manufacturing chain, you can use a nozzle that allows the projection of particles in the form of a curtain on the surface that allows you to cover the entire width of the surface of the moving part. under the curtain.
  • the projection can be carried out using a nozzle in the form of an application hose through which the propelled particles would exit.
  • application hoses they can be configurable for example in terms of direction or size of the exit hole.
  • These hoses can be moved in an automated way, for example inside a spray booth, or they can be used manually against the surface to be polished.
  • these hoses can incorporate in their final section an air dissipative element at the point of delivery of the particles to compact the particles and maintain a high conductivity.
  • the surface to be treated can be insulated, be connected to an earth connection or to the electrical source.
  • the surface to be treated is connected to an electrode of the electrical source. In this way, a greater control is obtained! of the power difference! applied and it is possible to measure the passing current between the exit electrode of the particles and the surface to be treated.
  • the surface to be treated must be conductive.
  • the surface to be treated is metallic. This includes pieces of plastic materials with a surface that has been metallized.
  • Metals and alloys that can be treated include, but are not limited to, all types of irons and steels, chromium-cobalt alloys, nickel and nickel alloys, such as nitinol, zinc and zinc alloys, such as Zamak, aluminum and alloys, titanium and alloys, copper and alloys, tungsten carbide, etc.
  • the versatility of this system makes it possible to treat large flat surfaces, large pieces, surfaces that are immovable, such as construction structures, etc.
  • the electrical parameters applied by the electrical source determine the effects of the particles on the surface.
  • the applied potential difference to produce polishing effects is in a wide range from 1 V to 50 kV and is an aspect that determines the electrical transmission mechanism.
  • the current applied to the electrode can be direct, alternating or pressed.
  • a source of direct current at 30 kV, with a pulsed and non-compact projection of particles by gravity, at a distance of 18 cm between electrode and surface to be treated produces polishing effects on the metal surface.
  • a Direct current source at 30 V with a compact and continuous projection of particles by gravity, at a distance of 2 cm between electrode and surface to be treated, produces polishing effects on the metallic surface.
  • a source of alternating current of 50 Hz at 2 kV, with a pulsed and non-compact projection of particles by gravity and driven by air at 5 bar, at a distance of 18 cm between electrode and surface to be treated produces arcs Visible electrical and polishing effects on the metal surface. It is possible to qualitatively attribute to each of these examples a higher relative proportion of each of the previously explained electric charge transmission mechanisms.
  • Solid electrically active particles can transmit electrical charge from the electrical source to the metal surface to be treated.
  • Solid particles can preferably retain liquid. This retained liquid can partially dissolve the oxides and salts formed due to the passage of electric current, which improves the cleaning of the surface.
  • the electrically active solid particles are made of a polymer gel, since it offers a compromise between physical integrity and the ability to retain liquid in its structure.
  • the electrically active particles are sulfonated polystyrene-divinylbenzene gel because they favor the process due to their reversible ability to retain dissolved metal ions.
  • the liquid retained in the electrically active particles is an acidic aqueous solution since most metal oxides, hydroxides and salts are more soluble in an acid medium.
  • the acidic aqueous solution includes one or more strong acids (pK a ⁇ 2) due to their greater dissociation increase transmission while improving the solubility of metal oxides, hydroxides and salts, resulting in a better surface cleaning.
  • a pre-deposit for particle delivery is A pre-deposit for particle delivery.
  • a collector for collecting the particles can be the same element.
  • the device comprises a deposit for the delivery of solid particles prior to electrical contact and projection.
  • This deposit ensures the constant delivery of particles to the system and avoids downtime.
  • the device comprises a collector for collecting solid particles once they have impacted against the surface to be treated.
  • This collector is designed for each specific embodiment and can adopt various conformations, as can be seen in the examples. This element prevents the dispersion of particles everywhere and at the same time allows the recirculation of particles.
  • the delivery tank and the collection manifold are the same element. This allows to simplify the design of the device and avoid redundancy of elements, which results in lower costs while maintaining the same functionality.
  • the delivery tank and the collection manifold are not the same element, there may be a particle recirculation system between the collection manifold and the solid particle delivery tank. This system allows the reuse of particles automatically, thus avoiding the necessary human effort and improving the degree of automation.
  • the device preferably comprises a vibrator or vibrators that vibrate the particles to facilitate their movement.
  • Said vibrator can preferably be located in the delivery tank and / or in the collection manifold.
  • the movement of a granular material such as the particles used in this process can form arcing blockages.
  • the use of vibrators in the tanks and circulation tubes notably reduces the formation of arches, which avoids blockages at the circulation points.
  • This novel technology is conceived with a great variety of possible end applications. By way of example and without limitation purposes, some of the possible applications are presented.
  • One application is in individual polishing units to treat large structural parts, such as an airplane wing, to improve aerodynamics.
  • a final application is its use in continuous in-line processes to treat metal surfaces after production or as a step prior to other treatments.
  • Figure 1 Exemplary design of the device that executes the polishing method object of the invention.
  • Figure 2A Diagrams of the mechanism of electricity transmission between the electrical source and the metal surface by means of the net charge of the particles.
  • Figure 2B Diagrams of the mechanism of electricity transmission between the electrical source and the metallic surface by means of electrical conductivity by contact.
  • Figure 3C Diagrams of the mechanism of electricity transmission between the electrical source and the metal surface through electrical conductivity through arcs.
  • FIG. 1 Schematic of a device for in-line surface treatment
  • Embodiment 1
  • the device consists of a delivery tank (7) of particles (9) whose outlet is connected to a copper tube that acts as an electrode (3), in turn connected to an electrical source (2).
  • the particles (9) fall continuously by gravity to the surface to be treated (1), which is connected to the electrical source (2) through the counter-electrode.
  • the particles (9) fall, after contact with the piece, to a collection collector (6) for their subsequent recirculation through a recirculation system (5).
  • Both the particle delivery tank (7) and the collection collector (6) have a vibrator (8).
  • a schematic representation is found in Figure 1.
  • the particles (9) used are polystyrene-divinylbenzene sulfonated macroporous gel particles charged with an electrolyte solution containing sulfuric acid a! 4 %.
  • This prototype has been tested with different types of electrical current: continuous from 1 to
  • polishing method has been tested for the treatment of a 316 steel surface with different types of electric current: continuous up to 35 kV, alternating at 50 Hz up to 15 kV.
  • the direct current results show a linear behavior of the intensity with respect to the potential difference. It is observed that after a treatment of 5 effective minutes at 30 kV there is a reduction of R a from 0.37 to 0.34 mm in the area most exposed to the flow of particles.
  • the device includes an electrical source (3), a "curtain" system for applying the particles (9), a conveyor system for the plate to be treated and a recirculation system (5) that collects the particles and deposits them in the delivery tank (7)
  • the metal plate to be treated is on a conveyor belt provided with vibration and connected to the electrical source.
  • a curtain-type particle projector (9).
  • the linear applicator produces a linear projection of particles (9) on the surface to be treated (1) that covers the entire width of the plate to be treated.
  • the plate moves through the particle curtain at a suitable speed that provides the treatment time to obtain the desired finishes.
  • the curtain type particle projector includes a vibrator (8) to facilitate the flow of the particles.
  • a metallic element connected to the negative pole of the power supply that acts as an electrode (3).
  • the particles contact this electrode (3) before reaching the surface to be treated (1).
  • a recirculation system (5) is applied that sucks the particles after having contacted the surface and deposits them in the delivery tank (7).
  • It consists of a portable device for surface treatment (1).
  • FIG. 4 A schematic representation is found in Figure 4. This device facilitates its joint transport, such as, for example, with wheels.
  • the device includes a compressor and a compressed air tank, an electrical source (2), a particle delivery tank (7) and a recirculation system (5).
  • the device can be connected to a power socket, alternatively it can include a sufficient electrical accumulator to provide the energy.
  • the delivery tank (7) particles (9) in its The lower part has an outlet towards the particle delivery hose, the tank can be provided with a vibrator (8) to facilitate the flow of particles (9).
  • the particles (9) are propelled through the application hose by compressed air bar coming from the compressor.
  • the pressure required depends on the length and placement of the application hose, a pressure between 3 and 10 bar provides good results.
  • the application hose ends in a diffuser that allows part of the air to escape, forcing the particles to compact (9).
  • the exit of the particles occurs through, or in contact with, an electrode (3), which can be an element of, for example, copper, 316 stainless steel or iridium titanium, connected to the electrical source (2) , preferably to the positive pole, preferably with an ammeter to monitor the intensity.
  • the application electrode (3) is located at a distance of between 0.5 and 10 cm from the surface, in such a way that between the electrode and the surface there is a flow of particles to produce a current flow.
  • the final part of the particle outlet is included in a collection collector (6) that is very close to or in contact with the surface to be treated (1).
  • This particle collection collector (6) is connected to a recirculation system (5) comprising a second hose provided with a suction, which collects the particles from the collection collector (6) after contacting the surface and directs them from back to the delivery tank (7) particles.
  • the surface to be treated (1) is connected to the electrical source (1) by, for example, an electrical clamp, preferably to the positive pole.
  • the system may include the use of a robotic arm.
  • the design of the system is thought to occupy a compact volume and contains elements, such as wheels or sliding elements, that make it transportable.
  • the applied current depends on the composition of the surface to be treated and the particles (9) used.
  • the particles (9) used For example, to treat a surface of 316 steel good results are obtained using sulfonated polystyrene-divinylbenzene particles containing 4% sulfuric acid with a direct current of 12 V
  • the device includes an electrical source (2), one or more electrically active particle outputs (9) with electrodes (3), a system for anchoring the pieces to be polished, a cabinet (4) closed for treatment and a recirculation system (5) that sucks the particles from the collection collector (6), which in this example also acts as a delivery tank (7), towards the particle outlets.
  • the metal pieces to be polished are placed on racks inside the cabin by means of suitable anchors, so that they are connected to the electrical source (2).
  • the cabin (4) is provided with several particle outlets connected in its final section to electrodes (3).
  • the projection of the particles (9) is produced by using compressed air, preferably in a range of 2 to 10 Bar, preferably between 4 and 6 bar.
  • the bottom of the cabin (4) which acts as a collection collector (6) while also acts as a delivery tank (7), has an inclination and the particles (9) are collected by a recirculation system (5) that transports them to the particle outlets.
  • the electrical current applied depends on several factors such as the type of material, the total area to be processed, the distance between the point of particle exit and the surface. For example, to polish 316 steel at a distance of 4 cm a total area of 25 cm 2 .

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Abstract

Método y dispositivo para tratar en seco superficies (1) metálicas mediante partículas (9) sólidas eléctricamente activas que comprende una etapa de contacto de las partículas (9) con el electrodo (3) de una fuente eléctrica (2), una etapa de proyección de las partículas (9) hacia la superficie metálica a tratar, y una etapa de trasmisión de carga eléctrica de las partículas a la superficie metálica a tratar. La transmisión de la electricidad entre la fuente eléctrica (2) y ¡a superficie (1) metálica durante la etapa de proyección preferentemente es por carga neta de las partículas (9), o por conductividad eléctrica por contacto o por conductividad eléctrica mediante arcos voltaicos. La corriente aplicada al electrodo es preferentemente una corriente continua o una corriente que contiene tramos positivos y tramos negativos. Preferentemente en el medio entre las partículas (9) existe un elemento conductor que incrementa la conductividad entre las partículas mediante arcos voltaicos. Preferentemente, el método comprende una etapa de uso de partículas abrasivas de manera simultánea o consecutiva a las partículas eléctricamente activas.

Description

MEMORIA DESCRIPTIVA
MÉTODO Y DISPOSITIVO PARA TRATAR EN SECO SUPERFICIES METÁLICAS MEDIANTE PARTÍCULAS SÓLIDAS ELÉCTRICAMENTE ACTIVAS
OBJETO DE LA INVENCIÓN
El objeto de la invención es un método para tratar o pulir superficies metálicas caracterizado por la proyección de partículas sólidas eléctricamente activas sobre la pieza a pulir desde un electrodo conectado a una fuente eléctrica. Este método permite realizar pulidos en seco de superficies metálicas sin tener que introducir la superficie a tratar en una cuba, lo cual permite tratar superficies que por sus características de tamaño, ubicación, etc. anteriormente no podían ser tratadas, como grandes elementos, elementos inamovibles, etc. Este método tiene ventajas y características que suponen una notable novedad respecto al estado de la técnica actual.
También es objeto de la invención, los dispositivos usados para tratar superficies metálicas mediante la proyección de partículas sólidas eléctricamente activas desde un electrodo de una fuente eléctrica hasta la superficie metálica a tratar. Estos dispositivos permiten tratar superficies metálicas a una cierta distancia sin tener que introducir la superficie dentro de una cuba. Esto permite el tratamiento de superficies de grandes elementos, de elementos inmóviles, etc. Estos dispositivos se pueden diseñar para tratar grandes elementos mediante brazos robotizados, para su uso en cabinas, para su uso en línea en cadenas de producción, para su uso en equipos portátiles o autónomos. Estos dispositivos tienen ventajas y suponen un notable avance sobre el estado actual de la técnica que se van a detallar a continuación.
CAMPO DE APLICACIÓN DE LA INVENCIÓN El campo de la presente invención es el sector industrial dedicado al tratamiento de superficies metálicas. Especialmente ei sector industrial dedicado ai pulido de superficies metálicas, con aplicaciones en campos corno, por ejemplo, la aeronáutica, la construcción, la automación, la medicina, el sinterizado laser, entre muchos otros campos de aplicación.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Actualmente se encuentran en el mercado sistemas de pulido mediante la proyección de partículas abrasivas sobre la superficie a tratar. Las partículas SOR impulsadas con fuerza hacia la superficie, produciendo un efecto de pulido proporcional a la fuerza de impacto. Los sistemas de pulido mediante la proyección de partículas abrasivas presentan una serie de inconvenientes. Los sistemas de pulido mediante proyección de partículas abrasivas provocan una falta de homogeneidad en la superficie aplicada ya que la abrasión está relacionada con la presión entre ia superficie y las partículas. Las partes más expuestas sufren más acción abrasiva, lo que genera una pérdida de definición de vértices y bordes. Esto limita su aplicación en casos que requieren precisión o mantener el filo. Así mismo, los sistemas de pulido mediante proyección de partículas abrasivas provocan inclusiones de las mismas partículas abrasivas en la superficie metálica, reduciendo las propiedades de la superficie en cuanto a durabilidad, resistencia química y a la tracción. También son destacables los riesgos para la salud respiratoria de estos sistemas de pulido mediante proyección de partículas abrasivas que usan partículas abrasivas, tanto por las partículas abrasivas, como por el polvo y micropartículas en suspensión generadas durante el proceso. Por otro lado, existen los sistemas de electropulido en seco descritos en ES2604830(A1) como un“método para alisar y pulir metales a través del transporte de iones por medio de cuerpos sólidos libres”. Este método se basa en introducir y friccionar la pieza a tratar en un medio compuesto por partículas sólidas capaces de realizar transporte iónico mientras se aplica un potencial eléctrico entre la pieza y un contraelectrodo. Este sistema de electropulido en seco permite obtener superficies con una baja rugosidad y acabados especulares. Además, este sistema no modifica substancialmente los vértices m aristas en el objeto a pulir. Los sistemas de electropulido en seco presentan varios inconvenientes entre ios que destacan; el hecho de que es impracticable cuando se trata de pulir piezas de gran tamaño, como el ala de un avión, y el hecho de que no es posible aplicarlo para tratar elementos inamovibles, como por ejemplo elementos de construcción, entre oíros.
El método de pulido en seco de superficies metálicas mediante de proyección de partículas eléctricamente activas objeto de la invención supone un notable avance ya que permite aunar ¡os acabados especulares del sistema de electropulido en seco con las ventajas del sistema de pulido mediante proyección de partículas abrasivas, ampliando el campo de aplicación del primero y reduciendo los inconvenientes del segundo. Sin embargo, para llegar a ese objetivo es necesario superar de manera no obvia varios obstáculos presentes como la naturaleza de las partículas sólidas a usar, su compactación o el tipo de corriente eléctrica.
EXPLICACIÓN DE LA INVENCIÓN
El método y dispositivo de pulido en seco de superficies metálicas mediante proyección de partículas eléctricamente activas posee una serie de ventajas y características identificadoras que se detallan a continuación.
El término partículas sólidas eléctricamente activas se refiere en este texto a partículas que pueden ser cargadas eléctricamente, que pueden conducir electricidad o ambas simultáneamente características en cierta medida. El término proyección de partículas se entiende en este texto en ei sentido amplío de cualquier método o sistema por el cual las partículas alcanzan la superficie a tratar, independientemente de si la fuerza de impulso ha sido la gravedad, el flujo de un fluido, gas comprimido, fuerzas electroestáticas o la fuerza centrífuga entre otros
El término fuente eléctrica se entiende en este texto cualquier elemento capaz de entregar energía eléctrica a las partículas sólidas eléctricamente activas. La fuente eíéctrica proporciona energía eléctrica a las partículas sólidas. La corriente eléctrica aplicada por ia fuente eléctrica puede ser alterna, continua o pulsada. Preferentemente, la fuente eléctrica incluye un sistema que permite controlar el voltaje e intensidad aplicados.
Las etapas esenciales que definen el método y el dispositivo objeto de la invención son:
- Contacto de un electrodo de la fuente eléctrica con las partículas sólidas eléctricamente activas.
Proyección de las partículas sólidas eléctricamente activas del dispositivo a la superficie metálica
- Contacto de las partículas sólidas eléctricamente activas con la superficie metálica
Los elementos mínimos que definen el dispositivo objeto de la invención son:
Un conjunto de partículas sólidas eléctricamente activas
Una fuente eléctrica con un electrodo que transmite carga eléctrica a las partículas sólidas eléctricamente activas
- Unos medios de proyección de las partículas sólidas eléctricamente activas sobre la superficie metálica a tratar.
Una boquilla a través de la cual las partículas sólidas eléctricamente activas salen del dispositivo. Las interacciones que se da entre estos elementos mínimos son las siguientes. Las partículas eléctricamente activas contactan con un electrodo de la fuente eléctrica y éste tes transmite carga eléctrica. Desde el electrodo, las partículas se desplazan hacia la superficie metálica a tratar, donde contactan y transmiten parte de la energía eléctrica. Este contacto genera procesos redox en la superficie metálica produciendo un efecto de pulido. En la Figura 1 se muestra el diseño de un prototipo como ejemplo.
Debido a la naturaleza eléctrica del proceso, la superficie a tratar debe ser conductora, preferentemente metálica. Esto incluye superficies de materiales no conductores, como plásticos que han sufrido un proceso de metalizado.
La transmisión de la carga eléctrica desde un electrodo a la superficie a tratar mediante un flujo de partículas no está descrita en la literatura según nuestros conocimientos hasta la fecha. Se han conceptualizado tres posibles mecanismos de transmisión de carga eléctrica produciéndose éstos y una variedad de situaciones intermedias o derivadas de éstos simultáneamente:
1) por carga neta de las partículas,
2) por conductividad eléctrica por contacto, y
3) por conductividad eléctrica mediante arcos voltaicos o gas ionizado.
Una representación esquemática de estos mecanismos se puede ver en la Figura 2. Dependiendo de parámetros controlables del sistema se puede fomentar un mecanismo sobre los otros. Principalmente, estos parámetros son eléctricos, el tipo de partículas, el tipo proyección y el medio circundante. El mecanismo de transmisión de carga eléctrica por partículas con carga neta se favorece en condiciones de baja cornpactación. En el caso ideal las partículas están aisladas unas de otras, es decir, sin contacto directo entre ellas. La densidad de energía que las partículas pueden transportar,
U, se puede calcular a partir de la constante dieléctrica de las partículas er y el campo eléctrico aplicado E.
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Por ejemplo, experimentalmente se ha probado que unas partículas de gel macroporoso de poliestireno-divinilbenzeno sulfonado conteniendo ácido sulfúrico al 4 %, de diámetro 600 mm presentan una er = 1 .1. 108 (medido a 100 Hz) lo que para un campo eléctrico aplicado de 30 kV implica una densidad de energía almacenada de 437 kJ m-1. Estas mismas partículas al ser proyectadas sobre una superficie metálica producen una descarga eléctrica que realiza un trabajo sobre la superficie. Por ejemplo, al ser proyectadas sobre una superficie de acero inoxidable 316 producen un paso de corriente defectable y una modificación de la superficie apreciable.
Este mecanismo se ve favorecido por partículas con una constante dieléctrica alta y voltajes aplicados elevados que permitan una mayor densidad de energía eléctrica almacenada, y una separación de las partículas alta que evite que se descarguen entre ellas.
El mecanismo de transmisión de carga eléctrica por conductividad eléctrica por contacto se favorece en condiciones en las que se establece un contacto continuo de partículas desde la fuente eléctrica a la superficie a tratar. En este caso se establece una corriente eléctrica directamente a través de las partículas, por eso este mecanismo se ve favorecido por partículas con una conductividad eléctrica elevada y alta cornpactación del flujo. Este mecanismo produce comparativamente unas intensidades de corriente elevadas, lo que permite un tratamiento de la pieza a mayor velocidad.
El mecanismo de transmisión de carga eléctrica por descargas y arcos voltaicos implica la transmisión de carga eléctrica de la fuente eléctrica a la pieza a través de las partículas y dei medio entre partículas. Es decir, la transmisión de carga eléctrica tiene lugar, a! menos parcialmente, a través de gas ionizado. Existe un abanico de posibilidades que incluyen descargas tipo avalancha y descargas tipo corona.
Aunque estas descargas se pueden producir electrodo-partícula y partícula-superficie principalmente se producen entre partículas. Esto implica que el medio entre partículas y la distancia entre partículas son parámetro de gran influencia para desencadenar este mecanismo.
Para cada tipo y tamaño de partícula hay un rango de distancias entre partículas en las que este mecanismo se desencadena. Aumentar la conductividad del espacio entre partículas aumenta el rango de distancias funcional y permite un mayor margen de maniobra. En una realización preferente se añade un elemento que favorece la conductividad entre las partículas mediante arcos voltaicos. Estos elementos pueden ser, sólidos, líquidos, iones, etc., así como el uso de radiación electromagnética.
En el caso de los elementos líquidos que favorecen la conductividad entre las partículas mediante arcos voltaicos, destacan aquellos que tengan la capacidad de generar microgotas o aerosoles aumentan la conductividad del medio entre partículas. También existen, elementos sólidos que favorecen la conductividad entre las partículas mediante arcos voltaicos que debido a la transmisión eléctrica generen micro- o nano-partículas en suspensión, como, por ejemplo, derivados del carbono tipo fibras de carbono, grafito, o carbono micronizado. Debido al paso de la electricidad estos compuestos de carbono elevan su temperatura y generan volátiles o elementos en suspensión que favorecen la transmisión eléctrica. También es posible la adición de elementos que favorecen la conductividad entre las partículas medíante arcos voltaicos con capacidad de retener líquido electrolítico, como por ejemplo materiales tipo gel, con alguna dimensión notablemente mayor ai diámetro medio de las partículas, como por ejemplo barras o cilindros, para hacer de puentes eléctricos.
La generación de iones en el espacio entre partículas aumenta considerablemente la conductividad entre fas partículas mediante arcos voltaicos. Es posible generar iones mediante sustancias ionizables y volátiles, como por ejemplo el iodo, o mediante el uso de radiación electromagnética, ionizante o no ionizante. Estos diferentes elementos que aumentan la conductividad del espació entre partículas pueden usarse en combinación entre ellos. Se pueden usar mezclados con las partículas eléctricamente activas, ser añadidas en otro punto para condicionar el medio, o pueden ser incorporadas en las partículas eléctricamente activas. Preferentemente, las partículas pueden retener una cierta cantidad de líquido, en ese caso las vibraciones y fricciones del proceso generan microgotas y aerosoles entre las partículas, lo que modifica la conductividad del sistema. También es posible el uso de ultrasonidos para generar microgotas, o de sistemas nebulizadores. El uso de radiación electromagnética puede aumentar la conductividad el medio. El uso de radiación electromagnética ionizante, es decir ultravioleta, rayos X y rayos y, genera directamente iones en el medio que aumentan la conductividad del conjunto partículas y gas entre ellas. También es posible el uso de radiación electromagnética no ionizante para aumentar la conductividad. Por ejemplo, mediante el uso de radiación microondas es posible generar plasmas desde partículas que aumenten la conductividad del medio.
Las descargas eléctricas se producen más fácilmente con corriente alterna que con corriente continua. Per ejemplo, experimentalmente se aprecian arcos voltaicos visibles usando con corriente continua a partir de 25 kV. En idénticas condiciones usando corriente alterna a 50 Hz se observan arcos voltaicos a un voltaje un orden de magnitud inferior, de 2 kV.
Para mantener un flujo de corriente estable con unos arcos tipo corona, se puede aumentar la frecuencia de la corriente alterna, incluso varios órdenes de magnitud, trabajar con voltajes del orden de kilovoltos, así como reducir la presión del medio.
La fuente eléctrica proporciona energía eléctrica a las partículas sólidas. La corriente eléctrica aplicada por la fuente eléctrica puede ser alterna, continua o pulsada. Preferentemente, la fuente eléctrica incluye un sistema que permite controlar el voltaje e intensidad aplicados. La corriente continua es la que produce unos efectos sobre la superficie más rápidos, por eso en sistemas de partículas/superficie que no acumulan residuos durante el proceso, es la opción preferente. Si el sistema con corriente continua produce acumulaciones superficiales, es posible mejorar los resultados usando corriente que contenga inversiones de polaridad. La manera más asequible de obtener corriente con inversiones de polaridad es usar corriente alterna. Esta se puede usar directamente o rectificada mediante diodos u otros elementos electroactivos. Una alternativa preferente es ei uso de una fuente de eléctrica de corriente pulsada que permita controlar los parámetros de pulsos aplicados, como por ejemplo voltajes positivo y negativo, duración de pulsos positivo y negativo, duración de pausas, etc.
Los parámetros eléctricos aplicados por la fuente eléctrica determinan los efectos de las partículas sobre la superficie. La diferencia de potencial aplicada para producir efectos de pulido está en un amplio rango de 1 V a 50 kV y es un aspecto que determina el mecanismo de transmisión eléctrica. La corriente aplicada al electrodo puede ser continua, alterna o pulsada. Por ejemplo, una fuente de corriente continua a 30 kV, con una proyección pulsada y no compacta de partículas por gravedad, a una distancia de 18 cm entre electrodo y superficie a tratar produce efectos de pulido sobre la superficie metálica. Como por ejemplo también, una fuente de corriente continua a 30 V, con una proyección de partículas por gravedad compacta y continua, a una distancia de 2 cm entre electrodo y superficie a tratar produce efectos de pulido sobre la superficie metálica. Como por ejemplo también, una fuente de corriente alterna de 50 Hz a 2 kV, con una proyección pulsada y no compacta de partículas por gravedad e impulsadas por aire a 5 bar, a una distancia de 18 cm entre electrodo y superficie a tratar produce arcos eléctricos visibles y efectos de pulido sobre la superficie metálica. Es posible atribuir de manera cualitativa a cada uno de estos ejemplos una mayor proporción relativa de cada uno de los mecanismos de transmisión de carga eléctrica anteriormente explicados.
El electrodo es un elemento conductor conectado eléctricamente a la fuente eléctrica con el que contactan las partículas antes de salir proyectadas hacia la superficie a tratar. La forma del electrodo de salida depende de la aplicación o superficie a tratar. En general, se busca maximizar el área de contacto de las partículas con el electrodo en los instantes previos a la proyección. Por ejemplo, un tubo por el que circulan las partículas está conectado a un electrodo de salida metálico, por ejemplo de cobre, en forma de cilindro que se estrecha. Como por ejemplo también, para tratar planchas o superficies relativamente planas, el electrodo de salida puede ser un sistema“cortina” de aplicación de las partículas, es decir, una ranura de salida lineal. En una realización preferente el electrodo consiste en la boquilla.
Las partículas sólidas eléctricamente activas pueden transmitir carga eléctrica desde la fuente eléctrica a la superficie metálica a tratar. Preferentemente, las partículas sólidas pueden retener líquido. Este líquido retenido puede disolver en parte los óxidos y sales formados debido al paso de corriente eléctrica, lo que mejora la limpieza de la superficie. Preferentemente, las partículas sólidas eléctricamente activas están fabricadas en un gel de polímero, ya que ofrece un ccmpromiso entre integridad física y capacidad de retener líquido en su estructura.
Preferentemente, las partículas eléctricamente activas son de gel de poliestireno-divinilbenzeno sulfonado porque favorecen el proceso debido a su capacidad de reversible de retener iones metálicos disueltos. Preferentemente, el líquido retenido en las partículas eléctricamente activas es una solución acuosa ácida ya que la mayoría de óxidos, hidróxidos y sales metálicos son más solubles en medio ácido. Preferentemente, la solución acuosa ácida incluye uno o más ácidos fuertes (pKa < 2) debido a su mayor disociación aumentan la transmisión eléctrica a la vez que mejoran la solubilidad de óxidos, hidróxidos y sales metálicos, ¡o que resulta en una mayor limpieza superficial.
El proceso de transmisión de carga eléctrica puede generar una reacción redox en la superficie metálica, lo que puede generar la formación de óxidos metálicos en la superficie. Para un buen acabado superficial es crucial la eliminación controlada de los óxidos formados. Estos óxidos superficiales se pueden eliminar, por ejemplo, mediante una acción abrasiva o mediante una acción disolutiva.
La eliminación de los óxidos metálicos en la superficie mediante una acción abrasiva puede producirse por la acción de las mismas partículas eléctricamente activas que actúan como partículas abrasivas. También se pueden eliminar los óxidos por la acción de partículas abrasivas no eléctricamente activas. La acción de las partículas abrasivas puede llevarse a cabo de manera simultánea (se proyectan a la vez partículas abrasivas y partícula no abrasivas) o de manera consecutiva a la acción de las partículas eléctricamente activas. Con esta configuración se trataría de un proceso novedoso de electropulido en seco combinado con un proceso abrasivo tipo arenado.
Alternativamente o complementariamente, la eliminación de los óxidos superficiales se puede llevar a cabo mediante una acción disolutiva. La acción disolutiva puede ¡levarse a cabo por un líquido libre o por líquido retenido en las partículas. Preferentemente la acción disolutiva es llevada a cabo por líquido retenido en las partículas eléctricamente activas para producir la disolución de tos óxidos en la misma etapa que su formación.
La proyección de partículas sobre ia superficie metálica requiere una fuerza de impulso. En la versión más simple, este impulso es la fuerza de la gravedad.
Preferentemente, este impulso es otorgado por un elemento controlable. Este elemento controlable es preferentemente ei impulso de un gas comprimido. El uso de un gas a presión permite controlar la velocidad y la presión de contacto partícula-superficie, así como tener control sobre el flujo y compactación de las partículas.
En una realización alternativa, las partículas se proyectan sobre la superficie metálica mediante el impulso de una turbina que impulse las partículas mediante la fuerza centrifuga.
En una realización alternativa, las partículas se proyectan sobre la superficie metálica de manera discontinua mediante el impulso de un sistema de biela-manivela. Esto permite una proyección de las partículas de manera discontinua con un sistema altamente configurable en cuanto a velocidad y volumen de cada proyección.
En una realización alternativa, las partículas se proyectan sobre la superficie metálica de manera continua mediante el impulso de un sistema de tornillo sin fin. Esto permite crear un flujo continuo y compacto de partículas, favoreciendo el mecanismo de transmisión eléctrica por contacto.
El flujo de salida de las partículas por la boquilla se puede controlar mediante válvulas y temporizadores para hacerlo continuo o pulsado. La forma de la proyección de las partículas sobre la superficie se puede adaptar a las necesidades de ia pieza a tratar. Por ejemplo, en caso de querer procesar una superficie plana dentro de una cadena de fabricación se puede utilizar una boquilla que permite la proyección de partículas en forma de cortina sobre la superficie que permite cubrir todo el ancho de ia superficie de la pieza que se mueve bajo la cortina.
En una realización alternativa, la proyección se puede llevar a cabo usando una boquilla en forma de manguera de aplicación por la que saldrían las partículas impulsadas. Estas mangueras de aplicación pueden ser configuradles por ejemplo en cuanto a dirección o tamaño del agujero de salida. Estas mangueras pueden moverse de manera automatizada por ejemplo dentro de una cabina de proyección, o bien pueden ser usadas manualmente contra la superficie a tratar. En caso de que ia proyección de las partículas se produzca mediante gas comprimido, estás mangueras pueden incorporar en su tramo final un elemento disipador de aire en el punto de entrega de las partículas para compactar las partículas y mantener una conductividad alta.
El flujo de salida de las partículas por la boquilla se puede controlar mediante válvulas y temporizadores para hacerlo continuo o pulsado.
La forma de la proyección de las partículas sobre la superficie se puede adaptar a las necesidades de la pieza a pulir. Por ejemplo, en caso de querer procesar una superficie plana dentro de una cadena de fabricación se puede utilizar una boquilla que permite la proyección de partículas en forma de cortina sobre la superficie que permite cubrir todo el ancho de la superficie de la pieza que se mueve bajo la cortina.
En una realización alternativa, la proyección se puede llevar a cabo usando una boquilla en forma de manguera de aplicación por la que saldrían las partículas impulsadas. Estas mangueras de aplicación pueden son configurables por ejemplo en cuanto a dirección o tamaño del agujero de salida. Estas mangueras pueden moverse de manera automatizada por ejemplo dentro de una cabina de proyección, o bien pueden ser usadas manualmente contra la superficie a pulir. En caso de que la proyección de las partículas se produzca medíante gas comprimido, estás mangueras pueden incorporar en su tramo final un elemento disipador de aire en el punto de entrega de ias partículas para compactar las partículas y mantener una conductividad alta.
La superficie a tratar puede estar aislada, estar conectada a una toma de tierra o a la fuente eiéctrica. Preferentemente la superficie a tratar está conectada a un electrodo de la fuente eléctrica. De este modo se obtiene un mayor contro! de la diferencia de potencia! aplicado y es posible medir la corriente de paso entre el electrodo de salida de las partículas y la superficie a tratar.
La superficie a tratar debe ser conductora. Preferentemente la superficie a tratar es metálica. Esto incluye piezas de materiales plásticos con una superficie que ha sido metalizada. Los metales y aleaciones que se pueden tratar incluyen, pero no se limitan, a todo tipo de hierros y aceros, aleaciones cromo-cobalto, níquel y aleaciones de níquel, corno nitinol, zinc y aleaciones de zinc, como Zamak, aluminio y aleaciones, titanio y aleaciones, cobre y aleaciones, carburo de tungsteno, etc.
La versatilidad de este sistema hace que se puedan tratar grandes superficies planas, piezas de grandes dimensiones, superficies que sean inamovibles, como estructuras de la construcción, etc.
Los parámetros eléctricos aplicados por la fuente eléctrica determinan los efectos de las partículas sobre la superficie. La diferencia de potencial aplicada para producir efectos de pulido está en un amplio rango de 1 V a 50 kV y es un aspecto que determina el mecanismo de transmisión eléctrica. La corriente aplicada al electrodo puede ser continua, alterna o pulsada. Por ejemplo, una fuente de corriente continua a 30 kV, con una proyección pulsada y no compacta de partículas por gravedad, a una distancia de 18 cm entre electrodo y superficie a tratar produce efectos de pulido sobre la superficie metálica Como por ejemplo también, una fuente de corriente continua a 30 V, con una proyección de partículas por gravedad compacta y continua, a una distancia de 2 cm entre electrodo y superficie a tratar produce efectos de pulido sobre la superficie metálica.
Como por ejemplo también, una fuente de corriente alterna de 50 Hz a 2 kV, con una proyección pulsada y no compacta de partículas por gravedad e impulsadas por aire a 5 bar, a una distancia de 18 cm entre electrodo y superficie a tratar produce arcos eléctricos visibles y efectos de pulido sobre la superficie metálica. Es posible atribuir de manera cualitativa a cada uno de estos ejemplos una mayor proporción relativa de cada uno de los mecanismos de transmisión de carga eléctrica anteriormente explicados.
Las partículas sólidas eléctricamente activas pueden transmitir carga eléctrica desde la fuente eléctrica a la superficie metálica a tratar. Preferentemente, las partículas sólidas pueden retener líquido. Este líquido retenido puede disolver en parte los óxidos y sales formados debido al paso de corriente eléctrica, lo que mejora la limpieza de la superficie. Preferentemente, las partículas sólidas eléctricamente activas están fabricadas en un gel de polímero, ya que ofrece un compromiso entre integridad física y capacidad de retener líquido en su estructura. Preferentemente, las partículas eléctricamente activas son de gel de poliestireno-divinilbenzeno sulfonado porque favorecen el proceso debido a su capacidad de reversible de retener iones metálicos disueltos. Preferentemente, el líquido retenido en las partículas eléctricamente activas es una solución acuosa ácida ya que la mayoría de óxidos, hidróxidos y sales metálicos son más solubles en medio ácido. Preferentemente, la solución acuosa ácida incluye uno o más ácidos fuertes (pKa < 2) debido a su mayor disociación aumentan la transmisión eléctrica a la vez que mejoran la solubilidad de óxidos, hídróxídos y sales metálicos, lo que resulta en una mayor limpieza superficial.
Otros elementos que mejoran el funcionamiento de la invención son:
Un depósito previo de entrega de partículas.
Un colector de recogida de las partículas. El colector y el depósito previo pueden ser el mismo elemento.
Un sistema de recirculación de partículas del colector al depósito de entrega, en caso que no sean el mismo elemento.
- Vibradores en los puntos de almacenaje o circulación de las partículas para facilitar su transporte, así como transmitiendo vibración a la superficie a tratar.
Preferentemente, el dispositivo comprende un depósito de entrega de partículas sólidas previo al contacto eléctrico y a la proyección. Este depósito asegura la entrega de partículas al sistema de manera constante y evita momentos de parada.
Preferentemente, el dispositivo comprende un colector de recogida de partículas sólidas una vez estas han impactado contra la superficie a tratar. Este colector está diseñado para cada realización de manera específica y puede adoptar varias conformaciones, como puede verse en los ejemplos. Este elemento evita la dispersión de partículas por doquier y a la vez permite la recirculación de partículas.
En las realizaciones que así lo permitan, preferentemente el depósito de entrega y el colector de recogida son el mismo elemento. Esto permite simplificar el diseño del dispositivo y evitar redundancia de elementos, lo que resulta en menores costes pero manteniendo la misma funcionalidad. En caso de que ei depósito de entrega y el colector de recogida no sean ei mismo elemento, puede existir un sistema de recirculación de partículas entre el colector de recogida y el depósito de entrega de partículas sólidas. Este sistema permite la reutilización de partículas de manera automática, evitando así ei esfuerzo humano necesario y mejorando en grado de automatización.
El dispositivo comprende, preferentemente, un vibrador o vibradores que hacen vibrar las partículas para facilitar su movimiento. Dicho vibrador puede estar situado preferentemente en ei depósito de entrega y/o en el colector de recogida. Ei movimiento de un material granular como son las partículas usadas en este proceso puede formar bloqueos mediante arcos. El uso de vibradores en ios depósitos y tubos de circulación reduce notablemente la formación de arcos lo que evita bloqueos en ios puntos de circulación.
Consecuentemente se identifican las siguientes etapas que mejoran el método objeto de la invención son:
Recirculación de partículas del colector de recogida al depósito de entrega, en caso que no sean el mismo elemento.
- Vibración de las partículas sólidas eléctricamente activas
Esta tecnología novedosa se concibe con una gran variedad posible de aplicaciones finales. A modo de ejemplo y sin propósitos de limitación se presentan algunas de las posibles aplicaciones. Una aplicación es en unidades individuales de pulido para tratar grandes partes estructurales, como podría ser el ala de un avión para mejorar su aerodinámica. Una aplicación final es su uso en procesos continuos en línea para tratar superficies metálicas después de su producción o como paso previo a otros tratamientos.
Otra aplicación final es en dispositivos portátiles autónomos de pulido. DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Figura 1. Diseño ejemplar del dispositivo que ejecuta el método de pulido objeto de la invención.
Figura 2A. Esquemas del mecanismo de transmisión de la electricidad entre ¡a fuente eléctrica y la superficie metálica mediante carga neta de las partículas.
Figura 2B. Esquemas del mecanismo de transmisión de la electricidad entre la fuente eléctrica y la superficie metálica mediante conductividad eléctrica por contacto.
Figura 3C. Esquemas del mecanismo de transmisión de la electricidad entre la fuente eléctrica y la superficie metálica medíante conductividad eléctrica mediante arcos voltaicos.
Figura 3. Esquema de un dispositivo para el tratamiento de superficies en línea
Figura 4. Esquema de un dispositivo portátil para el tratamiento de superficies
Figura 5. Esquema de un dispositivo con cabina para el tratamiento de superficies
REALIZACIONES PREFERENTES DE LA INVENCIÓN
A continuación se presentan varios casos ejemplares sin propósito de limitación. Realización 1
El dispositivo consta de un depósito de entrega (7) de partículas (9) cuya salida está conectada a un tubo de cobre que actúa como electrodo (3), a su vez conectado a una fuente eléctrica (2). Las partículas (9) caen por gravedad de manera continua hasta la superficie a tratar (1), que está conectada a la fuente eléctrica (2) a través del contra-electrodo. Las partículas (9) caen, previo contacto con la pieza, a un colector de recogida (6) para su posterior recirculación mediante un sistema de recirculación (5). Tanto el depósito de entrega (7) de partículas como el colector de recogida (6) disponen de un vibrador (8) Una representación esquemática se encuentra en las Figura 1.
En un caso ejemplar, las partículas (9) usadas son partículas de gei macroporoso de poliestíreno-divinilbenzeno sulfonado cargadas con una solución de electrolito que contiene ácido sulfúrico a! 4 %. Este prototipo se ha probado con diferentes tipos de corriente eléctrica: continua de 1 a
60 V; alterna de 50 Hz a 50 000 Hz de 0 a 220 V.
Con estos parámetros se ha probado el método de pulido para ei tratamiento de una superficie de acero 316 con diferentes tipos de corriente eléctrica: continúa hasta 35 kV, alterna a 50 Hz hasta 15 kV.
Los resultados de corriente continua muestran un comportamiento lineal de la intensidad respecto a la diferencia de potencial. Se observa que después de un tratamiento de 5 min efectivos a 30 kV hay una reducción de la Ra de 0.37 a 0.34 mm en la zona más expuesta al flujo de partículas.
Los resultados usando corriente alterna a 50 Hz muestran un comportamiento lineal en el rango de 0 a 5 kV. Aumentar el voltaje a partir de este punto no produce un incremento de la intensidad proporcional. Este efecto claramente indica un cambio de mecanismo en ia transmisión de la carga eléctrica.
Dispositivo para el tratamiento de superficies en línea
Consiste en un dispositivo para el tratamiento de superficies en línea. Una representación esquemática se encuentra en las Figura 3. En este ejemplo, sin propósito de limitación, está diseñado para tratar planchas metálicas. El dispositivo incluye una fuente eléctrica (3), un sistema “cortina” de aplicación de las partículas (9), un sistema transportador de la plancha a tratar y un sistema de recirculación (5) que recoge de las partículas y las las deposita en el depósito de entrega (7)
La plancha metálica a tratar se encuentra en una cinta transportadora provista de vibración y conectada a la fuente eléctrica. En un punto del recorrido de la cinta transportadora hay un proyector de partículas (9) tipo cortina. El aplicador lineal produce una proyección lineal de partículas (9) sobre la superficie a tratar (1 ) que cubre todo el ancho de la plancha que se quiere a tratar. La plancha se desplaza a través de la cortina de partículas a una velocidad adecuada que proporcione el tiempo de tratamiento para obtener los acabados deseados. El proyector de partículas tipo cortina incluye un vibrador (8) para facilitar el flujo de las partículas. En la rendija de salida de las partículas hay un elemento metálico, conectado al polo negativo de la fuente de alimentación que hace las veces de electrodo (3). Las partículas contactan con este electrodo (3) antes de llegar a la superficie a tratare (1). Cerca del punto de contacto se aplica un sistema de recirculación (5) que aspira las partículas después de haber contactado con la superficie y las deposita en el depósito de entrega (7).
Dispositivo portátil para el tratamiento de superficies
Consiste en un dispositivo portátil para el tratamiento de superficies (1).
Una representación esquemática se encuentra en la Figura 4. Este dispositivo facilita su trasporte conjunto, como, por ejemplo, con ruedas.
El dispositivo incluye un compresor y un depósito de aire comprimido, una fuente eléctrica (2), un depósito de entrega (7) de partículas y un sistema de recirculación (5).
El dispositivo puede ir conectado a una toma de corriente, alternativamente puede incluir un acumulador eléctrico suficiente que proporcione la energía. El depósito de entrega (7) partículas (9) en su parte inferior tiene una salida hacia la manguera de entrega de partículas, el depósito puede estar provisto de un vibrador (8) para facilitar el flujo de partículas (9). Las partículas (9) son propulsadas a través de la manguera de aplicación mediante aire comprimido bar proveniente del compresor. La presión necesaria depende de la longitud y colocación de la manguera de aplicación, una presión entre 3 y 10 bar proporciona buenos resultados. La manguera de aplicación acaba en un difusor que permite la salida de parte del aire, forzando la compactación de las partículas (9). La salida de las partículas se produce a través de, o en contacto con, un electrodo (3), que puede ser un elemento de, por ejemplo, cobre, acero inoxidable 316 o de titanio iridiado, conectado a la fuente eléctrica (2) , preferentemente al polo positivo, preferentemente con un amperímetro para el seguimiento de la intensidad. El electrodo (3) de aplicación se sitúa a una distancia de entre 0.5 y 10 cm de la superficie, de tal modo que entre el electrodo y la superficie haya un flujo de partículas para producir un paso de corriente. La parte final de la salida de las partículas va incluida dentro de un colector de recogida (6) que se encuentra muy próximo o en contacto con la superficie a tratar (1). Este colector de recogida (6) de partículas va conectado a un sistema de recirculación (5) que comprende una segunda manguera provista de aspiración, que recoge las partículas del colector de recogida (6) después de su contacto con la superficie y las dirige de nuevo al depósito de entrega (7) partículas. La superficie a tratar (1 ) se conecta a la fuente eléctrica (1) mediante, por ejemplo, una pinza eléctrica preferentemente al polo positivo. Para pulir superficies no accesibles por un operario o para mejorar la precisión, el sistema puede incluir el uso de un brazo robotizado.
El diseño del sistema está pensado para ocupar un volumen compacto y contiene elementos, como por ejemplo ruedas o elementos deslizantes, que lo hacen transportable.
La corriente aplicada depende de la composición de la superficie a tratar y de las partículas (9) usadas. Por ejemplo, para tratar una superficie de acero 316 se obtienen buenos resultados usando partículas de poliestireno-divinilbenzeno sulfonado conteniendo ácido sulfúrico al 4 % con una corriente continua de 12 V
Dispositivo para el tratamiento de superficies en cabina
Consiste en un dispositivo para el tratamiento de superficies (1) en cabina (4) cerrada. Una representación esquemática se encuentra en la Figura 5. El dispositivo incluye una fuente eléctrica (2), una o varias salidas de partículas (9) eléctricamente activas con electrodos (3), un sistema para el anclaje de las piezas a pulir, una cabina (4) cerrada para el tratamiento y un sistema de recirculación (5) que aspira las partículas del colector de recogida (6), que en este ejemplo actúa también como depósito de entrega (7), hacia las salidas de partículas.
Las piezas metálicas a pulir se colocan en unos bastidores dentro de la cabina mediante unos anclajes adecuados, de modo que están conectados a la fuente eléctrica (2). La cabina (4) está provista de varias salidas de partículas conectadas en su tramo final a electrodos (3). La proyección de las partículas (9) se produce mediante el uso de aire comprimido, preferentemente en un rango de 2 a 10 Bar, preferentemente entre 4 y 6 bar.
El fondo de la cabina (4), que actúa como colector de recogida (6) a la vez que actúa como depósito de entrega (7), tiene inclinación y las partículas (9) se recogen por un sistema de recirculación (5) que las transporta hasta las salidas de partículas.
La corriente eléctrica aplicada depende de varios factores como del tipo de material, el área total a procesar, la distancia entre el punto de salida de partículas y la superficie. Por ejemplo, para pulir acero 316 a 4 cm de distancia un área total de 25 cm2.

Claims

R E I V I N D I C A C I O N E S
1. Método para tratar en seco superficies (1) metálicas mediante partículas (9) sólidas eléctricamente activas caracterizado porque comprende las siguientes etapas:
- Contacto de las partículas (9) con el electrodo (3) de una fuente eléctrica (2)
Proyección de las partículas (9) hacia Sa superficie metálica a tratar
- Trasmisión de carga eléctrica de las partículas a la superficie metálica a tratar
2. Método para tratar en seco superficies (1) metálicas mediante partículas (9) sólidas eléctricamente activas según la reivindicación 1 caracterizado porque la transmisión de la electricidad entre la fuente eléctrica (2) y la superficie (1) metálica durante la etapa de proyección es por carga neta de las partículas (9).
3. Método para tratar en seco superficies (1) metálicas mediante partículas sólidas (9) eléctricamente activas según la reivindicación 1 caracterizado porque la transmisión de la electricidad entre la fuente eléctrica (2) y la superficie (1) metálica durante la etapa de proyección es por conductividad eléctrica por contacto.
4. Método para tratar en seco superficies (1) metálicas mediante partículas sólidas (9) eléctricamente activas según la reivindicación 1 caracterizado porque la transmisión de la electricidad entre la fuente eléctrica (2) y la superficie (1) metálica durante la etapa de proyección es por conductividad eléctrica mediante arcos voltaicos.
5. Método para tratar en seco superficies (1) metálicas mediante partículas sólidas (9) eléctricamente activas según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque la corriente que aplicada ai electrodo es una corriente continua.
6. Método para tratar en seco superficies (1) metálicas mediante partículas sólidas (9) eléctricamente activas según cualquiera de ias reivindicaciones 1-4 caracterizado porque la corriente aplicada al electrodo (3) es una corriente que contiene tramos positivos y tramos negativos.
7. Método para tratar en seco superficies (1 ) metálicas medíante partículas sólidas (9) eléctricamente activas según la reivindicación 4 caracterizado porque en el medio entre las partículas (9) existe un elemento conductor que incrementa la conductividad entre las partículas mediante arcos voltaicos.
8. Método para tratar en seco superficies (1) metálicas mediante partículas sólidas (9) eléctricamente activas según la reivindicación 7 caracterizado porque el elemento que favorece la conductividad entre ias partículas (9) mediante arcos voltaicos es un derivado de carbono, iodo, talco, cilindros y/o barras de gel.
9. Método para tratar en seco superficies (1) metálicas mediante partículas sólidas (9) eléctricamente activas según la reivindicación 7 caracterizado porque el elemento que favorece la conductividad entre las partículas (9) mediante arcos voltaicos es una fuentes de radiación ionizante (ultravioleta, rayos X y rayos g), una fuente de radiación no ionizante (microondas), un nebulizador y generador de aerosol, y/o una fuente de ultrasonidos.
10. Método para tratar en seco superficies (1) metálicas mediante partículas sólidas (9) eléctricamente activas según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque comprende una etapa de uso de partículas abrasivas de manera simultánea o consecutiva a las partículas eléctricamente activas.
1 1 . Dispositivo para el tratamiento en seco de superficies (1 ) metálicas medíante partículas sólidas (9) eléctricamente activas caracterizado porque comprende una fuente eléctrica (2) con un electrodo (3) que transmite carga eléctrica a las partículas (9) sólidas eléctricamente activas y unos medios de proyección de partículas sólidas eléctricamente activas sobre la superficie a tratar (1 ).
12. Dispositivo para el tratamiento en seco de superficies (1 ) metálicas mediante partículas sólidas (9) eléctricamente activas según la reivindicación 1 1 caracterizado porque la fuente eléctrica (2) está conectada con la superficie a tratar (1) cerrando así el circuito eléctrico.
13. Dispositivo para el tratamiento en seco de superficies (1 ) metálicas mediante partículas sólidas (9) eléctricamente activas según cualquiera de las reivindicaciones 1 1 -12 caracterizado porque la propulsión de las partículas sólidas (9) eléctricamente activas se realiza únicamente con la fuerza de gravedad.
14. Dispositivo para el tratamiento en seco de superficies (1) metálicas mediante partículas sólidas (9) eléctricamente activas según cualquiera de las reivindicaciones 11-12 caracterizado porque la propulsión de las partículas (9) sólidas eléctricamente activas se realiza mediante un sistema centrífugo.
15. Dispositivo para el tratamiento en seco de superficies (1) metálicas mediante partículas sólidas (9) eléctricamente activas según cualquiera de las reivindicaciones 11-12 caracterizado porque la propulsión de las partículas (9) sólidas eléctricamente activas se realiza mediante gas comprimido.
16. Dispositivo para el tratamiento en seco de superficies (1) metálicas mediante partículas sólidas (9) eléctricamente activas según cualquiera de las reivindicaciones 11-12 caracterizado porque la propulsión de las partículas (9) sólidas eléctricamente activas se realiza mediante un sistema biela-manivela o un sistema de tornillo sin fin.
17. Dispositivo para el tratamiento en seco de superficies (1 ) metálicas mediante partículas sólidas (9) eléctricamente activas según cualquiera de las reivindicaciones 11-16 caracterizado porque forma parte de un montaje en línea.
18. Dispositivo para el tratamiento en seco de superficies (1 ) metálicas mediante partículas sólidas (9) eléctricamente activas según cualquiera de las reivindicaciones 1-16 caracterizado porque es un sistema portátil.
19. Dispositivo para el tratamiento en seco de superficies (1 ) metálicas mediante partículas sólidas (9) eléctricamente activas según cualquiera de las reivindicaciones 11-16 caracterizado porque el dispositivo y la superficie a tratar (1) están dentro de una cabina (4).
20. Dispositivo para el tratamiento en seco de superficies (1) metálicas mediante partículas sólidas (9) eléctricamente activas según cualquiera de las reivindicaciones 11-19 caracterizado porque el dispositivo comprende depósito de entrega (7) de partículas (9) sólidas previo al contacto con el electrodo (3).
21. Dispositivo para el tratamiento en seco de superficies (1) metálicas mediante partículas sólidas (9) eléctricamente activas según cualquiera de las reivindicaciones 11-20 caracterizado porque el dispositivo comprende un colector de recogida (6) de partículas sólidas (9) una vez estas han impactado contra la superficie a tratar (1).
22. Dispositivo para el tratamiento en seco de superficies (1) metálicas mediante partículas sólidas (9) eléctricamente activas la reivindicación 20 caracterizado porque el dispositivo comprende un sistema de recírculación (5) de partículas (9) desde el colector de recogida (6) de partículas sólidas al depósito de entrega (7).
23. Dispositivo para el tratamiento en seco de superficies (1) metálicas mediante partículas sólidas (9) eléctricamente activas cualquiera de las reivindicaciones 11-22 caracterizado porque el dispositivo comprende un vibrador (8).
24. Dispositivo para el tratamiento en seco de superficies (1) metálicas mediante partículas sólidas (9) eléctricamente activas cuaiquiera de las reivindicaciones 11-23 caracterizado porque dispositivo de salida de las partículas comprende un difusor.
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