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Abrasivos y Microabrasion
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Abrasivos y Microabrasion

Fuente: http://www.pucp.edu.pe

 

ABRASIVOS 

La aplicación de los abrasivos, tiene su historia hace miles de años atrás, desde los tiempos prehistóricos, en que el hombre primitivo, en busca de una mejor manera de vivir y relacionarse, afiló sus herramientas y armas para la caza de todo tipo de animales. Durante milenios, la evolución de esta técnica fue muy lenta, y no fue hasta que a finales del siglo XIX y a comienzos del siglo XX, que el descubrimiento del óxido de aluminio y el carburo de silicio, traerían consigo, un gran avance tecnológico. Los arqueólogos, citan el pulido de armas y utensilios como la transición de la Edad Paleolítica a la Neolítica (25,000 a 15,000 años a. de J. C.). El hombre prehistórico, debió utilizar la arena para limpiar y afilar sus cuchillos de piedra y también para modificar las formas de sus utensilios. Mas tarde, alguien descubriría que se obtenía un mejor efecto al aplicar la herramienta contra una piedra, la cual terminaría girando alrededor de un eje, como se ilustra en la fig. 1.

 

Fig. 1 Escultura de un hombre primitivo afilando una herramienta. 

 

 

 

El pulido de piedras en la edad prehistórica, el lapeado de diamantes con abrasivos naturales en los primeros siglos de la historia, las muelas de cuarzo en la edad media, el papel de vidrio para extraer óxido de las piezas metálicas a comienzos del siglo XIX y el descubrimiento del empleo masivo de los abrasivos artificiales en el siglo XX, en forma de muelas, dan una idea de la enorme importancia que han tenido estos productos en la evolución del mundo. Los abrasivos, son definidos como cuerpos que, por su elevada dureza y estructura cristalina, son capaces de producir un desgaste o corte, por acción mecánica, sobre materiales menos duros que ellos. De acuerdo con este principio, los abrasivos se pueden dividir en una enorme variedad de tipos, cuya característica fundamental es su dureza, resistencia a la fractura así como sus propiedades físicas y químicas. Por lo que se han dividido en [1]: Abrasivos naturales: Son los que se encuentran en la naturaleza misma. Abrasivos artificiales: Son fabricados en la industria por reacciones químicas ex profeso. Dentro de la primera clasificación se pueden mencionar al: Corindón natural, cuarzo, diamante, esmeril, granate, arena sílica entre otros. Además de éstos, hay otros que son empleados como abrasivos, tales como la piedra pómez, cal de viena, trípoli, etc. Sin embargo, actualmente, la mayoría de los materiales abrasivos con los que se trabaja, son los obtenidos por medios artificiales, tales como: Carburo de silicio, óxido de aluminio, carburo de boro, diamante entre otros. 

 

DESCRIPCIÓN DEL FENÓMENO DEL DESGASTE 

El desgaste, es considerado como un fenómeno tribológico, que se presenta cuando un material es removido o desplazado indeseablemente de la superficie de dos sólidos que se encuentran en contacto y movimiento relativo sometidos a una carga. Este movimiento, puede ser deslizante, rodante o reciprocante como se muestra en la fig. 2 (a), (b) y (c) respectivamente, existiendo la posibilidad de que se presente una combinación de los mismos [2]. 

 

 

 

Fig. 2 Tipos de Movimientos

a) Deslizante b) Rodante c) Rreciprocante. 

 

El comportamiento del desgaste es muy complejo y puede ocurrir por diversos mecanismos. La remoción de material provocada por el mismo, puede ser por tres procesos: fusión, disolución química o separación física entre átomos. El daño provocado por éstos, en la mayoría de los casos es irreversible. Algunas veces, presenta un patrón definido de picaduras o grietas, pero la aparición de formas más complejas de desgaste, implica que es posible observar una combinación de estas, indicando los daños superficiales presentes. La propiedad que poseen los materiales para resistirlo, está en función de su capacidad de endurecimiento por medios mecánicos; además de su ductilidad, distribución de tensión, y estabilidad mecánica entre otras. 


DESGASTE MICROABRASIVO 

El desgaste microabrasivo, se manifiesta de distintas formas, por lo que para su compresión, es necesario explicarlas de manera detallada las mas importantes, La primera de ellas, se presenta cuando dos superficies sólidas están en contacto directo y en movimiento relativo; una significativamente más dura que la otra. Al aplicar una carga normal, las asperezas de la superficie dura penetran a la que es más suave produciendo deformaciones plásticas. Cuando existe un movimiento deslizante o reciprocante, el material de la superficie mas blanda se remueve por la acción combinada de mecanismos de microarados y microcortantes. A este proceso, se le conoce como desgaste microabrasivo de dos cuerpos y se puede ver claramente en la figura 3 a), b) y c) respectivamente. En caso de que se lleguen a introducir arenas o materiales duros del orden miocrométrico, como lo es el caso del carburo de boro, silicio, pasta de diamante, oxido de aluminio entre otros, que en su mayoría son los utilizados para pruebas de laboratorio, en la interfase de ellos, se genera la microabrasión conocida como de tres cuerpos, mismos que se pueden ver claramente en la fig. 4 a) y b) respectivamente. 

 

 

Fig. 3 Desgaste microabrasivo de dos cuerpos a) Deslizamiento de las dos superficies en contacto, b) Deslizamiento de una superficie en contacto y c) Deslizamiento reciprocante entre las superficies ínter actuantes. Fig. 4 Desgaste microabrasivo de tres cuerpos con deslizamiento en una y ambas superficies respectivamente. 

 

 

 

Otra manera de que la microabrasión se hace presente, es cuando partículas microabraivas se deslizan sobre una superficie provocando desprendimiento o daño superficial de la misma. Como se muestra en la figura 5. 

 

 

 

Fig. 5. Desprendimiento de material de la superficie por partículas microabrasivas duras. 

 


Finalmente, otro proceso de desgaste muy importante es aquel generado por la erosión, donde partículas microabrasivas con cierta velocidad y ángulo de proyección, inciden sobre una superficie causándole a ésta, severo daño, dicho mecanismo de erosión, se muestra en la figura 6 para su mayor entendimiento. 

 

 

 

 

Fig. 6. Microabrasión por erosión (Fuente: Hutchings, 1992). 

Según datos experimentales, demuestran que el desgaste abrasivo de dos cuerpos, experimentan de 10 a 100 veces mucho más pérdida de material que el ocasionado por el mecanismo de tres cuerpos en condiciones similares de prueba, [3], [4], [5]. 

 

 

ABRASIÓN EN LA INDUSTRIA

La abrasión, es una de las principales causas por lo que las industrias hoy en día, se ven obligadas a desarrollar programas de prevención y mantenimiento, ya que, comparado con otros problemas, como es la corrosión y la fatiga; ocasionan el reemplazo de máquinas y/o componentes de las mismas. Este tipo de fenómeno, ha sido el menos estudiado, e inclusive, al que menos atención se le ha prestado en el sector industrial, aún cuando no se puede desestimar el hecho de que algunos sectores de la economía de un país dependen de la reposición de componentes desgastados. El desgaste abrasivo, es una falla inevitable, que se presenta en cualquier mecanismo que se encuentre en contacto y movimiento relativo. Normalmente, el desgaste no ocasiona fallas violentas, pero si trae como consecuencias: 

 

Reducción de la eficiencia de operación

- Pérdidas de potencia por fricción

- Incremento del consumo de lubricantes

- Eventualmente, conduce al reemplazo de componentes desgastados y a la obsolescencia de las máquinas en su conjunto.

Debido con el enorme progreso científico – tecnológico en la era de la globalización del conocimiento, ha propiciado el desarrollo de nuevos y mejores materiales capaces de resistir mejor el desgaste, Para ello, se ha recurrido a la micro y nanotecnología, para explicar entre otros aspectos la génesis de los fenómenos tribológicos. Por lo que se hace énfasis en la enorme importancia del estudio de la microabrasión, dado su impacto en diversas áreas de ingeniería como los son la biomédica, en búsqueda de fabricación de nuevas y mejores prótesis, que resistan mas el desgaste microabrasivo. Desde que se originaron éstas en la década de los 50’s, en particular las de cadera, se ha utilizado el polietileno de alta densidad como uno de los componentes principales, mismo que ha evolucionado con el tiempo y se han desarrollado nuevos tipos de polietileno llamados de enlaces cruzados que son más resistentes al desgaste y producen menos partículas [6]. El número, forma y tamaño de las partículas de desgaste del polietileno son multifactoriales: están en función de los modos y mecanismos del desgaste que las origina, los esfuerzos sobre la superficie de carga, los movimientos y la orientación molecular del polietileno. La mayor parte de las partículas de desgaste del polietileno que se producen en una articulación protésica son de tamaño micrométrico o submicrométrico y se producen por un desgaste inicial, en cantidades muy elevadas incluso en articulaciones que funcionan correctamente. Los mecanismos predominantes de desgaste parecen ser la micro adhesión y la microabrasión, con la generación de muchas partículas de polietileno de longitud inferior a 1 micra. El daño por el desgaste producido consiste predominantemente en eburneación y arañazos. Un ejemplo del mismo se muestra en la fig. 7 [7].

 

 

 

Fig. 7. Forma y tamaño de las partículas de polietileno aisladas en estudios con simulador de cadera. 

 

En la industria dermatológica, la microdermabrasión es una novedosa herramienta de abrasión cutánea, aceptada satisfactoriamente en los últimos años, que rápidamente ha extendido su uso como una opción terapéutica en el manejo de diferentes condiciones dermatológicas y estéticas como es el fotoenvejecimiento, ritides finas, cicatrices superficiales, acne, remoción de tatuajes, entre otras. El uso de esta técnica ofrece modificaciones macro y microscópicas comparables a otros procedimientos dermocosméticos, y tiene además ventajas particulares: resultados inmediatos a bajo costo y rápida recuperación sin exponerse a grandes riesgos y complicaciones. Las técnicas agresivas de abrasión han sido sustituidas por nuevas modalidades, como exfoliaciones químicas, procedimientos láser no ablativos y por la microdermabrasión, que generalmente parece ser un método seguro y fácil de realizar.

 

Los arqueólogos así como la industria de la construcción, buscan abaratar los costos por mantenimiento y restauración de piezas arquitectónicas, fachadas, monumentos, iglesias, pilares, entre otros, por lo que el uso de los microabrasivos, ha sido en la actualidad, una herramienta fundamental para tal efecto.

 

En la industria metal mecánica, el desgaste por microabrasión, es muy importante para determinar la adherencia de los recubrimientos de películas delgadas con el substrato, ya que han tenido un auge verdaderamente impresionante en todas las áreas del diseño, como por ejemplo, en la industria manufactura, el diseño de piezas metálicas que resistan mas el desgaste abrasivo y corrosivo, como en equipos de inyección de plástico, mecanizado y conformado de piezas, herramientas de corte ente otros, con el uso de diversos recubrimientos, ha habido un enorme afán de reducir el uso de los lubricantes, alargar la vida útil de los componentes, aumentar la productividad y reducir el tiempo de mantenimiento por cambios y reposición de piezas dañadas, así como gastos de fabricación. Otro aspecto muy importante, es el empleo de microabrasivos para los acabados superficiales de piezas metálicas, como los son, muñones cigüeñales, bujes, baleros, ejes, flechas etc. En la industria Automotriz, el empleo de los mismos, ha permitido diseñar nuevos productos para el cuidado de pinturas y lacas así como la preparación y aplicación de las mismas.

 

CONCLUSIONES 
Con el conocimiento de la microabrasión, ha permitido abrir nuevos horizontes en las distintas disciplinas de la ingeniería, permitiendo de esta manera, buscar nuevos y mejores materiales que resistan mas este tipo de desgaste. En la industria metal-mecánica, el uso de la microabrasión, ha permitido caracterizar los distintos recubrimientos, obteniendo mejores calidades de los mismos en herramientas de corte, piezas decorativas, prótesis, circuitos integrados así como mejorar su resistencia al desgaste microabrasivo. La Microabrasión, es una herramienta importante en el diseño mecánico y manufactura la Ingeniería Mecánica, donde impacta de manera eficaz y oportuna, en el perfeccionamiento y eficiencia de los elementos de máquinas, desde la selección de lubricantes, grasas, aceites, hasta la mejor selección de recubrimientos y materiales que ofrezcan mayor resistencia al desgaste microabrasivo. 


REFERENCIAS 

[1] Marcambo Figueroa Manuel. Abrasivos, 1979 Edit. Bolxareu España

[2] Arnell R. D. et all Tribology Principles and Design Applications edition 1991, Edit. Macmillan UK. 255 pages. 

[3] Hutchings, I.M. Tribology, and Wear of Engineering Materials 1992, Edit. Edward Arnold. Auk. 

[4] ASM Handbook Vol. 18 Friction, Lubrication and Wear Technology. 1992, ASM International. USA. 942 pages. 

[5] Aguilar Joel, “Desarrollo de un prototipo tribológico húmedo funcional para pruebas de abrasión en un tribosistema acuoso”, Tesis de Maestría, SEPI ESIME IPN, México, Septiembre de 2002. 

[6] Marcelo Somarriva L. Diciembre 2004, “Artrosis de cadera” Departamento de Ortopedia y Traumatología, Santiago chile.  http://www.clinicalascondes.cl/ver_articulo.cgi?cod=1102337771#subtitulo1  

[7] Christian Heisel, MD, Mauricio Silva, MD, Thomas P. Schmalzried, MD: Instructional Course Lectures, The American Academy of Orthopedic Surgeons - Bearing Surface Options for Total Hip Replacement in Young Patients J.Bone and Joint Surg., Vol (85), (2003), pp. 1366-1379. 

[8] Early P. Dupuytren´s contracture. J Bone Joint Surg Br 1962; 44: 602 [9] Bond Eye Associates, April 2007,eye conditions, http://www.bondeye.com/index.cfm/conditions/cornealabrasions 

 

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