Resumen de Estudio y modelización del comportamiento reológico de materiales cerámicas pulverulentos durante el llenado de moldes
- español
Las baldosas cerámicas son placas de escaso grosor fabricadas con arcillas, sílice, fundentes, colorantes y otros materiales, generalmente utilizadas como revestimientos para suelos, paredes y fachadas. Su fabricación se lleva a cabo mediante un proceso en línea y altamente automatizado, que comprende desde la preparación de las materias primas hasta la cocción y el embalaje del producto. Una de las etapas más críticas del proceso es el conformado, durante el cual se da forma al producto a partir de la materia prima previamente tratada, en las condiciones requeridas de operación. Si el conformado se lleva a cabo mediante prensado, el proceso requiere formar un lecho de polvo uniforme en un alvéolo, sobre el cual se aplica presión en la dirección normal a la totalidad de la superficie que se conforma. Tras el conformado, la pieza resultante debe presentar la forma geométrica deseada y la microestructura apropiada para los requerimientos de las etapas siguientes del proceso de fabricación y del producto final. Es necesaria, por tanto, la correcta ejecución de todas las operaciones de la etapa de conformado para obtener un producto que satisfaga los estándares de calidad exigidos.
Dentro de la etapa de conformado mediante prensado, el llenado de los alvéolos del molde es un proceso de extrema importancia. Tras verter el polvo en el molde, el lecho de polvo es prensado y transformado en una pieza sólida, cuyas propiedades van a determinar la calidad del producto final. Paradójicamente, el llenado de moldes es uno de los procesos que menos ha evolucionado en las últimas décadas, por lo que sigue generando problemas de heterogeneidad en las baldosas cerámicas, debido a una distribución deficiente del polvo en los alvéolos del molde. Asimismo, pese a que existen en el mercado distintos equipos y elementos destinados a corregir la falta de homogeneidad dimensional en las baldosas, siguen sin poderse eliminar completamente estos defectos. Esto se debe, principalmente, a la falta de estudios que analicen el comportamiento del polvo durante su vertido en el molde y expliquen las principales variables a tener en cuenta para su correcta manipulación. De hecho, no se tiene constancia de trabajos previos que estudien el efecto de las variables de operación del llenado de moldes en la distribución de polvo sobre el mismo, donde reside la raíz del problema en cuestión.
Como respuesta a esta problemática, en este trabajo se ha desarrollado un programa informático que permite simular, estudiar y comprender el comportamiento del polvo durante la etapa de llenado de moldes del proceso de fabricación de baldosas cerámicas. El método utilizado para llevar a cabo la simulación se denomina Método de los Elementos Discretos (y en inglés “Discrete Elements Method”, abreviado como DEM).
El programa informático se ha diseñado para poder ser utilizado tanto en ordenadores convencionales que consten de una o varias unidades centrales de procesamiento (CPU), como en ordenadores que consten de una unidad de procesamiento gráfico (GPU). Los dos algoritmos propuestos para ambas arquitecturas están especialmente diseñados para simular el comportamiento de un gran número de gránulos esféricos de forma eficiente. Los dos algoritmos han sido comparados con el software de código abierto más utilizado en las simulaciones DEM, llamado LIGGGHTS.
Igualmente, se ha propuesto una metodología novedosa para la calibración del modelo físico del programa mediante ensayos de laboratorio. Esta metodología está especialmente diseñada para su uso en polvos micrométricos, de los cuales es difícil extraer propiedades microscópicas, y ha sido utilizada para calibrar una distribución típica de polvo utilizado en la industria de fabricación de las baldosas cerámicas. El polvo utilizado mayoritariamente en el conformado de los soportes de las baldosas cerámicas es un polvo granulado, obtenido en una etapa previa, denominado generalmente polvo atomizado.
Asimismo, el modelo físico ha sido validado utilizando un sistema de alimentación de polvo a escala piloto, el cual es una reproducción del utilizado durante la etapa de conformado de baldosas cerámicas. Este equipo también se ha utilizado para investigar cómo influyen las variables de operación típicas del llenado (velocidad de avance del sistema de alimentación, configuración geométrica del alimentador y momento del descenso del punzón inferior) sobre la distribución del polvo depositado en los alvéolos del molde.
Finalmente, una vez comprobada la validez del modelo, se realizaron una serie de simulaciones orientadas a mostrar las capacidades del mismo como herramienta predictiva, tanto en el llenado de moldes en distintos escenarios (incluyendo un caso a escala industrial) como en el diseño de nuevos equipos de manipulación de polvos.
- English
Ceramic tiles are thin plates made from clays, silica, fluxes, colorants and other materials, generally used as wall or floor coverings. During its manufacturing process, some heterogeneity problems may appear, due to a poor distribution of the powder in the mold which they are formed in. As a response to this problem, a computer program that allows for simulation, study and understanding of the mold filling of the tile manufacturing process has been developed. The method used to perform the simulation is called the Discrete Elements Method (abbreviated as DEM). Likewise, a novel methodology has been proposed for the calibration of the model, which has been validated using a prototype of a powder feeding system. This equipment has also been used to study the mold filling. Finally, a series of simulations were carried out in order to show the capabilities of the program developed.
