Optimización del prOcesO de pulidO para
piezas de gres pOrcelánicO
i. m. Hutchings(1), Y. Xu(1), e. sánchez(2)
, m. J. ibáñez(2) y m. F. Quereda(2)
(1)Institute for Manufacturing, Departamento de Ingeniería,
Universidad de Cambridge, U�. U�.
(2)Instituto de Tecnología Cerámica.
Asociación de Investigación de las Industrias Cerámicas. Universitat Jaume I de Castellón. España.
resumen
El pulido es un proceso muy importante en la fabricación del gres porcelánico y representa una parte considerable del coste total del producto. En la práctica industrial actual, la secuencia de tamaños de los abrasivos empleados en el pulido y el tiempo durante el cual la baldosa se somete a cada abrasivo son, en gran medida, obtenidos de forma empírica. Los estudios realizados con anterioridad sobre el pulido de la baldosa han concluido que los diferentes tamaños de abrasivo presentan aportaciones diferentes en la mejora de la superficie de la pieza durante los procesos de pulido, es decir, con relación a la disminución de la rugosidad superficial y el aumento del brillo. Por otra parte, existen posibles reducciones de los costes y mejoras de la calidad del producto final, al optimizar el proceso por medio del análisis cuantitativo del desarrollo del acabado superficial durante el pulido.
En el trabajo anterior presentado por los autores en QUALICER 2004, se ha descrito el desarrollo de un dispositivo de pulido a escala de laboratorio que reproducía con precisión los aspectos relevantes de las condiciones de una línea de pulido industrial. En el presente trabajo, este equipo se ha utilizado para explorar el desarrollo del brillo y de la rugosidad en una secuencia completa de tamaños de grana abrasiva, utilizando compuestos abrasivos comerciales tipo que contenían grana de carburo de silicio en una matriz de cemento de oxicloruro de magnesio, y piezas de gres porcelánico. Se comprobó que, con la secuencia completa de 14 diferentes tamaños de grana (tamaños de malla desde 36 a 1500), los cambios superficiales medidos en el laboratorio correspondían con los observados en un proceso industrial utilizando la misma secuencia de tamaños de grana. Sin embargo, el análisis de los datos de laboratorio indicó que determinados tamaños de abrasivo influían mucho menos en el brillo y la rugosidad que otros, como consecuencia de lo cual se ha ensayado una secuencia abreviada de solamente nueve tamaños. Se ha observado que se podía producir esencialmente el mismo acabado superficial final con la utilización de esta secuencia más corta a escala de laboratorio. A continuación, estos resultados se han validado también en ensayos a escala piloto e industrial. Se ha comprobado que las fases finales del pulido, con abrasivos de tamaños de malla de 1000 y 1500, eran las más importantes para el control del brillo final.
Los resultados de este trabajo sugieren que se puede reducirt el coste del pulido industrial mediante el uso de un conjunto limitado de tamaños de abrasivo. Los resultados indican, así mismo, que puede resultar beneficioso reducir el número de fases de pulido, con la consiguiente reducción del consumo de abrasivos o, por lo menos, la reducción del intervalo de tamaños de abrasivo que deben mantenerse en stock por motivos de reposición.
1. intrOducción
El pulido es un proceso muy importante en la fabricación del gres porcelánico no esmaltado de alta calidad y representa una parte importante (típicamente más del 40%) del coste total del producto. La operación de pulido consiste en una sucesión de fases (típicamente entre veinte y treinta) con una reducción del tamaño de partícula abrasiva. Las partículas abrasivas, generalmente carburo de silicio, están embutidas en una matriz de cemento para producir los útiles compuestos que se montan en el cabezal rotatorio de pulido que presiona contra la superficie de la pieza. En la práctica industrial actual, la secuencia de tamaños de abrasivo utilizados en el pulido y el tiempo durante el cual la baldosa se somete a cada abrasivo (una operación que pueda realizarse a lo largo de uno o más cabezales de pulido en la línea de producción) son, en gran medida, obtenidos de forma empírica.
Los estudios realizados con anterioridad por los autores sobre el pulido de baldosas han concluido que los diferentes tamaños de abrasivo presentan aportaciones diferentes en la mejora de la superficie de la baldosa durante los procesos de pulido, es decir, la disminución de la rugosidad superficial y el aumento del brillo. Las partículas abrasivas más grandes (típicamente con números de grana inferiores a 400, correspondientes a tamaños de partícula superiores a aproximadamente 35µm) influyen más en la rugosidad superficial, mientras que las partículas más pequeñas (con números de grana
superiores a 400) influyen más en el brillo[1-3]. El objetivo del presente trabajo ha sido la
exploración de la posibilidad de reducir el coste del pulido e incluso, quizás, mejorar la calidad del producto final, mediante la optimización del proceso de pulido.
En el Congreso de QUALICER 2004 se presentó el desarrollado de un dispositivo de pulido de laboratorio que reproducía con precisión los aspectos relevantes de
las condiciones de una línea de pulido industrial[1,2]. Este equipo ha sido utilizado
para reproducir la secuencia de las fases utilizadas en una línea de pulido industrial habitual, y para establecer el desarrollo del brillo y de la rugosidad para una secuencia completa de tamaños de grana abrasiva. A continuación, se han utilizado los resultados de estos ensayos para diseñar una secuencia más corta de fases de pulido, la cual se ha ensayado a continuación, primero a escala de laboratorio, después a escala piloto y, finalmente, en pruebas realizadas en una línea de pulido industrial a escala real.
2. métOdOs eXperimentales Y materiales
En el proceso de pulido industrial, las baldosas se transportan por una secuencia de cabezales de pulido, cada uno de los cuales lleva un conjunto de seis bloques abrasivos y gira sobre un eje vertical. El cabezal incorpora un mecanismo para poder desplazar cada bloque en un movimiento oscilatorio, con vistas a obtener una superficie cilíndrica en el bloque, sobre el cual se distribuye el desgaste del material abrasivo. El proceso de pulido se define por la secuencia de los tamaños de las partículas abrasivas utilizadas en los cabezales, por la velocidad de las baldosas a lo largo de la línea, por la velocidad de rotación de cada cabezal y por la fuerza que éste ejerce sobre la pieza. Una línea típica puede utilizar hasta unos 30 cabezales, donde dos o, en algunos casos, inclusos más cabezales suelen llevar el mismo tamaño de partícula abrasiva. La superficie de la baldosa se lava con un chorro de agua para lubricar el proceso, aportar enfriamiento y eliminar los residuos.
Las condiciones de la presión de contacto y la cinemática del abrasivo/baldosa en el proceso industrial se han analizado en un trabajo anterior, utilizándolas para diseñar
un equipo a escala de laboratorio que permite reproducir las características claves[1,2]. Este
dispositivo se ha utilizado para realizar los experimentos de laboratorio en la Universidad de Cambridge. En este aparato, el material abrasivo se encuentra en forma de un pequeño cilindro, de 12 mm de diámetro y 12 mm de largo, que presiona contra la superficie de
una muestra de baldosa cuadrada (100 mm2) que gira, como se puede observar en el
esquema de la figura 1. Las condiciones utilizadas para los ensayos de laboratorio han sido las siguientes: velocidad de giro de la baldosa 300 r.p.m.; velocidad de giro del cilindro abrasivo 150 r.p.m.; carga aplicada 17 N. Un tiempo de pulido de 30 segundos correspondía aproximadamente a la misma medida de abrasión (número de pases del abrasivo sobre un punto en la superficie de la pieza) que la experimentada por una baldosa que pasa por un cabezal individual en el proceso de pulido industrial habitual.
Figura 1. Diagrama esquemático del dispositivo de laboratorio, donde se puede observar el movimiento de la muestra de baldosa cuadrada (con velocidad rotacional ω1) con relación al cilindro abrasivo (velocidad rotacional ω2)
Los ensayos a escala piloto se realizaron en ITC, Castellón, con un dispositivo diseñado a propósito con un solo cabezal de pulido industrial (Ancora S.p.A., Italia) montado sobre una cinta transportadora reversible; el control completo sobre el sistema permitía reproducir las condiciones de una línea industrial para el pulido de baldosas individuales. A continuación, se han realizado ensayos a escala real en una línea de pulido industrial (Levitile Ibérica S.A., España).
En todos los ensayos se han utilizado bloques abrasivos comerciales tipo que contienen grana de carburo de silicio en una matriz de cemento de oxicloruro de magnesio, y piezas de gres porcelánico de alta calidad fabricadas por un proceso industrial. Se han caracterizado las superficies de las baldosas en las diferentes fases del proceso de pulido, midiendo su rugosidad (RA) y brillo óptico (G) a un ángulo de incidencia normalizado de 60º.
3. resultadOs Y discusión
3.1. ENSAyoS A ESCALA DE LABoRAToRIo
La figura 2 presenta la evolución del acabado superficial en los ensayos de laboratorio utilizando una secuencia completa de tamaños de grana abrasiva, representativa de la práctica industrial (de malla 36, 46, 60, 80, 100, 120, 180, 240, 280, 320, 400, 600, 1000, 1500). Para cada tamaño de abrasivo, hasta e incluyendo el de malla 1000, la muestra fue pulida durante 60 segundos, correspondiente al pase por dos cabezales en una línea industrial. A continuación se sometían las muestras a pulido durante tres períodos secuenciales de 60 segundos, cada uno con el abrasivo más fino (de malla 1500). Se ha demostrado que, con la secuencia completa de 14 diferentes tamaños de grana (desde el tamaño de malla 36 hasta el 1500), los cambios superficiales medidos en el laboratorio eran muy parecidos a los observados en un proceso industrial utilizando
la misma secuencia de tamaños de grana[1, 2].
Figura 2. Evolución de la rugosidad y del brillo superficial de la baldosa en función del número de grana (tamaño de malla) para la secuencia completa de las fases de pulido (de acuerdo con la descripción en el texto) con el dispositivo de laboratorio.
Figura 3. Representación gráfica de los datos de la figura 2
en función del número equivalente de cabezales de pulido en una línea industrial
Sin embargo, si estos datos se vuelven a representar gráficamente en función del número equivalente de las fases de pulido (es decir, como una secuencia simulada de fases a través de los cabezales en una línea industrial), como se puede apreciar en la figura 3, se observa claramente que determinados tamaños de abrasivo influyen de forma mucho más reducida en el brillo y la rugosidad que otros. Asimismo, se ha observado también que la mayoría de los cambios producidos por un tamaño de abrasivo concreto tuvieron lugar en los primeros 30 segundos del pulido (correspondiente al pase por un solo cabezal en una línea industrial). Por consiguiente, se ha ensayado una secuencia reducida, con la utilización de solamente diez tamaños de abrasivo (tamaños de malla de 36, 46, 60, 100, 180, 240, 400, 600, 1000, 1500). La muestra cerámica se ha sometido a pulido durante 30 segundos con cada tamaño (correspondiente al pase por un solo cabezal), con excepción del tamaño de malla 1500, utilizado durante tiempos de 30, 60, 90, 120 y 150 segundos. Los resultados obtenidos se han representado en la figura 4, en función del número de grana (figura 4a) y del número equivalente de los cabezales de pulido (figura 4b). En estas figuras se puede observar que, en principio, y bajo las condiciones del laboratorio, se podía obtener esencialmente el mismo acabado superficial final (con un nivel de brillo final de aproximadamente 70%) mediante la utilización de esta secuencia más corta de 14 cabezales, que el resultante de una secuencia de 34 cabezales en una secuencia industrial simulada. Asimismo, probablemente no se podrá conseguir una reducción adicional significativa del número de fases de pulido, incluso en condiciones ideales. Es evidente que el traslado de estos resultados a escala industrial requiere un cierto margen, para poder sustituir los bloques abrasivos gastados sin tener que parar la línea.
Figura 4. Evolución de la rugosidad y del brillo superficial de la baldosa en función del número de grana (tamaño de malla) para la secuencia abreviada de las fases de pulido (de acuerdo con la descripción en el texto) en el dispositivo de laboratorio.
(a) gráfico superior: datos representados en función del tamaño de la grana abrasiva; (b) gráfico inferior: datos representados en función de los cabezales de pulido en una línea industrial
3.2. ENSAyoS A ESCALA PILoTo y A ESCALA INDUSTRIAL
Se han realizado ensayos adicionales con la instalación a escala piloto para determinar si la secuencia abreviada descrita anteriormente podría implantarse a una escala superior. Los ensayos se realizaron con la siguiente secuencia de nueve tamaños de grana: 46, 60, 80, 150, 220, 320, 600, 1000, 1200. Para cada tamaño de abrasivo el tiempo de pulido mínimo alcanzable correspondía a la acción entre uno y dos cabezales en una línea industrial. Se midió la evolución del brillo y de la rugosidad y se comprobó que los valores obtenidos eran muy similares a los observados en los ensayos de laboratorio. Por lo tanto, a continuación, se llevaron a cabo los ensayos a escala industrial.
Figura 5. Tamaños de grana abrasiva utilizados en la secuencia de los cabezales de pulido en una línea industrial habitual (diagrama superior) y en la secuencia abreviada utilizada en los ensayos industriales (diagrama inferior).
En la figura 5 se puede observar la secuencia habitual de los tamaños de abrasivo utilizados en la línea de pulido industrial, con la utilización de 18 tamaños diferentes en 30 cabezales de pulido. El proceso industrial también utilizó una fase final adicional con las partículas abrasivas todavía más pequeñas (lux); sin embargo, para los propósitos de estos experimentos, no se ha utilizado esa fase. El comportamiento del proceso tipo se ha comparado con los resultados de una secuencia de 11 tamaños de grana: de malla 46, 60, 80, 120, 150, 220, 320, 400, 600, 1000, 1500, en 21 cabezales. En cada caso, con excepción del tamaño de malla 1500, se han utilizado dos cabezales para que cada tamaño de grana proporcionara una cierta redundancia; existía solamente un único cabezal que llevaba el abrasivo de malla 1500, como se puede apreciar en la figura 5.
Después de establecer unas condiciones constantes en la línea, se paró la línea y se extrajeron las muestras de las piezas en cada fase para la medida de la rugosidad y del brillo. Los resultados se presentan en la figura 6. En la figura 6a se puede apreciar la evolución de la rugosidad y del brillo con el número de grana, para las medidas tomadas en la línea industrial con la secuencia habitual de los cabezales utilizados para la producción habitual (puntos rojos) y con la secuencia abreviada de acuerdo con la descripción anterior (triángulos azules). Asimismo, en la figura 6b, se representan también los datos del brillo en función del número de cabezales de pulido.
Figura 6. Evolución de la rugosidad y del brillo superficial para las baldosas extraídas de la línea de pulido industrial para la secuencia habitual de fases de pulido (puntos rojos)
y para la secuencia abreviada utilizada en los ensayos (triángulos azules): (a) gráfico superior: datos representados en función del tamaño de grana abrasiva; (b) gráfico inferior: datos representados en función del número de cabezales de pulido.
Los resultados de la figura 6 demuestran claramente las ventajas potenciales de la secuencia abreviada, con la cual se obtiene esencialmente el mismo valor final del brillo, aproximadamente 70%, con 21 cabezales, comparada con la secuencia de 30 cabezales en el proceso habitual.
La secuencia utilizada en los ensayos a escala real podrá, casi seguramente, ajustarse todavía más. Sin embargo, incluso con el sistema investigado aquí, podrían existir potenciales beneficios significativos derivados de varias fuentes. La reducción en un 33% del número de cabezales reduciría los costes correspondientes del consumo de energía, así como de los costes de sustitución y mantenimiento del equipo. Asimismo, se obtendría también una reducción del consumo de los bloques abrasivos, de la mano de obra necesaria para sustituir los bloques y mantener la línea, del número de bloques de reposición a tener en stock en la fábrica, y del intervalo de tamaños de abrasivo a almacenar. La reducción del número de cabezales que llevan las partículas abrasivas grandes (número de malla <400) representa un ahorro del 35% y, puesto que son las partículas abrasivas más grandes que eliminan la mayor parte del material de las
baldosas[3], esto daría lugar a una reducción correspondiente de la cantidad de residuos
de pulido generada por el proceso.
La reducción de la cantidad de material eliminada de las baldosas podría, sin embargo, conducir a un incremento en la proporción de bajas, si el material no se elimina hasta la profundidad necesaria para compensar el daño y los defectos introducidos en las fases iniciales de nivelado y calibración del proceso; estos aspectos tendrían que considerarse en cualquier implantación práctica de los resultados de esta investigación.
4. cOnclusiOnes
Los resultados de este trabajo indican que se podrían obtener ventajas econonómicas en el pulido comercial de las baldosas, mediante el uso de un conjunto limitado de tamaños de abrasivo. Se han obtenido esencialmente los mismos niveles finales de brillo con la reducción de una tercera parte del número de cabezales de pulido en una línea industrial. Es posible que se puedan alcanzar incluso reducciones adicionales. Sería posible obtener beneficios significativos con un número reducido de fases de pulido, que podrían conducir a una reducción del consumo de abrasivos, al ahorro energético, a la reducción de los costes de mantenimiento de la planta y de la mano de obra, así como una disminución del intervalo de los tamaños de abrasivo a tener en stock por motivos de reposición; por otra parte, existirían también beneficios por la reducción de la cantidad de residuos de pulido generada por el proceso.
BiBliOgraFía
[1] HUTCHINGS, I.M.; ADACHI, �.; XU, y.M.; SÁNCHEZ, E.; IBÁÑEZ, M.J. Simulación a escala de laboratorio del proceso de pulido industrial de baldosas cerámicas. En: Actas del VIII Congreso Mundial de la Calidad del
Azulejo y del Pavimento Cerámico. Castellón. Cámara oficial de Comercio, Industria y Navegación, 2004.
pp.GI-19-31
[2.] HUTCHINGS, I.M.; ADACHI, �.; XU,y.; SÁNCHEZ, E.; IBÁÑEZ; M.J.; QUEREDA, M.F.. Analysis andAnalysis and laboratory simulation of an industrial polishing process for porcelain ceramic tiles. J. Eur. Ceram. Soc., 25, 3151-3156, 2005.
[3] SÁNCHEZ, E.; GARCIA-TEN, J.; IBÁÑEZ, M. J.; oRTS, M.J.; CANTAVELLA, V.; SÁNCHEZ; J.; SoLER, C. Polishing porcelain tile: Part 1: wear mechanism. Am. Ceram. Soc. Bull. 81(9), 50-54, 2002.
