Segunda Etapa- experimentación con molde- fase 1
Se desarrollo el molde en un software de CAD (PRO-E) fig. V -1.2. En este molde se pueden apreciar diferentes diámetros de folículos en cada una de las probetas. Esto se realizo con el fin de que se pudiera experimentar hasta que tamaño era posible realizar el recubrimiento con el lodo cerámico de tal forma que .penetrase en los folículos sin dificulta alguna. Así mismo se quiso realizar estas diferencias en tamaño de folículo para experimentar la osteo-integración, pruebas de adhesión, recubrimientos con cerámicos y propiedades mecánicas diversas.
Fig. V-1.2- Diseño de molde en CAD para hacer las probetas muestra. Diforentes diámetros en cada muestra se proponen para probar las propiedades mecánicas y de adhesión en cada una de estas muestras.
Los diámetros mostrados en la figura V -1.2 son como siguen de izquierda a derecha:
• Muestra 1: diámetro folicular- 1mrn, profundidad- 1.5mm
• Muestra 2: diámetro folicular- 0.5mm, profundidad- 0.75mm
• Muestra 3: diámetro folicular- 1.5mm, profundidad - 2mrn
• Muestra 4: diámetro folicular- 1mm, profundidad- 1.25mm
Segunda Etapa - experimentación con molde- fase 2
Se hizo uso de refractarios para hacer las muestras uniformes bajo el siguiente mecanismo.
Ver figura V-1.3.
Se vertió la cera a 42°C en el molde a una temperatura de 20°C. Una vez que las muestras en cera tomaban un poco de consistencia, es decir, se volvían solidas, se sacaban del refractario.
• Con un dado previamente desarrollado se procedía a hacer los folículos.
• Y a con los folículos hechos, se comprimía la muestra de tal forma que se cerraran un poco estos folículos en la parte superior y se dejaba reposar para que la cera alcanzase su resistencia máxima.
• Una vez teniendo la muestra, se insertaba el lodo cerámico en los folículos asegurándose bien que estos fueran rellenados por completo, para después proceder a las capas de lodo 1 cerámico.
Fig. V-1.3 - izq. - Refractario para hacer los modelos en cera. Der. 1 - Modelo de cera, 2 - segunda capa de lodo cerámico. 3 - 6 cavas de lodo cerámico.
V -1.1 Cera
Las ceras son ácidos grasos con alcoholes de peso molecular elevado, es decir, son moléculas que se obtienen por esterificación de un ácido graso con un alcohol monovalente lineal de cadena larga. Por ejemplo la cera de abeja. Son sustancias altamente insolubles en medios acuosos y a temperatura ambiente se presentan sólidas y duras. En los animales la
BTP.T ¡.'
podemos encontrar en la superficie del cuerpo, piel, plumas. En vegetales las ceras recubren en la epidermis de frutos, tallos, junto con la cutícula o la suberina, que evitan la pérdida de agua por evaporación en las plantas.
La deformación de patrones de cera tiene un gran efecto con mecanismos de derechos de emisión. Rosenthal (1979) y Okhuysen indicaron que la contracción de la cera es uno de los mayores componentes del cambio dimensional entre el modelo de herramientas y su parte correspondiente de reparto. Es decir, que el cambio dimensional en la cera en las diferentes etapas del método de fundición a cera perdida (investment casting) es de suma importancia para las propiedades dimensionales finales de la muestra.
Si bien los patrones de cera fueron modelados originalmente a mano, y esto todavía se hace, ahora es posible echar la cera en moldes por lo que las copias múltiples pueden realizarse a pesar de que el patrón de cera se pierde en el proceso
El control de las dimensiones de los patrones de cera es un paso crítico en las consideraciones de la inversión del proceso. Con el fin de predecir el modelo de los cambios dimensionales asociados con procesamiento de la cera deben ser evaluados de forma correcta estos, para no tener dificultades futuras.
Tabla V-1.1.1- Propiedades termo flsicas de la Cerita. [7/
Temperature Specifíc Temperature Specific Temperature Thermal
COC)
HeatCOC)
Heat ("C) Conductivity(J/gK) (J/gK) (W/mK)
25.00 2.2925 49.10 6.0096 21.0 0.211
*
30.00 2.6742 53.91 3.0489 56.0 0.211
35.00 3.3337 55.50 2.7384 62.0 0.193
45.00 6.0332 60.00 2.5429 67.0 0.158
47.50 6.3725 80.00 2.2677 97.0 0.154
*
La conductividad térmica (thermal conductivity) se supone que es constante a bajas temperaturas, ya que, debido a la contracción de la cera, hay un mal contacto entre el sensor y la cera que produce una cantidad irreal de baja conductividad térmica.Las ceras utilizadas en la industria de la fundición de precisión son una mezcla de polímeros semicristalinos, aditivos y rellenos. Para ceras de prueba, la región vidriosa se
produce a temperaturas inferiores a 20°C. Al aumentar la temperatura las ceras se van suavizando gradualmente.
.
Las propiedades viscoelásticas de las ceras se pueden medir usando un análisis dinámico mecánico. Los datos sobre las propiedades viscoelásticas se utilizarán para estimar la deformación de la cera y la consiguiente contracción de derechos de emisión durante el proceso.
Inyección o vaciado en molde para ceras
Si se utiliza una inyección lenta, hay más tiempo disponible durante la inyección de la cera para que el molde se enfríe y aumente la viscosidad. Esta condición generalmente requiere una mayor presión para llenar el molde debido a la mayor resistencia al flujo del material.
Si conocemos y preparamos la temperatura de la cera antes de la inyección eliminará una gran cantidad de defectos. La cera es más efectiva si se lleva a cabo dentro de un estrecho rango de temperatura. La inyección de cera 2°C superior a una temperatura de inyección normal, le puede causar imperfecciones en la superficie de los modelos. Las imperfecciones de una cera a temperatura incorrecta pueden ser:
• Cambios de las dimensiones de modelo final
• El exceso de flash en los patrones de cera
• Reducción de los huecos o patrones de talla inferior
• Aumento de la duración de los ensayos
• Aire encapsulado en los modelos debido a la turbulencia en el troquel
Si la cera se vierte al molde muy fría puede causar imperfecciones que no pueden ser corregidas con tal solo aumentar la temperatura de la cera ya que hay componentes derretir que cristalizan la cera una vez cuando están por debajo de su temperatura de solidificación.
Si se levanta la temperatura de la cera, estos cristales templados no se ablandan lo suficiente para mezclarse de nuevo en la fórmula de la cera.
La mejor solución es elevar la temperatura por encima del punto de fusión de la cera. Esto licua la masa fundida de y permite a la mezcla de ser verdaderamente homogeneizada de nuevo a su estado original. La temperatura puede ser después bajada a la temperatura de inyección recomendada.
Diagrama de bloques a seguir en proyecto
Se presenta el resumido proceso seguido durante todo el proyecto para la obtención de superficies biofoliculares en probetas de acero inoxidable.
• Pl'ecalentado de cera a 42°C- F'J0-6 Cerita Wax Argueso
• Vaciado de cera en moldes para la creación de probetas muestra sin folículos
• U na vez extraídas las muestras del molde. se procede a crear po:ws con un dado prefablicado. Cada poro núde 1116 .. ele difunetl'o y 900 Jllll de proftmdidad
• Ya te1úendo el modelo con pol'os. se procede a lUla compresión del modelo a lUla carga de 50Kg a 80Kg: esto con el fin de fonnar los folículos.
• Una vez finalizado el modelo en cera. se conúenzan a poner las primeras capas del lodo ceránúco.
esto es: 1 baño cerá:núco y después un espolvoreada ele ceránúco solido mas gmeso.
• Finalizado el molde cen'múco. se procede a removerla cera que esta adentro del molde
• Acabado el molde ceránúco se sinteriza en homo a 850°C. con el objetivo de remover cnalqlúer remanente de cera que quede adentro del molde.
]
Fig. V-1.1.1 - Proceso por diagrama de bloques a seguir para la creación de probetas muestra con superficies foliculares para el análisis y factibilidad de pruebas biológicas.
V -
2 Creación de árbol para vaciado y sinterización de moldes
La creación del árbol para vaciado fue realizada con 7 capas de lodo cerámico, cada capa aportando aproximadamente lmm de espesor quedando de 7mm final. Se hicieron 3 árboles para el primer vaciado, dos árboles tienen 4 muestras y uno tiene 5. La figura V -2.1 muestra una fotografia de uno de los arboles que contiene 5 probetas.
Los pasos teniendo un modelo en cera para antes de vaciar son:
a. El recubrimiento repetido de capas de lodo cerámico.
b. El vaciamiento de cera también llamado "descerado" para sacar la cera del molde antes de pasar al proceso de sinterización.
c. Un pre-sinterizado para quitar cualquier partícula de cera.
d. Sinterizado (que se explica a continuación)
Fig. V-2.1 - Árbol de probetas con folículos para vaciado de metal fundido.
La sinterización es el tratamiento térmico de un polvo o compaetado metálico o cerámico a una temperatura inferior a la de fusión de la mezcla, para incrementar la fuerza y la resistencia de la pieza creando enlaces fuertes entre las partículas.
En la fabricación de cerámicas, este tratamiento térmico se transforma de un producto en polvo a otro compacto y coherente. La sinterización se utiliza de modo generalizado para producir formas cerámicas de alúmina, berilia, ferrita y titanios.
En la sinterización las partículas coalescen por difusión al estado sólido a muy altas temperaturas, pero por debajo del punto de fusión del compuesto que se desea sinterizar. En el proceso, la difusión atómica tiene lugar entre las superficies de contacto de las partículas a fin de que resulten químicamente unidas.
Los árboles sinterizados para el vaciamiento de un metal para observar la formación de folículos fueron precalentados en un horno eléctrico a temperaturas de 150°C para después ser llevados un horno de gas y darle el sinterizado a temperaturas de 840°C durante un lapso de 2.5 horas.
La figura V -2.2 muestra unas fotografías tomadas del proceso de sinterización en donde claramente se observa las muestras de color obscuro al comienzo del proceso, esto se da ya que las piezas contienen impurezas (cera, polvo, humedad, etc.). Ya avanzado el proceso se observan las piezas calientes de un solo color.
Fig. V-2.2-moldes cerámicos en proceso de sinterización; temperatura 840°C.
Es aquí en donde la pieza adquiere la resistencia y fuerza para realizar su función. Se podría decir que en este proceso ocurre una difusión atómica y las partes unidas durante el proceso de compactación se fortalecen y crecen hasta formar una pieza uniforme. Esto puede inducir a un proceso de recristalización y a un incremento en el tamaño de los granos. Esta operación, casi siempre, se lleva a cabo dentro de un ambiente de atmósfera controlada y a temperaturas entre el 60 y 90% de la temperatura de fusión del mayor constituyente.
V- 2.1 Características del líquido cerámico
La preparación de la mezcla cerámica, que se compone de polvo refractario y un sistema de pegante coloidal en donde el modelo se introduce en la mezcla (baño húmedo, ver tabla V- 1.1) y después se hace aspersión de polvo cerámico (baño seco), para luego ser secado. Esta operación se repite hasta que se tiene el espesor requerido de la cáscara o molde cerámico, que en este caso fue de 7mm.
El recubrimiento cerámico de los árboles de colada en cera tiene el objeto de formar una pared cerámica la cual pueda soportar la presión metalostática cuando se vacíe la aleación.
Esto se realiza con la aplicación de capas de cerámicos refractarios en estado coloidal. Para mayor facilidad, este proceso se describe en dos etapas; la primera es la preparación de los lodos cerámicos y su acondicionamiento, y la segunda etapa, es el proceso del recubrimiento cerámico de los árboles en cera.
Material a utilizar:
• Aglutinante (Sílice coloidal), en este caso se utilizó la sílica princote de la compañía Ramson & Randolph
• Arena de zirconio de malla # -80+ 100
• Arena sílica de malla# -50+ 100
• Arena sílica de malla# -30+50
• Arena sílica de malla# -325
• Arena de zirconio de malla# -350.
Tabla V-1.1- Composición qufmica del lodo cerámico
1 L de aglutinante Sílice coloidal
1.9 Kg de Mezcla de arena 300/o Arena Sflice 1 700/o Zirconio Agua destilada para ajustar La que se requiera para ajuste
viscosidad
Para el diseño de colada, no se utilizó ningún software debido a que la geometría simétrica de los patrones dejó de representar un problema para poder obtener las muestras prototipo sanas.
El lodo se prepara con un 1 litro de aglutinante (sílice coloidal) por cada 1.9 Kg de mezcla de arena (30% de arena sílice # -325 y 70% de zirconio # -350). Y se ajusta la viscosidad con agua destilada hasta obtener la viscosidad requerida por el usuario.
V- 2.2 Procedimiento para el recubrimiento cerámico
Primera capa
Se derramó el lodo cerámico sobre la superficie del árbol hasta formar una capa uniforme, permitiendo que escurran los excesos de lodo. Se dejó secar en una sala acondicionada a la temperatura de 20° a 25 ° C con una humedad relativa de 50 a 60 % durante 2 horas.
Segunda capa
Se sumergió el árbol en el segundo lodo hasta obtener una capa uniforme dejando escurrir los excesos. Después se le aplicó por el método de lluvia una mezcla de arena de malla
#80 lOO (70% arena de zirconio 30% arena sílica) hasta obtener una capa uniforme. Se deja secar nuevamente a la temperatura y humedad antes señalada durante 2 horas.
Tercera capa
Se sumerge el árbol en el lodo hasta obtener una capa uniforme dejando escurrir los excesos. Después se sumergió ( estocado de árbol) en el primer lecho fluido hasta que se obtuvo una capa uniforme y la arena deje de adherirse. Se dejó secar nuevamente a la temperatura y humedad antes señalada durante 2 horas.
La cuarta, quinta y sexta capas se aplicaron de la siguiente manera:
Se sumergió el árbol en el segundo lodo hasta obtener una capa uniforme. Después se sumergió ( estocado de árbol) en el segundo lecho fluido hasta que se obtuvo una capa uniforme y la arena deje de adherirse. Se deja secar nuevamente a la temperatura y humedad antes señalada durante 2 horas.
Fig. V-2.2.1 -Árboles listos con su última capa.
Sello final
En el último paso el árbol se sumergió una vez más en el segundo lodo hasta recubrirlo por completo, después se dejó secar a una temperatura de 20° a 25° C con una humedad relativa de 50 a 60 % durante 24 horas.
V -2.3 Viscosidad
La viscosidad es la oposición de un fluido a las deformaciones tangenciales. Un fluido que no tiene viscosidad se llama fluido ideal. En realidad todos los fluidos conocidos presentan algo de viscosidad, siendo el modelo de viscosidad nula una aproximación bastante buena para ciertas aplicaciones.
La viscosidad es la propiedad más importante de los fluidos, y por tanto esta requiere la mayor consideración en el estudio del flujo de fluidos. La viscosidad de un fluido depende de su temperatura. Es por eso que en los líquidos a mayor
Fig. V-2.2.2 - Viscosímetros Copo liJhn para medir viscosidad.
temperatura la viscosidad disminuye mientras que en los gases sucede todo lo contrario.
Es aquella propiedad de un fluido por virtud de la cual ofrece resistencia al corte. Esta se puede clasificar en newtonianos, donde hay una relación lineal entre la magnitud del esfuerzo cortante aplicado y la rapidez de deformación resultante, y en no newtonianos, donde tal relación lineal no existe. La Ley de la viscosidad de Newton afirma que dada una rapidez de deformación angular en el fluido, el esfuerzo cortante es directamente proporcional a la viscosidad.
Viscosidad para el proyecto es de 8 segundos - medida con Viscosímetro Copo-Zahn #4.
Para este caso, la viscosidad juega un papel muy importante ya que la tensión superficial del lodo cerámico podría no permitir que el lodo entre a los folículos que son de dimensiones muy pequeñas.