La nanotecnologia

La nanotecnologia

El progrés tan impressionant que ha tingut l'electrònica ha estat causa de la possibilitat d'aconseguir dispositius cada vegada més diminuts, el que permès fabricar circuits molt complexos d'una mida raonable.

Quan es fabriquen objectes de grandària de l'ordre del nanòmetre comencen a mostrar-se els efectes quàntics i les seues propietats canvien substancialment, de vegades això és un avantatge i en altres un desavantatge.

El començament

Encara que l'origen de la nanotecnologia pot fixar-se en la invenció del microscopi d'efecte túnel (STM) per Binning i Rohrer el 1981 ja en l'antiguitat es donava color a vidres amb la inclusió de partícules de grandària nanomètrica que interaccionaven amb la llum.

El microscopi d'efecte túnel consistia en una punta metàl·lica acabada en un o pocs àtoms i que mitjançant un sistema de control es mantenia a una alçada estable sobre una superfície mentre la recorre en escombrats successius. Les variacions de distància de la punta a la superfície es detecten observant els canvis en la intensitat de corrent entre la punta i la superfície a causa de l'efecte túnel i que varia exponencialment amb la distància. Dibuixant mitjançant un ordinador el senyal que s'ha enviat a la punta per mantenir la distància constant podem obtenir un gràfic de la superfície. Aquest microscopi permet observar els àtoms individuals.

Els microscopis de força atòmica desenvolupats posteriorment permetien a més observar superfícies que no eren conductores, cosa que els feien més versàtils.

Amb aquests microscopis més es podien desplaçar àtoms sobre la superfície per a escriure textos o fabricar dispositius.

Mètodes de fabricació

En l'actualitat els mètodes de fabricació es poden dividir entre els de baix a dalt i els de dalt a baix.

Els mètodes de baix a dalt pretenen formar estructures més grans a partir de blocs més petits. Entre aquestes tècniques tenim les que utilitzen molècules d'ADN per produir altres amb una disposició concreta, l'tècniques de autoensamblatge que aconsegueixen que diversos components de molècula única s'unisquen en configuracions prefixades i els microscopis de força atòmica que aconsegueixen dipositar substàncies sobre una superfície seguint un patró desitjat.

Les tècniques de dalt a baix creen dispositius petits utilitzant altres més grans per dirigir el seu muntatge. Els processos de fotolitografia emprats en la fabricació de circuits integrats ja fa temps que aconsegueixen mides prou petits per a ser considerats nanotecnologia. Amb aquestes tècniques s'aconsegueixen també fabricar dispositius nanoelectromecanics o nanomàquines i no només electrònics. Amb dolls de ions focalitzats s'aconsegueixen dipositar o remoure substàncies a escales nanomètriques.

Nous materials

Nous materials

Els materials es poden classificar en dos grups, materials estructurals o funcionals.

Materials estructurals

Els materials estructurals són els que es fan servir per les seues propietats mecàniques i s'utilitzen en grans quantitats, per exemple tenim els metalls, plàstics, fusta i ceràmiques.

Materials funcionals

Els materials funcionals no són útils per les sevues propietats mecàniques sinó per les químiques, magnètiques o electròniques. Alguns exemples són:

Materials fosforescents. Es il·luminen en incidir sobre ells electrons a gran velocitat. S'utilitzen en les pantalles i monitors de tub.

Aliatges de neodimi-ferro-bor o de cobalt-samari per a la fabricació dels millors imants permanents.

Cristalls líquids per a la fabricació de pantalles planes de televisió i ordinador.

Biomaterials que no causen rebuig en ser implantats. N'hi ha polimèrics, metàl·lics, ceràmics, vitris.

Nanomaterials

Actualment s'estan investigant materials que presenten estructures a escala nanoscòpica, de l'ordre de la milionèsima de mil·límetre, que reben el nom de nanomaterials. Entre ells tenim:

Materials orgànics, creats per virus modificats i que s'usen en sistemes òptics i electrònics.

Materials intel·ligents que poden autoreparar-se o recuperar la forma prèvia a una deformació complexa.

Materials nanocompostos fabricats amb molècules orgàniques i inorgàniques per fabricar components electrònics més petits i ràpids.

Teoria i pràctica de la impressió 3D

Teoria i pràctica de la impressió 3D

Un mètode de fabricació que s'està estenent últimament és el de la impressió 3D.

En aquest mètode una bobina de plàstic es fa passar per un forat fi o extrusor alhora que s'escalfa. El plàstic fos es diposita per capes sobre una superfície per fabricar l'objecte desitjat. Perquè el capçal d'extrusió arribe a qualsevol punt es mou de baix a dalt i d'esquerra a dreta. La base es mou de davant a enrere.

Passos a seguir

La fabricació d'un objecte requereix en primer lloc del seu disseny amb un programa de gràfics en 3D. La figura obtinguda es transforma en capes mitjançant una altra aplicació. I Finalment la impressora diposita una capa sobre una altra creant, si cal, estructures temporals per sostenir la figura mentre s'imprimeix.

Disseny

En el nostre cas utilitzarem l'aplicació Tinkercad que no requereix instal·lació i s'executa a través del navegador després de registrar-nos. Una vegada elaborada la figura li posarem el nom que vulguem i la exportem en format STL. També podem utilitzar qualsevol altre programa de disseny gratuït com Blender o Sketch Up.

Conversió en capes

Per passar la figura 3D a capes utilitzem el programa CURA 3D. En aquest programa haurem de tenir en compte si volem escollir l'opció crear una base o no, si volem crear una estructura de suports temporals per a les parts en voladís i si l'objecte ho volem farcit totalment o amb una estructura densa o poc densa en el seu interior . El programa ens permet posar diversos dissenys 3D per imprimir-les conjuntament. Per acabar, el programa ens demana exportar el fitxer de capes a una unitat extraïble, preferiblement una memòria SD.

Impressió

La impressora que disposem a l'institut és un model Prusa Mendel i3. Abans d'imprimir hem de fer una mica de laca sobre la superfície perquè la figura quede adherida. Un cop introduïm la memòria SD pressionem la roda al costat de la pantalla i seleccionem el fitxer que volem imprimir. La impressora escalfarà la superfície on s'ha d'imprimir l'objecte i el capçal d'extrusió. Quan la superfície s'ha aconseguit 60 ºC i el capçal 200 ºC començarà a imprimir. El temps que es tarda a imprimir la figura depèn de la seua mida i pot ser de diverses hores.

El processat del material plàstic(II)

El processat del material plàstic(II)

Filat

Es trituren els grànuls de plàstic i es converteix en pols. El polímer en pols s'introdueix juntament amb nitrogen que crea una atmosfera anaeròbia. La pols passa a través d'una reixa calenta i es fon. El polímer fos passa a través d'unes filtres amb múltiples forats per obtenir fins fils. Aquests fils es refreden amb un raig d'aire o aigua freda i després s'estiren i s'enrotllen en bobines. Amb aquest procés es fabriquen els fils de les fibres tèxtils.

Laminat

Per obtenir làmines fines es poden utilitzar dos processos. El laminat per extrusió per bufat o el calandratge.

El laminat per extrusió amb bufat es fa passar el polímer fos a través d'un filtre en forma d'anell amb un raig d'aire que surt des de l'interior de l'anell, obtenint una pel·lícula fina en forma de cilindre. Posteriorment el plàstic pren forma de làmines ajudat per uns rodets que fan de guia i es solidifica. Amb aquest mètode es fabriquen rotllos de film transparent i bosses.

Al calandratge es comprimeix la massa de plàstic entre rodets calents que giren en sentit contrari i el pressionen per poc a poc anar obtenint una làmina fina, encara que no tant com amb el mètode anterior. S'utilitza per exemple per fabricar estovalles de plàstic.

Espumació

Per fabricar escumes plàstiques s'introdueix aire en el material mitjançant agitació, insuflació o mitjançant un producte escumant. A continuació se li dóna forma amb els sistemes d'injecció, extrusió o calandratge. El material obtingut és molt lleuger. S'utilitza aquest mètode per fabricar esponges o matalassos.

Emmotllament al buit

Es col·loca sobre un motlle una làmina fina de material plàstic de manera que done suport bé sobre les vores. Un cop aplicat el tancament la planxa és escalfada per la part superior amb unes llums infraroges i per la part inferior s'extreu l'aire a través d'uns forats. L'aire pressiona des de dalt i la làmina adquireix la forma del motlle pegant-se a les seves parets. Amb aquesta tècnica es fabriquen peces de poc gruix, per exemple safates de bombons o d'ous.

El processat del material plàstic (I)

El processat del material plàstic (I)

Emmotllament per injecció.

S'escalfa el plàstic en forma de grànuls fins que es fon. Mitjançant un cargol giratori s'introdueix en un motlle. Quan s'ha solidificat es treu l'objecte produït del motlle. S'utilitza per fabricar cubs, plats, carcasses d'objectes i peces complexes.

Extrusió.

Mitjançant un cargol sense fi es pressiona el plàstic fos i se li fa passar per un filtre amb la forma desitjada. En traspassar el forat es refreda el plàstic amb un raig d'aire o aigua freda i es talla en seccions iguals. S'utilitza per a fabricar objectes de gran longitud i secció constant com, per exemple, bolígrafs.

Emmotllament per bufat.

El motlle s'obre per la meitat i s'introdueix un got fi de plàstic o preforma que s'ha escalfat prèviament. Es insufla aire a pressió i la preforma pren la forma del motlle, després s'obre el motlle i s'expulsa la peça. S'utilitza per fabricar ampolles, recipients i peces buides.

Emmotllament per compressió.

Una preforma de plàstic termoestable s'introdueix en una premsa amb la forma que volem obtenir. Es pressionen les dues parets del motlle mentre s'aplica calor i el plàstic pateix un procés de curat que permet formar un sòlid uniforme, rígid i homogeni amb gran resistència a les altes temperatures. Posteriorment uns ressorts empenyen la peça i la extreuen del motlle. Es fabriquen peces grans però no molt complicades com el quadre de comandament d'automòbils.

Elastòmers

Elastòmers

Cautxú (CA)

Són molt flexibles i resistents. El cautxú natural s'obté d'un suc lletós anomenat làtex que segreguen certs arbres tropicals quan se'ls fan petits talls en el tronc, en l'actualitat ha estat substituït en un gran percentatge per cautxú sintètic. S'usen per a la fabricació de rodes, cilindres d'impressores i impremtes, tubs flexibles, soles de sabates i guants.

Neoprens (PCP)

Són més resistents que el cautxú però menys flexibles. És incombustible. S'usen en corretges industrials, recobriments de cables i canonades, en vestits de busseig i roba de bombers.

Poliuretans (UP)

Són durs, resistents a l'abrasió i flexibles. Es classifiquen en dos grups ja que poden ser termoplàstics i termoestables. S'utilitzen en peces de vestir elàstiques de elastà o lycra, cintes transportadores, adhesius segelladors d'alt rendiment, pintures, preservatius, mànegues i en forma d'escuma per a seients o matalassos. Existeix a més la forma d'escuma rígida que es pot aplicar en forma d'esprai com aïllament d'edificis, estanys i canonades.

Silicones (SI)

Tenen com a base el silici i presenten bona estabilitat tèrmica i davant l'oxidació, són flexibles i tenen excel·lents propietats elèctriques. S'utilitza en pròtesis mèdiques, segellat de juntes, hules i altres aplicacions resistents a l'aigua.

Plàstics termoestables

Plàstics termoestables

Fenols (PF)

Tenen bones propietats elèctriques, tèrmiques i mecàniques i elevada resistència la corrosió química. No és apte per a recipients alimentaris. Normalment se li afegeixen càrregues per millorar la seva resistència. Es fan servir com a aïllants, dispositius elèctrics, carcassa de motors, botons, coles, adhesius, manetes, poms i mànecs d'estris de cuina, laminats de taulers.

Urea formaldehid (UF)

No tenen olor i són insensibles a la llum. Poden acolorir-amb facilitat. S'utilitzen en peces que han d'estar a l'exterior, plats, gots, interruptors elèctrics i com a revestiment de fogons, taules i cadires.

Amines (MF)

No fan olor ni sabor. Al combinar amb farcits de cel·lulosa s'obtenen productes barats amb bona rigidesa i resistència a l'impacte. S'utilitzen per a recipients alimentaris, com resina d'unió en taulers contraplacats, cascs d'embarcacions i recobriments per a paper.

Resines de polièster (UP)

Es combinen amb fibra de vidre i s'obtenen materials compostos de gran resistència. Resisteixen fins a 200 º C sense deteriorar-se. S'empra en carrosseries, panells de cotxes, esquís, canyes de pescar, avions, cascs d'embarcacions petites i com plaques transparents per a cobertes i teulades.

Resines epoxi (EP)

Tenen bona adhesió i bona resistència química i mecànica, són bons aïllants elèctrics, són fàcils de treballar. S'usen en adhesius de metalls, vernissos, recobriments de conductors elèctrics i circuits impresos i en revestiments de llaunes d'aliments i bidons.

Plàstics termoplàstics

Plàstics termoplàstics.

Policarbonat (PC).

És transparent, té gran resistència a l'impacte i una gran resistència mecànica (200 vegades més que el vidre). Té a més excel·lents propietats tèrmiques, químiques i elèctriques. S'usa en CDs, lents, visors per a cascos protectors, finestretes d'avió, escuts de policia ...

Clorur de polivinil (PVC). 

Té gran resistència mecànica, rigidesa i duresa, és molt resistent químicament i es pot barrejar molt bé amb additius que milloren les seves propietats. No flota a l'aigua. S'empra en tubs, canonades, conductes elèctrics, maletes, sabates, cortines de bany, mànegues, xeringues, discos de música.

Polietilè (PE).

És resistent a la corrosió, flota en l'aigua, al cremar-no contamina, el seu color és entre transparent i blanquinós, es pot pintar amb facilitat. Hi ha dos tipus.

Polietilè d'alta densitat (HDPE). Té una gran resistència mecànica, s'empra per a caixes, joguines, canonades, ampolles.

Polietilè de baixa densitat (LDPE). Té menys resistència que l'anterior, s'empra per a bosses, sacs de dormir, hivernacles.

Polipropilè (PP).

És molt barat i té una resistència acceptable, és més dur i menys flexible que el polietilè és resistent a la humitat i la calor. Flota en l'aigua. S'empra en maletes, tapadores de vàters, terrines de margarina, gespa artificial, ampolles, tubs i canonades, bosses, sacs, xeringues i precintat de caixes.

Polietilè tereftalat (PET). 

Transparent i impermeable a components gasosos. Més dens que l'aigua. Ampolles d'aigua i de begudes carbòniques, cinta de gravació, fibres tèxtils.

Poliestirè (PS). 

És transparent inodor i insípid, resisteix els agents externs però és una cosa fràgil. Es comercialitza en dues formes:

Poliestirè dur s'utilitza per rotllos de pel·lícula, cassets i cintes de vídeo, botons d'aparells, taulers d'automòbils, carcasses d'electrodomèstics, envasos de iogurts.

Poliestirè expandit o suro blanc, s'usa en aïllaments, transport d'electrodomèstics, safates d'aliments frescos.

Polimetacrilat (PMMA). 

És transparent i es pot pintar amb facilitat. S'utilitza en pilots d'automòbils, accessoris de bany, ulleres protectores, vidres d'avions i vaixells.

Acrilonitril-butadiè-estirè (ABS).

 És molt dur i resisteix altes temperatures. S'empra en carcasses de televisors, ordinadors, joguines de construcció i per utilitzar en impressores 3D.

Politetrafluoro etilè (PTFE).

També conegut com tefló. Conté fluor que li dóna propietats de antiadherència, resisteix les altes temperatures i agent químics agressius. És molt bon aïllant elèctric. S'usa com antiadherent en paelles i cassoles, juntes, coixinets i components elèctrics.

Tipus de plàstics

Tipus de plàstics

Termoplàstics

No suporten altes temperatures, quan s'escalfen s'estoven i es poden deformar. Es poden reciclar i reutilitzar, encara que al repetir aquest procés moltes vegades perden les seues propietats originals. Poden suportar fins a 150 ºC. Una excepció és el tefló, que suporta temperatures més altes.

Els seus polímers són lineals i ramificats. En escalfar-aquests polímers poden lliscar entre si adquirint noves posicions de manera que en solidificar el conjunt pot prendre una nova forma.

Termoestables

Suporten temperatures més altes, però quan és massa alta es cremen i no es poden reciclar. Es fabriquen escalfant a altes temperatures mentre se'ls dóna forma sotmetent-los a pressió, a aquest procés se li crida curat.
Alguns poden aguantar fins 400 ºC. Tenen major resistència als impactes i són més impermeables als gasos que els termoplàstics.

Els polímers formen una xarxa que en destruir ja no pot tornar a recompondre.

Elastòmers

Quan s'estiren poden recuperar la seua forma original tot i que se'ls haja deformat fins a augmentar la seua longitud 6 vegades la que tenien al principi. Pel seu comportament enfront de la temperatura la majoria són termoestables, però alguns són termoplàstics i es poden modelar a altes temperatures.

Els polímers que el formen estan plegats.

Propietats dels plàstics

Propietats dels plàstics.

Els plàstics no condueixen l'electricitat, tenen molt poca conductivitat elèctrica pel que se solen fer servir com a aïllants elèctrics, per exemple en els cables.

No condueixen bé la calor, tenen baixa conductivitat tèrmica. Per exemple s'usen en mànecs de paelles.

Tenen bona resistència mecànica tenint en compte el lleugers que són, per això es fan servir molt en la fabricació de joguines.

Molts plàstics cremen amb facilitat, són combustibles, ja que estan formats sobretot per carboni i hidrogen.

La majoria dels plàstics s'estoven amb la calor el que permet deformar en calent i fabricar objectes de formes complicades.

Els plàstics són materials molt barats el que ha fet juntament amb la resta de propietats que substituïsca molts materials més tradicionals com el metall, la fusta i la ceràmica.

Per la seua plasticitat és molt fàcil i ràpid fabricar objectes amb plàstics de manera que no només el material és barat sinó que els productes finals també ho són.

Té facilitat per combinar-se amb altres materials el que permet fabricar materials compostos amb millors propietats com el kevlar o la fibra de carboni.

També presenten alguns inconvenients, no suporten altes temperatures i si es cremen són molt contaminants.

Obtenció dels plàstics

Obtenció dels plàstics

Els plàstics.

Els plàstics són materials tous, flexibles i poc densos compostos principalment per carboni. Actualment es sintetitzen a partir de materials obtinguts del petroli, o el gas natural, encara que en els seus inicis al segle XIX s'obtenia a partir de matèria primera d'origen vegetal o animal i posteriorment del carbó.

Composició.

Els plàstics estan formats per molècules de grans dimensions o macromolècules. Cadascuna d'aquestes molècules està constituïda per la unió grups d'àtoms que es repeteixen formant una cadena. Cada agregat d'àtoms s'anomena monòmer i la unió encadenada de tots ells és un polímer. Els noms de cada polímer ens indiquen el monòmer del qual està constituït, per exemple el polietilè està compost per la unió de moltes molècules d'etilè.

Fabricació del plàstic.

De forma resumida el polímer s'obté introduint el monòmer en un reactor a alta pressió i temperatura. Alhora el reactor conté un dissolvent i un catalitzador que facilita la reacció química, a més se li poden introduir colorants i càrregues que abarateixen el producte i milloren les seues propietats físiques, químiques o mecàniques.

Després d'efectuada la reacció de polimerització el producte se separa del dissolvent i s'asseca. Finalment es tritura i es distribueix en forma de boletes, grànuls o pols.

Entrada des del correu

Aquesta es una entrada escrita des del correu

--

Francisco Reyes

La impressora

La impressora

En aquest blog usarem la impressora Prusa Mendel i3

Impressora Prusa Mendel i3

Presentació del blog 

 Aquest blog serà el PLE del tema Els plàstics i la impressió 3D per al curs V de capacitació en valencià de la UMH.