Regulación robusta de plasma con una extraordinaria precisión
La empresa estadounidense Linde Advanced Material Technologies Inc. (Linde AMT) es uno de los principales proveedores de sistemas para el revestimiento de superficies. En este contexto, la seguridad absoluta de las instalaciones es prioritaria. Con el apoyo de Bürkert, Linde AMT ha desarrollado una de las instalaciones de pulverizaciones de plasma más compactas y fiables del mercado.
La pulverización de plasma es un procedimiento de pulverización térmico para el revestimiento de superficies. Unos materiales, tales como cerámica, metales, cermets o polímeros, se funden y se pulverizan con una alta velocidad en superficies, generalmente sustratos metálicos. Las aplicaciones se sitúan, sobre todo, en la industria aeronáutica y aeroespacial, en la construcción de automóviles y turbinas o en la electrónica. Típicamente, el revestimiento mejora la resistencia al desgaste y a la corrosión o la protección térmica de una superficie.
En la pulverización de plasma, se utiliza un arco eléctrico para disociar e ionizar gases, tales como argón, nitrógeno, helio o hidrógeno. Los componentes atómicos se vuelven a unir detrás de la boquilla, emitiendo un calor enorme. Las temperaturas centrales del plasma alcanzan hasta 20 000 K. En este chorro de plasma se inyecta entonces el material de revestimiento pulverizado, que se funde con esta alta temperatura y se proyecta con el chorro de plasma sobre la pieza de trabajo.
La pulverización de plasma requiere procesos estables y reproducibles
Los sistemas de revestimiento suelen funcionar las 24 horas del día en un entorno industrial adverso. Por este motivo, no solo importa la robustez de los componentes, sino también un proceso reproducible: los grosores y las densidades del revestimiento se determinan únicamente ajustando y manteniendo los parámetros de pulverización.
La regulación del gas de combustión del control para sistema de pulverización de plasma TAFA® 6600XL de Linde AMT tiene un diseño compacto.
Las corrientes de gas se pueden controlar, por ejemplo, por medio de controladores de flujo másico (Mass Flow Controller, MFC). Para determinar el caudal, se miden la presión diferencial o la temperatura por encima o por debajo de la válvula. Este procedimiento es ciertamente elegante, pero también es muy sensible a la influencia de impurezas y, en consecuencia, requiere mucho mantenimiento. Además, los MFC son relativamente caros.
Sistema de pulverización de plasma resistente al desgaste
En cambio, el control para sistema de pulverización de plasma TAFA® de Linde AMT utiliza un sistema mecánico para la medición de los gases. Cada gas se introduce a través de un distribuidor con cuatro válvulas por unos pasos de alta precisión fabricados de rubí con diferentes diámetros. Para este fin, se aprovecha un fenómeno físico: al establecer por encima de la abertura una presión que corresponde aproximadamente al doble de la presión aplicada por debajo de la abertura, la corriente de gas alcanza la velocidad del sonido. Por razones físicas, la velocidad a través del diafragma no puede aumentar más allá. Sin embargo, dado que los parámetros de presión, velocidad de flujo y superficie de flujo están relacionados por una ley física, solo varía la densidad del gas si la velocidad se mantiene constante y aumenta la presión. Esto permite ajustar de forma muy sencilla el caudal másico del gas a la antorcha.
Los pasos que se pueden seleccionar individualmente y cambiar con facilidad son muy duraderos al estar hechos de rubí.
«En nuestro sistema ya no existen elementos móviles y, en consecuencia, tampoco componentes de desgaste sometidos a solicitaciones mecánicas», explica Andrew J. Bolduc, Product manager Plasma en Linde AMT. «El único desgaste se produce en el rubí, pero este dura fácilmente una década hasta que se tiene que sustituir».
Regulación precisa del caudal
Otra ventaja de la solución de Linde AMT es la regulación precisa del caudal. Al utilizar un MFC, la tolerancia está basada en su caudal máximo especificado (Full Scale). Esto resulta especialmente crítico en aplicaciones sensibles con hidrógeno, si el regulador necesita determinar por igual caudales grandes y muy pequeños. La tolerancia de caudal absoluta puede causar unas desviaciones que ya no son tolerables e imposibilitan una regulación precisa.
A diferencia de lo que ocurre con el sistema de control TAFA® de Linde AMT, los pasos de las cuatro válvulas montadas en el soporte pueden tener cuatro diámetros distintos, lo que permite abrir uno o varios de ellos según el caudal deseado, disponiendo así de 15 combinaciones distintas, optimizadas con vistas al caudal deseado. Además, los diafragmas se pueden sustituir fácilmente por otros con un diámetro distinto. «En la actualidad no hay otro dispositivo que permita hacer esto. En el mismo distribuidor podemos regular caudales másicos desde más de 1000 SCFH (Standard Cubic Feet per Hour) hasta 5 SCFH con una precisión superior a 1 SCFH», se entusiasma del Product manager.
El concepto modular admite hasta cuatro antorchas
Para alcanzar y mantener la calidad deseada del proceso de revestimiento, se valida la combinación completa formada por la regulación de gases y la antorcha de plasma. En consecuencia, la sustitución de la antorcha haría necesario volver a calificar el sistema completo. Por este motivo, el sistema de Linde AMT dispone de un máximo de cuatro puntos de conexión, lo que permite conectar cuatro antorchas en paralelo y conmutar entre ellas pulsando un botón. Además, el concepto global permite a Linde configurar cada instalación conforme a la variabilidad deseada.
Kick and Drop potente y de bajo consumo
Las válvulas Bürkert con tecnología Kick and Drop se pueden instalar en zonas potencialmente explosivas y con una densidad extrema. Además, resisten elevadas presiones de conmutación. En el conjunto de válvulas hay cuatro de estas bobinas colocadas estrechamente una al lado de otra.
Un desafío que presenta el diseño del sistema TAFA® es que la contrapresión que actúa en la válvula desde el lado de la antorcha puede alcanzar hasta 0,7 MPa (100 psi). A la vista de las dimensiones compactas requeridas del soporte de válvula, esta exigencia solo se pudo cumplir con la tecnología Kick and Drop de Bürkert: un impulso de corriente de corta duración genera la presión de activación elevada necesaria para la apertura de la válvula. Solo aproximadamente medio segundo después, la potencia necesaria ya se reduce hasta en un 80 %. De esta manera, Linde AMT pudo emplear unos resortes extremadamente fuertes para cerrar las válvulas, que resisten una contrapresión netamente mayor que las válvulas normales. «Es crucial para el proceso que fluya exactamente la cantidad de gas ajustada. Si fallara una de las válvulas y, en consecuencia, se produjera un caudal de fuga, se alteraría completamente la dinámica en la antorcha, lo que repercutiría negativamente en las características del revestimiento», resalta Andrew J. Bolduc este aspecto importante.
Más seguridad gracias a la menor carga térmica
Con la reducción de la potencia en el modo de mantenimiento de las bobinas Kick and Drop disminuye también la carga térmica. «En el bloque de válvulas hay cuatro de estas bobinas colocadas estrechamente una al lado de otra. En caso de una sobrecarga térmica, una válvula podría desconectarse inadvertidamente, lo que se tiene que evitar bajo todo concepto», describe el especialista uno de los requisitos esenciales. «Hemos aplicado grandes pesos en el funcionamiento continuo en las bobinas, tratando de provocar una sobrecarga. No lo logramos; las bobinas de Bürkert no fallaron en ningún momento», confirma Andrew J. Bolduc. Pero el sistema global también se beneficia de las corrientes de arranque reducidas de las bobinas. De este modo, el sistema de control de Linde AMT puede accionar simultáneamente un mayor número de válvulas sin sobrecargar la alimentación eléctrica.
«La seguridad, la fiabilidad y el mantenimiento sencillo son prioritarios para nosotros. Y Bürkert fue el único socio que nos ayudó a cumplir estos tres criterios».
Se cumplen las altas exigencias a nivel de la protección frente a explosiones
El uso de hidrógeno como gas de combustión aumenta los requisitos hacia la estructura del sistema. El hidrógeno es el elemento con la menor densidad, es incoloro, inodoro y muy volátil. En combinación con el aire forma fácilmente una mezcla muy explosiva. Por este motivo, Linde AMT invirtió en un asiento de válvula de diseño propio que permitió conseguir, por una parte, la forma constructiva estrecha del soporte de válvula y, por otra parte, el sellado sin fallos frente a la membrana. «En este aspecto recibimos una asistencia fantástica por parte de Bürkert. Nos mostraron cómo podemos producir unas superficies de sellado sin defectos», dice Bolduc agradecido. La calificación correcta del sistema TAFA® de Linde AMT exige además unos componentes certificados que se puedan usar en entornos potencialmente explosivos, un requisito que cumplen los productos de Bürkert.
De la colaboración surge una solución exclusiva
«Nadie tiene una solución tan sofisticada como Bürkert. No hay nada que llegue, ni de lejos, al nivel de estas bobinas», se entusiasma el Product manager de Linde AMT. «Con nuestras instalaciones tratamos de poner el enfoque en la seguridad, la fiabilidad y la facilidad de mantenimiento. Y Bürkert fue el único socio que nos ayudó a cumplir estos tres criterios. Es por esto que nuestro sistema no tiene rival en el mercado».
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