Por Eric Larson, El arte de la producción en masaEste artículo es el tercero de una serie de tres partes.Puedes leer la primera parte aquí y la segunda aquí.El proceso de selección de materiales suele comenzar con la evaluación de las características de una familia de polímeros determinada frente a otras familias de polímeros.Esta evaluación se realiza junto con una revisión exhaustiva de los requisitos de rendimiento del dispositivo para el que están destinados los materiales.Una vez que se encuentra una familia de materiales adecuada, los diseñadores deben determinar el grado exacto y la versión adecuada (incluidos los aditivos necesarios) para su producto, así como también buscar un proveedor de materiales adecuado.A continuación se muestra una breve lista de familias de polímeros que podrían considerarse para su uso en un dispositivo médico portátil, ya sea para carcasas, accesorios, sujetadores o conectores.Cada familia tiene ventajas y desventajas.Además, dentro de cada familia, hay numerosos grados y versiones (variaciones) disponibles, incluidos grados aprobados por la FDA y versiones con aditivos para refuerzo estructural (a través de fibra de vidrio, mineral, etc.), estabilidad UV y/o mejoras de procesamiento.El acrilonitrilo butadieno estireno (ABS) es un material de ingeniería clave, adecuado para una variedad de aplicaciones.Un terpolímero (un polímero hecho de tres monómeros separados), el nombre se deriva de los monómeros: A - acrilonitrilo (un monómero de vinilo), B - butadieno (caucho) y S - estireno.Los bloques LEGO (a la derecha) están hechos de ABS.El ABS ofrece buenas propiedades mecánicas, incluido un equilibrio de resistencia, rigidez y tenacidad.Hay numerosos grados disponibles, incluidos aquellos especialmente formulados para impactos súper altos, con excelente tenacidad a baja temperatura.Las propiedades del material y el costo de la materia prima varían según la versión exacta, que generalmente está determinada por la proporción de los tres polímeros.Por defecto, el ABS es un material muy brillante debido al componente de estireno.Por lo tanto, es una excelente opción para aplicaciones de consumo y se utiliza con frecuencia en carcasas para productos electrónicos de consumo, electrodomésticos de consumo y herramientas eléctricas de uso general.La resistencia a los disolventes es de regular a buena.El acrilato de estireno y acrilonitrilo (ASA) es otro terpolímero, y su nombre también se deriva de los monómeros: A - acrilonitrilo (un monómero de vinilo);S – estireno;y A - acrilato.Puede reconocer el término acrilato del polímero metacrilato de polimetilo (PMMA), comúnmente conocido como acrílico.ASA es similar a ABS;uno podría incluso llamarlos hermanos de polímeros.De nuevo, las propiedades del material varían dependiendo de la versión, de nuevo generalmente determinadas por la proporción de los tres monómeros.Una ventaja clave del ASA sobre el ABS es su excelente resistencia a los rayos UV, lo que le brinda un mejor rendimiento a largo plazo en aplicaciones al aire libre y una mayor resistencia al envejecimiento y al amarillamiento.Sin embargo, tenga en cuenta que algunas versiones de ASA pueden ser un poco blandas (baja dureza), no tan blandas como el polietileno, pero definitivamente más blandas que el policarbonato o un ABS de uso general.Dichos ASA de baja dureza pueden ser más susceptibles al desgaste y la abrasión.El acetal, también conocido como polioximetileno (POM), poliacetal y poliformaldehído, es un termoplástico semicristalino con una interesante combinación de propiedades.Primero, tiene excelentes propiedades mecánicas, que incluyen alta resistencia, rigidez y tenacidad.En segundo lugar, es resistente a una variedad de productos químicos, como resultado de su estructura cristalina.Tercero, el acetal tiene características únicas de tribología: la ciencia de la fricción, la lubricidad y el desgaste.Tiene un coeficiente de fricción muy bajo y excelentes características de desgaste, todo lo cual se puede mejorar aún más con aditivos, como lubricantes químicos y PTFE.La combinación de estas características hace que el acetal sea ideal para muchas aplicaciones, incluido el uso como pestañas en encendedores (en la foto a la derecha).El acetal también tiene una resistencia excepcional en la línea de unión, acercándose al 100 por ciento de la resistencia de la línea de unión del material base, en algunos casos.Esto significa que puede diseñar y moldear piezas extremadamente complejas con una alta integridad estructural (intente hacerlo en ABS).Estas características se combinan para hacer del acetal un material fácil de mecanizar.Por lo tanto, es ideal para hacer prototipos.También tiene una apariencia de superficie muy agradable, independientemente de si está moldeado, extruido o maquinado.Tenga en cuenta, sin embargo, que el acetal, en comparación con otros materiales termoplásticos, tiene un nivel muy alto de cristalinidad (75-85 por ciento).Esto le da al material su fuerza, rigidez y resistencia al ataque químico.También significa que el acetal moldeado tiene una gran cantidad de contracción del molde.Por lo tanto, uno debe planificar esto en las decisiones de diseño y herramientas.El policarbonato (PC) es un termoplástico amorfo con un fantástico equilibrio de propiedades.Es rígido, fuerte, tiene buena ductilidad y se puede fabricar en forma transparente (con una transmisión de luz comparable a la del vidrio).Pero, en mi opinión, lo que hace que el policarbonato sea único es su excepcional resistencia al impacto.Si bien tiene cierta sensibilidad a las muescas (al igual que la mayoría de los materiales termoplásticos), en forma sólida o de lámina, la resistencia al impacto del policarbonato no tiene igual.Como ejemplo, el policarbonato termoformado se usa para el dosel de la cabina de varios aviones de combate, incluidos el F-22 Raptor y el avión de entrenamiento British Hawk T1 que se muestran (a la derecha).Si su aplicación implica algún tipo de impacto, el policarbonato debe estar en su breve lista de materiales a considerar.A menudo pienso en el policarbonato comparándolo con otros materiales: "Es como el acrílico, pero con mejores propiedades físicas (y es más caro)".“Tiene un equilibrio de propiedades como el ABS, pero con mejor tenacidad (y se puede aclarar)”.Las poliamidas (PA) son una familia de polímeros cuyo nombre genérico es “nylon”.Estos polímeros contienen cadenas de monómeros que se unen mediante enlaces amida, de ahí el término "poliamida".El nailon se puede fabricar como copolímero, con dos tipos diferentes de monómero, o como homopolímero, usando un solo monómero.El tipo de nylon se designa por el número de átomos de carbono en los monómeros base.Los tipos más comunes son el nailon 6 y el nailon 6/6, pero también existen tipos más especializados, como el nailon 11, el nailon 12, el nailon 5/10, el nailon 6/12, etc.El nailon tiene algunas características únicas: en primer lugar, es un material semicristalino y, como la mayoría de los materiales semicristalinos, tiene una excelente resistencia química.En segundo lugar, tiene un punto de fusión relativamente alto y, por lo tanto, puede soportar altas temperaturas de uso final.En tercer lugar, tiene inherentemente una gran lubricidad y una excelente resistencia a la abrasión y al desgaste.En cuarto lugar, el nailon absorbe la humedad, ya sea de la atmósfera o directamente del contacto con el agua, lo que afecta sus propiedades físicas (haciéndolo más resistente y flexible) y las dimensiones generales.La cantidad de humedad en el material depende de la humedad relativa.Estas bridas de plástico están hechas de nailon. El nailon también tiene buenas propiedades mecánicas.Tiene buena resistencia, rigidez razonable, buena elongación y un comportamiento de fluencia único bajo tensión.En lugar de sufrir una fractura frágil, el material continuará elongándose y “estrechándose”, y las cadenas de polímero se alinearán en la dirección del alargamiento, aumentando su resistencia a la tracción.Este fenómeno permite que el nailon se convierta en fibras con una resistencia muy alta.Estas fibras se utilizan para telas, fibras de alfombras, cuerdas y sedales.Juntas, las poliamidas ofrecen una combinación incomparable de resistencia, rigidez y elongación.Una aplicación que demuestra esto de manera sucinta es una brida para cables estándar.El extremo de la cola de la corbata proporciona la estructura y también tiene una cremallera en ángulo moldeada en él.La cabeza de la corbata contiene un trinquete flexible.Este trinquete se flexiona para permitir que se inserte la cola y luego se flexiona clic-clic-clic sobre la cremallera a medida que se aprieta la unión.Pero, si la cola se tira hacia atrás, el trinquete se bloquea en su lugar y la cola no se puede quitar.Poliéster, como término, describe una serie de polímeros que contienen un grupo éster en la cadena polimérica.Esto incluye una amplia gama de materiales, incluidos materiales orgánicos y sintéticos, y resinas termoestables y termoplásticas.Para los ingenieros de diseño, existen dos resinas de poliéster termoplásticas importantes: tereftalato de polietileno (PET) y tereftalato de polibutileno (PBT).Ambas resinas son homopolímeros, por lo general se consideran resinas de ingeniería y, a menudo, se usan con refuerzo de fibra de vidrio para aplicaciones estructurales.Sin embargo, el PET también se puede utilizar en forma de fibra, película o como resina de envasado (p. ej., botellas de PET).Además, el PET se puede modificar en varias formas de copolímero.A menudo llamados copoliésteres, las formas comunes incluyen PETG, PCTG, PCTA y PCT.Los copoliésteres ofrecen buenas propiedades mecánicas y resistencia química.Dado que también se pueden fabricar en forma transparente, tienen una ventaja sobre el policarbonato debido a su resistencia química superior.Uno de los aspectos más interesantes de los materiales termoplásticos radica en su capacidad de modificación.Si bien esto a menudo se logra mediante el uso de aditivos, también se puede lograr mediante el uso de otro material termoplástico.Es bastante común mezclar uno o más materiales termoplásticos en el laboratorio, durante el proceso de producción de resina o incluso en la planta de producción.La mezcla se puede realizar mediante la combinación de gránulos sólidos (comúnmente conocida como combinación de cubos) o mediante la mezcla de materiales mientras están en estado fundido (ya sea a través de mezclas fundidas o compuestos).El material mixto resultante se conoce como mezcla de resina.Como resultado de esta mezcla, puede suceder una de varias cosas.A veces, los materiales no se mezclan bien.En tales casos, probablemente no sean químicamente compatibles.Si intentara moldear piezas a partir de esta mezcla, probablemente terminaría con una pieza con aspecto de remolino que se separa en los límites entre los materiales.Sin embargo, si los materiales son compatibles, se mezclarán fácilmente, sin límites perceptibles entre el comienzo de un material y el comienzo del otro.El material combinado resultante normalmente tiene propiedades que están a mitad de camino entre los dos materiales base.Dos de las mezclas más interesantes para dispositivos portátiles son las mezclas de PC/ABS y las mezclas de PC/poliéster.En cualquier caso, el componente de policarbonato contribuye con sus características de dureza y el otro componente ayuda a reducir el costo total.Otro resultado de mezclar dos materiales, y en muchos sentidos el resultado preferido, es que los dos materiales no solo tendrán una afinidad química entre sí, sino que se combinarán para formar un nuevo material con propiedades superiores a la suma de los componentes individuales.Esta es una aleación termoplástica.A diferencia de una mezcla simple, la producción de una aleación termoplástica generalmente implica más que solo mezclar, y tales aleaciones generalmente solo están disponibles a través de proveedores de resinas y compuestos especializados.La cartera de aleaciones disponibles es prácticamente ilimitada, aunque no todas son útiles en el diseño de un dispositivo portátil.Como hemos discutido, los requisitos materiales para un dispositivo portátil son numerosos y complejos.A menudo, habrá uno o más requisitos que se destaquen (como la transparencia óptica o la resistencia a un químico específico), y estos requisitos filtrarán efectivamente la lista de familias de materiales, un proceso de deselección de materiales.A partir de ahí, se pueden observar las familias restantes con mayor detalle, evaluando la idoneidad de los materiales en esas familias y refinando la necesidad de aditivos a medida que avanza el proceso de desarrollo.Veremos el uso de elastómeros termoplásticos en la siguiente parte de esta serie.Reciba los últimos artículos de Med Device Online en su bandeja de entrada.