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Universidad de Zaragoza Centro Politécnico Superior Proyecto Fin de Carrera: ILUMINACIÓN DE PLACA VITROCERÁMICA MEDIANTE LA INSERCIÓN Y ESTIMULACIÓN DE GAS FLUORESCENTE Departamento de Ciencia y Tecnología de Materiales y Fluidos Autor: Luis Villarreal Calvo Director: José Ignacio Peña Torre Mención: Materiales Diciembre 2010 ILUMINACIÓN DE PLACA VITROCERÁMICA MEDIANTE LA INTRODUCCIÓN Y ESTIMULACIÓN DE GAS FLUORESCENTE RESUMEN Debido al limitado número de proveedores de material vitrocerámico para fabricantes de placas de cocina, productos de distintos fabricantes presentan una estética similar. Es prioritario para la empresa expresar una idea de calidad acerca de las características internas, como la electrónica, que hacen destacar al producto; Por esta razón se investiga en su diferenciación estética. El presente proyecto, dentro de los varios que tratan el tema de la estética, se centra en la iluminación de la placa vitrocerámica de inducción mediante el uso de gas fluorescente. Primeramente son presentados los conceptos físicos mínimos necesarios para entender el proceso de la iluminación en tubos de descarga, los cuales se desarrollan en el Anexo A. Se selecciona un candidato entre los distintos tipos de lámparas de descarga y se describen las necesidades para la iluminación de lámparas de distintos tamaños existentes en el mercado. Tras este planteamiento se fabrica un modelo de pieza a partir del cual se busca información sobre la viabilidad de iluminar pequeños dibujos geométricos escarbados en la placa con gas neón directamente debajo. La primera fase a optimizar para generar esta pieza es el escarbado del material vitrocerámico. Se analizan diversas tecnologías comparando tiempo, coste y calidad. Se investigan dos tipos de láser disponibles; En el láser Nd:YAG se caracteriza la colocación de la muestra a la distancia focal correcta. En el láser Nd:YVO4 se optimizan los parámetros de escarbado (frecuencia, velocidad, distancia focal) realizando e interpretando matrices cuyos componentes son marcas láser con características individuales. En ambos láser se estudia y corrige la pérdida de eficiencia conforme aumenta la profundidad escarbada. Para la medición de profundidades escarbadas se utiliza un microscopio confocal y se analizan los datos de los perfiles de medida con el programa PLμ. En una empresa de corte con agua se consultan las posibilidades de aplicación de esta tecnología al vidrio cerámico. La última tecnología examinada para el escarbado es el mecanizado con broca cubierta de diamante. La segunda fase consiste en encontrar un producto que permita cerrar la placa escarbada con una segunda placa, este material debe presentar buenas características mecánicas y mantener gas a baja presión en su interior. Se analiza la unión con el uso de fundente comercial para materiales cerámicos, óxido de boro y resina epoxi. Se realizan pruebas de tracción, vacío dinámico y análisis con microscopio electrónico tanto de la estructura del corte como de la composición.. Para la conexión del hueco que ahora se encuentra en el interior de la pieza, al sistema de vacío, debe seleccionarse un tubo de vidrio, modificarlo geométricamente para su adaptación a la instalación y fabricar un soporte que lo mantiene en la posición adecuada. Con todos estos resultados se crean piezas finales sobre las que se experimenta con la instalación de vacío diseñada a tal efecto, también se llena de gas una pieza en un taller especializado en tubos de descarga, que sirve como referencia. Finalmente se realizan varios experimentos en el campo de la iluminación de gas neón. El primer experimento valora la posibilidad de cubrir las necesidades para encender una lámpara de neón atrapando y manejando el campo residual de la placa de inducción con bobinas. También se construye un prototipo básico con un tubo de descarga directamente bajo la placa. En último lugar, se estimula la emisión de luz en la pieza de referencia con descargas eléctricas. MEMORIA ÍNDICE Resumen Índice................................................................................................................................................... 1 1 Introducción...................................................................................................................................... 3 2 Enfoque y estudios previos............................................................................................................... 5 3 Preparación de la pieza 3.1 Escarbado 3.1.1Láser Nd: YAG ......................................................................................................... 9 3.1.2 Láser Nd:YVO4 ..................................................................................................... 13 3.1.3 Tipos de muestras escarbadas con láser ................................................................. 16 3.1.4 Corte con agua ....................................................................................................... 17 3.1.5 Punta de diamante .................................................................................................. 17 3.1.6 Resultados de escarbado ........................................................................................ 19 3.2 Unión de placas 3.2.1 Requisitos .............................................................................................................. 20 3.2.2 Fundente ................................................................................................................ 21 3.2.3 Fabricación de material para unión ....................................................................... 26 3.2.4 Óxido de boro ........................................................................................................ 29 3.2.5 Araldit .................................................................................................................... 30 3.2.6 Resultados de unión ............................................................................................... 32 3.3 Tubos de vidrio ............................................................................................................... 33 3.4 Descripción y fabricación de la pieza final .................................................................... 36 4 Instalación de vacío 4.1 Instalación básica (Vacío dinámico) ............................................................................... 38 4.2 Resultados de vacío dinámico ........................................................................................ 41 4.3 Instalación completa ....................................................................................................... 42 5 Iluminación 5.1 Posibilidades en la placa de inducción ........................................................................... 45 5.2 Prototipo básico con tubo de descarga............................................................................ 48 5.3 Iluminación de pieza final ...............................................................................................49 6 Conclusiones y líneas futuras ........................................................................................................50 1 ANEXOS A ILUMINACIÓN DE UN TUBO DE DESCARGA A.1 Procesos físicos ................................................................................................................ 3 A.2 Curva tensión-intensidad en un tubo de descarga de gas ................................................. 5 A.3 Efecto Avalancha Townsend ............................................................................................ 6 A.4 Curvas Paschen ................................................................................................................ 7 A.5 Fluorescentes, vapor de sodio y neones ........................................................................... 8 A.6 Mezcla Penning ................................................................................................................ 9 B TECNOLOGÍA LÁSER B.1 Procesos físicos .............................................................................................................. 14 B.2 Cavidad óptica ................................................................................................................ 17 B.3 Curva de ganancia........................................................................................................... 18 B.4 Modos transversales ....................................................................................................... 18 B.5 Modos de operación........................................................................................................ 18 B.6 Tipos de láser ................................................................................................................. 19 B.7 Caracterización óptica de un láser ..................................................................................19 B.8 Interacción luz materia ................................................................................................. 20 B.9 Procesos de ablación láser .............................................................................................. 21 B.10 Características de los láseres empleados ...................................................................... 22 C HERRAMIENTAS Y PROCEDIMIENTOS DE TRABAJO C.1Vidrio cerámico .............................................................................................................. 27 C.2 Microscopio óptico confocal ........................................................................................ 28 C.3 Corte con agua ............................................................................................................... 31 C.4 Horno ............................................................................................................................. 32 C.5 Cortadora con disco diamantado ................................................................................... 33 C.6 Lupa estereoscópica ....................................................................................................... 34 C.7 Microscopio electrónico ................................................................................................ 35 C.8 Máquina de tracción Universal....................................................................................... 39 C.9 Instalación de vacío ....................................................................................................... 45 C.10 Coleccion fotográfica de otras herramientas y productos ............................................ 47 D ESTUDIOS (Gráficas, cálculos, datos) D.1 Escarbado .................................................................................................................. 53 D.2 Unión ........................................................................................................................ 65 D.3 Tubos de vidrio ..........................................................................................................70 D.4 Vacío ..........................................................................................................................73 E TRADUCCIÓN E.1 Alemán (Deutsch) ......................................................................................................79 E.2 Inglés (English) ..........................................................................................................85 Bibliografía ....................................................................................................................................... 91 Lista de figuras y tablas .................................................................................................................... 93 2 1 INTRODUCCIÓN El grupo BSH en colaboración con la Universidad de Zaragoza desarrolla actualmente diversos proyectos en el campo de las placas de inducción. Una rama de investigación se centra en los materiales y, dentro de esta, existe una línea dedicada a la diferenciación estética del producto. El interés de estudiar procesos que puedan llevar a una nueva estética en la placa viene marcado por la necesidad de diferenciar el producto, dado que apenas existen un par de grandes proveedores de material vitrocerámico que puedan cubrir las exigencias de este tipo de empresas. De esta situación resulta que todas las placas vitrocerámicas, tanto en inducción como resistivas, sean estéticamente similares, independientemente de factores como la empresa o la calidad. Como se ve en la Figura 1, habitualmente pueden encontrarse dos tipos de estética: •Placas color negro, las más frecuentes. •Placas transparentes, pintadas en su base, resultando finalmente color blanco o metálico. Desde el punto de vista del consumidor, cuando compra uno de estos productos, en su decisión valora tan sólo el aspecto estético, precio y un reducido número de características que suelen indicarse con el precio. Poco importa que una marca determinada haga grandes inversiones en electrónica y que con ello se consiga alta velocidad de respuesta, eliminación de fallos, detección de temperaturas, etc. Al llegar al mercado para el consumidor todas son similares y por esta razón debe buscarse una diferenciación asociada a calidad. Figura 1: Placas de inducción con vitrocerámica color metalizado y vitrocerámica negra Un grupo de estos proyectos son los que tratan la iluminación de la placa de inducción. El presente proyecto expone el estado del arte en el tema de la iluminación con gas y desarrolla a partir de estos puntos la creación de una pieza con ciertas características. 3 El procedimiento para situar la muestra a la distancia focal en este láser es manual moviendo la pieza en vertical (eje Z) en una mesa de precisión 0,5 μm, hasta conseguir 10 cm desde la lente hasta la superficie del material, implicando posible error humano del orden de micras. Hay que evaluar en qué medida puede afectar este error y buscar, si es necesario, solución. Ejemplo: Enfocando a 200 μm de distancia al plano focal el resultado (Anexo) es que D=30 μm, siendo D el diámetro del haz láser en la superficie, mucho mayor que el diámetro mínimo (19 μm). Experimento: Focalización Nd(YAG) Se hacen pruebas variando la posición de la muestra cada 0.5 mm alrededor del plano focal (Tabla 2 y Figura 8), comprobando la gran variación en los resultados. La interacción láser-material viene acompañada de sonido, el cual es interesante identificar con las distintas posiciones a las que se coloca la pieza, pasando de un sonido agudo a uno grave conforme se acerca la pieza a la lente y sin sonido cuando el plano focal se encuentra bajo la superficie. Tabla 2: Efectos del láser al variar la distancia muestra-lente alrededor de la distancia focal Figura 8: Efectos del láser al variar la distancia muestra-lente alrededor de la distancia focal El máximo escarbado pero peor acabado se logra al situar el plano focal ligeramente bajo la superficie, por lo que a partir de este punto se considera apropiada una distancia focal entre 99,5 y 100 mm, aceptándose error dentro de ese rango. El sonido es un apoyo que asegura la correcta ablación láser. Se ha confirmado que 0.5 mm de variación en la posición de la muestra cambian totalmente el resultado. Es un dato importante dado que la intención es escarbar las muestras hasta 3 mm, aumentando consecuentemente la distancia entre la lente y la superficie trabajada. 10 DISTANCIA MUESTRA-LENTE [mm] 99 99,5 100 100,5 101 SONIDO No sonido Muy grave Intermedio Intermedio Agudo ESCARBADO Grietas Máximo Poco Poco Ninguno ACABADO Roto Basto Fino Fino Ninguno C) Nd:YAG Optimización del escarbado La meta del apartado es comprobar la pérdida de eficiencia y mostrar los pasos para evitarla. Experimento: escarbado Nd:YAG Se utiliza el Procedimiento confocal descrito en Anexo C.2 para medir la profundidad escarbada al realizar 1, 2, 4, 6, 8 ó 10 pasadas en distintas muestras. La Tabla 3 y la Figura 11 muestran los datos calculados con Excel a partir de la información extraída con el programa PLμ de los perfiles realizados. Algunos aparecen como ejemplo en el Anexo D1. La tabla indica la profundidad y volumen arrancado en una pasada media, el número de pasadas medias y tiempo para escarbar 3 mm. La última columna expone la eficiencia [mm3/s]. Tabla 3: Eficiencia láser dependiendo del número de pasadas Figura 9: Rendimiento del láser en función del número de pasadas realizadas La pérdida de eficiencia es evidente. Al aumentar la profundidad aumenta la distancia entre la superficie trabajada y la lente, por lo tanto no se mantiene la distancia focal y baja la eficiencia. La solución ideal es acercar la pieza cada pasada, lo cual implica mover la distancia muestra-foco 153.58 μm manualmente con una ruleta calibrada cada 0.5 μm . Con la consiguiente acumulación de error, dado que cada recolocación es manual. Sin embargo, en el caso de mover la pieza cada seis pasadas hay que variar la distancia muestrafoco 493.68 μm ~ 0,5 mm, justamente una vuelta en la ruleta graduada. (Tabla 3 en color amarillo). 11 Nº Pasada media Pasadas medias Tiempo [min] PASADAS para 3 mm para 3 mm 1153,58 20 53 15,358000 0,095391 2119,43 25 66 11,943000 0,074180 493,49 32 75 9,349000 0,058068 682,28 36 96 8,228000 0,051106 873,98 40,5 108 7,398000 0,045950 10 66,12 45,37 120 6,612000 0,041068 mm3/1 pasada media mm3/s [μm profundidad] 1 2 4 6 8 10 0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 RENDIMIENTO ESCARBADO PASADAS Número de pasadas mm^3/s La solución real adoptada consiste en mover la pieza 0,5 mm cada seis pasadas (16 minutos). El error cometido tanto de la distancia a mover (493.68 μm), como por hacerlo de manera manual, se corrige con los resultados del apartado anterior y atendiendo al sonido. Con 36 pasadas se alcanzan los 3 mm de profundidad, esto son 6 movimientos de la pieza. Se comparan en la Figura 10 los resultados reales de profundidad con 10 pasadas, o enfocando a las 6 pasadas, con aquellos que deberían resultar idealmente si se mueve la muestra cada pasada, lo que coincidiría con que no se perdiera eficiencia. La diferencia en profundidad es bastante fuerte, por lo que un láser automatizado que moviera la lente cada pasada aumentaría ampliamente la eficiencia. Figura 10: Comparación entre la profundidad alcanzada idealmente reenfocando el láser cada pasada, la alcanzada en el caso real aplicando diez pasadas sin reenfocar y en el caso intermedio en el que se reenfoca cada 6 pasadas 12 0 2 4 6 8 10 12 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 Comparación real-ideal IDEAL REAL OPTIMIZADO REAL INICIAL Nº PASADAS PROFUNDIDAD (μm) 3.1.2 Láser Nd: YVO4 El punto de partida, como en el punto anterior, se basa en una tesis doctoral que estudia la interacción láser-materia [5]. Se trabaja sobre placas cortadas de vitrocerámica de tamaño 3,5 cm x 3,5 cm. Las tareas a llevar a cabo para optimizar el escarbado con láser son: A) Seleccionar los parámetros a utilizar. B) Focalizar correctamente el láser. C) Optimizar los mm3/s escarbados. A) Nd:YAG Parámetros y B) Distancia focal Se valora en este apartado la importancia de la distancia focal y se busca una velocidad [mm/s] y una frecuencia óptima [KHz]. El manual del fabricante indica que los resultados más interesantes se producen entre 20 KHz (Máxima energía de pulso) y 30 KHz (Máxima potencia de salida), aunque la mayor potencia de pico se obtiene para 10 KHz. En todos los casos se emplea una distancia de 25 μm entre las líneas y una potencia 100%. Para actuar sobre la superficie del material hay que focalizar en 0 y seleccionar la posición del eje Z=8 mm, resultado de sumar el grosor de placa (4 mm), con el de otra que actúa como mártir. Esta herramienta tiene algunas ventajas frente al láser tipo Nd:YAG: Dispone de mayor automatización pudiendo enfocar automáticamente a la distancia deseada, tiene la posibilidad de realizar matrices de manera más sencilla y un mayor campo que el láser Nd:YAG. Experimento: Matrices Pueden programarse varias marcas láser con distintas características en los lugares indicados. Gracias a esta opción es viable solicitar marcas cuadradas (5 mm x 5 mm) colocadas espacialmente en forma de matriz (Figura 11). Son consideradas mejores marcas aquellas en las que se retira más material. Debe valorarse que una marca menos profunda puede ser más eficiente si se ha realizado a mayor velocidad. Su influencia se determina objetivamente en el siguiente punto al medir con confocal. Los valores a combinar en cada matriz se eligen dependiendo de los mejores resultados obtenidos en las ya realizadas. También son repetidos los valores de mayor interés. En el Anexo D.1 se exponen todas las matrices estudiadas, se recorren valores de frecuencia entre 5 y 100 KHz, velocidades entre 25 y 800 mm/s, enfoque tanto variando el valor del eje Z, como automático entre -2 y +2 mm alrededor de la distancia focal. Los mejores resultados se obtienen entre 20 y 30 KHz, enfocando en la superficie y con velocidades entre 50 y 150 mm/s. 13 Figura 11: Esquema de matriz láser y foto de la situación real con el láser Nd:YVO4 Con los candidatos a ser los mejores parámetros de escarbado con láser Nd: YVo4 se realiza una última matriz (Tabla 4) que se empleará en el punto siguiente para, análogamente a como se hizo con el Nd:YAG, calcular el rendimiento de escarbado. Esto permitirá también una evaluación objetiva del parámetro velocidad. Tabla 4: Matriz 9 con los parámetros de las mejores marcas escarbadas, a las que se aplica el Procedimiento confocal C) Nd:YVO4 Optimización del escarbado Se aplica a las marcas de la matriz 9 el Procedimiento: Confocal explicado en Anexo C2. El número de muestras estudiadas (Componentes de la matriz) es de 24, pueden encontrarse algunos de los perfiles como ejemplo en el Anexo D1. Cálculo de la eficiencia media: El volumen total arrancado en una muestra se divide por el número X de pasadas realizadas en esa muestra (X=1, 2, 4, 6, 8 ó 10). El tiempo necesario para realizar una pasada 5 mm x 5 mm, depende de la velocidad elegida (Anexo C2). Con tiempo y volumen se calcula la eficiencia media en cada caso y se realizan las gráficas. Todas las gráficas se muestran en el Anexo D1, en la Figura 12 se ve la realizada para 10 pasadas. En todos los casos, excepto para una sóla pasada, el resultado más eficiente [mm3/s] se logra a la velocidad de 150 mm/s. Mayores velocidades se mostraron improducentes (Matriz 8 realizada con láser Nd:YVO4 del Anexo D1) 14 30 KHz, enfoque en 0, Z=8mm MATRIZ 9 (4X6) Filas: VELOCIDADES [mm/s] 40 50 90 150 Columnas: Nº PASADAS 1 2 4 6 8 10 Figura 12: Eficiencia en muestras con 10 pasadas Figura 13: mm3/s según el nº de pasadas, láser aplicadas, en función de la velocidad muestras realizadas a 150 mm/s La Figura 13 agrupa la profundidad de pasada media a 150 mm/s para distinto número de pasadas, en la barra de color amarillo se encuentra el valor óptimo (4 pasadas). Esto implica que las mejores pasadas no son la primera o la segunda, al contrario que con el láser Nd:YAG. La mayor eficiencia con 4 pasadas se puede explicar si el punto de enfoque ideal no es cero (superficie), si no más profundo, por lo que el mejor rendimiento se da cuando varias μm ya han sido escarbadas. Durante el estudio las variaciones de colocación de la pieza alrededor de la distancia focal han sido del orden de mm, por lo que no ha sido observado anteriormente. Tras la evaluación de los perfiles de la matriz 9 con el programa PLμ y los cálculos realizados con Excel los parámetros de trabajo seleccionados son los siguientes: •Velocidad 150 mm/s. •Frecuencia 30 KHz. •Enfoque inicial en 0, eje Z=8 mm. •Reenfoque (Automático) cada 4 pasadas, bajando la lente 241,83 μm ~ 0,25 mm. Ejemplo: Completar un agujero de 2 cm x 2 cm con 3 mm de profundidad requiere ~ 88 minutos. 15 0,000 0,050 0,100 0,150 0,200 0,250 mm^3/s medios por pasada v=150mm/s 1 pasada 2 pasadas valor medio 4 pasadas valor medio 6 pasadas valor medio 8 pasadas valor medio 10 pasadas valor medio 40 50 90 150 0,000 0,020 0,040 0,060 0,080 0,100 0,120 0,140 0,160 0,180 0,200 10 PASADAS LÁSER VELOCIDAD [mm/s] EFICIENCIA [mm^3/s] 3.1.3 Tipos de muestras escarbadas con láser Con la optimización de procesos con láser Nd:YAG y Nd:YVO4 se crean varias muestras. Dado que no es necesaria una profundidad concreta se alcanzan profundidades de ~2 mm en lugar de los 3 planteados en un principio. Se decide que la forma de los escarbados con láser debe ser cuadrada, con el objetivo de disponer de la misma superficie de unión desde el lateral del cuadrado hasta el borde de la placa. Otra de las necesidades que el láser cubre es la de realizar un pequeño agujero pasante, a través del cual debe realizarse el vacío e introducción de gas. Es más rápido hacerlo sobre la placa ya escarbada, dado que en esa zona el grosor es menor. Dichos agujeros se realizaron tanto circulares, diámetro 2 mm, como de forma cuadrada, con lado de 2 mm. Los agujeros de forma redonda presentan mayor conicidad, consecuencia de la conicidad del haz y el hecho de que el láser realiza la forma redonda mediante pasadas rectas. La forma cuadrada se adapta mejor a la realización con pasadas rectas. Aunque se intenta solucionar la conicidad aplicando el láser desde ambas caras de la placa, se focaliza en el interior de la vitrocerámica, generando grietas internas. Posteriormente, para evitar posibles taponamientos de este agujero, se aumentan sus dimensiones a 3 mm de lado o diámetro (Figura 14), en este caso la forma circular no presenta tantos problemas gracias a que las pasadas son más largas. Para experimentos que se desarrollan en el apartado 3.3 Tubos son necesarios agujeros tanto ciegos como pasantes de forma circular con 5,3 ó 6,3 mm de diámetro. Figura 14: Muestra escarbada con láser 20 mm x 20 mm con agujero pasante 16 3.1.4 Corte con agua En el Anexo C3 está descrita esta tecnología. Para investigar si podía tomar parte en el proyecto, se contacta con la empresa Cortenfrío, que expone buenos resultados de corte en materiales de diversa índole: Aceros de gran grosor, espumas, piedra, cartón, etc. No hay problema en cortar con precisión una placa vitrocerámica. Es más complejo, sin embargo, escarbar con esta tecnología un material, deben controlarse muchos parámetros y en en este caso caso no se ha consiguido. La aplicación de corte conduce a un posible cambio en el planteamiento de la pieza, si bien interesa tener piezas finales de poco grosor (8 mm: 4 mm cada placa), una alternativa a es unir tres placas de material vitrocerámico (12 mm), presentando la placa intermedia un corte circular completo (En lugar de un escarbado), consiguiendo de esta manera una cavidad interior. Siendo esta una alternativa interesante, es favorable investigar antes otras posibilidades debido al elevado precio de esta tecnología cuando se necesita un número bajo de piezas. 3.1.5 Punta cubierta de diamante El mecanizado con fresas cubiertas de diamante es una alternativa interesante con materiales duros. El primer punto a solucionar para conseguir mecanizar muestras vitrocerámicas es conseguir una fresadora. Se plantean estas necesidades a un taller de mecanizado pero mecanizar vitrocerámica genera polvo de gran dureza que acaba mezclándose con el líquido refrigerante y, al atravesar los conductos recorridos por este, perjudica al equipo erosionando elementos internos. Como segunda opción se intenta, sin éxito, que empresas dedicadas al trabajo del vidrio, cuyas fresadoras (en el caso de disponer de ellas) estarían preparadas, realizaran las muestras. Finalmente se opta por utilizar una máquina Dremel y las fresas seleccionadas según indica el Anexo D1. El control manual conlleva un resultado de peor calidad que el láser o el que se obtendría en una fresadora automatizada. Para evitar el calentamiento de punta y muestra se colocan sobre una bandeja con agua. La primera muestra realizada busca una forma cuadrada (Figura 15), con el objetivo de comparar con otras muestras realizadas con láser. Con este tipo de fresa se arranca gran cantidad de material en poco tiempo, siendo una gran ventaja, pero la definición de la forma geométrica cuadrada resulta burda. Otra diferencia con el láser es que, debido a la realización manual, la superficie trabajada queda abrupta y basta. No obstante estos problemas podrían solucionarse con una fresadora. Tras descartar por esta razón las formas geométricas como anillos o cuadrados, se elaboran dibujos mediante líneas, similares a estrellas o letras. (Figura 15) Es necesario resaltar el principal problema surgido en este caso, consistente en el gran desgaste de la fresa en poco tiempo. En una hora se realizan cuatro piezas pero la broca utilizada queda inutilizada. (Figura 16) Es posible dar una pasada de acabado a la superficie trabajada utilizando láser como se demuestra en Anexo D1. 17 Figura 15: Punta de diamante y muestras escarbadas Figura 16: Detalle de la muela de diamante desgastada 18 3.1.6 Resultados de escarbado La vitrocerámica ha demostrado gran dificultad para su escarbado, la mayor limitación es el no poder acceder al material en verde, momento en el que se podría trabajar más eficientemente. A continuación se exponen los resultados de mayor interés de los métodos de escarbado estudiados: Tecnología láser: Se ha mostrado precisa y ha conseguido un buen acabado. Optimización de uso del láser Nd:YAG •Distancia focal aceptable entre 99,5 y 100 mm, valoración del sonido de ablación. •Subir la pieza 0,5 mm cada 6 pasadas para mantener la distancia focal. •Parámetros de velocidad y frecuencia utilizados según tesis doctoral [5]. Optimización de uso del láser Nd:YAG Nd:Yvo4: •Proceso más automatizado que Nd:YAG. •Parámetros optimizados a través de la realización de matrices: 150 mm/s , 30 KHz, enfoque en la superficie de la muestra. •Bajar lente 0,25 mm cada 4 pasadas de forma automática para mantener distancia focal. El rendimiento es de 0,2266 mm3/s con Nd: YVO4 mientras con Nd:YAG en el mejor caso, no aplicable por la pérdida de tiempo (enfocar cada pasada), se obtendrían 0,0953 mm3/s. Se han realizado con láser aquellas muestras en las que se busca una figura concreta (ej. cuadrado). Corte con agua: Se propone un cambio en el diseño de la pieza utilizando tres placas unidas, realizando en la placa intermedia un corte de la forma deseada, por ejemplo, un círculo. Es un proceso de coste elevado para un bajo número de piezas. Punta de diamante: Resultados rápidos pero con poca definición geométrica, interesaría disponer de una fresadora preparada para vidrio. Ha sido el procedimiento elegido en dibujos que no necesitaban precisión (ej. estrella). La Tabla 5 resume las ventajas e inconvenientes de cada método estudiado, en color amarillo se destacan algunos de los problemas cuya solución se expone en la última fila. Tabla 5: Ventajas e inconvenientes escarbado 19 LÁSER CORTE CON AGUA PUNTA DIAMANTE Precisión Precisión Tiempo VENTAJAS Acabado Tiempo Temperatura Temperatura Tiempo Precio Desgaste de herramienta INCONVENIENTES Sólo corte Temperatura* Precisión ** Acabado** SOLUCIONES ¿Otras longitudes de onda ? Nuevo diseño pieza * Refrigeración A los inconvenientes ¿Material en verde ? ** Fresadora en amarillo 3.2.3 Fabricación de un material para unión Se pretende crear un producto que pueda utilizarse para unir las placas de material vitrocerámico. La idea es aprovechar los componentes químicos disponibles en el laboratorio para conseguir un producto que funda a una temperatura aceptable (< 800ºC). La materia prima base para crear el vidrio es la sílice, cuyo punto de fusión es excesivamente alto (1710ºC) y que intentará rebajarse con otros componentes. Experimento vidrio 1 En este primer experimento, con el objetivo de tomar contacto con los materiales y herramientas, se añade óxido de boro para rebajar el punto de fusión de la sílice. La mezcla A se fabrica por una aproximación consistente en una proporción en peso de ambos según su punto de fusión. El óxido de boro (B2O3 ) tiene una temperatura de fusión de 450ºC y el óxido de silicio (SiO2) de 1710 ºC [7]. Con la balanza de precisión (Foto en Anexo C10) se miden 10 gramos de Mezcla A. Mezcla A: Cálculo proporcional 0,1 x 1710 + 0,9 x 450 = 576 ºC 10% de Óxido de Silicio y 90% de Óxido de Boro. Al mismo tiempo se experimenta con ambos componentes individualmente. Las muestras (Tablas 9 y 10) se realizan colocando el producto sobre una placa y siguiendo el Proceso Térmico (Anexo C4). Ocasionalmente se utiliza etanol o agua para obtener mayor fluidez al aplicar el producto. En la muestra 11 se utiliza la mezcla A para unir dos placas. Tabla 9: Muestras de distintos productos colocados sobre una placa, siguiendo el Proceso C4 Tabla 10: Muestra de mezcla A uniendo 2 placas, siguiendo el Proceso Térmico del Anexo C4 Figura 25: Muestra 1 (Mezcla A) antes y después de mojarse 26 Nº MUESTRA 1 2,3,4 5 6,7 8 9 10 PRODUCTO ANALIZADO Mezcla A DISOLVENTE Etanol Ninguno Ninguno Etanol Etanol Agua Agua B2O3 SiO2 B2O3 SiO2 B2O3 SiO2 Nº MUESTRA 11 PRODUCTO ANALIZADO Mezcla A DISOLVENTE Etanol De las muestras contenidas en las Tablas 9 y 10, cuyas imágenes más representativas se recogen en las Figuras 25 y 26, se extraen las siguientes ideas. Entre paréntesis se indica el número de las muestras relacionadas con cada idea: No se aprecian efectos en el SiO2 con temperaturas de hasta 650ºC (Nº 5, 8, 10). La Mezcla A es densa, difícil de aplicar y no ha fundido correctamente (Nº1, 11). El B2O3 interacciona con el alcohol provocando que quede negro, frágil y con evidencia de burbujas. (Nº 1,6,11) (Figura 25). Puede evitarse precalentando la muestra 100ºC durante 15 minutos y subiendo a continuación a 700ºC durante una hora (Nº7) (Figura 26). El B2O3 interacciona con el agua, acabando este de color blanco. (Nº1, 2,3,4,6,7,9). Colocado en seco da el mejor resultado, parece que puede dar una unión resistente y tiene apariencia dorada similar al fundente aunque aparecen grietas (Nº2,3,4). Al unir dos placas, la superior puede desplazarse durante el proceso térmico (Nº 11),la solución se indica en el Anexo C4. Figura 26: Muestras de estudio individual de los componentes de la mezcla A, se indica el número de muestra y el disolvente en el caso de que se utilice Experimento vidrio 2 Es preciso buscar información concreta sobre componentes de un vidrio que pueda generarse a partir de las materias primas disponibles en el laboratorio. En una web especializada en vidrios [8] se escoge un vidrio patentado (Figura 27), entre los disponibles (Anexo D2), imponiendo la condición de temperatura de fusión menor a 700ºC y disponibilidad de sus componentes. Este vidrio se denomina Mezcla B. Con balanza de precisión se pesan 5 gramos de Mezcla B. Las muestras realizadas se exponen en la Tabla 11. Mezcla B: 38,8% SiO2 32,5% B2O3 28,7% Na2O Tliq 593ºC Todos los porcentajes en peso. 27 Figura 27: Ejemplo de vidrios con componentes y propiedades Tabla 11: Unión de dos placas con Mezcla B, procesado en horno A pesar de que se indica (Figura 27) una temperatura de fusión de 593ºC, no ha sido posible fundir correctamente la Mezcla B. Se plantea fundir Mezcla B a gran temperatura ( > 1710ºC) y una vez frío triturar de nuevo para obtener un polvo más homogéneo. Debido a que los mejores resultados obtenidos en el apartado se han logrado con óxido de boro se profundiza más en este material de unión. Se descarta, por tanto, seguir trabajando con la Mezcla B. 28 Nº MUESTRA 1 2,3 4 5 PRODUCTO ANALIZADO Mezcla B Mezcla B Mezcla B Mezcla B DISOLVENTE Etanol Ninguno Etanol Ninguno Tª ALCANZADA [ºC] 650 650 700 700 PRECALENTADO 1h 100ºC No No Sí Sí 3.2.4 Óxido de boro Tras los resultados alcanzados en el apartado 3.2.3, se realiza una serie de estudios centrados en el óxido de boro. Se realizan muestras a las que se aplican los Procedimientos descritos en los Anexos C4 a C8. Las características de cada muestra se detallan en la Tabla 12. Las placas utilizadas en las muestras 4 y 5 presentan una marca láser de tamaño 2 cm x 2 cm de una pasada en la superficie de unión, para comprobar sus efectos. La muestra 5 (Figura 28)se somete, además, a un choque térmico consistente en introducir la pieza ya unida en el horno a 300ºC durante 30 min. y seguidamente sumergirla en agua a temperatura ambiente (previo a la tracción). Los datos de carga de la Tabla 12 se extraen de las gráficas de tracción (Anexo D2). Tabla 12: Muestras óxido de boro, cortadas o traccionadas Figura 28: Muestra 5, se observa la zona cuadrada marcada con láser Figura 29: Muestra 1 con óxido de boro cortada y observada con lupa De los datos de la Tabla 12 y las Figuras 28 y 29 se extraen los siguientes conceptos. Entre paréntesis se menciona el número de las muestras relacionadas: El corte muestra una capa fina y uniforme pero con huecos (nº 1) (Figura 29). La marca láser perjudica a la unión, pudiendo distinguirse (Figura 28) una vez traccionadas la parte marcada y no marcada. La parte marcada rompe por el óxido, mientras en la zona no marcada rompe el material vitrocerámico (nº 4, 5). Los resultados en muestras sin marca láser (nº 2,3) superan el valor de carga de las marcadas. La carga soportada a tracción cubre los requisitos (60 N/cm2) en todos los casos (nº 2, 3, 4, 5). 29 Nº MUESTRA 1 2 3 4 5 PRODUCTO ANALIZADO DISOLVENTE Ninguno Ninguno Ninguno Ninguno Ninguno PROCEDIMIENTO Corte Tracción Tracción Tracción Tracción OTROS CARGA ROTURA [N/cm^2] > 149,79 >136,57 114,28 110,2 B2O3 B2O3 B2O3 B2O3 B2O3 Rompe por la T Problemas en El agarre Marca láser Marca láser y choque térmico 3.2.5 Araldit Standard ® Adhesivo bicomponente, es una resina epoxi que endurece cuando se mezcla con el agente endurecedor. Sus especificaciones técnicas indican que soporta una carga de 350 Kg/cm2 si bien no se exponen las condiciones para este resultado. La idea de valorar el Araldit surge del consejo de varios profesionales (Taller de vidrio, empresa de gases a presión) como material capaz de sellar gas. También por los buenos resultados previos en carga en las muestras de tracción. Como desventaja, no soporta temperaturas superiores a 65 ºC. Varios son los productos similares considerados para producir la unión y el sellado, sin embargo, al igual que Araldit, ninguno cumple todas las características deseadas (Apartado 3.2.1) Se pueden agrupar en dos tipos según sus características: •Alta temperatura (Tª máxima~300ºC), no especialmente preparados para sellar gas: Nural 30, Gasket sellador alta temperatura , Nonfire alta temperatura, etc. •Especializados en sellar tuberías de gas (Tª máxima ~150ºC): SWAK Anaerobic Pipe Thread Sealant, Trabasil gas, Gastop High force Adhesivo, etc. Experimento Araldit: Fluidez Se unen dos muestras escarbadas cuyo material vitrocerámico es transparente, observándose la distribución final del Araldit una vez endurecido (Tabla 13). Tabla 13: Muestras realizadas con material vitrocerámico transparente El Araldit se vuelve más fluido a los pocos minutos de ser aplicado. Si se distribuye bordeando la zona escarbada se introduce parcialmente. En el caso de dejar una distancia de seguridad alrededor del escarbado, existe el riesgo de que el gas se introduzca entre las placas en la zona sin producto. Experimento Araldit: Corte, lupa estereoscópica y SEM En este experimento el interés se centra en la morfología. La Tabla 14 describe la muestra de la que se han obtenido las Figuras 31 y 32 realizadas con electrones secundarios y la 30 obtenida con lupa estereoscópica. Tabla 14: Muestra unida con Araldit observada con microscopio electrónico Se aprecia en dichas figuras la existencia de poros o burbujas, pero la porosidad es cerrada. Una porosidad cerrada favorece la realización de vacío y el mantenimiento de gas a baja presión. La frontera entre materiales presenta adhesión uniforme y suave. 30 Nº MUESTRA 1 2 PRODUCTO ANALIZADO PROCEDIMIENTO Fluidez Fluidez ARALDIT®ARALDIT® Nº MUESTRA 3 PRODUCTO ANALIZADO PROCEDIMIENTOS Corte, lupa, SEM ARALDIT® Figura 30: Muestra 3 con araldit, foto con Figura 31: Muestra 3 con araldit, foto lupa estereoscópica con SEM, se observan burbujas Figura 32: Muestra 3 analizada con SEM, foto y tabla con composición Experimento Araldit:Tracción Se aplica el procedimiento de tracción descrito en el Anexo C8 a las muestras que aparecen en la Tabla 15. Las gráficas se encuentran en el Anexo D2. Los resultados obtenidos con Araldit superan a los de cualquier otro material de unión estudiado. Tabla 15: Muestras tracción Araldit 31 Nº MUESTRA 4 5 PRODUCTO ANALIZADO PROCEDIMIENTO Tracción Tracción CARGA ROTURA [N/cm2] 502,5 ARALDIT®ARALDIT® 750 . 3.2.6 Resultados de unión Se ha buscado un material que cumpliese los requísitos mínimos para poder realizar la pieza, como son soportar carga mecánica y mantener gas a baja presión. En la Tabla 16 se resumen las características de cada material de unión y se citan resultados de vacío dinámico que se exponen en el punto 4.1. Todos los materiales han dado valores de resistencia a tracción satisfactorios respecto a las exigencias iniciales (60 N/cm2). Fundente: El contenido en plomo es lo más destacado en este material, su toxicidad es una gran desventaja a la hora utilizarlo. Mezcla de óxidos:No ha sido posible desarrollar una mezcla de óxidos basada en el óxido de silicio que permitiera una unión de calidad a una temperatura no dañina para el material vitrocerámico. Óxido de boro: Ha generado uniones resistentes, no obstante se observan grietas. Araldit: Ha mostrado los mejores resultados en carga, además de que por sus características es el producto más prometedor para poder mantener el gas a baja presión, la capa de unión es fina y la frontera entre vitrocerámica y Araldit se muestra uniformemente adherida. Posteriormente se comprobará la validez de este supuesto en los experimentos realizados con la bomba de vacío turbomolecular. Tabla 16: Resultados con los productos de unión 32 PRODUCTO FUNDENTE MEZCLA A MEZCLA B ÓXIDO BORO ARALDIT TIEMPO 5 h (Horno) 5 h (Horno) 5 h (Horno) 5 h (Horno) 3 días (Secado) CARGA A TRACCIÓN Buena No No Buena Muy buena VACÍO No - - No Sí OTROS Plomo 3.3 TUBOS DE VIDRIO Durante el desarrollo de la pieza final, uno de los pasos más importantes es que sea posible realizar vacío en la cavidad e introducir gas. Se parte de que a la placa vitrocerámica se le realiza una perforación por la que acceder a esta cavidad. Un tubo de vidrio permite conectar la pieza al sistema de vacío. En las empresas de tubos de neón los materiales a unir son vidrio con vidrio. Controlando la temperatura de ambos es viable fundir la zona sin que la contracción al enfriar los quiebre. Es distinto cuando se une vitrocerámica y vidrio. Al unir el tubo de vidrio directamente mediante fusión a una placa vitrocerámica precalentada, este se quiebra debido a la distinta contracción térmica. Los diversos tubos analizados se encuentran detallados en la Tabla 17. Los tubos de cuarzo se componen casi en su totalidad de sílice. El Pirex se compone aproximadamente de un 70% sílice, 10% óxido de boro, 8% óxido de sodio, 8% óxido de potasio, y 1% óxido de calcio. Tabla 17: Tipos de tubo disponibles Experimento: Corte El corte de tubos de vidrio se realiza habitualmente con un pequeño soplete o bien marcando con lima triangular y aplicando un golpe seco. Las pruebas de la Tabla 18 buscan el mejor corte sin soplete. Tabla 18: Optimización del corte de los tubos De estos experimentos se concluye que la velocidad de la cortadora Minitom no varía el resultado y se elige la máxima (4). Si se usa una lima triangular el corte es suave pero no perpendicular al eje del tubo. Pueden corregirse pequeñas puntas lijando con papel lija fino (p360 3m 314). Los mejores resultados de corte aparecen con Pirex (Tubo 2) Experimento: Unión de tubos El siguiente paso es unir los tubos a la placa para conectar hueco y sistema de vacío. Estas pruebas (Tablas 19, 20) se realizan en paralelo a las de unir dos placas. Tabla 19: Optimización de la unión de tubos 33 Nº Producto Diámetro Exterior Diámetro Interior 1 Tubo de cuarzo verdoso 6 mm 4 mm 2 Tubo Pirex 5 mm 3.5 mm 3 Tubo de cuarzo transparente 4 mm 2 mm 4 Tubo de cuarzo verdoso 6 mm 4.5 mm 5 Tubo de cuarzo transparente 6 mm 4 mm HERRAMIENTAS VENTAJAS INCONVENIENTES Cortatubos de cobre Recorre toda la periferia del tubo No marca por la dureza del vidrio Lima triangular + golpe seco Sup. cortada limpia y suave Corte no perpendicular al eje del tubo Cortadora de placas de vidrio Especial para vidrio Excesiva velocidad, tubos rotos Cortadora Minitom velocidad 2 Corte perpendicular al eje del tubo Sup. Cortada esquirlada Cortadora Minitom velocidad 4 Corte perpendicular al eje del tubo Sup. Cortada esquirlada MUESTRAS Una muestra por cada tipo de tubo Con tubos 1, 5, 2 MATERIAL Vidrio fundido Fundente (2 g) Fundente (0,5 g) Araldit (0,5 g) Araldit (0,2 g) RESULTADO Rompe el tubo por diferente dilatación térmica Caen los tubos Se fabrica una estructura que permite a los tubos permanecer en pie (Figura 33). Figura 33: Estructura soporte de los tubos Tabla 20: Optimizacion del pegado de tubos con estructura soporte Las muestras se cortan para observar si el Araldit tapona el tubo (Anexo D3). La Tabla 20 es repetida aplicando presión al tubo contra la placa evitándose el taponamiento. En otras muestras (Tabla 21) el tubo se introduce en una perforación (láser o con broca), del diámetro del tubo, con una fina capa de Araldit en el exterior del tubo (Figura 34). Tabla 21: Muestras con tubo introducido en perforación previo a aplicar araldit Figura 34: Agujero láser ciego, con tubo introducido y luego cortado 34 MUESTRAS Tubos 1, 5, 2 Tubos 1, 2 Tubos 1, 5, 2 Tubos 1, 2 MATERIAL Araldit Araldit Araldit Araldit CANTIDAD [g ] 0,5 0,2 0,5 0,2 PLACA Cara rugosa Cara rugosa Cara lisa Cara lisa TAPONAMIENTO Parcial Parcial Sí Sí MUESTRAS Tubo tipo 2 Tubo tipo 2 MATERIAL Araldit Araldit CANTIDAD [g] 0,5 0,5 PLACA Perforada Perforada PERFORACIÓN Cara lisa Cara rugosa TAPONAMIENTO Ninguno Ninguno El mejor resultado se obtiene introduciendo el tubo en una perforación del mismo diámetro. Cuando no hay perforación se coloca el tubo con presión sobre la cara rugosa para evitar el taponamiento. Se descartan: El tubo tipo 3 por ser el más complicado de cortar, pegar y el que más se ha taponado. El tubo tipo 4 ya que es quebradizo por tener la pared más fina. Los tubos 1 y 5 pueden ser considerados iguales, descartamos el 5. En los experimentos de vacío dinámico se utilizará tipo 1 debido a que su diámetro coincide con el tubo de goma disponible. Para piezas finales se adquiere tubo de Pirex (tipo 6, diámetro exterior 10 mm, interior 5 mm) Geometría del tubo Se hicieron varias modificaciones al tubo (tipo 6) utilizado en las piezas finales, estas fueron desarrolladas en el taller de vidrio de la Universidad de Zaragoza. •Olivado: Engrosamiento al final del tubo que permite mejor adaptación al tubo de goma. •Estrechamiento: Una zona más fina permite un cierre rápido de la pieza con soplete. •Zona plana: Consigue mayor y mejor superficie de pegado y solidez. Figura 35: Modificaciones a la geometría del tubo 35 4.3 INSTALACIÓN DE VACÍO COMPLETA Una instalación profesional de vacío e introducción de gas como las usadas en las empresas de tubos de descarga tiene un elevado coste, el objetivo del punto es diseñar y construir por partes una instalación que pueda permitir el mismo proceso. La Figura 44 ilustra el esquema de la instalación completa, todas las juntas son engrasadas con grasa de vacío. El medidor dispone de un filtro que protege al medidor de partículas dañinas. La botella viene provista de un latiguillo o tubo metálico en zigzag, que puede ser llenado de gas, en lugar de manipular el gas de la botella, es más sencillo manipular el contenido en el latiguillo. Hay que coordinar el montaje de piezas que provienen de diversas empresas; Las piezas metálicas vienen de empresas dedicadas al vacío, las llaves y tubos de vidrio llegan desde empresas centradas en la química, el gas neón en botella pequeña (12 l) con latiguillo es un producto adquirido a una empresa de suministros para empresas de iluminación. Figura 44: Instalación completa de vacío e introducción de gas La lista de elementos se encuentra en la Tabla 23, en color amarillo destacan los principales. 42 Tabla 23: Piezas de la instalación completa El procedimiento de manejo de la instalación puede describirse con los siguientes pasos: La bomba (1) hace vacío en la instalación. Se efectúa una purga introduciendo gas neón (35) para que las posibles moléculas que queden en el interior del sistema pertenezcan a este. La llave 5 se cierra para proteger la bomba turbomolecular. Es factible esperar un nivel de vacío estático de 10-3 mbar. Entonces se introduce gas con la llave 29 desde el latiguillo. El gas ha disminuído su presión al pasar la llave 34 y se distribuye por la instalación. El siguiente paso es cerrar la llave de tres vías (43) aislando la parte final de la instalación, luego se corta con soplete el tubo de vidrio de la pieza (47) por la zona más estrecha (dejándola sellada). Durante el corte con soplete el propio vacío ayuda a cerrar la apertura. La pieza llena de gas puede ser trasladada y experimentarse la iluminación. El vacío en el sistema se rompe abriendo la llave de tres vías (43), la llave 5 puede abrirse una vez apagada la bomba turbomolecular y que frene a 100 Hz. Resultados de vacío estático: Debido al tiempo necesario para reparar el medidor de presión y retrasos en la llegada del gas neón y latiguillo no pudieron realizarse experimentos de llenado de gas en las piezas con esta instalación. Se solicitó a una empresa del sector de los tubos de descarga llenar una pieza final que además, al ser realizada por expertos con maquinaria especializada, sirve como referente de la mejor calidad de llenado que es posible conseguir . 43 Nº Nombre DN Nº Nombre DN 1 Bomba Pffeifer Turbomolecular 40 25 Tubo acero en T 25/16 2 Anillo C entrado 40 26 Anillo C entrado 16 3 Junta Neopreno 40 27 Junta Neopreno 16 4 Abrazadera 40 28 Abrazadera 16 5 Llave vacío 40 29 Medidor flujo 16 6 Anillo C entrado 40 30 Anillo C entrado 16 7 Junta Neopreno 40 31 Junta Neopreno 16 8 Abrazadera 40 32 Abrazadera 16 9 Tubo acero en T 40 33 Adaptador 16/llave 10 Anillo C entrado 40 34 Llave dosificadora / reductora - 11 Junta Neopreno 40 35 Botella Neón 12l - 12 Abrazadera 40 36 Anillo C entrado 25 13 Adaptador 40/25 37 Junta Neopreno 25 14 Anillo C entrado 25 38 Abrazadera 25 15 Junta Neopreno 25 39 R eductor tubo 25 16 Abrazadera 25 40 Abrazadera 22/30 17 Medidor vacío 25 41 Tubo 1m 6mm - 18 Anillo C entrado 40 42 Abrazadera 22/30 - 19 Junta Neopreno 40 43 Llave 3 vías 6mm - 20 Abrazadera 40 44 Abrazadera 22/30 - 21 Adaptador 40/25 45 Tubo 1m 6mm - 22 Anillo C entrado 25 46 Abrazadera 22/30 - 23 Junta Neopreno 25 47 Muestra olivada - 24 Abrazadera 25 Figura 45: Algunos de los elementos de la instalación de vacío Figura 46: Detalle unión a una pieza final 44 5 ILUMINACIÓN 5.1 APLICACIÓN A PLACAS DE INDUCCIÓN En una placa de inducción existen bobinas, así como campos residuales que no son utilizados para calentar el producto, sino que descargan a través del usuario. El grupo BSH suministra gráficas del campo tanto en el plano de la placa (Er) como perpendicular a ella (EΦ) . Estos campos no encienden directamente un tubo de descarga (ver Apartado 2) . En la dirección vertical, el campo (EΦ) apenas llega a 15 V/m, en la dirección radial (Er) este campo es mayor y va a analizarse (Figura 47). Figura 47: Campo EΦ alrededor de una bobina de la placa de inducción El objetivo es atrapar el campo Er y caracterizar la potencia que puede suministrar construyendo un transformador [4]. Interesa saber si la potencia es suficiente para las lámparas de menor tamaño. La otra posibilidad es, lógicamente, que la lámpara disponga de un circuito propio derivado de red. Experimento: Transformador Se arrollan hilos de bobinar alrededor de una bobina de inducción; Se debe tener en cuenta que existen ciertas diferencias con un transformador. Los experimentos se realizan colocando una olla con agua, la cual cierra el circuito magnético. Lo que atrapamos alrededor de las bobinas de la placa puede considerarse campo residual. El movimiento de la olla causa variaciones en el flujo magnético. Otra fuente de variación del flujo es que, dependiendo de la potencia seleccionada (1-9), la placa realiza ciclos de conexión-desconexión, modificando también con ello el flujo. Es posible jugar con los valores de tensión e intensidad modificando el número de espiras que arrollamos alrededor de la bobina de la placa (Tabla 24). La potencia total entregada va a ser idealmente la misma, con la salvedad de que el sistema es real y existen diferencias ya comentadas. 45 Tabla 24: Tensión en bornes de las espiras medido con voltímetro, circuito abierto En el caso de colocar una resistencia de 100±5% kΩ con 24 espiras y al número 9 de placa, se mide con osciloscopio ~500 mW de potencia disipada. Ejemplo: Una lámpara Ne-2 consume ~30 mW y la caída de tensión en zona glow es ~60 V , en esta situación la intensidad puede calcularse como 0,5 mA según la ley de Ohm V=I·R. La resistencia en serie que lleva la lámpara, en el caso de lámparas para conexión a tensiones entre 105-125 V (Las usadas para conectar a 120V) es de 100 KΩ, la potencia consumida por la resistencia es de P=V·I=25 mW. El total son 55mW. Dado que debe considerarse la tensión de ruptura, oscilaciones, etc, los valores son algo mayores. En general, para lámparas de este tamaño dependiendo de la resistencia, tensión a la que se conectan, brillo deseado, frecuencia y diseño de la lámpara la potencia consumida se sitúa entre 70 mW y un máximo de 500 mW. El experimento cuyos datos aparecen en la Tabla 25 utiliza en bornes de las espiras una lámpara de neón con resistencia de 130 KΩ y tensión necesaria de 250 V. Se utilizan como máximo 24 espiras por lo que la tensión no es suficiente para encender de manera autosostenida la lámpara, actuará como circuito abierto hasta llegar a la zona de avalancha Towsend, permitiendo entonces el paso de corriente (Figuras 48 y 49). Tabla 25: Espiras arrolladas, conectado a luz de neón valores rms En los picos de potencia la lámpara se enciende, controlando V e I con el número de espiras podrían encenderse lámparas pequeñas en muchos de los casos. Sólo es posible obtener potencia en los momentos en que la placa se conecta, los valores de mayor oscilación se dan al seleccionar el nº1 en los botones de control de la placa. Pueden afectar a los resultados: Oscilaciones del flujo magnético, tiempo de cálculo del osciloscopio, número seleccionado en la placa, momentos en que la lámpara no conduce, etc La tensión varía proporcionalmente con el número de espiras, la intensidad con la lámpara conectada es constante para un determinado número de espiras, esto es debido a que la resistencia en serie controla que no se dispare la intensidad. En el Anexo C10 aparecen fotos de otros elementos utilizados. 46 Figura 48: Valoración de potencia capturada alrededor de la bobina de la placa Figura 49: Espiras arrolladas alrededor de la bobina de la placa 47 5.2 PROTOTIPO BÁSICO CON TUBO DE DESCARGA Calculamos las necesidades de un tubo de gas neón con 7 cm de distancia entre electrodos, 10 cm totales y 8 mm de diámetro según la fórmula de un catálogo de transformadores (Tabla 1). 0,07 m x 1220 + 3 x 300 = 908,54 V La fórmula es aplicable en los tamaños de neón trabajados en anuncios luminosos, a partir de 10 cm. En este prototipo se llega al mínimo posible en un trabajo de este tipo de empresas, se han unido directamente dos electrodos. Los electrodos no son únicamente una pieza metálica, si no que ya vienen en un pequeño tubo de vidrio preparados para unirse al tubo de descarga. En el Anexo C10 aparecen fotos de los electrodos y el resultado final al unirlos. Utilizamos un transformador electrónico para encender este prototipo. El tubo se coloca dentro de un hueco escarbado en un bloque de plástico negro, y sobre esto directamente una placa vitrocerámica (Figura 50). Figura 50 : Neón 7 cm entre electrodos bajo placa de inducción 1000 V Es factible tener luz con la colocación directa de un neón bajo la placa vitrocerámica Los valores de tensión necesarios se confirman, como ya se ha previsto en apartados anteriores, elevados. Es complicado que pueda tener interés comercial colocar luces de este tamaño o mayores bajo una placa de inducción. 48 5.3 PIEZA FINAL TRABAJADA EN TALLER DE NEÓN Se contacta con una empresa dedicada a los tubos de neón, con el objetivo de que llenen y cierren una pieza final. Esta pieza conlleva el mejor resultado que puede obtenerse con una maquinaria profesional y logrado por gente con experiencia. La intención es encender el gas con un chispómetro, aparato que provoca descargas seguidas de miles de voltios.Se coloca un electrodo para facilitar el encendido. El principal problema, como habitualmente en el desarrollo del proyecto, es el material de unión, la empresa transmite serias dudas de que haya un material de unión para la pieza que pueda soportar permanentemente baja presión, ciclos térmicos y descargas. Además, los tubos de neón se precalientan antes de cerrar a 400ºC, para favorecer el proceso, esto no va a poder ser realizado en nuestra pieza porque afectaría al Araldit. La pieza final es cerrada sin problemas, lográndose el nivel de vacío normal y el llenado es correcto, en el momento de la prueba se ilumina perfectamente como cualquier tubo de neón. El problema se presenta cuando 24 horas después, la pieza parece no haberse mantenido sellada, puesto que la luz es mucho más tenúe que el día anterior. No obstante este nivel de luz se mantiene durante meses. Se considera que sí se ha mantenido el gas sellado, pero que las elevadas descargas eléctricas, sumadas a la succión que la baja presión hace sobre el Araldit han resultado en la liberación de moleculas, contaminando así el gas neón. Si no se hubiera mantenido el sellado, la entrada de aire a presión atmosférica hubiera requerido tensiones más elevadas y la descarga debería ser de un color azulado. Figura 51: Luz en pieza final obtenida con chispómetro Dado que el tubo ha perdido poder luminoso, no es posible ver la figura escarbada iluminada con la suficiente intensidad para ser fotografiado. 49 6 CONCLUSIONES Y LÍNEAS FUTURAS Conclusiones Una vez concluído este proyecto, con los estudios y ensayos correspondientes, pueden extraerse las siguientes conclusiones: •Se ha mostrado la necesidad de diferenciación estética de placas de inducción. •Se ha llevado a cabo un estudio del estado del arte que ha permitido seleccionar como punto de partida la tecnología de iluminación con gas neón frente a otras alternativas como el uso de mercurio, también ha permitido valorar tamaños y tensiones necesarias. •Se ha diseñado y preparado un modelo de pieza adecuado para el desarrollo del proyecto, estudiando para ello distintas técnicas de fabricación. •Se han definido métodos de caracterización mecánica para el estudio de los adhesivos preparados para el sellado de muestras. •A partir de los estudios mecánicos y de las opciones estudiadas se ha seleccionado un material sellante para ser aplicado en la fabricación de las piezas. •Se ha diseñado y construido una instalación adecuada para crear la atmósfera necesaria en el interior de las piezas, así como los útiles necesarios para adaptar dichas piezas a la instalación. •Se han estudiado las posibilidades de iluminación que ofrecen los tubos de descarga, llevando a cabo experiencias concretas con tubos de descarga y las piezas fabricadas. Líneas futuras Como parte final del proyecto, dada la imposibilidad técnica de profundizar en el estudio luminiscente de las piezas formadas, se consideran varias posibilidades de continuación en base a la información que resulta de la realización del mismo. •Posibilidad de acceso al material vitrocerámico en verde, de modo que el mecanizado del mismo durante su fabricación pueda reducir drásticamente el tiempo y los recursos necesarios, especialmente en cuanto a tecnología láser. •Estudio del uso de equipos láser de menor longitud de onda (Ultravioleta) para realizar el escarbado. Se considera que menores longitudes de onda conllevan una mayor efectividad en el mecanizado. •Desarrollo de un material adhesivo que cumpla los requisitos propuestos. •Sustitución del tubo de las lámparas de descarga por tubos vitrocerámicos, pudiéndo integrarse bajo la placa sin dilatación. •Diseño de lámparas de neón con dimensiones y formas geométricas adecuadas al objetivo perseguido y a los requisitos de funcionamiento, de modo que puedan adaptarse lo mejor posible a las superficies de cocción comerciales. 50