En el mundo de los materiales, existen distintas formas de aportar nuevas funcionalidades a una determinada pieza u objeto. El caso más claro es cambiar el material a uno que se adapte mejor a nuestras necesidades, pero también suele implicar una complejidad añadida al proceso productivo. Si lo que queremos es modificar las propiedades superficiales de un objeto, otra opción es recubrir dicho objeto con una fina capa de otro material, o lo que es lo mismo, aplicar un coating. Con los recubrimientos podemos seguir usando el mismo material base y solo se necesita una pequeña cantidad de un segundo material que aporta las propiedades deseadas al objeto. Pese a ello, se necesita introducir en la línea de producción una etapa en la cual se aplique dicho coating, lo cual suele ser más fácil que cambiar el material base, pero sigue necesitando de una buena planificación e inversión para implementarlo. Si tenemos esto en cuenta, y queremos modificar las propiedades de la superficie del objeto, lo ideal sería poder usar el mismo material base y no tener que añadir ningún proceso extra a la línea de producción, pero, ¿es esto realmente posible? La respuesta es sí, y se basa en la microestructuración de superficies.
La microestructuración de superficies es un proceso por el cual se modifica la rugosidad y la geometría microscópica de la superficie de un objeto para proporcionarle propiedades que antes no poseía. El ejemplo más claro es la modificación del rozamiento, que varía claramente entre una superficie lisa o una rugosa.
Con esta definición, la microestructuración no parece tan distinta a procesos tradicionales de modificación de la superficie como pueden ser los tratamientos químicos o los lijados. Sin embargo, el resultado final es totalmente distinto. La microestructuración crea patrones periódicos en la superficie que cambian por completo las propiedades del material, pudiendo conseguir con la microestructura adecuada que la superficie repela el agua, evite el desgaste, o que no se le adhieran las manchas.
Como muchos avances tecnológicos, la microestructuración ha encontrado su inspiración en la naturaleza. A continuación, os contamos algunos ejemplos de microestructuras naturales:
La piel de ciertos lagartos, como el Gecko, presenta una microestructura que repele el agua y no permite que se adhiera la arena, lo que les ayuda en condiciones desérticas.
Las alas de algunos insectos también repelen el agua gracias a su microestructura, lo cual les permite seguir volando en condiciones de alta humedad, así como en zonas donde abunda el agua, sin interferir en su vuelo.
Las hojas de loto poseen una microestructura que repele el agua, lo cual hace que se limpien solas de cualquier tipo de suciedad que pueda caer sobre ellas, ya que el agua la arrastra fuera de su superficie.
La piel del tiburón, vista a escala microscópica, presenta pequeñas escamas que repelen muy bien el agua, lo cual ayuda al tiburón a nadar más rápido, al presentar el agua una menor oposición a su avance.
Si bien hemos comprobado que las microestructuras aportan propiedades muy útiles en la naturaleza, ¿Cómo conseguimos replicarlas artificialmente? Los avances en la tecnología de las últimas décadas nos han proporcionado diversas técnicas por las que es posible llevar a cabo el mecanizado a escala microscópica en la superficie de los materiales:
Permite que todas las piezas inyectadas obtengan una estructura o funcionalidad que previamente se le ha dado al interior del molde. Para lograr este efecto, se estructuran las caras internas del molde con un patrón diseñado previamente para dotar de la nueva funcionalidad al polímero (hidrofobicidad, oleofobicidad, etc.) o modificar una propiedad concreta (rugosidad, color, etc.).
Esta microestructura o patrón, se transfiere a la pieza durante el proceso de inyección. Además, la gran ventaja de esta técnica es que, solo es necesario aplicar la microestructura una vez, por lo que económicamente es una de las opciones más interesantes para industrializar. Uno de los aspectos más importantes de esta técnica es la transferencia del patrón desde el molde hasta la pieza, para lo cual es necesario ajustar los parámetros de inyección correctamente. Es la opción preferida para piezas plásticas. En ATRIA disponemos de una extensa experiencia llevando a cabo proyectos de IMM, dotando a las superficies de multitud de propiedades nuevas.
Se aplica en el caso de que se tenga el material en bobinas. Así mismo, se puede utilizar tanto con films de polímero como con bobinas metálicas de aceros y aluminio. En la técnica de Roll-to-Roll, los rodillos previamente microestructurados por los que se hace pasar el material, transfieren la microestructura gracias a la presión (y a veces a la ayuda de temperatura) que se ejerce sobre la bobina de material. Se trata de un proceso que hay que optimizar muy bien para que la transferencia sea correcta pero una vez implantado no necesita de consumibles. En ATRIA tenemos experiencia con este tipo de tecnología, llevando a cabo diversos proyectos de microestructuración mediante R2R.
Este tipo de microestructuración se asemejaría al uso de un cincel o una fresadora si estuviéramos hablando de modificación de superficies macroscópica. En el caso de la modificación de superficies en escala microscópica, una de las técnicas más utilizadas es la microestructuración por láser, donde se sustituyen los cinceles y las fresas por un haz de luz concentrado en un círculo de unas pocas micras de diámetro que se mueve a lo largo de la superficie. De esta forma, se consigue reproducir la microestructura deseada. Se puede utilizar en numerosos materiales, aunque su desventaja principal suele ser el tiempo de ciclo. Esta es la técnica más utilizada para preparar los moldes y rodillos de IMM y R2R.
Como hemos comentado, microestructurando la superficie de un material se le pueden dar diversas propiedades. Aquí os mostramos algunas de estas propiedades y sus posibles aplicaciones:
Es la capacidad de repeler el agua. Con esto se puede mantener secas las zonas que queramos de nuestros aparatos, como por ejemplo controles táctiles. En ATRIA hemos trabajado en diversos proyectos para aportar a distintas superficies de hidrofobicidad.
Es la capacidad de atraer el agua. Cualquier gota de agua que caiga en la superficie se expande y cree una película de agua. Esta propiedad es muy útil en elementos ópticos, donde la presencia de pequeñas gotas distorsiona la imagen, pero los films de agua suelen permitir una buena visibilidad. En ATRIA hemos trabajado bastante con la hidrofilicidad y conocemos su importancia
Es la capacidad de limpiarse por sí m
ismo. Hay microestructuras que no permiten que se adhiera la suciedad a su superficie, haciendo que resbale por sí misma, o que sea arrastrada por el aire o el agua.
Capacidad de facilitar la limpieza de la superficie. Es similar a la propiedad de self cleaning, pero en este caso es necesaria una fuerza externa para retirar la suciedad de la superficie.
Es la capacidad de evitar el crecimiento bacteriano y de biofilm en la superficie. Hay ciertas geometrías de microestructuras que son de tamaños similares a las bacterias y son capaces de matarlas, aspecto muy deseable en aplicaciones médicas, alimentarias o de higiene.
Es la capacidad de no dejar pasar el agua por una determinada zona de la superficie. Con la microestructura adecuada, se puede conseguir crear zonas donde el agua puede fluir mejor que por otras. Con esto se consigue proteger por ejemplo zonas que han de quedar siempre secas en dispositivos táctiles. En ATRIA hemos desarrollado proyectos con barreras de agua que han dado grandes resultados.
Es la capacidad de evitar la condensación de gotas de agua para mantener la superficie seca. Esto se consigue mediante microestructuras que dificultan la nucleación de las gotas de agua y ralentizan su crecimiento.
Es la capacidad de reducir el desgaste que sufre la superficie. Modificando la rugosidad general de la pieza, o haciendo pequeñas hendiduras en la superficie, se puede reducir la fricción y crear depósitos donde se queden reservas de lubricante que ayudan que la vida útil de los elementos sea más larga.
Es la capacidad de regular la cantidad de luz que pasa a través de una superficie. En los materiales transparentes, aplicando microestructuras podemos regular el grado y tipo de transparencia del material, pudiendo pasar desde superficies que dejan que el material sea totalmente transparente, a superficies que lo opacan por completo.
Es la capacidad de recrear la textura que se desee en la superficie. Con esto se puede hacer que la superficie sea suave y esponjosa, o dura y raposa, pasando por un sinfín de texturas.
La microestructuración de la superficie se puede aplicar a prácticamente cualquier tipo de material, aunque hay algunos con un mayor interés industrial que otros. A continuación, os mostramos aquellos en los que la implementación de las microestructuras tiene un grado más maduro de desarrollo industrial:
Se pueden microestructurar de forma directa mediante láser, o de forma indirecta mediante técnicas como el Roll to Roll (R2R). En el caso de la microestructuración por láser, su implantación industrial tiene tiempos de ciclo largos, aunque con los avances de los últimos años esto está cambiando rápidamente, obteniendo técnicas con las que es posible cubrir mayores áreas al mismo tiempo. En el caso del Roll to Roll, es necesario tratar los metales en formato de láminas, para poder transferir la microestructura mediante la presión ejercida por los rodillos.
Se pueden microestructurar de forma directa mediante láser, pero el método más utilizado es el moldeo por inyección. La interacción directa del láser aporta demasiada energía que suele degradar parte del polímero, por lo que es poco recomendable en muchos casos. Sin embargo, el moldeo por inyección consigue aportar la microestructura a las piezas sin ningún efecto adverso en el material, ya que sigue su proceso de producción normal, penetrando en la microestructura del molde cuando el plástico está en estado fundido y copiando totalmente la microestructura.
Se microestructuran principalmente mediante Roll to Roll, ya que por su método de fabricación es inviable transferirles la microestructura mediante moldeo, y al ser habitualmente plásticos, sufren las desventajas de la interacción directa del láser. En el caso de los films, la transferencia de la microestructura mediante los rodillos es más sencilla que con los metales, al necesitarse menores presiones.
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