TRABAJO DEL VIDRIO MANUFACTURA 

Los productos de vidrio se manufacturan comercialmente en una variedad casi ilimitada de formas. Muchos se producen en cantidades muy grandes, como los focos, botellas para bebidas y vidrio para ventanas. Otros, como los lentes de los telescopios gigantes, se fabrican en forma individual. 

El vidrio es uno de tres tipos básicos de materiales cerámicos (véase el capítulo 7). Lo distingue su estructura no cristalina (vítrea), mientras que los demás materiales cerámicos la tienen cristalina. Los métodos por los que el vidrio es convertido en productos útiles son muy distintos de aquellos que se emplean para los otros tipos. En el trabajo del vidrio el material principal de inicio es el sílice (SiO2 ); por lo general, éste se combina con otros óxidos cerámicos que forman vidrios. El material inicial se calienta para transformarlo de un sólido duro en un líquido viscoso; luego se le conforma a la forma que se desea mientras se encuentra en esa condición fluida. Cuando se enfría y endurece, el material permanece en el estado vítreo en lugar de cristalizarse. 

La secuencia común del proceso de trabajar el vidrio consiste en las etapas que se ilustran en la figura 12.1. La conformación se lleva a cabo con varios procesos, que incluyen la fundición, prensado y soplado (para producir botellas y otros contenedores), y el rolado (para hacer vidrio plano). Para ciertos productos se requiere una etapa de acabado.

impurezas tales como la arcilla y ciertos materiales que teñirían al vidrio con un color indeseable. Clasificar la arena significa agrupar los granos de acuerdo con su tamaño. El tamaño más preferible de las partículas para hacer vidrio está en el rango de 0.1 a 0.6 mm (0.004 a 0.025 in) [3]. Los otros varios componentes, tales como ceniza de sodio (fuente del Na2 O), caliza (fuente del CaO), óxido de aluminio, potasa (fuente del K2 O) y otros minerales, se agregan en proporciones adecuadas para obtener la composición deseada. Generalmente, la mezcla se hace por lotes, en cantidades compatibles con las capacidades de los hornos de fundición de que se disponga. 

En la práctica moderna, por lo general se agrega vidrio reciclado a la mezcla. Además de proteger el ambiente, el vidrio reciclado facilita la fundición. En función de la cantidad de desperdicios de vidrio disponibles y las especificaciones de la composición final, la proporción de vidrio reciclado puede alcanzar hasta 100%.

El lote de los materiales de inicio por fundir se conocen como carga y el procedimiento de cargarlo en el horno de fundición se denomina cargado del horno. Los hornos para fundir vidrio se dividen en los tipos siguientes [3]: 1) hornos de vasija, vasijas de cerámica de capacidad limitada en la que ocurre la fundición calentando sus paredes; 2) tanques superficiales, recipientes cerámicos de capacidad más grande para la producción de lotes, en los que el calentamiento se realiza con la quema de combustibles sobre la carga; 3) hornos de tanque continuo, hornos de tanque largo en los que los materiales se alimentan por un extremo y se funden conforme se mueven hacia el otro, donde se extrae el vidrio fundido para producciones elevadas; y 4) hornos eléctricos de diseños varios para un rango amplio de tasas de producción. 

La fundición de vidrio por lo general implica temperaturas alrededor de 1 500 ºC a 1 600 ºC (2 700 ºF a 2 900 ºF). El ciclo de fundición para una carga común requiere de 24 a 48 horas. Éste es el tiempo necesario para que todos los granos de arena se conviertan en un líquido claro a fin de que se refine el vidrio fundido y se enfríe a la temperatura adecuada para el trabajo. El vidrio fundido es un líquido viscoso, su viscosidad se relaciona en forma inversa con la temperatura. Debido a que la operación de darle forma sigue de inmediato al ciclo de fundición, la temperatura a la que el vidrio se extrae del horno depende de la viscosidad que se requiera para el proceso que sigue.

LOS PROCESOS DE CONFORMACIÓN EN EL TRABAJO DEL VIDRIO 

Las categorías principales de productos de vidrio se identificaron (véase la sección 7.4.2) como vidrio de ventanas, contenedores, focos, vidrio para laboratorios, fibras de vidrio y vidrio óptico. A pesar de la variedad de esta lista, los procesos de conformación para fabricar estos productos se agrupan sólo en tres categorías: 1) procesos discretos para artículos de vidrio, que incluye botellas, focos y otros productos individuales; 2) procesos continuos par fabricar vidrio plano (hojas y placas de vidrio para ventanas) y tubería (para artículos de laboratorio y lámparas fluorescentes); y 3) procesos para la producción de fibras para aislantes, materiales compuestos de fibra de vidrio y fibra óptica.

Conformación de artículos de vidrio 

Los métodos antiguos de trabajar el vidrio a mano, tales como el soplado, están descritos en forma breve en la nota histórica 7.3. Los métodos artesanales aún se emplean para fabricar cantidades pequeñas de artículos de vidrio de mucho valor. La mayoría de procesos estudiados en esta sección son tecnologías muy mecanizadas para producir cantidades grandes de piezas discretas tales como frascos, botellas y focos. 

Girado El girado del vidrio es similar a la fundición centrífuga de los metales, y también se conoce con ese nombre en el contexto del trabajo del vidrio. Se usa para producir componentes en forma de embudo tales como las secciones posteriores de los tubos de rayos catódicos para televisiones y monitores de computadora. En la figura 12.2 se ilustra el arreglo. Se coloca un trozo de vidrio fundido en un molde cónico hecho de acero. Se hace girar el molde de modo que la fuerza centrífuga haga que el vidrio fluya hacia arriba y se distribuya sobre la superficie del molde. Después se ensambla la placa frontal (es decir, la pantalla frontal) con el embudo por medio del empleo de un vidrio sellador de punto de fusión bajo. 

Prensado Éste es un proceso muy utilizado para la producción en masa de piezas de vidrio tales como trastos, moldes de pastelería, lentes de lámparas, pantallas de tubos de televisión y artículos similares que son relativamente planos. El proceso se ilustra y describe en la figura 12.3. En esta secuencia de producción, las cantidades grandes de la mayoría de productos prensados justifican un nivel alto de automatización.

Soplado Varias secuencias de formado incluyen una o más etapas de soplado. En lugar de ser una operación manual, el soplado se ejecuta en equipo muy automatizado. Las dos secuencias aquí descritas son para los métodos de prensar y soplar, y de soplar y soplar. 

Como el nombre lo indica, el método de prensar y soplar es una operación de prensado seguida de otra de soplado, como se ilustra en la figura 12.4. El proceso se adapta a la producción de contenedores de boca ancha. En la operación de soplado se emplea un molde deslizante para la etapa de retiro. 

El método de soplar y soplar se utiliza para producir botellas de boca estrecha. La secuencia es similar a la precedente, excepto que se usan dos (o más) operaciones de soplado en vez de sólo prensar y soplar. Hay variantes de este proceso, lo que depende de la forma del producto, y una de las secuencias posibles se muestra en la figura 12.5. En ocasiones se requiere volver a calentar entre las etapas de soplado. A veces se emplean moldes duplicados y triplicados junto con sus respectivos alimentadores de trozos para incrementar las tasas de producción. Los métodos de prensar y soplar, y de soplar y soplar se usan para fabricar frascos, botellas para bebidas, focos, recipientes y otros productos con formas parecidas. 

Fundición Si el vidrio fundido tiene fluidez suficiente, puede verterse en un molde. Con este método se fabrican objetos relativamente macizos, tales como lentes y espejos astronómicos. Estas piezas deben enfriarse muy despacio para evitar tensiones internas y un posible agrietamiento debido a los gradientes de temperatura que se induciría en el vidrio si no se hiciera así. Después de enfriarse y solidificarse, la pieza debe terminarse por medio de bruñir y pulir. La fundición no se usa en el trabajo del vidrio, excepto para estas clases especiales de trabajos. El enfriamiento y agrietamiento no son los únicos problemas, sino que también el vidrio fundido es relativamente viscoso a las temperaturas normales de trabajo, y no fluye tan bien como los metales fundidos o los termoplásticos calientes a través de orificios pequeños o en secciones delgadas. Los lentes pequeños se hacen generalmente por medio de prensado, como se acaba de estudiar.

Conformación de vidrio plano y tubular 

Aquí se describen dos métodos para fabricar vidrio plano y uno para producir tubos. Se trata de procesos continuos, con los que se elaboran secciones largas de vidrio plano para ventana o tubos de vidrio, que después se cortan al tamaño y longitudes apropiados. Se trata de tecnologías modernas, en comparación con el método antiguo que se describe en la nota histórica 12.1.

Rolado de placas planas Como se aprecia en la figura 12.6, es posible producir vidrio de placas planas por medio de rolado. El vidrio de inicio, en la condición plástica apropiada que tiene al salir del horno, se comprime con rodillos opuestos cuya separación determina el espesor de la hoja. La operación de rolado por lo general se lleva a cabo de modo que el vidrio plano se mueve directamente hacia un horno de templado. La hoja de vidrio rolada debe tallarse y pulirse en forma posterior, para darle paralelismo y lisura.

Proceso de flotación Este proceso, creado a finales de la década de 1950, tiene la ventaja sobre métodos tales como el rolado, de que con él se obtienen superficies más lisas que no necesitan de un acabado posterior. En el proceso de flotación, que se ilustra en la figura 12.7, el vidrio fluye directamente desde el horno de fundición a la superficie de un baño de estaño derretido. El vidrio muy fluido se distribuye en forma pareja por la superficie, lo que le da un espesor y suavidad uniformes. Después de avanzar hacia una región más fría del baño, el vidrio se endurece y se mueve hacia un horno de templado, después de lo cual se corta al tamaño necesario. 

Estirado de tubos de vidrio La tubería de vidrio se manufactura medianre un proceso de estirado conocido como proceso Danner, que se ilustra en la figura 12.8. El vidrio fundido fluye alrededor de un mandril hueco rotatorio por el que se sopla aire mientras el vidrio pasa. La temperatura del aire y su gasto volumétrico, así como la velocidad de paso, determinan el diámetro y espesor de la pared de la sección transversal tubular. Durante el endurecimiento, el tubo de vidrio recibe apoyo de una serie de rodillos que se extienden por 30 m (100 ft) más allá del mandril. Luego, el tubo continuo se corta a longitudes estándar. Los productos de vidrio tubular incluyen equipo para laboratorios, lámparas fluorescentes y termómetros.

Formación de fibras de vidrio 

Las fibras de vidrio se utilizan en aplicaciones que van desde lana aislante a líneas de comunicación de fibra óptica (véase la sección 7.4.2). Los productos de fibra de vidrio se dividen en dos categorías: 1) vidrio fibroso para aislamientos térmico y acústico, y filtración de aire, en el que las fibras se encuentran en la condición aleatoria parecida a la de la lana; y 2) filamentos continuos, largos, apropiados para plásticos reforzados con fibras, hilos y telas, y fibras ópticas. Para ambas categorías se emplean métodos de producción distintos; a continuación se describen los dos métodos, que representan cada categoría de productos, respectivamente.

Rocío centrífugo En un proceso común para elaborar lana de vidrio, el vidrio fluye en estado fundido hacia un contenedor rotatorio con muchos orificios pequeños alrededor de su periferia. La fuerza centrífuga ocasiona que el vidrio pase a través de los agujeros para convertirse en una masa fibrosa apropiada para el aislamiento térmico y acústico. 

Obtención de filamentos continuos Con este proceso, que se ilustra en la figura 12.9, se producen fibras de vidrio continuas de diámetro pequeño (el límite inferior del tamaño es alrededor de 0.0025 mm, 0.0001 in) estirándolas (empujándolas) en bandas de vidrio fundido a través de hoyos pequeños en una placa caliente de aleación de platino. La placa tiene varios cientos de agujeros y cada uno origina una fibra. Las fibras individuales se reúnen en una banda enrollándoseles en un carrete. Antes de enrollar las fibras, se recubren con diversos productos químicos para lubricarlas y protegerlas. No son raras las velocidades de estirado con alrededor de 50 m/s (10 000 ft/min) o más.

TRATAMIENTO TÉRMICO Y ACABADO 

El tratamiento térmico del producto de vidrio es la tercera etapa de la secuencia del trabajo del vidrio. Para ciertos productos, se llevan a cabo operaciones adicionales de acabado.

Tratamiento térmico 

Este material único se fabrica con un tratamiento especial a base de calor que transforma la mayor parte del estado vítreo en un cerámico policristalino. Otros tratamientos térmicos que se le practican al vidrio generan cambios menos notables en lo tecnológico, pero quizá más importantes desde un punto de vista comercial; ejemplos de lo anterior son el recocido y el templado. 

Recocido Una vez formados, los productos de vidrio por lo general tienen esfuerzos internos perjudiciales, que disminuyen su resistencia. El recocido se lleva a cabo para liberar dichos esfuerzos; por tanto, en el trabajo del vidrio el tratamiento tiene la misma función que en el del metal. El recocido involucra calentar el vidrio a temperatura elevada y mantenerlo así durante cierto periodo para eliminar los esfuerzos y gradientes de temperatura, para luego enfriarlo despacio a fin de eliminar la formación de esfuerzos, y seguir con un enfriamiento más rápido a temperatura ambiente. Las temperaturas comunes del recocido son alrededor de 500 ºC (900 ºF). El lapso que se mantiene el producto a esa temperatura, así como las tasas de calentamiento y enfriamiento del ciclo, dependen del espesor del vidrio; la regla habitual es que el tiempo requerido para el recocido varía con el cuadrado del espesor. 

El recocido en las fábricas modernas de vidrio se lleva a cabo en hornos parecidos a túneles, llamados lehrs, en los que los productos fluyen con lentitud a través de la cámara caliente sobre bandas. Los quemadores se ubican sólo en el extremo frontal de la cámara, de modo que el vidrio experimente el ciclo de calentamiento y enfriamiento que se requiere. 

Vidrio templado y productos relacionados En los productos de vidrio es posible poner en práctica un patrón de esfuerzos internos benéfico, por medio de un tratamiento térmico que se conoce como templado, y el material que resulta recibe el nombre de vidrio templado. Igual que en el tratamiento del acero endurecido, el templado incrementa la tenacidad del vidrio. El proceso consiste en el calentamiento del vidrio a una temperatura algo superior de la del recocido, y en el rango plástico, seguido del enfriamiento rápido de las superficies, por lo general con chorros de aire. Cuando las superficies se enfrían, se contraen y endurecen mientras que el interior aún está en estado plástico y es moldeable. Conforme el vidrio interno se enfría con lentitud, se contrae, lo que sujeta a compresión las superficies duras. Como otros cerámicos, el vidrio es mucho más fuerte cuando se le sujeta a esfuerzos de compresión que a los de tensión. En consecuencia, el vidrio templado es mucho más resistente a las ralladuras y roturas debido a los esfuerzos de compresión sobre sus superficies. Las aplicaciones de esto incluyen vidrios para ventanas de edificios altos, puertas hechas por completo de vidrio, vidrios de seguridad y otros productos que requieren vidrio tenaz. 

Cuando el vidrio templado falla, lo hace rompiéndose en fragmentos pequeños muy numerosos que hacen menos probable que alguien se corte con ellos que con vidrio de ventanas convencional (recocido). Es interesante que los parabrisas de automóviles no estén hechos de vidrio templado, debido al peligro que entraña esa fragmentación para el conductor. En vez de ello se utiliza vidrio convencional; sin embargo, se fabrica con dos piezas de vidrio a ambos lados de una hoja de polímero duro. Debido a esto se fractura como vidrio laminado, las esquirlas de vidrio quedan retenidas por la hoja de polímero y el parabrisas permanece relativamente transparente.

Acabado 

En ocasiones se requieren operaciones de acabado para los productos de vidrio. Estas operaciones secundarias incluyen esmerilado, pulido y corte. Cuando se producen hojas de vidrio por medio de extracción y rolado, los lados opuestos no son necesariamente paralelos, y las superficies contienen defectos y ralladuras ocasionadas por el uso de herramientas duras sobre el vidrio suave. Las hojas de vidrio deben lijarse y pulirse para la mayoría de aplicaciones comerciales. En las operaciones de prensar y soplar, en las que se emplean troqueles deslizantes, es frecuente que se requiera quitar las marcas de costura del producto contenedor. 

En procesos continuos del trabajo del vidrio, tales como la producción de placas y tubos, las secciones continuas deben cortarse en elementos más pequeños. Esto se lleva a cabo por medio de marcar el vidrio con una rueda cortadora o diamante cortador para después romper la sección a lo largo de la línea de marca. El corte se hace por lo general conforme el vidrio sale recocido del lehr. 

Hay procesos decorativos y superficiales que se realizan sobre ciertos productos de vidrio. Estos procesos incluyen el cortado mecánico y operaciones de pulimentado: limpieza por chorro de arena (sand blast), ataque químico (con ácido hidrofluorídico frecuentemente en combinación con otros compuestos químicos) y recubrimiento (por ejemplo, recubrir una placa de vidrio con aluminio o plata para producir espejos).

CONSIDERACIONES SOBRE EL DISEÑO DEL PRODUCTO 

El vidrio posee propiedades especiales que lo hacen deseable para ciertas aplicaciones. Se han compilado las recomendaciones que siguen para el diseño de Bralla y otras fuentes. 

• El vidrio es transparente y tiene ciertas propiedades ópticas que son inusuales, si no es que únicas, para los materiales de la ingeniería. Para aplicaciones que requieren transparencia, transmisión de la luz, magnificación y propiedades ópticas similares, es probable que el material elegido sea el vidrio. Ciertos polímeros son transparentes y competitivos, lo que depende de los requerimientos de diseño. 
• El vidrio es varias veces más fuerte a la compresión que a la tensión: los componentes deben diseñarse para quedar sujetos a fuerzas compresivas, no de tensión. Los cerámicos, incluido el vidrio, son frágiles. No deben usarse partes de vidrio en aplicaciones que involucren impactos de cargas o fuerzas grandes que lo podrían fracturar. 
• Ciertas composiciones de vidrio tienen un coeficiente de expansión térmica muy bajo, por lo que toleran el choque térmico. Estos vidrios se seleccionan para aplicaciones en las que esta característica es importante. 
• Las aristas y esquinas exteriores del vidrio deben tener radios o biseles grandes; de igual manera, las esquinas interiores deben tener un radio grande. Las esquinas tanto exteriores como interiores son puntos de concentración de los esfuerzos. 
• A diferencia de las partes elaboradas con cerámicos tradicionales y nuevos, deben incluirse hebras en el diseño de piezas de vidrio; son factibles en lo técnico con los procesos de conformación de prensar y soplar. Sin embargo, las hebras deben ser gruesas.