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Ingeniería de materiales

El estado de la resistencia

El uso de plasma amplía la vida útil de las prótesis ortopédicas y de las herramientas industriales

EDUARDO CESARCámara de vacío donde se tratan prótesis y piezas metálicas mediante inmersión en plasmaEDUARDO CESAR

Si todo marcha bien, dentro de tres años la empresa Baumer, de la ciudad paulista de Mogi-Mirim, la mayor fabrica latinoamericana de implantes ortopédicos, sacará al mercado prótesis de rodilla y de fémur mucho más resistentes y duraderas que las producidas actualmente. Este avance será posible en razón del uso de un método de tratamiento innovador para superficies metálicas denominado implantación iónica por inmersión en plasma (una especie de gas que es considerado uno de los estados de la materia con estructura molecular, atómica y de partículas diferente a los estados tradicionales sólido, líquido y gaseoso). Este tratamiento aumentó la dureza de las aleaciones de acero que componen las prótesis hasta un 250% y redujo el desgaste cerca de 160 veces. “El método reveló ser biocompatible y los resultados superaron de nuestras expectativas. Pruebas de laboratorios demostraron un considerable incremento de la vida útil de las prótesis, que normalmente es de 12 a 15 años”, dice el químico Roberto Parpaioli, gerente de la División de Investigación y Desarrollo de Baumer. “Ahora nuestra intención apunta organizar uno o dos grupos clínicos para hacer exámenes in vivo en las prótesis sometidas a la implantación iónica por plasma. Creemos que dentro de dos o tres años tendremos con la evaluación clínica concluida.”

Para esos exámenes, la empresa va a escoger dos equipos de ortopédicos vinculados a una universidad. Cada grupo clínico tendrá, como promedio, cinco profesionales y de diez a 30 pacientes. Baumer cederá todas las prótesis y correrá con los costos de las pruebas. Mejorar la dureza y, consecuentemente, la vida útil de los implantes ortopédicos es una de las muchas aplicaciones de esta técnica de tratamiento superficial, desarrollada de forma pionera en Brasil por Metrolab, una empresa de San José de los Campos especializada en la calibración, ajuste y mantenimiento de instrumentos industriales mecánicos y electrónicos. El desarrollo de la técnica se llevó a cabo en colaboración con el Laboratorio Asociado de Plasma (LAP) del Instituto Nacional de Investigaciones Espaciales (Inpe, sigla en portugués). El método de implantación iónica por inmersión en plasma (IIIP o 3IP) puede emplearse para mejorar las propiedades tribológicas (características que involucran a la dureza, la resistencia, la corrosión y al desgaste y reducción de la fricción), ópticas y electrónicas de una variada gama de materiales como el aluminio, el titanio, el acero inoxidable, las aleaciones metálicas, los polímeros, los plásticos, el teflón y el nylon. En el caso de los semiconductores, posibilita la creación de dispositivos cada vez menores. Así, además de las prótesis ortopédicas, también pueden salir beneficiadas las herramientas y los componentes industriales de las áreas automovilística, médica, odontológica y aeroespacial, como cuchillas de corte, moldes para aluminio, pistones de motores, rodamientos, brocas de acero, implantes odontológicos y botellas de polímero poli (tereftalato de etileno), más conocidas como PET, usadas para envasar refrescos y agua mineral.

La técnica 3IP, descubierta al final de los años de 1980 por investigadores de la Universidad de Wisconsin, Estados Unidos, aún es poco explotada comercialmente en el mundo. Los principales grupos de investigación están en Estados Unidos, Alemania, Australia, Japón, China y Corea. “En Brasil nosotros trabajamos con esta tecnología en el área de tratamiento de materiales desde 1995”, dice el físico Mário Ueda, investigador del LAP del Inpe, que coordinó el final del proyecto en Metrolab. Al principio, la coordinación fue del también investigador del Inpe, Raul Murete de Castro. “En el instituto nosotros utilizamos varios tipos de plasma, por ejemplo en la aplicación y en la propulsión iónica para el control de los satélites en el espacio y en el tratamiento de las superficies de los polímeros en sistemas aeroespaciales”, dice Ueda. “Desde un principio ya sabíamos que el uso del 3IP tendría una amplia aplicación comercial, porque esa técnica se mostró altamente eficiente para extender el promedio de vida de muchas herramientas y componentes utilizados en las industrias.”

La transferencia de la tecnología y la realización de investigaciones complementarias por parte de Metrolab sólo fueron posibles con el financiamiento otorgado por la FAPESP a la empresa, por medio del Programa de Innovación Tecnológica en Pequeñas Empresas (PIPE). Los recursos, por más 400 mil reales, se emplearon para la adquisición de los equipos necesarios para la construcción de una estación de procesamiento 3IP. El corazón del sistema es una cámara de vacío de acero inoxidable, en la cual se genera el plasma y se le efectúa el tratamiento a la pieza. Junto a esta cámara, que tiene un volumen de alrededor de 100 litros, está instalado un sistema de vacío y una fuente de tensión de corriente continua, responsable de la generación del plasma. Complementan el sistema un equipamiento de inyección de gas, un pulsador de alta tensión y una fuente para el control de los parámetros del plasma.

El primer paso del proceso de tratamiento consiste en poner la pieza en la cámara de vacío y crear el plasma, un gas ionizado producido en altas temperaturas. Es diferente que los estados sólido, líquido y gaseoso porque la ionización (la pérdida o ganancia de electrones) de sus partículas, moléculas y átomos es significativa. Para la producción del plasma se empleó principalmente el gas nitrógeno – dependiendo de la aplicación, gases como el helio, el argón y el hidrógeno también pueden usarse. La finalidad del tratamiento es implantar iones positivos de nitrógeno, presentes en el plasma, en la pieza – son estos iones los que le confieren las mejores características al material. Para que esto suceda, la pieza sufre un bombardeo de impulsos negativos de alta tensión, que varían de 10 mil a 100 mil voltios. Al recibir estos impulsos, la pieza atrae a los iones positivos de nitrógeno del plasma. Los iones penetran hasta una decena de miles de angstrons de profundidad – 1 angstron equivale a 10-7 milímetros, ó 1 milímetro dividido 10 millones de veces. La temperatura de la pieza, la presión dentro de la cámara y el tiempo de procesamiento varían de acuerdo con el material. “En el caso de polímeros, el tratamiento tarda cerca de 15 minutos, mientras que materiales hechos de acero necesitan una implantación más larga, de alrededor de una hora”, afirma Ueda.

Después de modificar las piezas, éstas pasan por pruebas y mediciones para la verificación de la eficiencia del proceso. Como es casi imposible hacer estas pruebas en las propias piezas sin dañarlas, cada tratamiento es acompañado por muestras o cuerpos de prueba, evaluados posteriormente. “La prueba más importante es el perfil de concentración atómica, que revela si los iones de nitrógeno penetraron adecuadamente. Asimismo, analizamos la estructura del material y medimos su perfil de dureza y su resistencia al desgaste”, comenta el físico Luiz Angelo Berni, del LAP, que también participó del proyecto.

Excelentes resultados
Durante la realización del proyecto PIPE Metrolab firmó una alianza con varias empresas, además de Baumer, para la ejecución del tratamiento superficial en diferentes materiales y componentes. Metrolab cedió todas las piezas fueron de forma gratuita. “Los resultados más sorprendentes se obtuvieron con las herramientas de Refal, una fabrica de remaches y remachadoras con sede en São Paulo”, informa el ingeniero electrónico Antônio Claret Pereira Fernandes, titular de Metrolab. En una de las piezas tratadas, en este caso un martillo de acero, se verificó una mejoría de más de 25 veces en la vida promedio, comparada con una pieza que no fue modificada por 3IP. En otra, un rollete de acero, la prolongación del promedio de vida fue cuatro veces superior. El principal resultado, sin embargo, se registró en una herramienta de punción para trabajos a altas temperaturas en la producción de remaches, que tuvo una mejora en la durabilidad de 70 veces. Para la Refal, estos resultados representan una gran economía, no sólo por la mayor durabilidad, sino también en la reducción del tiempo de cambio, lo que tiene reflejos directos en la productividad de la industria. El éxito de los tratamientos rindió buenos frutos a la Metrolab. “Estamos contentos porque Refal ya formalizó un pedido para el procesamiento de un lote de herramientas empleados en la producción de remaches y de remachadoras”, afirma Fernandes, agregando que con la estructura actual Metrolab tiene capacidad como para tratar cien piezas por semana, entre remaches, martillos y prótesis.

Otra alianza de Metrolab fue con AS Technology, una empresa especializada en la fabricación de implantes odotológicos de San José de los Campos. Según Luiz Roberto Castro de Souza Aguiar, gerente de proyectos de la compañía, el proceso de implantación iónica tridimensional presentó resultados altamente prometedores cuando se aplicó a herramientas de corte empleadas en la fábrica de implantes odontológicos. En algunos casos, el aumento de la vida útil de la pieza fue entre el 40% y el 100% y, en otros, la calidad mejoro, pero su vida útil se redujo. “El proceso de 3IP mejora sensiblemente la calidad de la planta dentro de nuestra aplicación, como, por ejemplo, el no producir película superficial, como en el caso de la nitruración (enriquecimiento con nitrógeno) por productos químicos. El plasma inserta los iones en la herramienta, mejorando su arista de corte”, afirma Aguiar, que destaca: “Sin dudas, existe un fenómeno de mejoramiento, pero aún no dominamos todas las variables del proceso”. Por eso, la empresa sigue adelante haciendo pruebas en las piezas sometidas al tratamiento 3IP para descubrir la condición ideal de procesamiento.

Metrolab también experimentó la aplicación de la técnica 3IP en botellas PET, con la colaboración de la fabricante de cervezas Primo Schincariol. En este caso, el objetivo de la investigación no era tornarlas más resistentes, sino reducir la tasa de transmisión de oxígeno a través de las paredes de la botella del polímero con el fin de evitar la rápida degradación de la cerveza que ocurre después de una o dos semanas en PET no tratadas. Al final del proceso, pruebas preliminares revelaron que hubo un pequeño aumento de la barrera contra la penetración de oxígeno, lo que generó una leve mejora en la conservación del producto. Sin embargo, el proceso aún precisa pasar por mejora para que la cerveza se conserve por al menos seis meses.

Limpio y económico
Una de las principales características del método 3IP es el hecho de que puede aplicarse en piezas de gran tamaño y de formatos complejos, pues el tratamiento tiene amplitud tridimensional. Asimismo, las piezas no sufren alteraciones en sus dimensiones y la implantación puede hacerse individualmente o en serie, con varias piezas al mismo tiempo. Para Ueda, el método tiene ventajas con relación a los procesos empleados normalmente en el tratamiento de superficies, como la nitruración, que consiste en la colocación de átomos de nitrógeno en piezas de acero por medio de baños de sales o inmersión en gas amoníaco bajo alta presión. “Estos métodos son tóxicos y de peligroso manipuleo, ya que se realizan a altas temperaturas, de hasta 600ºC. Sin contar con que son problemáticos desde el punto de vista ambiental, pues generan residuos de alta peligrosidad, como el baño de cianuro”. En comparación con los métodos tradicionales, el tratamiento 3IP es similar en lo económico. “Aporta también las ventajas de tratar las piezas de forma homogénea, con los iones alcanzando a la pieza en todas las direcciones y perpendicularmente a la superficie, y no agrede al medio ambiente”, garantiza Ueda.

El Proyecto
Mejoramiento de las propiedades superficiales de componentes de uso industrial por implantación iónica tridimensional (nº 99/06961-3); Modalidad Programa Innovación Tecnológica en Pequeñas Empresas (PIPE); Coordinador Mário Ueda – Inpe/Metrolab; Inversión R$ 93.240,00 y US$ 121.314,75 (FAPESP)

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