Proceso de fabricación de neumáticos: funciones de mezcla, construcción, curado y equipos

La fabricación de neumáticos es una cadena de siete operaciones vinculadas, y la secuencia importa más que cualquier máquina individual: mezcla de compuestos, preparación de componentes mediante extrusión y calandrado, corte y preformado, fabricación de neumáticos, curado e inspección final, junto con el manejo de materiales y controles de calidad que se ejecutan junto con todas ellas. La respuesta corta a dónde se gana o se pierde la calidad es esta: la sala de mezcla decide de qué es capaz el neumático y la prensa de curado decide si la planta recibe un pago por ello.

Ese no es lenguaje de marketing. Un solo neumático para pasajeros transporta aproximadamente 200 materias primas y más de una docena de compuestos de caucho separados, según las cifras de composición publicadas por la Asociación de Fabricantes de Neumáticos de EE. UU. Cada compuesto tiene su propia secuencia de mezcla, ventana de temperatura y vida útil de almacenamiento. Cada componente tiene su propia tolerancia dimensional. El compuesto que deja la mezcladora a 5 grados Celsius demasiado caliente se quemará durante el almacenamiento, mucho antes de que llegue al tambor de construcción. Una llanta verde que sale de la estación de construcción con un 2 por ciento de sobrepeso puede tardar menos en curarse en el arcén, y ninguna inspección posterior puede deshacer eso.

Los rangos en esta guía reflejan la práctica común en el taller de plantas de llantas para pasajeros, camiones y todo terreno. Trátelos como puntos de referencia prácticos en lugar de reglas fijas, porque los objetivos exactos dependen del compuesto, el molde y la máquina.

La sala de mezclas fija el límite de la calidad de los neumáticos

La mezcla es un trabajo de dos etapas en la mayoría de las plantas. La etapa de masterbatch combina caucho en bruto, negro de carbón o sílice, aceites de proceso, óxido de zinc y agentes protectores en un mezclador interno, generalmente con una cámara de entre 160 y 370 litros y un peso de lote de 150 a 350 kg. La etapa de mezcla final agrega el sistema de curado a una temperatura mucho más baja, comúnmente vertida por debajo de los 110 grados Celsius, porque los aceleradores y el azufre comienzan a reaccionar por encima de ese umbral.

Dos números deciden si un lote es bueno: la temperatura de descarga y la uniformidad con la que se distribuye esa temperatura en la cámara. Los compuestos ricos en caucho natural normalmente se vierten entre 140 y 155 grados Celsius. Los compuestos de banda de rodadura ricos en SBR y BR se calientan más, a menudo entre 150 y 165 grados Celsius, mientras que los compuestos de sílice necesitan una retención controlada en la banda de 145 a 155 grados Celsius para que la reacción de acoplamiento del silano tenga tiempo de completarse. Reducir el tiempo de espera para ahorrar tiempo de ciclo se amortiza más tarde en forma de una menor dispersión y una mayor resistencia a la rodadura.

La precisión del pesaje es el riesgo más silencioso. El negro de humo a granel normalmente se dosifica dentro del 0,5 por ciento del objetivo, los aceites dentro del 0,2 por ciento y los productos químicos pequeños como aceleradores, azufre y activadores dentro de 1 gramo o mejor. Un error de 3 gramos en un acelerador parece trivial dentro de un lote de 250 kg, pero cambia el tiempo de quemado y la curva de curado de una manera que resulta en una dureza inconsistente a lo largo de un cambio.

El pesaje y la alimentación antes del mezclador merecen su propia revisión, desde pequeñas dosificaciones de productos químicos hasta la secuenciación de cargas; este sitio explica el Funciones principales del equipo mezclador aguas arriba. con más detalle. Después de la mezcla final, el compuesto se lamina, se enfría y se deja madurar, generalmente de 8 a 24 horas, para que el negro de carbón y los curativos terminen de dispersarse. Apilar el compuesto a temperaturas superiores a 40 grados Celsius antes de enfriarlo provoca que las tiras se peguen, se quemen y se bloqueen.

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Un molino mezclador abierto se encarga de ese paso de laminado. La separación entre rollos, la temperatura del rollo y la forma en que se corta y gira la tira en el rollo determinan si la lámina ingresa a la línea de enfriamiento con un espesor constante. Una verificación práctica a la salida del mezclador es una clasificación de dispersión de la hoja de prueba superior al 95 por ciento, combinada con una lectura del medidor de curado que permanece dentro de la misma ventana lote tras lote. Cuando la curva de curado se desvía, la causa suele estar en el pesaje o en el registro de temperatura de descarga, no en el proveedor de caucho.

Colado, enfriamiento y preformado: pequeños pasos con modos de falla costosos

Antes de darle forma al compuesto, normalmente pasa por un colador. Un colador de alimentación caliente empuja el compuesto tibio a través de una malla de 60 a 120 a temperaturas de cabeza de 70 a 90 grados Celsius, atrapando grumos curados, metales atrapados, fibras y residuos de bolsas. El filtrado es económico en comparación con la alternativa, que es un revestimiento interior perforado o una separación con correa que sólo aparece en una imagen de shearografía después del curado.

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El enfriamiento viene después y a menudo se subestima. Las líneas de enfriamiento por lotes sumergen la lámina en un baño de agua y luego la cuelgan para que se escurra y se enfríe, con un objetivo por debajo de los 40 grados Celsius antes de apilarla. El enfriamiento es más que logística: impide que el sistema de curado se inicie antes de tiempo y evita que el compuesto se suelde en losas inutilizables.

El último paso en la preparación del material es el preformado, que significa cortar una pieza en bruto pesada de la tira compuesta. Los preformadores de precisión con alimentación en frío cortan piezas en bruto volumétricas o de peso controlado, normalmente manteniendo el peso de la pieza en bruto entre el 1,5 y el 2 por ciento. Esa tolerancia es importante porque el peso de la pieza en bruto impulsa el comportamiento de curado posterior, y una pieza en bruto que se queda corta deja la cavidad del molde sin alimentos mientras la prensa todavía quema un ciclo completo.

Entre el filtrado, el enfriamiento y el preformado, una planta generalmente pierde más producción debido a la manipulación que a la velocidad de la máquina. El compuesto pegajoso, el apilado manual y el ancho de tira inconsistente ralentizan silenciosamente la línea, y la solución suele ser una combinación de control de temperatura y una disposición del transportador que evita que los operadores toquen el compuesto caliente.

Extrusión y calandrado: dar forma a los componentes antes de construir el neumático

Los perfiles de la banda de rodadura y de las paredes laterales están extruidos. Una línea de banda de rodadura típica pasa por un tornillo de 90 a 150 mm, con temperaturas del cilindro de 50 a 80 grados Celsius y temperaturas de la cabeza de 80 a 100 grados Celsius. El perfil deja el troquel hinchado y luego se contrae a medida que se enfría, por lo que el diseño del troquel tiene que compensar aproximadamente entre un 10 y un 25 por ciento de hinchamiento y entre un 5 y un 15 por ciento de contracción, dependiendo del compuesto y de la velocidad de despegue.

Una línea bien trazada mantiene el espesor de la banda de rodadura terminada dentro de aproximadamente 0,5 mm y el ancho dentro de aproximadamente 2 mm. El espesor de la banda de rodadura fuera de esa banda cambia el perfil del hombro y mueve la trayectoria del calor durante el curado, lo que se muestra como una variación del calibre del curado y un costo adicional del material al mismo tiempo.

En su lugar, los compuestos de la capa del cuerpo, la correa y el revestimiento interior pasan por calandrado. Una calandria de cuatro rodillos recubre caucho sobre tejido textil o de cordón de acero con un espesor de 0,4 a 1,2 mm, generalmente entre 0,02 y 0,05 mm en todo el ancho, con un espaciado entre cordones controlado dentro de 0,5 mm. Si el recubrimiento se adelgaza en un borde, el cable queda parcialmente expuesto y es más probable que el neumático falle en ese hombro. Por este motivo, el calibre se comprueba de borde a borde y no sólo en el centro del rollo.

Los equipos de corte se encuentran entre la extrusión, el calandrado y la construcción. Las láminas, tiras y capas se cortan a medida en ángulos que siguen la geometría del neumático terminado. La alineación de la hoja y la precisión del ángulo de corte de una fracción de grado son más importantes de lo que la mayoría de los compradores esperan, porque un corte de capas sesgado cuesta material en cada neumático y se muestra como una variación del empalme en el producto terminado.

Construcción de neumáticos: donde se acumula cada tolerancia

La construcción es el paso de ensamblaje: los talones, el revestimiento interior, las capas del cuerpo, las correas, las paredes laterales y la banda de rodadura se colocan en un tambor mediante una máquina de fabricación de neumáticos. Un ciclo de neumáticos para pasajeros dura entre uno y tres minutos, mientras que los neumáticos para camiones tardan más y a menudo necesitan una máquina de dos etapas con una correa y un tambor de banda de rodadura separados.

Tres mediciones le indican cómo se está desempeñando una línea de construcción: peso de los neumáticos verdes, descentramiento de los componentes y ubicación de los empalmes. La mayoría de las plantas mantienen el peso de los neumáticos verdes dentro del 1 por ciento del objetivo, el descentramiento dentro de aproximadamente 1 mm y las capas o empalmes de correas hasta un espacio definido. El peso de los neumáticos en verde es la mejor señal de alerta temprana disponible. Un neumático verde con sobrepeso desperdicia un compuesto costoso y alarga el ciclo de curado, mientras que uno con bajo peso generalmente significa que falta un componente o falta algún componente en la pila.

La tachuela es la otra variable que nunca aparece en una hoja de datos pero decide la producción diaria. El compuesto que está demasiado frío o demasiado viejo no se pega, los empalmes se abren dentro de la prensa y los operadores compensan con una presión manual que no se puede repetir de un turno a otro. Controlar la temperatura del área de construcción entre 20 y 30 grados Celsius y utilizar piezas preformadas a las pocas horas de cortar, contribuye más a la calidad del empalme que cualquier ajuste individual de la máquina.

Curado: presión, temperatura y la vejiga detrás de ambos

El curado convierte el neumático verde en uno terminado. El neumático verde se carga en una prensa de curado, se infla una vejiga en su interior y se transfiere calor desde el exterior del molde y desde el interior de la vejiga. Las temperaturas del molde se sitúan entre 150 y 180 grados centígrados. El medio interno es normalmente vapor saturado o nitrógeno de 1,6 a 2,2 MPa, y esa presión interna es la que presiona la banda de rodadura y la pared lateral contra el molde grabado. La pérdida de presión durante el curado se manifiesta como una banda de rodadura ligera, porosidad o un patrón incompleto.

El tiempo de curado varía según el tamaño y el compuesto: aproximadamente de 8 a 15 minutos para un neumático de pasajeros, de 40 a 70 minutos para un neumático de camión y varias horas para tamaños grandes de uso fuera de la carretera. La vejiga es un consumible más que una pieza de repuesto. La vida útil común en el taller de las vejigas de neumáticos para pasajeros se sitúa en el rango de ciclos de curado de 400 a 600, y disminuye cuando una prensa realiza ciclos cortos a alta temperatura. Los modos de falla que vale la pena rastrear incluyen el adelgazamiento de los hombros, los orificios causados ​​por el aire atrapado y el endurecimiento por el exceso de temperatura del vapor.

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Las vejigas son en sí mismas productos de caucho moldeado, producidos en equipos dedicados, como una máquina de bolsas de aire para neumáticos horizontales, donde la precisión de la forma y la consistencia del espesor de la pared deciden cuántos ciclos de curado sobrevivirá la vejiga terminada. Comprar vejigas sólo por el precio generalmente aumenta el costo por curado, porque una vejiga que falla temprano detiene una prensa y obliga a limpiar manualmente el molde.

Después del curado, muchas plantas agregan inflado posterior al curado, manteniendo el neumático inflado mientras se enfría para limitar el crecimiento y mejorar la uniformidad. Saltarlo es un atajo común en plantas bajo presión de costos, y reaparece como una mayor conicidad y más pesos de corrección de equilibrio en el área de inspección.

Inspección y uniformidad: la última oportunidad de detectar un defecto

La inspección final suele ser una combinación de métodos: verificación visual, rayos X para la colocación de la correa y el cordón, cizallografía para separaciones y burbujas, y una máquina de uniformidad que mide la variación de la fuerza radial y lateral, la conicidad y el descentramiento. Las plantas de neumáticos para turismos suelen limitar la variación de la fuerza radial en el rango de 70 a 100 newton, según los requisitos del cliente. Los límites más estrictos cuestan el rendimiento, los límites más flexibles cuestan las reclamaciones de garantía, y la línea correcta se ubica donde la planta realmente puede sostenerlo.

El aumento de costos es lo que hace que la lógica de inspección sea importante. Un problema compuesto atrapado en el mezclador cuesta un lote. El mismo defecto encontrado después de la construcción cuesta los componentes más la mano de obra. Después del curado, cuesta el neumático completo más el tiempo de prensado que podría haber producido una unidad vendible. Encontrado por un cliente, cuesta el neumático más un reclamo más el flete. Esta es la razón por la que las plantas serias siguen gastando en control de mezcla y controles de peso de neumáticos ecológicos, incluso cuando el departamento de prensa pide el presupuesto.

Fallos comunes del proceso y dónde buscar primero

La mayoría de los defectos de los neumáticos se remontan a una de cuatro etapas: mezcla, extrusión, construcción o curado. Cuando aparece un problema, la ruta más rápida para solucionarlo es hacer coincidir el síntoma con la etapa que lo posee y luego verificar la causa física más simple antes de tocar las recetas.

Selección de equipo: qué verificar antes de firmar

Ya sea que una planta produzca neumáticos, recauchutados, cámaras de aire o piezas técnicas de caucho, las mismas preguntas de compra deciden el resultado: repetibilidad, controlabilidad y servicio después de la instalación.

• Repetibilidad: solicite variación de ciclo a ciclo, no solo la capacidad nominal. Un mezclador que mantiene la temperatura de descarga dentro de los 2 grados centígrados vale más que una cámara más grande que se desplaza.
• Precisión de pesaje y dosificación: solicite cifras documentadas para productos químicos pequeños y a granel, y pregunte cómo reacciona el sistema ante una alimentación obstruida o una tolva puente.
• Control de temperatura: cada etapa, desde el mezclador hasta el cabezal extrusor y el molde, necesita sensores en la ubicación correcta y un tiempo de respuesta establecido.
• Gestión de cambios y recetas: ¿cuánto tiempo lleva un cambio de compuesto o tamaño y cuántas recetas se pueden almacenar y bloquear contra ediciones no autorizadas?
• Consumibles: vida útil de la vejiga, costo de la pantalla, desgaste de las cuchillas y tiempo de entrega de cada uno de ellos. El costo de los consumibles por cura a menudo excede el pago de la máquina.
• Pruebas y documentación de fábrica: confirme qué pruebas se realizan antes del envío y qué registros viajan con la máquina.
• Respuesta posventa: la forma más rápida de perder una temporada de producción es que el equipo permanezca inactivo mientras un ticket de soporte espera en la cola.

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Preguntas frecuentes: Preguntas más frecuentes sobre el proceso de fabricación de neumáticos

¿Cuánto tiempo lleva convertir un lote de compuesto en un neumático terminado?

Una vez que un compuesto ha madurado, se construye un neumático verde en aproximadamente uno a tres minutos para un tamaño de pasajero y se cura en otros 8 a 15 minutos, por lo que un neumático puede pasar de la preforma a la inspección en 30 minutos. El verdadero tiempo de entrega proviene de la mezcla y la maduración, ya que las plantas normalmente retienen el compuesto de 8 a 24 horas antes de su uso para permitir que el negro de humo y los curativos terminen de dispersarse.

¿Qué etapa causa más defectos?

La mezcla y el curado representan la mayor proporción de defectos repetidos en la mayoría de las plantas. La mezcla controla la dispersión, la seguridad contra quemaduras y la consistencia de la curva de curado, mientras que el curado controla la presión y la penetración del calor. Los errores de construcción suelen ser visibles antes y son más fáciles de corregir, por lo que cuestan menos en conjunto.

¿Qué temperatura y presión utiliza realmente el curado de neumáticos?

Las temperaturas del molde suelen oscilar entre 150 y 180 grados Celsius, con vapor saturado o nitrógeno dentro de la vejiga entre 1,6 y 2,2 MPa. El tiempo de curado varía desde aproximadamente 8 minutos para un neumático pequeño para pasajeros hasta más de una hora para neumáticos de camión y todoterreno.

¿Por qué es tan importante el peso de los neumáticos ecológicos?

El peso de los neumáticos en verde es el indicador más rápido de si cada componente se colocó correctamente. Las plantas normalmente lo mantienen dentro del 1 por ciento del objetivo. Una llanta con sobrepeso desperdicia compuesto y puede tener un curado insuficiente en la sección más gruesa, mientras que una llanta con bajo peso generalmente indica que falta una capa, una banda de rodadura corta o un haz de talones liviano.

¿Qué precisión debe tener un sistema de dosificación de productos químicos pequeños?

Un objetivo práctico es 1 gramo o más para aceleradores, activadores y azufre, con materiales a granel dentro del 0,5 por ciento y aceites dentro del 0,2 por ciento. Pequeños errores químicos cambian el tiempo de quemado y la velocidad de curado, y la variación resultante generalmente aparece como una dureza inconsistente entre lotes en lugar de un rechazo obvio.

¿Puede una línea producir neumáticos para pasajeros y camiones?

En la práctica, rara vez. El tonelaje de la prensa, el tamaño de la vejiga, la geometría del tambor, la producción del extrusor y el tiempo de curado difieren lo suficiente como para que la mayoría de las plantas dediquen equipos a una familia de tamaños. Intentar ejecutar ambos en una línea generalmente cuesta tiempo de cambio y agrega defectos en los extremos del rango de tamaño.

¿Cuál es el error más común al comprar equipos de proceso de caucho?

Comprar en función de la capacidad y el precio ignorando la repetibilidad y el costo de los consumibles. Una máquina que es un 10 por ciento más barata pero que varía en temperatura, peso o tiempo de ciclo consumirá la diferencia en desechos, retrabajo e intervención manual en un solo año de producción.

La conclusión práctica

El proceso de fabricación de neumáticos es menos un problema de máquina que un problema de tolerancia. Cada etapa pasa su error a la siguiente y lo amplifica: un error de dosificación de 3 gramos se convierte en un cambio en la curva de curado, un cambio en la curva de curado se convierte en variación de dureza y la variación de dureza se convierte en un neumático rechazado que consumió tiempo de prensado, mano de obra y compuesto.

Para las plantas que planean nueva capacidad o reemplazan equipos viejos, el orden de prioridad es consistente. Primero controle la mezcla, porque la dispersión y la temperatura de vertido fijan el techo para todo lo que sigue. En segundo lugar, fije la preparación del material y el preformado, ya que el peso en bruto y el compuesto limpio protegen la estación de construcción y el molde. En tercer lugar, controle la presión y la temperatura de curado. Deje la inspección para el final, porque la inspección protege al cliente, mientras que las tres primeras protegen la planta.