Pruebas de Resistencia Explicadas: Midiendo los Límites de Materiales para Componentes Críticos

Las pruebas de resistencia de materiales y acabado superficial examinan los límites de piezas cruciales usadas en productos críticos. Aquí lo que necesita saber sobre evaluar los límites de resistencia y construcción, tan importantes para la integridad de muchos productos.

Si alguna vez pidió ayuda para abrir un frasco de pepinillos, es probable que la embotelladora nunca hablara con Mark Fridman. Lo mismo para la bolsa de papas fritas que abrió la semana pasada, viendo cómo volaban por la sala al romperse el sellado. O la aspirina que necesitaba cuyo frasco anuncia tapa a prueba de niños que sería más precisa llamar a prueba de humanos.

Fridman es presidente de Mark-10 Corp. en Copiague, Nueva York. Tiene un trabajo divertido. Su empresa fabrica equipos de prueba que intentan rasgar, perforar, pelar, aplastar y destruir diversos productos manufacturados. Muchos son bienes de consumo como los descritos. Pero Fridman y el equipo Mark-10 son cruciales para automoción, aeroespacial y médica, donde la seguridad del producto es primordial.

Determinaciones de Fuerza

No todo es destrucción. Los equipos Mark-10 miden fuerza de liberación de cinturón de seguridad, elasticidad de muelles, par para atornillar un tornillo óseo y incontables aplicaciones similares.

«La usabilidad, fiabilidad y durabilidad de estos y otros objetos manufacturados se cuantifican mediante un valor de fuerza o par», dice Fridman. «Ya sea equipo médico, materiales de embalaje o componentes aeroespaciales, muchas cosas que usamos a diario deben someterse a este tipo de pruebas físicas para asegurar que cumplen los criterios de calidad del cliente».

Típicamente, las pruebas ocurren en la planta de fabricación, a menudo en la propia línea de producción. Entre los componentes de prueba de resistencia mecánica que ofrece Mark-10:

• Dinamómetros (force gauges): capturan fuerzas de tracción y compresión (tirar y empujar) —los cupones de prueba en forma de mancuerna familiares a muchos talleres se separarían en este dispositivo.
• Torsiómetros (torque gauges): miden fuerzas horarias/antihorarias en tornillos roscados, pomos, diales, o la tapa del frasco de pepinillos.
• Medidores de coeficiente de fricción (COF): miden fuerzas estáticas y cinéticas al arrastrar un «trineo» (pequeña pastilla metálica) sobre material objetivo.
• Probadores de tracción de hilos: miden fuerza de arranque para terminales eléctricos prensados, terminaciones de tubos y conectores de unión de hilos.

Muchos disponibles en versiones portátiles y de sobremesa, usados a menudo con bancadas de prueba manuales o motorizadas, diversos accesorios de sujeción y software para recopilar y analizar resultados.

«Muchos clientes, especialmente en aeroespacial, automoción y médica, deben cumplir normas ISO, SAE o ASTM», dice Fridman. «También hay normas específicas de industria y las que los fabricantes desarrollan internamente para asegurar que sus productos no fallen en campo. Un taller que ofrezca servicios de montaje, por ejemplo, podría comprar una de nuestras unidades para verificar la tensión de un muelle en una palanca o la fuerza para cerrar una puerta. Las pruebas son muy específicas y las aplicaciones casi innumerables».

Ingeniería de Superficies

Pat Nugent también se interesa por la calidad del producto, pero de formas más conocidas en talleres. Como vicepresidente de gestión de producto en Mahr Inc. (Providence, Rhode Island), responsable de su amplia gama de equipos de metrología, incluyendo medición de rugosidad, redondez y forma. Explica que los equipos para cuantificar rugosidad se desarrollaron hace décadas, cuando el mecanizado aún se hacía con levas y manivelas. Esos métodos antiguos aún influyen en los estándares de rugosidad actuales.

«Los primeros perfilómetros no diferían mucho de un tocadiscos antiguo, salvo que la aguja se movía arriba-abajo en lugar de lado a lado», dice Nugent. «Estos dispositivos analógicos tempranos usaban un cálculo matemático conocido como Rq, tipo de media cuadrática, para determinar rugosidad. Hoy, la mayoría de talleres —al menos en EE. UU.— conocen mejor Ra, rugosidad media».

Nugent añade que en otras partes del mundo se usa típicamente el estándar Rz, diferencia media pico-valle entre cinco longitudes de muestreo consecutivas. Señala, sin embargo, que existen un centenar de parámetros y estándares de medición de superficies, y los fabricantes a menudo se confunden sobre cuál usar y por qué.

«Al entrar la industria en la era digital y los equipos de medición volverse más capaces, se descubrió cómo recopilar diversos perfiles de superficie y usarlos para cuantificar calidad de pieza», dice. «Piense en el cilindro de un motor. El fabricante suele mecanizar en bruto, luego vuelve con operación de brunido o rectificado final, que elimina picos pero deja valles. Si pueden medir y controlar estos procesos con precisión, se crea una superficie ingenierizada que proporciona características óptimas de desgaste y lubricación».

Rugosidad y Ondulación (Waviness)

La buena noticia tras toda esta complejidad: equipos modernos como los de Mahr cambian fácilmente entre estándares de rugosidad del plano. También miden ondulación (waviness), que va de la mano con rugosidad.

«Digo a la gente que piense en una mesa de madera con un objeto pesado apoyado. La curvatura central es la ondulación; el grano que siente con la uña es la rugosidad superficial», dice Nugent.

Es importante reconocer que rugosidad y ondulación son mediciones bidimensionales. Una serie de tales mediciones con óptica avanzada como la de varios productos Mahr permite obtener vistas tridimensionales detalladas de objetos mecanizados, fundidos, conformados o impresos.

Esto vuelve a lo que Nugent dijo sobre superficies ingenierizadas: la capacidad de medir y controlar procesos de fabricación a nivel microscópico puede llevar a mejoras profundas en el comportamiento del objeto terminado, presentando oportunidades como mejor integración ósea en implantes ortopédicos y creación de superficies que imitan mejor las del mundo orgánico.

¿Qué obstáculos ha enfrentado al medir la resistencia de un material? ¿Cómo los superó? ¿Qué consejos puede compartir?