El proceso industrial de recubrimiento electrolítico con racks y barriles

Ya vimos en artículos anteriores algunos conceptos básicos para entender la galvanoplastia y los procesos electroquímicos que intervienen en un proceso de recubrimiento electrolítico, o electroplating process en inglés.

Aterrizando un poco mas al aspecto práctico de cómo se implementa un proceso industrialmente, esto dependerá del tamaño de las piezas a recubrir y su geometría, pero también del volumen de producción requerido.

En la imagen 1 podemos ver una disposición típica de un tanque de celda electrolítica de laboratorio, notar como la terminal positiva del rectificador de corriente directa (conector banana amarillo) se conecta a una barra de cobre en forma de "U" de la que se cuelgan haciendo contacto eléctrico los electrodos donantes o "ánodos", mientras que la barra central sostiene mediante ganchos metálicos la pieza de trabajo situada al centro que recibirá los iones positivos del metal con el que se recubrirá y en el extremo es conectada a la terminal negativa del rectificador de corriente directa (conector banana negro). El líquido azulado es la solución electrolítica que dependerá del tipo de metal con el que se recubrirá la pieza.

A nivel industrial las disposiciones de celdas electrolíticas son similares, pero a mayor escala. Por ejemplo, en la imagen 2 un folleto que promociona dos tipos de máquinas industriales para metalizado electrolítico, una del tipo "Rack" y otra del tipo "Barrel". En la imagen 3 se muestra un rack-electrodo para metalizado industrial electrolítico, sobre los orificios se cuelgan las piezas a metalizar que serán sumergidas en la solución dentro de los tanques y en la parte superior en medio, se aprecia la barra de contacto eléctrico.

Básicamente hay cuatro formas de implementar un proceso de recubrimiento electrolítico de tipo industrial, pero las mencionadas son las mas conocidas y usadas:

1)Rack Plating (Batch-plating) o metalizado en lotes.

Aquellas piezas o componentes que por su tamaño, forma o estructura no pueden ser metalizadas con procesos masivos (mass plating) son colgados en "racks" metálicos (Imagen 3) que van conectados eléctricamente por lo general al cátodo (terminal negativa) del rectificador de corriente directa. Y es en esos racks en los que se sumergen en la solución dentro del tanque para realizar el proceso de metalizado. Regularmente antes del metalizado hay etapas previas de pre-tratamiento y limpieza, así como etapas de post-tratamiento después del metalizado. (Diagrama 1)

En la imagen 4 se muestra una instalación industrial que utiliza el procesamiento de metalizado con rack.

Como alternativa de proceso, el rack-plating permite acomodar piezas en casi cualquier orientación, geometría o tamaño y los racks son generalmente mas económicos y simples de fabricar que los barriles. Sin embargo presenta algunos inconvenientes, como que por ejemplo en ocasiones se producen "marcas de rack" en las piezas metalizadas que deben corregirse post-proceso. Además el mismo proceso de "colgar" las piezas en los racks implica ya un alto grado de manejo manual y limitaciones en cuanto a la cantidad de piezas que se pueden metalizar por lote, lo cual baja el rendimiento de producción.

Aunque en este tipo de proceso se precisa un alto grado de manipulación humana, sobre todo en las etapas de carga y descarga de piezas, lo cual reduce la productividad. Algunas operaciones son susceptibles de ser automatizadas, sobre todo aquellas relacionadas con el traslado de las piezas en rack de un tanque a otro una vez que se termina una fase, de pretratamiento/limpieza a metalizado y de ahí a post-tratamiento.

De igual forma, la integración de un PLC o computadora industrial como cerebro para automatizar las operaciones, permite elevar el grado de operación automatizada del proceso, sobre todo si se cuenta con un rectificador que pueda ser comandado a distancia mediante una interfaz de comunicaciones que le permita al PLC comandar el arranque del voltaje/corriente al ser sumergidas las piezas en el depósito de metalizado. Este enfoque es muy conveniente si se integran sensores y tecnologías para monitorear por ejemplo, el grado de concentración de la solución electrolítica o de un ácido precursor determinado, así como la temperatura del mismo, o la impedancia entre los electrodos, la cual puede ir variando al ir degradándose el ánodo ciclo tras ciclo.

2)Mass Plating

Cuando los componentes o piezas a metalizar son pequeñas y de formas estándar, como tornillos o tuercas, conectores eléctricos, grapas, clips, manijas, etc. El metalizado en rack se vuelve inviable sobre todo por la dificultad de cargar/descargar las piezas en el rack, en especial cuando los niveles de producción superan los cientos de miles por turno. Es en estos casos donde se eligen las opciones de proceso conocidas como "Mass plating" (Diagrama 2). Cual subtipo de proceso se elige depende de la geometría, las dimensiones y la forma de las piezas. El método mas comúnmente utilizado es el de "barril" o "barrel plating". Otros métodos son "plating bells" o "Campanas de metalizado" y las "Unidades vibratorias de metalizado". Aunque se considera que presenta ventajas como método tiene la restricción de ser un método no viable para piezas delicadas que sean susceptibles de deformarse, rasparse o quedar entrelazadas. En este tipo de proceso es importante calcular y realizar en base a ese dimensionamiento el tamaño del lote a procesar, porque puede ser crítico tanto la sobrecarga como la subcarga durante la rotación del barril.

2.1)Barrel Plating.

El barril usado para el proceso se construye de material de polipropileno. Dentro del barril hay barras metálicas al centro que se conectan al polo negativo del rectificador de corriente directa (cátodo). (Imagen 5)

Por lo regular el barril rota lentamente cuando está sumergido en la solución electrolítica. Al rotar, las piezas van moviéndose dentro en forma de cascada, esto produce que los iones presentes en la solución comiencen a adherirse en forma de recubrimiento uniforme a las piezas dentro del barril. El efecto de la caída en cascada de las piezas dentro del barril tiene como resultado un metalizado mas uniforme que el que dan otros métodos.

El principal beneficio que brinda este método es el de mejorar la productividad, ya que las piezas se "cargan" en el barril depositándolas en bruto reduciéndose la intervención humana. La descarga de las piezas puede ser incluso sin intervención humana dejándolas caer sobre un depósito o caja. Sin embargo no siempre es posible usar este método sobre todo cuando las piezas son muy grandes o tienen geometrías complicadas.

Al igual que el metalizado en rack, una serie de fases pre-tratamientos y limpieza, así como post-tratamientos pueden ser requeridos y se presta bien al uso de PLC´s para automatizar, en especial las operaciones de traslado entre distintas fases. Nuevamente resulta muy conveniente contar con un rectificador de corriente directa que pueda ser comandado remotamente por un PLC o computadora industrial mediante una interface adecuada a tal propósito. Esto con el fin de aumentar el grado de automatización que incluya las operaciones de metalizado.

Los otros dos métodos de recubrimiento electrolítico usados en la industria son el Continuous Plating y el In-Line Plating. El primero se usa para la metalización de cable/alambre o varilla de construcción, alambrón para construcción, etc. e implica un movimiento continuo a través del proceso de metalizado.

Eso sería todo en esta ocasión, continuaremos publicando artículos relacionados a la industria de los recubrimientos de piezas industriales por métodos electrolíticos en entregas futuras.

Recordamos que estos artículos son solo informativos y tienen como fin introducir los conceptos básicos y conocimientos relacionados a esta industria y al importante rol que el rectificador de corriente directa juega como componente clave. Si tiene un proyecto de negocios ó industrial relativo a este tipo de procesos, recomendamos validar la información con, así como asesorarse con un profesional de la metalurgia y de los procesos electroquímicos.

En galvanoplastia, el resultado deseado requiere de un preciso control del acabado y del grosor/dureza del recubrimiento depositado. El control preciso en la entrega de cargas (amp-hr) es crítica en ambos casos en la mayoría de los procesos de recubrimiento electrolítico. Por eso,  para su próximo proyecto lo invitamos a que proponga el Rectificador para Galvanoplastia que mejor garantice esto y le lleve a usted al éxito. El equipo con el mejor respaldo y que le brinde la mejor relación costo-beneficio.

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Nos vemos pronto.  Gracias por leernos.

Referencias:

• Para elaborar el artículo se tomó información leída de los siguientes sitios
• https://easymetallurgy.blogspot.com/2021/08/chrome-plating-vs-zinc-plating-detailed.html
• https://advancedplatingtech.com/blog/tooling-requirements-for-rack-plating-3/
• https://chem.libretexts.org/Bookshelves/Analytical_Chemistry/Supplemental_Modules_(Analytical_Chemistry)/Electrochemistry/Electrolytic_Cells/Electrolysis_I

Atribuciones:

• Imagen 1:  https://wiki.032.la/through_hole_plating Under: CC Attribution-Share Alike 4.0 International
• Imagen 2: Except where otherwise noted, this content is licensed under a Creative Commons Attribution License https://localwiki.org/canton/Imperial_Industries_Incorporated/_files/Imperial%20804%202.jpg/_info/
• Imagen 3: By: ECTran71 This file is licensed under the Creative Commons Attribution 4.0 International license."Photo of a mixed metal oxide electrode used as an anode (counterelectrode) for electroplating processes. Electrode consists of a titanium mesh coated in inert metal oxide and welded to a rack for use in electroplating baths." https://commons.wikimedia.org/wiki/File:MMO_anode.jpg
• Imagen 4: Under: Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported. By: Swoolverton. File:Copper electroplating on printed circuit boards (a PCB factory in China - Innoquick Electronics Limited,(www.iqpcb.com)  https://en.m.wikipedia.org/wiki/File:PCB_copper_layer_electroplating_machine.jpg
• Imagen 5: Barrel Plating untuk bahagian metalik yang kecil . Plating ini ialah khusus untuk penyaduran nikel by Encik Tekateki. bajo licencia Creative Commons Attribution-Share Alike 4.0International.  https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Barrel_Plating_For_Small_Parts.jpg
• Diagrama 1 y Diagrama 2 : Imágenes adaptadas de imágenes tomadas de:  Date: Oct 17, 2020 Publisher: Springer Nature Publication: The International Journal of Advanced Manufacturing Technology Author: Alexander Leiden et al Model-based analysis, control and dosing of electroplating electrolytes Under C.C.A 4.0 I https://link.springer.com/article/10.1007/s00170-020-06190-0                                             Copyright © 2020, The Author(s)