Tubo de mullita de múltiples conductos para la protección de sensores RTD: cómo mantener bajo control la deriva de los conductos

Antecedentes del cliente

La alineación del orificio era la parte que nadie quería volver a tocar.

El equipo de montaje fabricaba accesorios de protección para sensores RTD y necesitaba tubos de mullita capaces de alojar un elemento sensor metálico, mantenerlo centrado y soportar ciclos térmicos repetidos sin que el tubo se saliera de las tolerancias. El volumen previsto no era pequeño. Aproximadamente 40 000 piezas al año. La geometría del tubo tenía un diámetro exterior de alrededor de 0,120" y un diámetro interior mínimo de 0,096", y el plano especificaba diseños de un solo orificio o de doble orificio, dependiendo del diseño del sensor.

La elección del material ya estaba decidida. La mullita era la opción más lógica, ya que soporta el calor sin los problemas de fragilidad que presentan algunas cerámicas de menor calidad. El problema era conseguir que la geometría del interior se mantuviera donde debía.

Ese era el escollo.

Reto

El problema no era solo la variación de una dimensión. Era la combinación de la uniformidad del diámetro exterior, la ubicación del orificio y el comportamiento de los tubos tras la cocción. Sobre el papel, la pieza parecía sencilla. En la producción, no tanto.

En algunos de los primeros lotes, los centros de los orificios se desplazaban lo suficiente como para que la inserción del RTD resultara irregular. No era catastrófico. Pero sí lo suficiente como para ralentizar el montaje. Un tubo que se desvía 0,002" en la dirección equivocada puede provocar un ajuste holgado en un extremo y un atascamiento en el otro. Entonces, el cable del sensor no encaja correctamente y el instalador empieza a rechazar piezas por tacto. Ahí es donde suelen empezar a dispararse los costes.

También teníamos un problema con el embalaje. A la cerámica no le gusta que la sacudan durante el transporte, sobre todo cuando la pared es fina en relación con el diámetro interior. Un proveedor había enviado piezas aceptables en bandejas a granel, y la tasa de astillamiento de los bordes era muy elevada. Otro lote llegó envuelto con demasiada fuerza, lo que provocó marcas de roce y algunos extremos fracturados. Ninguna de las dos opciones era ideal.

El plazo de entrega también formó parte del debate. El cliente no podía esperar eternamente a una «mejor» fórmula cerámica si el margen de proceso era estrecho. Probamos con alúmina en una comparación inicial. No se ajustaba tan bien al perfil térmico y las pérdidas por manipulación eran mayores. No era una buena opción.

Por qué eligieron a SAM

Stanford Advanced Materials (SAM) entró en la discusión porque la solicitud no se limitaba a un tubo de mullita. Se trataba de un tubo reproducible con una disposición específica de los orificios, dimensiones uniformes de extremo a extremo y un plan de suministro capaz de cubrir el volumen anual sin necesidad de una recualificación constante.

SAM podía presupuestar la pieza con opciones personalizadas de número de orificios —un solo orificio, doble orificio e incluso un mayor número de orificios cuando fuera necesario— y podía mantener las dimensiones dentro del rango solicitado de diámetro exterior (OD) y diámetro interior (ID). Esto era importante porque el utillaje de inserción del RTD del cliente ya estaba configurado. Cambiar el tubo habría supuesto modificar la configuración de inserción, lo que habría convertido un problema con el proveedor en otro quebradero de cabeza para la fábrica.

El otro aspecto era de carácter práctico. SAM se mostró dispuesta a debatir las tolerancias, la contracción por cocción y los métodos de inspección, en lugar de limitarse a enviar un presupuesto genérico de cerámica. Eso supuso un ahorro de tiempo. No se pretendía hacer creer que un tubo de mullita con múltiples orificios fuera lo mismo que un manguito cerámico sencillo.

Solución proporcionada

SAM suministró tubos de mullita personalizados con múltiples orificios, fabricados según el plano del cliente, con el número de orificios adaptado al diseño del conjunto del sensor. La geometría del tubo principal presentaba un diámetro exterior de aproximadamente 0,120" y un diámetro interior mínimo de 0,096", con una alineación de los orificios controlada con la precisión suficiente para garantizar una inserción fluida del RTD en toda la línea.

En este caso, hubo algunos detalles técnicos importantes:

· La geometría de los orificios se mantuvo constante de un lote a otro, lo que redujo la variación de la fuerza de inserción y evitó que el sensor rozara contra la pared cerámica.

· La composición de la mullita se seleccionó para su uso a altas temperaturas, donde la deriva dimensional durante la exposición al calor puede provocar problemas de montaje en fases posteriores del proceso.

· Los tubos se embalaron con separadores aptos para cerámica en lugar de un embalaje a granel suelto. Esto redujo los daños en los bordes durante el transporte y la recepción.

Hubo que hacer una concesión. Para cumplir con el plazo de entrega, en la primera tirada de producción se aplicó un criterio de inspección ligeramente más estricto en cuanto a la simetría del interior del tubo, pero no se exigió el acabado estético más impecable posible. Algunos tubos presentaban ligeras marcas superficiales debidas a la manipulación. Funcionalmente, estaban bien. Estéticamente, no eran bonitos. Aceptamos esa concesión porque la cadena de montaje necesitaba un ajuste estable más que un acabado digno de una sala de exposiciones.

Sinceramente, esperábamos que el diámetro exterior fuera el principal problema. No lo fue. La simetría del interior acabó siendo más importante.

SAM también coordinó con el cliente el control de la longitud y el estado de las caras finales. Los extremos tenían que estar lo suficientemente limpios para la inserción automatizada, pero sin ser tan frágiles como para astillarse durante el recorte final. Ese equilibrio nunca es perfecto con la cerámica. Seguíamos supervisando el estado de los bordes del segundo lote cuando se aprobó el primer conjunto de producción.

Resultados e impacto

El efecto inmediato fue una reducción de las repeticiones de trabajo en el montaje. Los elementos RTD encajaban de forma más uniforme y los operarios dejaron de marcar tantos tubos por problemas de «sensación» durante la inserción. Eso, por sí solo, redujo las interrupciones de la línea de producción.

La ventaja más importante fue la estabilidad del suministro. El cliente había estado repartiendo los pedidos entre dos proveedores y seguía encontrando variaciones. Al encargar a SAM la fabricación de los tubos de mullita a medida, pudieron estandarizar el número de orificios y mantener las mismas dimensiones en todos los lotes. Esto redujo la necesidad de realizar ajustes constantes en el utillaje.

Los tubos también resistieron las pruebas térmicas sin presentar el patrón de fisuras observado en las pruebas anteriores con materiales mixtos. No todos los lotes tenían un aspecto idéntico, y aún no estamos 100 % seguros de por qué un lote de cocción salió con caras finales ligeramente más limpias que el resto. Pero la variación funcional se mantuvo dentro de los límites con los que el equipo de montaje podía trabajar.

Si desea comparar este tipo de fabricación cerámica con otras opciones de tubos, le recomendamos que eche un vistazo a nuestras notas sobre el control dimensional de la cerámica y el procesamiento de la mullita.

Conclusiones clave

Los tubos de mullita de múltiples diámetros internos rara vez se reducen únicamente al material. La disposición de los diámetros internos, la estabilidad del diámetro exterior, la contracción por cocción y el método de empaquetado influyen en que la pieza funcione realmente en una línea de montaje en funcionamiento.

En este caso, la principal limitación no fue únicamente el rendimiento. Se trataba del rendimiento, el volumen y el plazo de entrega. Eso obligó a hacer concesiones en el acabado estético en la primera tirada, y esa compensación resultó aceptable.

Stanford Advanced Materials (SAM) se encargó de la geometría personalizada, del requisito de suministro de gran volumen y de las complicaciones prácticas que conlleva la producción de cerámica. Las piezas no eran perfectas. Eran utilizables, uniformes y lo suficientemente fieles al plano como para que el montaje del RTD pudiera seguir adelante.

Seguimos vigilando el acabado superficial del próximo lote. No es un problema insalvable, pero aún no lo damos por resuelto.