Fundamentos de filtración

Son varios los factores que complican la comparación absoluta de los filtros EDM en relación con la capacidad retención de suciedad: la fino del filtro, la vida de servicio y el espacio de instalación. Por tal motivo, la empresa Mann+Hummel trabaja en un concepto de clasificación de filtros EDM de acuerdo a clases de eficiencia para permitir que los usuarios seleccionen los filtros más apropiados para sus requerimientos específicos.

En los últimos años la tecnología EDM ha permitido alcanzar una calidad de acabados de superficie muy alta en la producción de piezas metálicas. Esto se debe a las mejoras en los procesos y en las máquinas, lo que incluye mejoras en la filtración de los fluidos dieléctricos. Son varios los factores y sus interdependencias las que dificultan que el usuario identifique la eficiencia de un filtro y que así utilice éste en el proceso respectivo para lograr la calidad de acabado superficial requerida. Gracias a los procedimientos de medición estandarizados, la eficiencia en la separación, por ejemplo, de los limpiadores de aire y los filtros de combustible es ya bien conocida, mientras que hasta ahora en el campo de la tecnología EDM se han pasado por alto los métodos de comparación claramente definidos. Una solución sería introducir clases de eficiencia basado en la medición de la capacidad de retención de la suciedad bajo la consideración del espacio de instalación disponible para el filtro.

El fluido dieléctrico cumple con la ejecución de varias tareas durante un proceso de erosión. Aisla la pieza de trabajo de la herramienta (electrodo), provee el enfriamiento necesario durante el proceso de maquinado y expulsa el metal removido de los espacios erosionados. Si la calidad de acabado de la pieza de trabajo se deteriora, la razón por lo regular se debe que el nivel de pureza del fluido dieléctrico se ha reducido a causa de una filtración deficiente. Otra complicación tiene que ver con que los generadores de nueva potencia se ve reducido el tamaño del espacio. Esto mejora la calidad del acabado pero las partículas removidas se hacen más pequeñas. La introducción de clases de eficiencia para filtros EDM facilitará a los usuarios la selección de los filtros correctos para sus requerimientos respectivos. El procedimiento de medición de la vida de la vida de servicio del filtro ya empleado internamente en Mann+Hummel indica cuáles criterios son relevantes para las clases de eficiencia y cómo podría verse una solución estandarizada.

Monitoreo en línea del nivel de turbiedad
La influencia que la filtración del fluido dieléctrico tiene en los procesos de EDM son mostrado por los parámetros, los cuales están influenciados, de manera directa o indirecta, por la filtración. Uno de estos es la eficiencia de separación y la medición del tamaño de las partículas retenidas en el filtro. Esto tiene un efecto directo en la pureza del fluido dieléctrico y por lo tanto también en la creación de chispas en el área de trabajo. La eficiencia de separación puede ser únicamente determinada por un proceso de medición complejo, como es necesario para seleccionar y contar las partículas que han pasado por el filtro. Esto hace considerablemente más fácil medir el nivel de turbiedad del fluido. El nivel de turbiedad refleja de manera directa el número y tamaño de las partículas en el fluido. En Mann+Hummel, el nivel de turbiedad se mide de manera permanente mediante la utilización de procesos ópticos, los cuales ya están probados a partir del monitoreo en línea de la calidad de agua.  Esto mide la proporción de la luz reflejada introducida. El resultado se obtiene en unidades nefelométricas de turbiedad (NTU).

La filtración, que tiene lugar en los medios del filtro, por lo regular es una filtración de lecho profunda donde los sólidos penetran el material del filtro donde son retenidos. En filtros estándar, el desempeño completo es logrado únicamente después de que una cantidad correspondiente de suciedad ha sido tomada y embebida. El objetivo es por lo tanto alcanzar un desempeño de separación requerido, tal como la calidad requerida, tan pronto como sea posible después de que el filtro haya sido cambiado (Imagen 1). Por otro lado, la continua acumulación de material filtrado incrementa la resistencia del fluido. Esto añade presión y el resultado es una diferencia de presión entre el flujo ascendente y descendente del filtro. Esto como consecuencia, incrementa el consumo de energía de la bomba.

Mejora de la filtración de lecho profundo
La diferencia de presión depende de la composición de la suciedad acumulada y en el medio mismo del filtro así como de su estructura. Con un filtro eficiente, el diferencial de presión sólo se incrementa de manera paulatina a lo largo de la vida de servicio durante el proceso de filtración de lecho profundo a pesar del incremento del volumen de sociedad. Después de comenzar con la filtración de un área de superficie, existe un incremento exponencial en el diferencial de la presión hasta el máximo de carga. Con la menor calidad de filtración, esta transición sucede mucho más temprano.

Otros parámetros, los cuales tienen influencia en los fluidos dieléctricos, son los iones inducidos y la capacidad de retención de suciedad. El ion inducido resulta de la impregnación del medio de filtrado y de la descomposición de productos de metal (herrumbre). Esto cambia el valor de conductancia del fluido dieléctrico, el cual ha sido compensado por la adición de resina desionizante. Esto incrementa los costos. La capacidad de retención de suciedad describe el volumen de suciedad, la cual puede ser absorbida por un medio de filtración en relación a un metro cuadrado y forma las bases de la vida de servicio y de la eficiencia de operación de un filtro.

Procedimientos de prueba
Para identificar las influencias mencionadas en el proceso EDM y hacerlas comparables, Mann+Hummel ha desarrollado dos pruebas estandarizadas. El objetivo es determinar, en un proceso reproducible, la eficiencia de un filtro EDM basado en la capacidad de retención de suciedad bajo la consideración del espacio de instalación del filtro. Durante la prueba de vida de servicio, los filtros son probados en una máquinas EDM hasta una presión diferencial definida. Para hacer un proceso de carga comparable, el acero es cortado de manera continua usando el mismo material de alambre, el mismo metal de pieza de trabajo y parámetros de máquina fijos. Esto trae como resultado un volumen de suciedad determinado mismo que es la condición para una comparación de vida de servicio de diferentes sistemas de filtro. Más aún, el nivel de turbiedad del fluido dieléctrico después de que es medido el filtro en línea para permitir llegar a una conclusión sobre la eficiencia de separación (Imagen 2).

En la segunda prueba, en el procedimiento de carga el filtro es cargado con una alta carga igual del polvo de prueba estandarizado. Entonces las propiedades de largo plazo del medio de filtración y de la estructura del filtro tal como las tapas extremas y los cartuchos externos son también probados.

Ventajas del plisado progresivo
La selección de un medio de filtrado adecuado y de el mejor uso del espacio de instalación disponible son factores importantes para aumentar la vida de servicio en ciertos tamaños de filtros. Para este propósito, se realizan una serie de pruebas para establecer la distancia ideal entre los pliegues y la densidad de empaque resultante del medio de filtración. El diagrama (Imagen 3) muestra que, como se espera, una densidad de empaque mayor alarga la vida de servicio y cuando el plisado es muy pequeño la vida de servicio es más corta (tal como lo muestra la línea roja del diagrama). Por lo tanto, si los plisados se construyen muy pegados, el desempeño de la filtración se reduce nuevamente.

Si examinamos toda el área del filtro, lo cual es frecuente en el mercado mostrado como el principal factor para la eficiencia del filtro, contra la vida del servicio determinada (la curva en verde), la distancia ideal del plisado es claramente visible. Esto significa que el área del filtro por sí misma, que depende de la distancia entre los pliegues, no indica una vida de servicio larga. A este respecto la pregunta tiene que ser cómo podemos integrar el área más grande posible del filtro con la partición de plisado ideal en un espacio de instalación determinado.

La optimización del plisado fue un proceso largo. El primer paso fue un único fuelle, seguido de una M y plisado en forma de W. Entonces aparecieron los dobles fuelles que fueron seguidos por el último desarrollo de Mann+Hummel, el triple fuelle con plisado progresivo. El espacio de instalación en este caso es llenado con tres áreas cada una con una longitud diferente de plisado. Esto permite una explotación excelente del espacio de instalación y además las pruebas de vida de servicio estándar indicaron mejores resultados que los obtenidos por los fuelles con otras geometrías. Mann+Hummel actualmente es la única empresa que ofrece este diseño de plisado en el campo del EDM. Con el objetivo de evitar las influencias de materiales de metal, las tapas y las cubiertas externas se hicieron de plástico.

Influencia de la estructura de fibra
Además del plisado ideal, el material de fibra empleado representa un factor importante en lo que respecta a la calidad de la filtración. En el campo de la filtración EDM, hasta ahora se han utilizado principalmente fibras de celulosa hasta ahora. Sin embargo, estas tienen algunas desventajas debido a que por su impregnación con los efectos del agua y del aceite incrementan la penetración de fluidos dieléctricos. Este no es el caso con los medios de filtración sintéticos. También tienen otras desventajas a causa del pequeño tamaño del diámetro de sus fibras y su particular distribución heterogénea. Primero, con la misma resistencia al fluido y la misma carga las fibras sintéticas delgadas con una estructura irregular (poros pequeños y grandes) separan más partículas que las fibras gruesas hechas con estructuras homogéneas. En segundo lugar, las partículas muy pequeñas son separadas más rápido, lo cuál reduce de manera considerable la turbiedad inicial cuando el filtro es cambiado. Esto significa que con el material sintético el fluido dieléctrico es claro nuevamente poco después de que el filtro ha sido colocado. El desempeño de la filtración por lo tanto depende no sólo de la finesa del filtro, sino también significativamente del tipo de fibra y de su estructura.

Los medios de filtración completamente sintéticos empleados por Mann+Hummel se compone de una capa de soporte sobre la que se coloca una capa de filtro delgada sintética. El resultado de combinar una geometría de plisado progresiva triple con el medio sintético es un filtro EDM con una vida de servicio hasta 60% más larga que el medio de filtro estándar de un solo plisado (Imagen 4).

Clases de eficiencia para cada espacio de instalación
La medición muestra que cada filtro con un cierto tipo de fibra, estructura y geometría de fuelle tiene su propio desempeño óptimo en términos de capacidad de retención de suciedad y por lo tanto su propia vida de servicio. Una caracterización deseada de filtros EDM para ciertas aplicaciones solo basadas en área y finesa de filtro por lo tanto no es posible. En otros campos industriales las clases de eficiencia fueron introducidas hace ya muchos años para ofrecer métodos de comparación.

Por ejemplo, para frigoríficos, esto ya es un estándar y ha conducido al desarrollo de productos más eficientes. Lo mismo ocurre para la industria automotriz. Aquí, la eficiencia de CO2 de un automóvil está basada en la medición de emisiones bajo consideraciones de masas. Si este concepto es transferido a la filtración EDM, entonces la eficiencia de un filtro EDM está basada en el tamaño del espacio de instalación del filtro y en la medición de la capacidad de retención de suciedad. Una primer idea de clasificación, por ejemplo es como sigue: 90% de partículas de 1 a 2µm son separadas con la eficiencia de filtro B y 90% de partículas de 3 a 5µm se separan con eficiencia de filtro A.

Con la introducción de clases de eficiencia para las diferentes separaciones de eficiencias de filtros EDM bajo la consideración del espacio de instalación ahora es finalmente posible comparar los filtros. La condición una estandarizado de un proceso de medición de la vida del servicio, lo que es similar al empleado en Mann+Hummel internamente. Esto permite que el usuario selecciones un filtro EDM especialmente para sus requerimientos y por lo tanto para determinar la vida de servicio y sus costos ellos mismos (Imagen 5).

El siguiente paso
La empresa Mann+Hummel está trabajando actualmente con el RWTH de la Universidad de Aachen para determinar la posibilidad de transferir estas pruebas a un número mayor de tipos de máquinas y de fabricantes. El objetivo es crear un guía general de pruebas para filtros EDM, la cual permita hacer una clasificación acorde a las clases de eficiencia.