UD3. Materiales tecnológicos y su impacto ambiental ♻️

1. LOS PLÁSTICOS

¿Qué son los plásticos?

Los plásticos son un conjunto de materiales de origen orgánico (basados principalmente en carbono) que tienen una propiedad clave: pueden moldearse fácilmente con calor y presión, adoptando casi cualquier forma.

La Química de los Plásticos: Polímeros y Monómeros

Para entender qué es un plástico, debemos mirar su química:

Los plásticos están constituidos por polímeros.

• Un polímero es una molécula de tamaño gigante (una macromolécula), formada por la repetición constante de otras moléculas más pequeñas llamadas monómeros (como una cadena larguísima donde cada eslabón es un monómero).

Tipos de polímeros.

El proceso químico para unir esos monómeros y crear el polímero se llama polimerización.

Esta reacción se realiza en un reactor donde se mezclan los monómeros con otros productos para definir el resultado final:

• Disolventes y Catalizadores: Para ayudar a que la reacción ocurra.
• Pigmentos: Para darles color.
• Aditivos y Cargas: Para mejorar sus propiedades (como añadir fibra de vidrio para más resistencia, fibra de carbono, fibras textiles, etc.).

Breve Historia: De la Naturaleza al Laboratorio

Aunque hoy asociamos "plástico" con "sintético", los polímeros han existido siempre.

1. Polímeros Naturales

Existen muchos polímeros naturales, como la celulosa (en la madera), el caucho, el betún, las resinas o el látex.

Laca: El más antiguo conocido. Se extrae de la savia de un árbol y fue usada por los chinos en el siglo XIII a. C.

Caucho: Conocido por mayas y aztecas (hacia el siglo XIII d. C.) para impermeabilizar objetos. También se extrae de la savia de un árbol y los exploradores europeos lo llamaron "goma".

2. La Era Sintética

La mayoría de polímeros que usamos hoy son sintéticos (creados por el hombre) y su historia es sorprendentemente moderna.

1. Mediados del s. XIX: Se descubre el celuloide, el primer plástico sintético. Ocurrió casualmente, mientras se buscaba un sustituto del marfil para fabricar bolas de billar.
2. Principios del s. XX: Se fabrica la baquelita. Fue un hito, ya que era el primer plástico termoestable (una vez endurecido, no era posible volver a ablandarlo por calor).
3. A partir de la Segunda Guerra Mundial: La investigación y producción de nuevos plásticos se disparó, especialmente en EE.UU., dando lugar a la rápida sucesión de descubrimientos que definen nuestro mundo actual.

2. PROPIEDADES GENERALES DE LOS PLÁSTICOS

Los plásticos han conquistado el mundo moderno. Esto no es casualidad, sino el resultado de una combinación única de propiedades que los hacen increíblemente versátiles y útiles:

• Buen aislante eléctrico: Conducen mal la electricidad. Por eso se usan en el recubrimiento de cables y herramientas eléctricas.
• Buen aislante térmico: Transmiten el calor muy lentamente. Por ejemplo, la baquelita se utiliza para los mangos de sartenes, diversos tipos de espumas para aislar tuberías.
• Buena resistencia mecánica para lo poco que pesan. Así, se usan, en la fabricación de juguetes y, reforzados con fibras en sectores industriales como la aviación.
• Gran flexibilidad: Esto permite, por ejemplo, fabricar mangueras o botes estrujables.
• Muy fáciles de moldear con calor y presión ya que se ablandan sin llegar a fundirse. Esto permite la fabricación de piezas complicadas con facilidad.
• Gran resistencia a productos químicos de gran variedad. Podemos observar como productos bastante agresivos como los ácidos, lejías, detergentes, etc., se envasan en botes de plástico sin problemas, cuando si fueran de metal se corroerían.
• Fácil reciclado: Algunos de ellos simplemente calentándolos hasta fundirlos y darles nueva forma. Otros por descomposición química. Por último, pueden quemarse para obtener energía.
• Económicos en comparación con otros materiales como los metales.

3. TIPOS DE PLÁSTICOS

El término "plástico" no se refiere a un solo material, sino a una familia inmensa y diversa de polímeros. Un bote de champú (flexible) y el salpicadero de un coche (rígido y resistente) son ambos "plásticos", pero sus propiedades son radicalmente distintas.

Para entender esta diversidad y saber cómo elegir el material adecuado para cada proyecto, es esencial clasificarlos. Podemos agrupar los plásticos usando varios criterios.

3.1. Según su procedencia

El primer criterio, y el más fundamental, es diferenciar si el material es un polímero creado por la naturaleza o fabricado por el ser humano.

Según su procedencia los plásticos pueden ser naturales o sintéticos:

Plásticos naturales

Se obtienen de materias primas naturales, como la celulosa (procedente de la madera o del algodón), el caucho natural o látex (procedente de la corteza de un árbol tropical), o la caseína (proteína presente en la leche de vaca).

Son plásticos naturales algunas lacas, la viscosa o el celuloide (obtenidos ambos de la celulosa).

Plásticos sintéticos

• Se elaboran a partir de compuestos derivados del petróleo, el carbón o el gas natural.
• Los monómeros para la fabricación de plásticos sintéticos se obtienen de las naftas, que se obtienen a su vez del proceso llamado destilación fraccionada del petróleo.

3.2. Según su composición

Mientras que la clasificación anterior nos dice de dónde vienen los plásticos, esta nos explica cómo son y cómo se comportan. Esta es la clasificación técnica más importante, ya que agrupa a los plásticos según su estructura molecular interna.

Esta estructura determina una propiedad crucial: cómo reaccionan al calor.

Saber esto es fundamental, ya que nos dice cómo se puede fabricar un objeto con ese plástico y, lo más importante, si se puede reciclar fácilmente o no.

Se clasifican en termoplásticos, termoestables y elastómeros:

PROPIEDADES Y APLICACIONES DE LOS TERMOPLÁSTICOS

• Polietileno de alta densidad (HDPE): Muy resistente a los esfuerzos. Rígido y resistente a la corrosión. Resiste a bajas temperaturas. Muy ligero, flota en agua. Se ablanda sobre 130 ºC.
• Polietileno de baja densidad (LDPE): Es poco resistente pero muy flexible. También flota. Es muy económico. Se usa en láminas, bolsas, botellas estrujables, etc. Se ablanda a unos 85 C.
• Polipropileno (PP): Más duro pero menos flexible que el polietileno. Puede doblarse muchas veces sin romperse (material bisagra). Bastante resistente al calor, se ablanda a unos 150ºC. Flota en agua. Se usa en recipientes, jeringuillas, precinto de cajas, cuerdas, tuberías, redes, etc.
• Policloruro de vinilo (PVC): Gran resistencia química. Es impermeable. Muy duro. No flota en agua. Es muy resistente al fuego pues no arde por sí solo y se apaga al retirar la llama. Se usa en tuberías, canalones, marcos de puertas y ventanas, revestimiento de cables eléctricos, cinta aislante, mangueras de riego, cortinas de baño, telas impermeables, etc.
• Poliestireno (PS): Bastante rígido aunque algo frágil. Se colorea con facilidad. Se emplea en juguetes, carcasas de electrodomésticos, envases de yogur, etc. También se usa expandido (porexpán o corcho blanco) en envases de alimentos frescos, embalajes protectores, aislamiento de edificios, etc.
• Polietileno tereftalato (PET): Transparente e impermeable a componentes gaseosos como el anhídrido carbónico de los refrescos. No flota en agua. Bastante resistente a la corrosión. Se usa sobre todo en botellas de agua, refrescos, aceite y otros productos.
• Policarbonato (PC): Es muy transparente y 200 veces más resistente que el vidrio. No flota en agua. Es muy resistente a la corrosión. Se usa en la fabricación de CDs, visores para cascos protectores (y el propio casco), lentes ópticas, pilotos, láminas para techos, etc.
• Metacrilato (PMMA): Duro, rígido y transparente. Más resistente a los impactos que el vidrio. Se usa como sustituto del vidrio en faros de automóvil, letreros luminosos, vidrios de aviones y barcos, etc.
• Politetrafluoretileno (PTFE): Más conocido como teflón. Es antiadherente y resistente a productos químicos agresivos. También es impermeable (se usa en fontanería) y buen aislante térmico y eléctrico (cable flexible). Tiene un bajo coeficiente de rozamiento, por lo que se usa en cojinetes que no pueden ser lubricados.
• Poliamidas (PA): La más conocida es el nailon. Es muy resistente al desgaste y a los productos químicos. Su temperatura de fusión es alta (sobre 340 ºC). Es más conocido su uso como fibra, pero se aplica también en rodillos, cojinetes, engranajes, tornillería, etc.

Termoplásticos.

PROPIEDADES Y APLICACIONES DE LOS TERMOESTABLES

• Fenoles (PF): El más conocido es la baquelita. Es buen aislante eléctrico y aguanta bien el calor. Resistente a la corrosión. Es dura pero frágil. Se usa en mangos de utensilios de cocina, en aparatos de teléfono, dispositivos eléctricos, ceniceros, etc. También se emplea en laminados de tableros.
• Aminas (MF): Se usan como adhesivos, en recubrimientos de tableros (la más conocida es la melamina) de muebles y encimeras. También se usa en cascos de barcos. Es buen aislante térmico y resistente a los productos químicos.
• Resinas de poliéster (UP): Es una resina líquida que se solidifica al añadirle un producto endurecedor, volviéndose un plástico duro y rígido pero frágil. Se refuerza con fibra de vidrio para aumentar su resistencia. Se emplea en depósitos, piscinas, esquís, cañas de pescar, etc.
• Resinas epoxi (EP): Tiene muy buena adherencia, por lo que se utiliza como adhesivo en construcción (une hormigón con acero) y a nivel doméstico, en la fabricación de pinturas para suelos de garajes y naves industriales, como revestimiento de latas de alimentos, etc.

PROPIEDADES Y APLICACIONES DE LOS ELASTÓMEROS

• Caucho (CA): Es muy elástico, resistente al desgaste, buen aislante térmico y eléctrico y resistente a los agentes químicos. Mejora sus propiedades con el proceso de vulcanizado. Se emplea en neumáticos, tubos flexibles, suelas de zapatos, guantes, etc.
• Neopreno (PCP): Su nombre químico es policloropreno. Es muy resistente al calor y a productos químicos como aceite y petróleo. Se utiliza en trajes de buceo, cables, mangueras, cimientos de edificios y apoyo de vigas de puentes para protegerlos de los terremotos, correas de transmisión, etc.
• Poliuretano (PUR): Se usa sobre todo en forma de espumas (esponjas, almohadas, embalajes, aislantes, etc). También en pinturas de revestimiento de muros.
• Siliconas (SI): Es estable e inerte químicamente a altas temperaturas. Además es muy flexible. Se usa como lubricante, adhesivo, sellador, moldes de hornear, prótesis médicas, etc.

LAS FIBRAS TEXTILES SINTÉTICAS

Son más resistentes que las fibras naturales (lana, seda, algodón, lino,...).

• Nailon: Es un termoplástico de la familia de las poliamidas. Es muy fuerte y flexible. Se usa en medias, cazadoras, cuerdas, airbags, tela de paracaídas, etc.
• Poliéster: Es un termoestable. En forma de fibra se usa sola o combinada con algodón o lana, en prendas de vestir, bolsas de viaje, telas impermeables, etc. Es un tejido que absorbe mal el agua, por lo que se seca muy rápido.
• Elastano: Es un elastómero, de la familia de los poliuretanos, conocido comercialmente como lycra. Combinado con otras fibras, se usa en medias, corsetería, bañadores y prendas ajustadas en general.
• El kevlar: El kevlar es una poliamida sintética ligera y excepcionalmente resistente a la rotura. Su resistencia a la tracción es más del doble que la del acero y tiene una tenacidad (capacidad para absorber energía antes de la rotura) unas 8 veces mayor que el acero. Entre sus aplicaciones se destacan: chaquetas, cuerdas, hilo de coser, guantes anticortes, chalecos antibalas, velas náuticas, cascos y equipamiento de motorista, botas antiperforación, etc.

4. FABRICACIÓN DE OBJETOS DE PLÁSTICO

El primer paso es obtener el polímero a partir del monómero. Este proceso se lleva a cabo en un reactor. Se introduce el monómero, un disolvente y un catalizador (activador de la reacción química) y se somete a una temperatura y presión controladas, al tiempo que se agita.

En la secadora, el polímero es separado del disolvente y se seca. Posteriormente, en la trituradora, el material se tritura y se obtiene el polímero en forma de granos (granza) o polvo. También se pueden añadir colorantes y otros materiales (cargas) para mejorar las propiedades del plástico base.

Una vez obtenido el material plástico en forma de polvo, gránulos o resinas, se le da forma por diversos procesos, dependiendo del tipo de plástico y de la forma que se quiera obtener.

Extrusión

Se aplica a termoplásticos. El plástico granulado de la tolva pasa al cilindro precalentado obligado por el giro del tornillo sin fin. El material fundido sale por la boquilla o troquel que le da la forma. El material extruido se enfría lentamente mediante un sistema de refrigeración. El sistema de arrastre recoge el perfil obtenido. Se fabrican así tubos, varillas, perfiles, recubrimiento de cables, etc. Cuando se quiere cambiar la forma transversal del perfil basta con cambiar el troquel.

Inyección

Se aplica a termoplásticos. Mediante una máquina como la extrusora anterior, se introduce el material plástico fundido a presión en el interior del molde. Tras solidificarse el plástico por enfriamiento, se abre el molde y se extrae la pieza. Se pueden fabricar piezas complejas. Se usa para recipientes, cubiertos, carcasas de electrodomésticos, juguetes, etc.

Moldeo por soplado

Se aplica a termoplásticos. Mediante un dosificador se introduce material plástico fundido procedente de una extrusora en un molde. A continuación se inyecta aire comprimido para empujar al plástico hacia las paredes del molde. Tras el enfriamiento, se abre el molde y se extrae el objeto. Se utiliza para fabricar objetos huecos, como botellas, balones, etc.

Moldeo por compresión

Se aplica a termoestables. Se introduce el material plástico en polvo o en grano en la parte hembra del molde. Se comprime con el contramolde macho y se calienta dando lugar a la reacción de polimerización. Pasado un tiempo, se enfría el molde y se extrae la pieza. Se usa para accesorios eléctricos, mangos de cazos, carcasas de electrodomésticos, tapas de inodoros, etc.

Moldeo al vacío

Se aplica a termoplásticos. Se parte de una lámina de poco grosor que se sujeta sobre un molde. Se calienta para ablandarla y, a continuación, se succiona el aire situado entre la lámina y el molde para hacer el vacío, de forma que la lámina se adhiere al molde y adopta su forma. Tras el enfriamiento, se extrae del molde. Se fabrican así envases de huevos o de dulces, vasos de plástico, salpicaderos de automóviles, letreros comerciales, etc.

Laminado por calandrado

Se aplica a termoplásticos. Se hace pasar el material en estado pastoso por entre unos cilindros giratorios y calentados cada vez más juntos con el fin de obtener láminas de pequeño espesor. Se aplica a la fabricación de tejidos recubiertos de plástico, portafolios, láminas de encuadernar, etc.

Laminado por extrusión con soplado

Se aplica a termoplásticos. Se hace salir el material plástico fundido por una boquilla en forma de anillo y se insufla aire caliente para que las paredes del cilindro que se forma no se peguen entre sí. Una vez se enfría, el cilindro formado se recoge en forma de película doble. Se usa este método para la fabricación de bolsas.

Hilado

Se usa este proceso para obtener fibras textiles sintéticas. El polímero fundido es obligado a salir por una boquilla de múltiples agujeros (como una ducha). Los filamentos son enfriados con aire o agua. Por último, se estiran (para conseguir el grosor deseado) y se bobinan.

Espumación

Consiste en introducir aire en forma de burbujas en el interior del plástico mediante agitación y añadiendo un producto espumante. Se consigue así un material muy ligero. Después se le da forma con los métodos vistos.

Mecanizado

Todas las técnicas típicas de mecanizado que se utilizan con los metales y la madera se pueden emplear con los plásticos, teniendo en cuenta la precaución de proporcionar a las herramientas una refrigeración eficaz (emulsión refrigerante, aire comprimido, etc.) que impida que el material, sobre todo si es termoplástico, alcance temperaturas que lo reblandezca y lo deforme.

De esta forma, se pueden realizar operaciones como el torneado, el fresado, el rectificado, el taladrado, el aserrado, etc.

5. TÉCNICAS DE UNIÓN DE PLÁSTICOS

Uniones desmontables

Cuando ambas piezas son delgadas se utilizan tornillos pasantes con arandelas y tuercas. Las arandelas evitan la rotura del material o que se aflojen las uniones. Cuando una de las piezas es gruesa se utiliza el tornillo de unión, el cual es pasante de la pieza fina y va roscado en un agujero roscado que se practica en la pieza gruesa.

Unión fija mediante adhesivos

Hay que destacar que no todos los plásticos se pueden unir por adhesivos, ni cualquier adhesivo es válido para cualquier plástico. Hay que atender a sus instrucciones de uso y manipulación.

La resina epoxi (como el Araldit) es uno de los adhesivos más fuertes, pudiendo unir tanto plásticos como metales. Se presenta en dos componentes (adhesivo y endurecedor) que se mezclan en el momento de realizar la unión. Su tiempo de secado es largo.

También son muy buenos los pegamentos de cianocrilatos (como el súper glue-3 o el superceys) conocidos como pegamentos instantáneos, que pegan casi todo tipo de plásticos en muy poco tiempo (3 minutos). Un exceso de producto debilita la unión. Es muy importante evitar el contacto de este pegamento con los ojos o con los dedos.

Se usan otros adhesivos, como la cola blanca, la cola de contacto o el pegamento termofusible.

Unión por soldadura de alta frecuencia

Dos electrodos presionan los materiales a unir al tiempo que se hace pasar una corriente de alta frecuencia que calienta el material lo suficiente para producir la unión. Se usa para materiales termoplásticos.

Unión por soldadura con aire o gas caliente

Consiste en dirigir un chorro de aire o gas caliente sobre la zona de contacto de los materiales a unir, al tiempo que se aplica presión. Se suele requerir el empleo de material de aportación.

Pegado por perfil térmico

Se utiliza para unir láminas de poco espesor, como las bolsas en los supermercados. Un perfil basculante provisto de una resistencia eléctrica calienta las láminas cuando es presionado sobre ellas. Con el calor se funde el material y al solidificarse se produce la unión.

6. NUEVOS MATERIALES

Más allá de los plásticos convencionales, la ciencia de materiales avanza a un ritmo vertiginoso, diseñando sustancias con propiedades extraordinarias que hasta hace poco parecían de ciencia ficción.

Esta sección se adentra en algunos de los materiales más innovadores que no son necesariamente plásticos, pero que están revolucionando la tecnología, la industria y la medicina. Desde compuestos con una resistencia que supera al acero hasta materiales capaces de transmitir datos a la velocidad de la luz o cambiar sus propiedades con la electricidad, estos ejemplos demuestran cómo la ingeniería a nivel molecular está redefiniendo los límites de lo posible.

1. La Fibra de Carbono: Ligereza y Resistencia Extremas

Conocida por su increíble relación resistencia-peso, la fibra de carbono es el material de elección cuando se necesita la máxima robustez con el mínimo peso. No es un plástico en sí, sino un refuerzo para ellos.

Está formada por miles de finos filamentos de carbono (más delgados que un cabello humano). Estos filamentos por sí solos son flexibles, pero cuando se combinan con un polímero (como una resina epoxi), crean un material compuesto (o composite) de rigidez y resistencia extraordinarias.

Propiedades Clave:

• Elevada resistencia mecánica: Mucho más resistente que el acero para el mismo peso.
• Baja densidad: Es extremadamente ligera.
• Buen aislante térmico.
• Resistencia a la corrosión y a las variaciones de temperatura.
• Propiedades ignífugas (no arde).

Aplicaciones Principales (como material compuesto):

Su uso es fundamental en industrias de alto rendimiento:

• Aeronáutica y aeroespacial: Estructuras de aviones (como el Boeing 787) y cohetes.
• Automoción: Chasis de coches de competición (Fórmula 1) y superdeportivos.
• Deporte: Bicicletas de gama alta, raquetas de tenis, esquís, cañas de pescar y cascos.
• Medicina: Prótesis y componentes de sillas de ruedas.

2. El Grafeno: El Material Bidimensional del Futuro

Considerado por muchos el "material del futuro", el grafeno es una sustancia revolucionaria. Esencialmente, es una única lámina de átomos de carbono (de un átomo de espesor) dispuestos en una red hexagonal, como un panal de abejas.

Contexto Rápido: El grafito (la mina de un lápiz) no es más que millones y millones de láminas de grafeno apiladas unas sobre otras.

Propiedades Sobresalientes:

• Extremadamente fino y transparente.
• Dureza excepcional: Más duro que el diamante.
• Resistencia mecánica: Unas 200 veces más resistente que el acero.
• Ligereza extrema: Unas 5 veces más ligero que el aluminio.
• Alta conductividad: Conduce la electricidad y el calor mejor que casi cualquier otro material conocido.
• Muy flexible y elástico.

Aplicaciones (Actuales y Previstas):

• Circuitos electrónicos ultrafinos y flexibles (pantallas táctiles plegables).
• Baterías de carga ultrarrápida y de mayor duración.
• Células solares más eficientes y baratas.
• Filtros de desalinización de agua (capaces de detener moléculas).
• Biosensores para diagnósticos médicos (como detectar tumores).

El Reto: Aunque sus propiedades son asombrosas, el gran desafío actual sigue siendo su producción a gran escala de forma económica.

3. La Fibra Óptica: Transmitir Datos con Luz

Este material ha revolucionado las telecomunicaciones globales. Es un hilo muy fino y flexible, hecho de vidrio (sílice) o plástico de alta pureza, diseñado para transmitir información en forma de pulsos de luz.

¿Cómo funciona? Funciona gracias a un principio físico llamado reflexión interna total. La luz, emitida por un LED o un láser, viaja por el núcleo de la fibra "rebotando" contra el revestimiento (que actúa como un espejo perfecto) sin apenas pérdidas y a una velocidad altísima.

Ventajas clave sobre el cobre:

• Mayor velocidad y ancho de banda (puede enviar muchísimos más datos).
• Menos pérdida de señal (permite mayores distancias sin repetidores).
• Inmunidad total a las interferencias eléctricas o electromagnéticas.
• Más segura: Es muy difícil "pinchar" o interceptar la señal.

Tipos:

• Monomodo: Para transmitir una sola señal lumínica a grandes distancias.
• Multimodo: Para transmitir varias señales a la vez en distancias más cortas.

Aplicaciones Principales:

• Telecomunicaciones: Es la espina dorsal de Internet, la televisión digital y la telefonía moderna.
• Medicina: En endoscopios (para ver el interior del cuerpo) y en cirugía láser.
• Industria: Como sensores de alta precisión (temperatura, presión, vibraciones).
• Iluminación: Para usos decorativos o en zonas de difícil acceso.

4. Cristal Líquido: El Estado Intermedio de la Materia

El cristal líquido es un fascinante "estado" de la materia que se sitúa entre un líquido convencional y un cristal sólido. Sus moléculas tienen la fluidez de un líquido, pero al mismo tiempo tienden a orientarse de forma ordenada, como los átomos de un cristal.

La Clave: Un Interruptor de Luz Su propiedad más importante es que la orientación de sus moléculas puede controlarse aplicando un campo eléctrico. Al aplicar o quitar voltaje, podemos hacer que las moléculas se alineen o se desordenen. Esta alineación controla si la luz puede pasar a través de ellas o no. Actúan, en esencia, como un diminuto interruptor de luz.

Aplicación Principal: Pantallas (LCD)

Las Pantallas de Cristal Líquido (LCD) dominaron el mercado durante décadas. Así funcionan de forma simplificada:

1. Una luz de fondo (blanca) está siempre encendida.
2. La luz pasa por un filtro polarizador.
3. Luego, atraviesa la capa de cristal líquido.
4. Cada pequeño píxel tiene electrodos que "encienden" o "apagan" el cristal líquido, decidiendo si bloquea la luz o la deja pasar.
5. Finalmente, la luz que pasa atraviesa filtros de color (Rojo, Verde, Azul) para formar la imagen que vemos.

Se usan en televisiones, monitores de ordenador, calculadoras, relojes digitales y salpicaderos de coches.

5. Materiales superconductores

Los materiales superconductores son aquellos que, en ciertas condiciones, tienen la capacidad de conducir corriente eléctrica sin ninguna resistencia ni pérdida de energía.

Estos materiales están en fase de desarrollo, por lo que todavía no se han producido de forma industrial.

El estaneno es un nuevo material tecnológico que tiene una elevada superconductividad y gran capacidad para aislar el calor. Está compuesto por átomos de estaño en una sola capa. Su principal propiedad es conducir la electricidad sin oponer ningún tipo de resistencia, incluso menos que el grafeno.

6. Materiales autorreparables

Los materiales autorreparables son materiales inteligentes. El hormigón autorreparable se fabrica introduciendo bacterias que reaccionan con el agua, de modo que, cuando se producen grietas y se filtra la humedad, los microorganismos se activan y rellenan los huecos.

7. Espumas metálicas

Las espumas metálicas se fabrican combinando gases con materiales metálicos. Estos compuestos reúnen las propiedades de los metales y la ligereza de las espumas, formando una estructura muy fuerte, ligera y de baja densidad.

La espuma de aluminio tiene una gran capacidad de absorción de golpes, vibraciones y ruidos. Cuenta con una buena estabilidad térmica y una gran resistencia a la corrosión, por lo que se utiliza en construcción y en ingeniería aeronáutica.

8. Ion litio

Uno de los materiales que más desarrollo ha tenido en la última década ha sido el litio, utilizado en muchos objetos tecnológicos, desde una pulsera inteligente hasta las baterías de los vehículos eléctricos.

Una batería de iones de litio es una batería recargable que utiliza compuestos de litio como uno de los electrodos (cátodo). La principal ventaja de estas baterías es su velocidad de carga y su duración (es decir, tardan menos tiempo en recargarse). Además, tienen una densidad de energía alta y no pierden la carga cuando están en reposo. Sin embargo, deben incorporar sistemas para evitar las sobrecargas y el sobrecalentamiento.

7. SOSTENIBILIDAD

Sostenibilidad y desarrollo sostenible son dos términos que se pueden aplicar a todos los ámbitos de nuestra vida (por ejemplo, al social y al económico), y no solo al medioambiente.

La sostenibilidad es el desarrollo que satisface las necesidades de la sociedad actual sin poner en riesgo la posibilidad de que las próximas generaciones satisfagan las suyas, y garantiza el equilibrio entre el crecimiento económico, el cuidado del medioambiente y el bienestar social.

El desarrollo sostenible trata de buscar posibles soluciones a la industrialización y al crecimiento de la población para mantener el equilibrio de ambos sin poner en peligro, en un futuro, los recursos.

La sostenibilidad, por tanto, se puede explicar dentro de tres ámbitos:

• Sostenibilidad ambiental: trata de preservar la biodiversidad sin tener que renunciar al progreso económico y social.
• Sostenibilidad social: busca la... [El texto parece cortarse en el original]

Los objetivos de la sostenibilidad, por tanto, se basan en no agotar los recursos disponibles de forma indiscriminada, proteger los medios naturales y conseguir que todas las personas tengan acceso a las mismas oportunidades.

7.1. Objetivos de Desarrollo Sostenible

Los Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS) se crearon para conseguir un futuro mejor y más sostenible para todos.

Los ODS contemplan aspectos que van desde la eliminación de la pobreza hasta el combate contra el cambio climático, pasando por otros como la educación, la igualdad de la mujer, la defensa del medioambiente o el diseño de nuestras ciudades.

7.2. Proceso circular sostenible

La sostenibilidad tiene que estar presente a través de las cuatro fases de la vida de un producto: el diseño y la fabricación, la recuperación de residuos, el reciclaje y la reutilización como materia prima.

Estas fases forman un proceso circular donde podemos encontrar las tres acciones básicas en sostenibilidad: reciclar, reutilizar y reducir.

1.º Diseño y fabricación

Algunos aspectos importantes para diseñar un producto son la creatividad y la innovación. Sin embargo, la sostenibilidad tiene que estar presente en este proceso, al igual que en el de fabricación. La elección del material, los procesos de fabricación o los residuos que generan son criterios que diferencian unos productos de otros y son la base del ecodiseño.

La botellas de vidrio, las latas de refrescos y algunos envases de plástico tienen un diseño pensado en el reciclaje. Sin embargo, la ropa, los tetrabriks y los electrodomésticos son difíciles de reciclar.

2.º Recuperación de residuos

Este proceso está bastante extendido y tiene una gran efectividad. Sin embargo, sigue habiendo productos cuya recuperación es difícil de gestionar. La ropa, los pequeños electrodomésticos, los aparatos electrónicos o las cápsulas de café son un buen ejemplo de estos productos.

Por otro lado, el cartón, las botellas de PET o el vidrio se recuperan en un porcentaje muy alto. Los contenedores diferenciados y los puntos limpios son los sistemas más habituales de recuperación.

3.º Reciclaje

Del proceso de reciclaje cabe destacar la calidad del producto que... [El texto parece cortarse en el original]

Los materiales reciclados pueden aprovecharse para volver a fabricar productos; es decir, pueden volver a ser materia prima. Aunque son pocos los materiales que pueden reutilizarse tal y como eran inicialmente, una gran mayoría sí que pueden formar parte de la materia prima de los productos.

En el puesto más destacado están el papel y el cartón, y en el menos importante, los tetrabriks, la ropa y el calzado.

8. IMPRESIÓN 3D

Una de las técnicas de fabricación de productos es la impresión 3D. Su uso se ha extendido en el campo del diseño industrial por la facilidad de creación de prototipos a partir de diseños CAD y en la fabricación de objetos de diseño complicado, como prótesis médicas.

La impresión 3D es una tecnología de fabricación de productos por adición a partir de diseños tridimensionales mediante la superposición de capas de material. El desarrollo de aplicaciones de escaneo en 3D ha dado lugar a un nuevo campo para la reproducción de objetos mediante impresión 3D.

8.1. Tecnologías de impresión 3D

Dependiendo de la forma de adición de las capas, se distinguen los tipos de impresora 3D que aparecen reflejados en la Tabla 4.5.

8.2. Impresoras de filamento fundido (FFF)

Este tipo de impresoras 3D son las más utilizadas en el ámbito educativo y doméstico. Se basan en la inyección de material a través de una boquilla, llamada extrusor, que va depositando el material fundido capa a capa en una base plana.

Dependiendo del movimiento realizado para depositar el material, pueden ser de cuatro tipos: cartesiana, delta, polar y de brazo robótico.

Estas impresoras están constituidas por elementos plásticos y metálicos que forman la estructura, la placa controladora y las conexiones eléctricas, la pantalla LCD, los motores paso a paso, la base o cama y el extrusor.

8.3. Impresión 3D (Materiales)

Los materiales más utilizados son los plásticos ABS, PLA y Fila Flex. Sin embargo, cada vez se usan más materiales cerámicos, polímeros con derivados de madera, materiales de construcción, materiales comestibles e incluso nuevos materiales como la piel sintética.

Estos materiales se presentan en forma de filamentos, polvo, gránulos o resinas.

8.4. Tipos de impresoras 3D de filamento fundido

Las impresoras más utilizadas en el ámbito educativo son las impresoras 3D por deposición de filamento fundido de ejes cartesianos. Estas impresoras tienen unos componentes comunes y se presentan con la estructura al aire o en una caja protectora. Los elementos se agrupan en tres categorías: mecánica, electrónica y programación.

En la parte mecánica destacan los siguientes elementos:

• Cuadro-estructura: la estructura está formada por dos soportes perpendiculares denominados soporte horizontal y soporte vertical. En estas estructuras se sujetan el resto de los elementos, tales como varillas roscadas, motores, rodamientos, correas tensoras, etc. La estructura vertical también suele incorporar el soporte para la bobina de filamento.
• Ejes X, Y y Z: son las varillas sobre las que se deslizan los motores paso a paso. Los ejes X e Y son varillas sobre las que se deslizan rodamientos, empujadas por correas tensoras dentadas que mueven los motores. El eje Y mueve la cama o base sobre la que se deposita el material. El eje X sujeta el extrusor. El eje Z está formado por dos varillas roscadas paralelas que permiten el movimiento vertical mediante el acoplamiento tornillo-tuerca. El recorrido de los ejes está det... [El texto parece cortarse en el original]
• Extrusor-boquilla: el elemento encargado de fundir el filamento se denomina extrusor. Está compuesto por un motor que mueve un conjunto de engranajes que arrastran el filamento y una resistencia que calienta el material hasta la temperatura seleccionada (en la tabla de materiales de impresión 3D se detallan las distintas temperaturas de trabajo de cada material). Un termistor controla esta temperatura, para lo que activa un ventilador cuando es necesario. Finalmente, el material fundido sale por la boquilla (denominada hotend por el término inglés) y se deposita en capas sobre la cama, según el diámetro y la velocidad seleccionados.

La parte electrónica está formada por los siguientes componentes:

• Pantalla LCD: es el display que posibilita la comunicación entre usuario e impresora mediante un selector. Permite las opciones de calibración y selección de archivos y ofrece información sobre el estado del proceso de impresión (temperatura, porcentaje del archivo impreso, etc.).
• Lector de tarjetas: la impresión se puede realizar desde el software instalado en el ordenador y conectado a través del puerto USB o desde una tarjeta de memoria. Este sistema es el más común. La tarjeta se inserta en un lector que se sitúa en la placa controladora o en la pantalla LCD.
• Placa controladora: el elemento que controla todo el sistema es la placa controladora y depende del firmware que esta tenga instalado. Las impresoras de este tipo se basan en placas controladoras Arduino o similares. Las empresas suelen instalar placas adaptadas, y las impresoras basadas en plataformas de hardware y software libre usan placas Arduino.
• Firmware: es el conjunto de programas instalados en la placa controladora. Se puede actualizar con distintas versiones que permiten mejorar las capacidades de la impresora 3D y controlar mejor el proceso de impresión.

8.5. Proceso de impresión 3D

La impresión de un objeto o prototipo en 3D es el paso final de un proceso que comienza en el diseño 3D.

A continuación, se explican los elementos más importantes de la configuración de impresión:

• Herramientas de edición del archivo ST: una vez abierto el archivo, el software permite escalarlo, duplicarlo y moverlo, así como visualizar el objeto desde distintos puntos de vista.
• Configuración de la impresora: el programa muestra los parámetros automáticos según la impresora 3D conectada, aunque estos también se pueden configurar. Uno de los parámetros a configurar serán las dimensiones del área de impresión: anchura, profundidad y altura.
• Selección del material: es necesario determinar el tipo de material (en el ámbito educativo, suele ser plástico PLA o ABS) y su espesor (1,75 mm). La temperatura de extrusión estará relacionada con el tipo de plástico, pudiendo variar en un rango adecuado.
• Parámetros de acabado: la velocidad de extrusión y la densidad de relleno de la pieza determinarán el acabado de esta. En piezas cuya base no se apoya en la cama, será necesario que el software genere puntos de apoyo.

Problemas más comunes en las impresoras 3D

La impresión 3D es un proceso en el que suelen surgir problemas técnicos.

Las impresoras con caja protectora suelen tener menos problemas debido a que sus partes móviles son menos accesibles y están protegidas de posibles golpes, del polvo, etc.

Las impresoras con el cuadro al aire tienen más posibilidades de desajustarse, ya... [El texto parece cortarse en el original]