ES2327983T3

ES2327983T3 - Produccion de superficies abrasivas con patrones.

Info

Publication number: ES2327983T3
Application number: ES97952625T
Authority: ES
Inventors: Paul Wei; Gwo Shin Swei; Wenliang Patrick Yang; Kevin Bruce Allen
Original assignee: Norton Co
Current assignee: Saint Gobain Abrasives Inc
Priority date: 1997-01-07
Filing date: 1997-12-22
Publication date: 2009-11-05
Anticipated expiration: 2017-12-22
Also published as: HUP0000771A3; DE69739424D1; DK0954410T3; BR9714259A; PL185688B1; CZ9902418A3; EP0954410A1; EP0954410B1; CO4870714A1; NO993338D0; CN1244827A; KR100335520B1; HU228778B1; US5863306A; HUP0000771A2; CZ300279B6; KR20000069963A; WO1998030358A1; CA2276508A1; ID21768A

Abstract

Un proceso para la producción de un abrasivo recubierto que comprende un patrón de compuestos de abrasivo/aglutinante adheridos a un material de refuerzo, comprendiendo dicho proceso: (a) depositar una formulación de pasta que comprende un abrasivo y un aglutinante de resina curable sobre un sustrato de un modo continuo o con patrones, (b) tratar la formulación depositada para convertir al menos la parte superficial de la formulación en plástica pero no fluida; (c) después de esto, estampar un patrón mediante una herramienta de estampación sobre la formulación de aglutinante/abrasivo, retirar dicha herramienta de estampación; y posteriormente (d) curar el componente de aglutinante de la formulación para conservar dicho patrón.

Description

Producción de superficies abrasivas con patrones.

Antecedentes de la invención

Esta invención se refiere a la producción de superficies abrasivas con patrones sobre sustratos en una forma útil para el acabado preciso de sustratos tales como metales, madera, plásticos y vidrio.

La propuesta de depositar estructuras aisladas, tales como islas, de una mezcla de un aglutinante y material abrasivo sobre un material de refuerzo se conoce desde hace muchos años. Si las islas tienen alturas muy similares sobre el refuerzo y están separadas adecuadamente, entonces, (tal vez después de una operación menor de reafilado), el uso del producto dará como resultado rayado superficial reducido y lisura superficial mejorada. Adicionalmente, los espacios entre las islas proporcionan una vía por la que se pueden dispersar del área de trabajo las virutas generadas por la abrasión.

En un abrasivo aplicado como recubrimiento convencional, la investigación de la superficie de pulido muestra que un número comparativamente pequeño de los gránulos abrasivos de la superficie en una zona de abrasión activa están en contacto con la pieza de trabajo al mismo tiempo. Cuando la superficie se desgasta, este número aumenta pero, igualmente, la utilidad de algunos de esos gránulos abrasivos se puede reducir por embotamiento. El uso de superficies abrasivas que comprenden una serie uniforme de islas aisladas tiene la ventaja de que las islas uniformes se desgastan esencialmente a la misma velocidad, de tal manera que se puede mantener una velocidad de abrasión uniforme durante periodos más prolongados. En un sentido, el trabajo de abrasión se comparte más equitativamente entre un mayor número de puntos de pulido. Además, ya que las islas comprenden muchas partículas más pequeñas de abrasivo, la erosión de una isla deja al descubierto nuevas partículas abrasivas, no usadas que todavía no están embotadas.

Una técnica para formar una serie de este tipo de islas aisladas o puntos que se ha descrito es la de la impresión por rotograbado. La técnica de impresión por rotograbado emplea un rodillo dentro de cuya superficie se ha grabado un patrón de celdas. Las celdas se llenan con la formulación y el rodillo se presiona contra una superficie y la formulación en las celdas se transfiere a la superficie. Normalmente, la formulación fluiría después hasta que no hubiese separación entre las formulaciones depositadas desde cualquier celda individual. Finalmente se obtendría una capa de espesor esencialmente uniforme. A modo de ilustración, los Ejemplos comparativos C y D de la Patente de Estados Unidos Nº 5.152.917 describen un proceso en el que el patrón obtenido mediante un proceso de rotograbado pierde rápidamente toda separación de las cantidades individuales depositadas desde las celdas.

En la Patente de Estados Unidos Nº 5.014.468 se depositó una formulación de aglutinante/abrasivo desde celdas de rotograbado sobre un rodillo de tal manera que la formulación se posó en una serie de estructuras que rodeaban un área desprovista de abrasivo. Se cree que esto es el resultado de depositar menos del volumen total de la celda y solamente desde el perímetro de cada celda, que dejaría las formaciones anulares descritas.

Por lo tanto, el problema con la estrategia de rotograbado ha sido siempre la conservación de una forma útil de la isla. Se ha demostrado que es muy difícil formular una mezcla de abrasivo/aglutinante que sea suficientemente fluida para que se deposite y todavía suficientemente no fluida de tal manera que no se asiente hasta formar un recubrimiento de capa esencialmente uniforme cuando se deposita sobre un sustrato.

En la Patente de Estados Unidos Nº 4.773.920, Chasman et al. describen que mediante el uso de una recubridora de rotograbado, es posible aplicar un patrón uniforme de crestas y valles a la composición de aglutinante que, cuando se curan, pueden servir como canales para la eliminación de lubricante y virutas. Sin embargo, más allá de la simple afirmación de la posibilidad, no se proporcionan detalles que podrían mostrar cómo se puede llevar esto a cabo.

En la Patente de Estados Unidos Nº 4.644.703, Kaczmarek et al. usaron un rodillo de rotograbado de un modo más convencional para depositar una formulación de abrasivo/aglutinante para depositar una capa que después se alisa antes de que se deposite una segunda capa mediante un proceso de rotograbado sobre la parte superior de la primera capa alisada. No hay enseñanzas de la naturaleza de la superficie curada final.

En la Patente de Estados Unidos Nº 5.014.468 (Ravipati et al.) se ha propuesto usar una mezcla de abrasivo/aglutinante que tiene propiedades de flujo no newtoniano y depositar esta mezcla mediante una técnica de rotograbado sobre una película. En este proceso, la mezcla se depositó desde los bordes de las celdas de rotograbado para producir unas estructuras únicas con depósitos de espesor reducido con distancia desde las áreas que rodean la superficie desprovistas de la mezcla. Si las celdas están suficientemente próximas entre sí, las estructuras superficiales pueden aparecer enlazadas. Se ha demostrado que este producto es muy útil, particularmente en operaciones oftálmicas de precisión. El proceso es muy útil, pero tiene un problema potencial con la acumulación creciente de material en las celdas del rodillo de rotograbado, de tal manera que el patrón de deposición puede cambiar ligeramente durante un procedimiento prolongado de producción. Adicionalmente, la naturaleza del proceso es tal, que está limitado a formulaciones que contienen gránulos abrasivos relativamente finos, (habitualmente menores de 20 micró-
metros).

Otra estrategia ha sido depositar la mezcla de abrasivo/aglutinante sobre la superficie de un sustrato y después imponer un patrón que comprende una serie de islas aisladas sobre la mezcla curando el aglutinante mientras que está en contacto con un molde que tiene el inverso de la superficie con patrón deseada. Esta estrategia se describe en las Patentes de Estados Unidos Nº 5.437.754, 5.378.251, 5.304.223 y 5.152.917. Hay varias variaciones con respecto a este tema, pero todas tienen la característica común de que cada isla en el patrón se ajusta curando el aglutinante en contacto con una superficie de moldeo. Tampoco esta estrategia carece de sus problemas, ya que a menudo ocurre la extracción incompleta del molde, de tal manera que, en vez de producir, por ejemplo, pirámides, se obtienen frecuentemente formas de volcán terminadas en cráter. Otra estrategia se describe en el documento EP-A-0357380.

La presente invención presenta una técnica para producir formas moldeadas uniformemente con patrones de una combinación de abrasivo/aglutinante que no requiere una operación de curado-en-molde o la selección de una combinación de aglutinante/abrasivo con características específicas de flujo no newtoniano.

Por lo tanto, la presente invención proporciona una vía flexible y eficaz para la producción a escala comercial de abrasivos aplicados como recubrimiento con una serie uniforme de formas compuestas aisladas de abrasivo. Tales abrasivos aplicados como recubrimiento están bien adaptados al tratamiento de una amplia variedad de sustratos para producir acabados precisos durante periodos prolongados de funcionamiento a una velocidad de corte sustancialmente uniforme.

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Descripción general de la invención

El problema encontrado en el uso de técnicas de rotograbado para producir materiales abrasivos aplicados como recubrimiento con patrones ha sido siempre la conservación de una forma y patrón útiles después de la deposición de la formulación. Más frecuentemente, la forma depositada pierde sus dimensiones verticales y tiende a extenderse sobre la superficie y unirse con formas adyacentes. En los Ejemplos comparativos C y D de la Patente de Estados Unidos Nº 5.152.917 que se ha analizado anteriormente se hace referencia a este problema. En la Patente de Estados Unidos Nº 5.014.468, la solución adoptada en ese documento fue usar una formulación con una reología de espesamiento de cizalla que causó que la mezcla se depositara desde los bordes de las celdas de rotograbado para formar el patrón único descrito en ese documento.

Ahora se ha observado que puede depositarse una formulación de abrasivo/aglutinante sobre un sustrato y producirse un patrón sobre la superficie de formulación mediante un proceso de estampación si la reología de al menos la capa superficial de la formulación depositada se modifica antes de la estampación. Después, este patrón estampado se puede curar para mantener la estructura estampada.

Los estudios teóricos de la conservación del patrón de depósitos indican que la tensión superficial es la fuerza directriz que conduce a flujo (y, por tanto, pérdida del patrón) y la viscosidad es la fuerza de resistencia. Por tanto, la conservación del patrón estará favorecida por una baja tensión superficial y una alta viscosidad. Sin embargo, con aglutinantes curables por radiación, tales como los usados comúnmente con las formulaciones de abrasivo/aglutinante a las que se refiere principalmente esta invención, la tensión superficial no varía mucho y está generalmente en el intervalo de aproximadamente 30-40 dinas/cm. Una mezcla de abrasivo/aglutinante basada en agua formulada apropiadamente tiene también generalmente una tensión superficial en el mismo intervalo. Por tanto, la viscosidad es el parámetro que más afecta a los resultados, que se puede ajustar.

Por lo tanto, la presente invención comprende un proceso para la producción de un abrasivo aplicado como recubrimiento que comprende un patrón de compuestos de abrasivo/aglutinante adherido a un material de refuerzo, comprendiendo dicho proceso:

(a): depositar una formulación de pasta que comprende gránulos abrasivos (y opcionalmente cargas, adyuvantes de pulido y otros aditivos) y un aglutinante de resina curable sobre un sustrato de manera continua o con patrones;

(b): tratar la formulación depositada para convertir al menos la parte superficial de la formulación en plástica pero no fluida;

(c): después de esto, estampar un patrón mediante una herramienta de estampación sobre la formulación de aglutinante/abrasivo, retirar dicha herramienta de estampación; y posteriormente

(d): curar el componente aglutinante de la formulación para conservar dicho patrón.

La clave para este proceso es el tratamiento para convertir al menos la parte superficial de la formulación en plástica pero no fluida. Con esto se quiere decir que la superficie es suficientemente plástica para que pueda estamparse mediante el uso de una herramienta de estampación, pero que conservará sustancialmente la forma estampada durante al menos 30 segundos después de la retirada de la herramienta de estampado. Se considera que una forma se ha "conservado sustancialmente" si la altura vertical de la forma estampada sobre el sustrato no disminuye más del
10%.

Antes de la estampación, la viscosidad de la formulación de aglutinante/abrasivo se modifica de tal modo para limitar el flujo que tendería a ocurrir a las viscosidades menores a las que se deposita convencionalmente la formulación. Sin embargo, no es necesario que la viscosidad de la totalidad de la formulación se ajuste al nivel superior. A menudo es suficiente si la porción expuesta externa alcanza rápidamente la mayor viscosidad, ya que esto puede actuar después como una piel a fin de conservar la forma estampada incluso si la porción interna conserva una viscosidad relativamente menor durante un periodo mayor.

La modificación de la viscosidad de al menos las capas superficiales se puede conseguir, por ejemplo, incorporando en la formulación un disolvente volátil que se pierde rápidamente cuando la formulación se deposita sobre el material de refuerzo, tal vez con ayuda de una temperatura ambiente aumentada o mediante un chorro localizado de gas caliente.

Por supuesto, la temperatura también puede afectar a la viscosidad. Por lo tanto, es importante equilibrar estos efectos competitivos para asegurar que el resultado sea viscosidad creciente. Un factor que ayuda en este sentido sería una tendencia de una temperatura aumentada a causar un curado acelerado en el caso de sistemas de resinas curables térmicamente. Otra opción sería disminuir la temperatura de la estructura de modo que aumentara la viscosidad. Esto podría realizarse, por ejemplo, pasando el sustrato con la capa de formulación depositada sobre el mismo bajo un rodillo enfriado y/o bajo un flujo de gas frío.

Adicionalmente al ajuste por cambio de temperatura o retirada de líquido, es posible cambiar la viscosidad aumentando la carga de sólidos. En general, es suficiente que la capa superficial alcance la mayor viscosidad a fin de sujetar una forma estampada posteriormente sobre la misma. Por tanto, la aplicación de un "polvo funcional" finamente dividido sobre la superficie de la estructura actuará para formar una "piel" localizada de viscosidad aumentada sobre la estructura, causando que conserve una forma impuesta hasta que el curado convierta la forma en permanente.

En la presente solicitud, la expresión "polvo funcional" se usa para referirse a un material finamente dividido (es decir, con un tamaño de partícula medio, D_{50}, de menos de 250 micrómetros), que modifica las propiedades de la formulación. Esto puede ser tan simple como una modificación de la viscosidad o una propiedad mejorada en la formulación curada tal como eficacia de pulido. El polvo funcional puede actuar también para servir como un agente de liberación o una barrera entre la formulación de resina y la herramienta de estampación, reduciendo problemas de adherencia y permitiendo una liberación mejorada de la herramienta de estampación.

El polvo se puede aplicar en forma de una sola capa sobre el compuesto abrasivo/aglutinante o en varias capas para formar un compuesto estructurado que tenga propiedades únicas de pulido. Esto es, de hecho, un aspecto ventajoso y preferido de la invención.

El propio polvo puede ser un abrasivo o una diversidad de materiales en polvo, o una combinación de los anteriores, que confieran propiedades ventajosas. Los granos abrasivos utilizables como el polvo funcional pueden consistir en cualquier tipo de grano abrasivo y tamaño de gránulo que, en algunos casos, pueden diferir de los del grano usado en la formulación de adhesivo y puede conducir a características únicas de pulido. El polvo funcional puede consistir también en cualquiera de la familia de adyuvantes de pulido, aditivos antiestáticos, cualquier clase de cargas y lubricantes.

La deposición de la capa o capas de polvo funcional se puede realizar usando una diversidad de métodos convencionales de deposición. Estos métodos incluyen recubrimiento por gravedad, recubrimientos electroestáticos, pulverización, recubrimientos vibratorios, etc. La deposición de los diversos polvos puede ocurrir simultáneamente o de un modo ordenado para crear una estructura compuesta antes de la estampación.

En una realización preferida de la invención, la deposición de la formulación de pasta de abrasivo/aglutinante sobre el refuerzo se puede realizar en dos o más capas. Por tanto, por ejemplo, es posible depositar inicialmente una formulación de pasta con un primer grano abrasivo y después depositar en la parte superior una segunda capa con un grano abrasivo diferente. El contenido de grano de la capa superior se podría hacer entonces mayor, o de una calidad superior, que el grano en la capa inferior. Alternativamente, o tal vez adicionalmente, a la capa superior se podría proporcionar un componente de adyuvante de pulido mientras que la capa inferior no tiene ninguno. Tales estrategias, y otras que son similares que pueden concebirse fácilmente, permiten que el producto abrasivo aplicado como recubrimiento pula de forma más eficaz. Esto es porque, cuando se forma un abrasivo estructurado que comprende compuestos aislados de abrasivo/aglutinante en la etapa de estampación, las partes de los compuestos que están realmente en uso antes de que se deseche el producto abrasivo aplicado como recubrimiento son típicamente las partes más retiradas del material de refuerzo. Por lo tanto, tendría sentido evitar poner grano abrasivo costoso en la parte inferior del compuesto y tener el mayor contenido de abrasivo cerca de la superficie expuesta del compuesto. El mismo razonamiento conduciría al lector instruido a concentrar cualquier adyuvante de pulido añadido cerca de la superficie superior de la estructura compuesta.

También es posible prever que, cuando la formulación se deposita en una pluralidad de capas, la propia capa superior es de una formulación más viscosa, tal vez como resultado de la adición de mayores concentraciones de granos abrasivos o adyuvante de pulido. Esto puede proporcionar parte o toda la operación en la que la parte superficial de la formulación de pasta se convierte en plástica pero no fluida.

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Después de que se haya conseguido un aumento en la viscosidad, la capa se estampa para imponer un patrón. Este patrón puede comprender islas aisladas de formulación o un patrón de crestas separadas por valles. Los patrones se diseñan generalmente para proporcionar un producto abrasivo con una pluralidad de superficies de pulido equidistantes del refuerzo aumentando el área de la superficie de pulido con la erosión de la capa. Entre las superficies de pulido, frecuentemente se proporcionan canales para permitir la circulación de fluidos de pulido y la retirada de virutas generadas por el pulido.

La estampación se puede conseguir mediante una herramienta de estampación tal como una placa forzada a establecer contacto con la capa de formulación o, frecuentemente de modo más simple, la herramienta puede comprender un rodillo con el patrón deseado grabado sobre su superficie que, cuando se pone en contacto con la formulación de pasta, impone el inverso del patrón grabado sobre la superficie. Adicionalmente, la herramienta de estampación se puede calentar o enfriar a fin de contribuir al aumento de la viscosidad para convertir la superficie de la formulación en plástica pero no fluida. Sin embargo, el calentamiento no debería ser hasta tal nivel que el aglutinante se cure mientras que está en contacto con el herramental. Ajustando la viscosidad de la formulación de resina o de la capa superficial, el objetivo final es que después de la estampación, la forma impuesta mediante la herramienta de estampación se conserve sustancialmente durante al menos 30 segundos y preferiblemente durante un minuto. Más preferiblemente, la forma se retiene hasta que se pueda efectuar el curado posterior del componente de aglutinante.

Frecuentemente se prefiere que la superficie estampada sea relativamente adhesiva después de la estampación, de tal manera que se pueda depositar sobre la misma un polvo funcional antes de que se complete el curado, de manera que la finalización del curado causa que el polvo funcional se adhiera a la superficie externa de la forma estampada. Cuando el polvo es un abrasivo, esto aumenta enormemente la agresividad del corte inicial. Adicionalmente, si el polvo es un adyuvante de pulido o un aditivo anticarga, se localiza en la posición óptima con respecto a los granos abrasivos en los compuestos. Alternativamente, es posible aplicar sobre la superficie estampada o tal vez curada y estampada una capa fina de un adhesivo y, después de esto, un recubrimiento adicional del polvo funcional de los tipos que se han analizado anteriormente. El adhesivo puede ser del mismo o diferente tipo del que está presente en la formulación de abrasivo/aglutinante.

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Descripción de los dibujos

Las Figuras 1-5 presentadas en este documento son microfotografías de MEB de productos preparados de acuerdo con el proceso de la invención con una pasta abrasiva recubierta con granos abrasivos adicionales.

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Descripción detallada de la invención

El método de recubrimiento usado para poner la pasta sobre un sustrato convencional puede comprender una diversidad de métodos de recubrimiento convencionales que incluyen cuchillo sobre rodillo, cuchillo sobre tela, recubrimiento con dos o tres rodillos, recubrimiento con rodillo inverso, recubrimiento por huecograbado, recubrimiento por boquilla de ranura, pulverización, recubrimiento en cortina, serigrafía, etc. Es importante que el recubrimiento de pasta puede estar en forma de un recubrimiento continuo o de un modo con patrones como se depositaría mediante una celda de huecograbado. Adicionalmente, se pueden aplicar recubrimientos en varias capas o en capas alternas con el polvo funcional para conseguir un compuesto con características únicas de pulido.

La herramienta de estampación puede tener cualquier patrón deseado y esto se determina en gran parte por el propósito deseado del producto abrasivo aplicado como recubrimiento. Por ejemplo, es posible prever que la herramienta esté en forma de un rodillo con surcos superficiales (por ejemplo, surcos trihelicoidales), cortados en la superficie del rodillo. Esto es frecuentemente una configuración muy ventajosa y se puede adaptar para producir un patrón de franjas diagonales que es al mismo tiempo muy distintivo y también muy eficaz para el pulido. Alternativamente, la herramienta se puede grabar con una pluralidad de celdas que se reproducen como islas aisladas en el patrón impuesto sobre la capa de abrasivo/aglutinante. Se pueden concebir muchos diseños de superficie útiles, incluyendo islas aisladas de formulación o grupos de patrones de islas. El propio herramental puede consistir en cualquier tipo de dispositivos de moldeo de estampación convencionales tales como herramentales revestidos de metal, herramentales de plástico, herramentales basados en cerámica, etc.

El componente abrasivo de la formulación puede ser cualquiera de los materiales disponibles que se conocen en la técnica tales como alfa alúmina, (cerámica fundida o sinterizada), carburo de silicio, alúmina/zirconia fundida, nitruro de boro cúbico, diamante y similares así como la combinación de los mismos. Las partículas abrasivas útiles en la invención tienen típicamente y preferiblemente un tamaño medio de partícula de 1 a 150 micrómetros y más preferiblemente de 1 micrómetro a 80 micrómetros. Sin embargo, en general la cantidad de abrasivo presente proporciona de aproximadamente el 10% a aproximadamente el 90% y preferiblemente de aproximadamente el 30% a aproximadamente el 80% en peso de la formulación.

El otro componente mayoritario de la formulación es el aglutinante. Éste es una formulación de resina curable seleccionada de resinas curables por radiación, tales como las curables usando haz de electrones, radiación UV o luz visible, tales como oligómeros acrilados de resinas epoxi acriladas, uretanos acrilados y acrilatos de poliéster y monómeros acrilados incluyendo monómeros monoacrilados, multiacrilados y resinas curables térmicamente tales como resinas fenólicas, resinas de urea/formaldehído y resinas epoxi, así como mezclas de tales resinas. De hecho, frecuentemente es conveniente tener un componente curable por radiación presente en la formulación que se pueda curar relativamente rápido después de que la formulación se ha depositado a fin de añadirse a la estabilidad de la forma depositada. En el contexto de esta solicitud se entiende que la expresión "curable por radiación" abarca el uso de luz visible, luz ultravioleta (UV) y radiación de haz de electrones como el agente que provoca el curado. En algunos casos, las funciones del curado térmico y las funciones del curado por radiación se pueden proporcionar mediante diferentes funcionalidades en la misma molécula. Esto es frecuentemente un recurso deseado.

La formulación de aglutinante de resina puede comprender también una resina termoplástica no reactiva que puede mejorar las características de autoafiladura de los compuestos abrasivos depositados mejorando la capacidad de erosión. Los ejemplos de tal resina termoplástica incluyen polipropilenglicol, polietilenglicol y copolímero de bloque de polioxipropileno-polioxoetileno, etc.

Las cargas se pueden incorporar en la formulación de pasta abrasiva para modificar la reología de formulación y la dureza y resistencia de los aglutinantes curados. Los ejemplos de cargas útiles incluyen: carbonatos de metales tales como carbonato cálcico, carbonato sódico; sílices tales como cuarzo, perlas de vidrio, burbujas de vidrio; silicatos tales como talco, arcillas, metasilicato cálcico; sulfato de metal tal como sulfato de bario, sulfato cálcico, sulfato de aluminio; óxidos de metales tales como óxido cálcico, óxido de aluminio y aluminio trihidrato.

La formulación de pasta abrasiva puede comprender un adyuvante de pulido para aumentar la eficacia de pulido y la velocidad de corte. Un adyuvante de pulido útil puede ser de base inorgánica, tal como sales de haluro, por ejemplo, criolita sódica, tetrafluoroborato potásico, etc.; o de base orgánica, tal como ceras cloradas, por ejemplo, cloruro de polivinilo. Los adyuvantes de pulido preferidos en esta formulación son criolita y tetrafluoroborato potásico variando el tamaño de partícula de 1 a 80 micrómetros y más preferiblemente de 5 micrómetros a 30 micrómetros. El porcentaje en peso del adyuvante de pulido es del 0% al 50% y más preferiblemente del 10-30%.

Las formulaciones de pasta de abrasivo/aglutinante usadas en la práctica de esta invención pueden comprender adicionalmente aditivos que incluyen: agentes de acoplamiento, tales como agentes de acoplamiento de silano, por ejemplo, A-174 y A-1100 disponibles en Osi Specialties, Inc., organotitanatos y zirco-aluminatos; agentes antiestáticos tales como grafito, negro de humo y similares; agentes de suspensión, tales como sílice pirógena, por ejemplo, Cab-O-Sil M5, Aerosil 200; agentes anticarga, tales como estearato de cinc; lubricantes tales como cera; agentes humectantes; colorantes; cargas; modificadores de viscosidad; dispersantes y desespumantes.

Dependiendo de la aplicación, el polvo funcional depositado sobre la superficie de pasta puede transmitir características únicas de pulido a los productos abrasivos. Los ejemplos de polvos funcionales incluyen: 1) granos abrasivos -
todos los tipos y tamaños de gránulo; 2) cargas - carbonato cálcico, arcilla, sílice, wolastonita, aluminio trihidrato, etc.; 3) adyuvantes de pulido - KBF_{4}, criolita, sal de haluro, hidrocarburos halogenados, etc.; 4) agentes anticarga - estearato de cinc, estearato cálcico, etc.; 5) agentes antiestáticos - negro de humo, grafito, etc.; 6) lubricantes - ceras, polvo de PTFE, polietilenglicol, polipropilenglicol, polisiloxanos, etc.

El material de refuerzo sobre el que se deposita la formulación puede ser una tela (tejido, no tejido o perchado), papel, película de plástico o lámina metálica. Generalmente, los productos preparados de acuerdo con la presente invención encuentran su mayor utilidad en la producción de materiales de pulido precisos y, por tanto, se prefiere una superficie muy lisa. Por tanto, habitualmente el sustrato preferido para la deposición de las formulaciones de compuesto de acuerdo con la invención es papel finamente calandrado, película de plástico o una tela con un recubrimiento superficial liso.

La invención se describirá adicionalmente con respecto a ciertas realizaciones específicas que se entiende que solamente están para propósitos de ilustración y no implican necesariamente una limitación sobre el alcance de la invención.

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Abreviaturas

Para simplificar la presentación de datos, se usarán las siguientes abreviaturas.

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Componentes Poliméricos

Ebecryl 3605, 3700 - oligómeros epoxi acrilados disponibles en UCB Radcure Chemical Corp.

TMPTA - triacrilato de trimetilol propano disponible en Sartomer Company, Inc.

ICTA - triacrilato de isocianurato disponible en Sartomer Co., Inc.

TRPGDA - diacrilato de tripropilenglicol disponible en Sartomer Co., Inc.

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Componentes de Aglutinante

Darocure 1173 - un fotoiniciador disponible en la compañía Ciba-Geigy

Irgacure 651 - un fotoiniciador disponible en la compañía Ciba-Geigy

2-Metilimidazol - un catalizador de la BASF Corp.

Pluronic 25R2 - copolímero de bloque de polioxipropileno-polioxietileno disponible en la BASF Corp.

KBF_{4} - adyuvante de pulido con un tamaño de partícula medio de aproximadamente 20 \mum disponible en Solvay.

Cab-O-Sil M5 - sílice pirógena de Cabot Corporation.

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Grano

FRPL - Al_{2}O_{3} fundida de Treibacher (P320 o P1000: grado indicado por "número P").

Al_{2}O_{3} calcinado (40 \mum) de Microabrasives Corporation.

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Refuerzos

Película Mylar de 3 mil. para aplicaciones oftalmológicas

Película Mylar de 5 mil. para aplicaciones de labrado de metales con tela de poliéster de peso J recubierta con Surlyn

* Surlyn es una resina ionomérica SURLYN 1652-1 de Du Pont.

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Formulaciones de Pasta Abrasiva

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TABLA I

1

Procedimiento de Preparación de Formulación

Los componentes monoméricos y/o oligoméricos se mezclaron juntos durante 5 minutos usando una mezcladora de alta cizalla a 1000 rpm. Después, esta formulación de aglutinante se mezcló con cualquier iniciador, agente humectante, agente desespumante, dispersante, etc. y la mezcla se continuó durante 5 minutos más a la misma velocidad de agitación. Después se añadieron los siguientes componentes, lentamente y en el orden indicado, con cinco minutos de agitación a 1500 rpm entre adiciones: agentes de suspensión, adyuvantes de pulido, cargas y grano abrasivo. Después de la adición del grano abrasivo, la velocidad de agitación se aumentó a 2.000 rpm y se continuó durante 15 minutos. Durante este tiempo, la temperatura se controló cuidadosamente y la velocidad de agitación se redujo a 1.000 rpm si la temperatura alcanzó 40,6ºC.

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Deposición de la Formulación

La formulación de resina se aplicó como recubrimiento sobre una diversidad de sustratos convencionales que se han enumerado anteriormente. En los casos mencionados, la pasta abrasiva se aplicó usando un recubrimiento con cuchillo con el hueco ajustado en valores deseados. El recubrimiento se realizó a temperaturas ambiente.

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Aplicación de Polvos Funcionales y Estampación

Antes de la estampación, la capa superficial de la pasta se modificó con gránulos abrasivos con el mismo tamaño de partícula o más fino que el usado en la formulación. Se depósito lo suficiente para formar una sola capa adherida mediante el componente de aglutinante no curado. El exceso de polvo se retiró de la capa por vibración. La aplicación del polvo fue mediante un método convencional de cribado vibratorio.

Una vez que el sustrato se había recubierto con la formulación de pasta no curada y se había aplicado el polvo funcional, se usó una herramienta de estampación con el patrón deseado para otorgar la forma deseada a la resina abrasiva y la formulación de grano. Este sistema de estampación incluía un rodillo de refuerzo de acero que otorgaba el soporte necesario durante la aplicación de presión mediante el rodillo de estampación de acero. Se usó un sistema de cepillo de alambre para retirar cualquier residuo seco o granos sueltos que permanecían en las celdas después de que la herramienta hubiera otorgado su presión sobre la formulación modificada por viscosidad.

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Curado

Después de que el patrón se hubiera estampado en la capa modificada por viscosidad, el sustrato se retiró del herramental de estampación y se pasó a una estación de curado. Cuando el curado es térmico se proporcionan medios apropiados. Cuando el curado se activa por fotoiniciadores, se puede proporcionar una fuente de radiación. Si se emplea curado por UV, se usan dos fuentes de 300 vatios: una bombilla D y una bombilla H con la dosificación controlada por la velocidad a la que el sustrato con patrones pasa debajo de las fuentes. En el caso de la matriz de experimentos enumerada en la Tabla 2, el curado fue por luz UV. Sin embargo, en el caso de la Formulación I, el curado por UV se siguió inmediatamente de un curado térmico. Este proceso de curado era adecuado para asegurar la estabilidad dimensional final.

En el primer ejemplo, la capa estampó mediante un rodillo que tiene celdas grabadas sobre el mismo en un patrón hexagonal 17. Esto produjo el patrón de islas conformadas hexagonalmente mostrado en las Figuras 1 y 2. En cada uno se espolvoreó gránulos abrasivos sobre la superficie para servir como el polvo funcional. En la Figura 1, el abrasivo espolvoreado sobre la superficie fue P1000 y en la Figura 2, fue P320. En cada caso, la formulación de abrasivo/aglutinante fue la Formulación I.

En el segundo ejemplo, el rodillo de estampación se grabó con un patrón de surcos superficial de rodillos 25 Trihelicoidal. Las Figuras 3 y 4 muestran las Formulaciones III y IV como se han usado en el primer experimento recubiertas con gránulos abrasivos P320 y P1000 respectivamente. Se usó la misma técnica de recubrimiento.

En un tercer ejemplo, el patrón grabado en el rodillo de estampación fue Pirámide 45 con la Formulación I produciendo un patrón de pirámides de base cuadrada aisladas. La superficie se modificó mediante la aplicación de gránulos P1000 sobre la misma formulación usada en el primer y segundo experimento. El resultado se muestra en la Figura 5.

En los tres experimentos, las estructuras de la superficie estampada permanecieron esencialmente invariables desde el momento de la estampación hasta el momento en el que el componente de aglutinante estaba completamente curado.

Se realizaron también ejemplos adicionales, similares en forma pero variando en formulación y contenido de abrasivo como se enumera en la Tabla 2. En todos los casos, el proceso de producción es idéntico a los tres primeros ejemplos; sin embargo, se realizaron variaciones en la composición de resina y polvos funcionales.

TABLA 2

2

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El patrón de rodillo de estampación Hexagonal 17 comprende celdas de 559 micrómetros de profundidad con lados iguales de 1000 micrómetros en la parte superior y 100 micrómetros en la parte inferior.

El patrón Trihelicoidal 25 comprende un canal continuo cortado a 45 grados con respecto al eje del rodillo que tiene una profundidad de 508 micrómetros y una anchura de abertura superior de 750 micrómetros.

El patrón Trihelicoidal 40 comprende un canal continuo cortado a 45 grados con respecto al eje del rodillo que tiene una profundidad de 335 micrómetros y una anchura de abertura superior de 425 micrómetros.

El patrón Piramidal 45 comprende unas celdas de base cuadrada con forma de pirámide invertida con una profundidad de 221 micrómetros y una dimensión lateral de 425 micrómetros.

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Ensayos de Pulido

Varias de las muestras enumeradas se sometieron a dos formas principales de ensayo de pulido con los datos enumerados en las Tablas 3-5. La primera forma de ensayo consistió en un ensayo de Schieffer hasta 600 revoluciones con unos 3,63 kg, 8 libras de carga constante sobre una pieza de trabajo hueca de acero inoxidable 304 con un D. E. de 27,9 mm (1,1 pulgadas) que proporciona una presión de pulido eficaz de 160 10^{3} Pa (23,2 psi). El abrasivo con patrones se cortó en discos de 114,3 mm (4,5'') de diámetro y se montó en una placa de refuerzo de acero. Tanto la placa de refuerzo como la pieza de trabajo rotan en sentido de las agujas del reloj con la placa de refuerzo rotando a 195 rpm y la pieza de trabajo rotando a 200 rpm. La pérdida de peso de la pieza de trabajo se anotó cada 50 revoluciones y se sumó al final de 600 revoluciones.

El segundo método de ensayo consistió en un ensayo de anillo microabrasivo (44,5 mm). En este ensayo se pre-convierten en ásperos anillos de hierro de fundición nodular (44,5 mm (1,75 pulgadas) de D. E., 25,4 mm (1 pulgada) de D. I. y 25,4 mm (1 pulgada) de anchura) usando un producto de lámina de 60 \mum convencional y después se pulieron a 414 10^{3} Pa (60 psi) con el abrasivo con patrones. En primer lugar, se seccionó el abrasivo en franjas de 2,54 cm de ancho y se sujetó contra la pieza de trabajo con zapatas de goma. La pieza de trabajo se rotó a 100 rpm y se osciló en dirección perpendicular a una velocidad de 125 oscilaciones/minuto. Todo el pulido se realizó en un baño lubricado de aceite puro OH200. La pérdida de peso se registró cada 10 revoluciones y se sumó al final del ensayo.

TABLA 3 Ensayo de Schieffer de Abrasivos con Patrones con grano FRPL P320 en la Formulación de Pasta. (500 Revoluciones)

4

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TABLA 4 Ensayo de Schieffer de Abrasivos con Patrones con Granos de Al_{2}O_{3} Calcinados de 40 \mum en la Formulación de Pasta. (600 Revoluciones)

5

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TABLA 5 Ensayo de Anillo para Aplicación de Microacabado (50 Revoluciones a 414 10 ^{3} Pa (60 psi)

7

En la Tabla 3 se demuestra claramente el efecto del tipo de polvo funcional y patrón. Con la Pirámide 45 (P320 en la formulación y P1000 como el polvo funcional) como el control, el uso de un patrón mayor de forma hexagonal 17, la misma formulación de resina y polvo funcional dio como resultado un ligero aumento en el corte total. En todos los casos en los que el P1000 se sustituyó con una calidad P320 más áspera, se aumentó todavía más el corte. Adicionalmente, el patrón trihelicoidal superó al patrón hexagonal. En el caso final en el que el polvo funcional consistía en una mezcla de KBF_{4} y P320, el corte se aumentó espectacularmente. A partir de este conjunto de datos se puede observar claramente que el tipo de patrón acoplado con el tipo de polvo funcional altera claramente las características de pulido.

En la Tabla 4, los abrasivos con patrones se compararon con el ejemplo comparativo C-1, un abrasivo de microacabado convencional de gránulo de 40 \mum con el nombre comercial de Q151 de la Compañía Norton. Se puede observar en ambos abrasivos con patrones que el corte total aumentó significativamente con respecto al producto convencional, superando el Trihelicoidal 25 al patrón más preciso Trihelicoidal 40.

En la Tabla 5, los abrasivos con patrones de 40 \mum se compararon en una aplicación de microacabado. De nuevo, comparado con el ejemplo comparativo C-1, un producto abrasivo convencional con el nombre comercial de Q151 de la compañía Norton, el abrasivo con patrones demuestra una mejora en el corte total. En conjunto, los anteriores patrones se comportaron bien en las aplicaciones de ensayo de abrasivo, generando una abrasión eficaz desde el principio.

Claims

1. Un proceso para la producción de un abrasivo recubierto que comprende un patrón de compuestos de abrasivo/aglutinante adheridos a un material de refuerzo, comprendiendo dicho proceso:

(a): depositar una formulación de pasta que comprende un abrasivo y un aglutinante de resina curable sobre un sustrato de un modo continuo o con patrones,

(d): curar el componente de aglutinante de la formulación para conservar dicho patrón.

2. El proceso de acuerdo con la reivindicación 1, en el que la formulación depositada se convierte en plástica pero no fluida aumentando la viscosidad de al menos la parte superficial de la formulación mediante la aplicación de un polvo funcional.

3. El proceso de acuerdo con la reivindicación 2, en el que el polvo funcional se selecciona del grupo que consiste en abrasivos, cargas, adyuvantes de pulido, polvos antiestáticos, polvos estearatados y mezclas de los mismos.

4. El proceso de acuerdo con la reivindicación 1, en el que la formulación de pasta se deposita en al menos dos capas de composiciones diferentes.

5. El proceso de acuerdo con la reivindicación 2, en el que se deposita también un polvo funcional entre capas de la composición de pasta para formar una estructura de formulación de pasta muti-estratificada.

6. El proceso de acuerdo con la reivindicación 1, en el que la formulación de abrasivo/aglutinante comprende al menos un componente volátil y la concentración del componente de abrasivo en la capa superficial se aumenta mediante la retirada de al menos alguno de los componentes volátiles.

7. El proceso de acuerdo con la reivindicación 1, en el que la formulación depositada se convierte en plástica pero no fluida reduciendo la temperatura de la misma antes de la aplicación de la herramienta de estampación.

8. El proceso de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el aglutinante comprende una resina curable por radiación o térmicamente o una combinación de lo anterior.

9. El proceso de acuerdo con la reivindicación 1, en el que la resina aglutinante comprende un componente termoplástico no reactivo.

10. El proceso de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el abrasivo comprende de aproximadamente el 10 al 90% del peso de la formulación.

11. El proceso de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el gránulo abrasivo se selecciona del grupo que consiste en cerio, alúmina, alúmina/zirconia fundida, carburo de silicio, nitruro de boro cúbico y diamante.

12. El proceso de acuerdo con la reivindicación 1, en el que la formulación también comprende uno o más aditivos seleccionados del grupo que consiste en adyuvantes de pulido, cargas inertes, agentes antiestáticos, lubricantes, agentes anticarga y mezclas de los mismos.

13. El proceso de acuerdo con la reivindicación 12, en el que la formulación comprende un adyuvante de pulido seleccionado del grupo que consiste en criolita, tetrafluoroborato potásico y mezclas de los mismos.