El pintado de automóviles en las plantas de producción supone uno de los mayores consumos de energía en los Estados Unidos: representa el 0,01% de toda la energía consumida en el país. Para estas factorías, es, con mucho, el mayor gasto de energía, con un promedio del 70% del total. Así, los fabricantes de pintura juegan un papel vital en ayudar a frenar este consumo de energía, investigando e implementando avances en sus tecnologías de la recubrimientos.

PPG, como uno de los principales fabricantes de pintura para OEMs del mundo, tiene un interés especial en aumentar la eficiencia energética a través del diseño de sus pinturas. Así, PPG avanza en este frente a través de un programa del Departamento de Energía de EE. UU. que fomenta la asociación en investigación entre la industria y los laboratorios nacionales, mediante el programa de computación de alto rendimiento para la fabricación (HPC4Mfg).

A través de este programa, PPG contactó en 2017 con matemáticos de  la División de Investigación Computacional del Berkeley Lab -laboratorio incluido en el sistema nacional respaldado por el Departamento de Energía de EE. UU. a través de su Oficina de Ciencia y administrado por la Universidad de California-, profesionales con los que está colaborando para desarrollar modelos computacionales que optimicen el diseño y la aplicación de pintura para reducir dicho consumo energético.

Así se pinta un vehículo en fábrica

En las factorías de fabricación de vehículos, los automóviles se pintan con un dispositivo llamado ‘atomizador de campana giratoria electrostático’. Dentro del atomizador, la pintura fluye hacia una ‘copa’ que gira a velocidades que van de 10.000 a 70.000 rpm y luego, impulsadas por fuerzas centrífugas, la pintura atraviesa el interior de la ‘copa’, atomizándose en gotas.

Los automóviles se pintan en una "cabina de pintura" especial para pasar posteriormente a un horno del tamaño de un campo de fútbol, donde se fija la pintura. Ambas áreas deben estar estrictamente controladas en cuanto a humedad y temperatura, para lo que son necesarias grandes cantidades de energía.

Dado que la industria quiere minimizar el tiempo que los vehículos pasan en estos dos espacios, pintar más rápido parece parte de la solución. Sin embargo, la dinámica de la pintura líquida es complicada: si se aumenta la velocidad de suministro de la pintura que entra al atomizador, salen gotas más grandes, lo que tiene un efecto negativo en las propiedades de rendimiento de la pintura.

Los mecanismos del proceso de atomización

De esta forma, PPG buscó comprender los mecanismos clave que impulsan el proceso de atomización para poder reducir el consumo de energía y aumentar los caudales de pintura sin reducir la calidad del proceso. Aunque PPG tiene su propio equipo de investigación e instalaciones para experimentar con el comportamiento del rociado, la oportunidad de sumar la experiencia del Berkeley Lab en mecánica de fluidos computacional y computación de alto rendimiento (HPC) supuso una oportunidad única.

"Esta fue una gran oportunidad para avanzar en nuestra comprensión de la relación entre las propiedades de nuestras pinturas y el proceso de aplicación de la pulverización", señala Reza Rock, responsable en la división Applied Coatings Science de PPG. "Es un problema realmente crítico para nosotros y para toda la industria en general".

Desde que unieron sus fuerzas, PPG y el Berkeley Lab han ido desarrollando un marco numérico HPC avanzado y personalizado para estudiar la atomización de la campaña giratoria en condiciones relevantes, un proceso que requerirá millones de horas de investigación.

El objetivo del modelo computacional es poder analizar y predecir el comportamiento de la atomización en función de parámetros del fluido como la densidad, la viscosidad y la tensión superficial. Luego, el modelo se utilizará para descubrir los mecanismos clave que impulsan el proceso de atomización, con el objetivo de optimizar los caudales de pintura para acelerar la línea de ensamblaje, reducir el consumo de energía, aumentar la calidad del proceso y reducir los defectos.

“En nuestro proceso de desarrollo, probamos estas pinturas en una amplia variedad de condiciones de pulverización, pero hay tantas variables en juego que es realmente difícil extraer una comprensión real sobre qué sucede en el proceso de pulverización para impulsar ese comportamiento", dice Rock. "Aquí es donde el modelo computacional que se está desarrollando será fundamental".

Mediante la simulación por ordenador, los investigadores pueden experimentar fácilmente con el cambio de múltiples factores, como, por ejemplo, la viscosidad de la pintura, su densidad, su tensión superficial y la forma de la campana giratoria. Todo ello con el objetivo de descifrar los mecanismos que influyen en cómo se atomiza la pintura.

Compartir