Análisis numérico y experimental del comportamiento mecánico de latas de aluminio con barniz interno bajo carga axial (ALF)

1. Introducción y contexto industrial

Las latas de aluminio para bebidas constituyen uno de los sistemas de envasado más extendidos en la industria alimentaria, debido a su combinación de bajo peso, elevada resistencia mecánica y reciclabilidad total.

El proceso de fabricación de latas de dos piezas es altamente complejo y está compuesto por múltiples etapas de conformado plástico en frío, donde las condiciones de proceso afectan directamente las propiedades mecánicas finales del envase.

En líneas industriales modernas:

• Velocidad de producción: 1800–3000 latas/minuto
• Número de equipos: ~20 máquinas
• Tiempo total de fabricación: ~45 minutos

Las principales etapas incluyen:

1. Laminación de lingotes de aluminio
2. Corte de blanks circulares
3. Embutición (cupping)
4. Redrawing e ironing (reducción de espesor y aumento de altura)
5. Lavado
6. Aplicación de barniz interno
7. Curado térmico
8. Decoración y operaciones finales

Cada una de estas etapas introduce modificaciones en:

• Geometría
• Espesor de pared
• Estado tensional del material

Estas variaciones afectan directamente el resultado del ensayo Axial Load Force (ALF), que es uno de los principales indicadores de calidad estructural de la lata.

2. Proceso de aplicación del barniz interno

Tras el lavado, las latas pasan a un sistema de pulverización interna mediante boquillas que atomizan el recubrimiento.

(Imagen: sistema de spray interno, Página 2)

El sistema de aplicación incluye:

• Boquilla atomizadora
• Control de presión y caudal
• Mecanismo de rotación de la lata

El recubrimiento se aplica en forma de microgotas que se adhieren a la superficie interior, generando una capa uniforme.

Posteriormente, el barniz se somete a un proceso de curado térmico en horno tipo IBO:

• Temperatura: aproximadamente 200 °C
• Activación química del recubrimiento
• Formación de capa sólida continua

3. Materiales y propiedades mecánicas

3.1 Aleación de aluminio 3104 H19

La aleación 3104 H19 pertenece a la serie 3000 (Al-Mn-Mg) y presenta:

• Alta conformabilidad
• Buena resistencia mecánica
• Alta resistencia a la corrosión

Composición:

• Base: aluminio
• Elementos de aleación: manganeso (Mn) y magnesio (Mg)

Propiedades mecánicas experimentales:

• Límite elástico (YS): 293 ± 1.12 MPa
• Resistencia última (UTS): 328 ± 1.94 MPa
• Alargamiento: 6.1 ± 0.19%

Parámetros utilizados en FEM:

• Módulo de Young: 69 GPa
• Coeficiente de Poisson: 0.33

3.2 Barniz interno

El barniz interno actúa como:

• Barrera química
• Protección anticorrosiva
• Elemento de estabilidad organoléptica

Tipos de resinas utilizadas:

• Epoxi
• Fenólicas
• Poliéster
• Acrílicas
• Vinílicas

Ejemplo industrial:

• Barniz epoxi modificado tipo Aqualure 900
• Viscosidad: 14–16 s (FORD 4, 25 °C)
• Contenido sólido: 18.5–19.5%
• Densidad tras curado: 1.27 g/cm³

Propiedades mecánicas del barniz:

• Módulo de Young: 1.1 GPa
• Límite elástico: 67.49 MPa
• Coeficiente de Poisson: 0.35

4. Ensayos experimentales

4.1 Ensayo de compresión del barniz

Preparación:

• Mecanizado CNC de muestras cilíndricas
• Relación diámetro/altura: 1.2

Condiciones de ensayo:

• Máquina: Zwick250
• Velocidad de deformación: 0.08 s⁻¹
• Número de muestras: 7

Resultados promedio:

• YS = 67.49 ± 15.87 MPa
• UTS = 71.00 ± 3.29 MPa

4.2 Ensayo de tracción del aluminio

Condiciones:

• Norma: PN-EN 10002-1 + AC1
• Velocidad de deformación: 0.005 s⁻¹

Comparación corte waterjet vs fresado

Rugosidad superficial

Resultado clave:
El fresado produce menor rugosidad → menor concentración de tensiones

Curvas tensión-deformación

5. Modelado numérico (FEM)

Se desarrollaron modelos mediante LS-DYNA, incluyendo:

• Comportamiento elastoplástico (modelo J2)
• Propiedades reales obtenidas experimentalmente
• Geometría real derivada del proceso de fabricación

Condiciones del ensayo ALF

Modelo con y sin barniz

Modelo:

• Elementos sólidos 3D
• Sin barniz: 4.78 millones de elementos
• Con barniz: 6.38 millones de elementos

6. Tensiones térmicas tras curado

Antes del ALF se simula el enfriamiento:

• De 200 °C → 20 °C

Coeficientes de expansión:

• Aluminio: 2.3×10⁻⁷ 1/°C
• Barniz: 7.0×10⁻⁷ 1/°C

Resultado:

• Tensiones de tracción en barniz (~22 MPa)
• Tensiones de compresión en aluminio (~−1.43 MPa)

 Distribución de tensiones térmicas

7. Resultados del ensayo ALF

Comparación simulación vs ensayo

Comparación:

• Diferencia simulación vs ensayo: 8.9%
• Fuerza experimental: 1031 ± 24 N

Factores de desviación:

• Imperfecciones geométricas
• Variación de espesor
• Defectos en pared lateral
• Influencia del borde superior

Modo de fallo real vs simulado

El fallo ocurre en la pared lateral (buckling).

8. Influencia del espesor de pared y barniz

Resultados clave:

Espesor pared	Barniz	Fuerza ALF
90 µm	0	995 N
95 µm	0	1111 N
100 µm	0	1178 N
95 µm	5 µm	1132 N

Resultados FEM:

• 90 → 100 µm → incremento de 183 N
• 95 µm + barniz 5 µm → incremento de 21 N

 Conclusiones:

• +10 µm pared → +116 N
• +5 µm barniz → +21 N

 El espesor de pared es el factor dominante.

Comportamiento:

• Fase inicial: igual con/sin barniz
• Fase final: el barniz aumenta la resistencia al colapso

Rigidez inicial:

• ≈ 1738 N/mm

Curvas con y sin barniz

 El barniz afecta solo en la fase final del colapso.

Distribución de tensiones con/sin barniz

El barniz reduce tensiones locales → mayor resistencia.

9. Influencia del flange

Deformación en flange

Comparación con/sin flange

Conclusión:

• El flange afecta la cinemática de deformación
• NO afecta significativamente la fuerza ALF

10. Discusión industrial

El estudio demuestra que:

• El barniz interno influye en el comportamiento mecánico
• Su efecto es menor que el espesor de pared, pero medible
• Debe considerarse en modelos FEM y diseño

También se confirma que:

• Las tensiones térmicas tienen efecto limitado
• La calidad del mecanizado influye en resultados experimentales
• Las imperfecciones geométricas afectan el ALF

11. Conclusiones clave

• El espesor de pared es el parámetro dominante
• El barniz de 5 µm incrementa la fuerza en ~21 N
• Aumentar a 10 µm no mejora significativamente
• Tensiones térmicas → impacto bajo
• El flange no afecta el valor ALF
• Diferencia simulación-experimento: 8.9%

Este análisis se basa en un estudio numérico y experimental previamente publicado en la literatura científica especializada.