Física y mecánica de la madera

Las propiedades físicas y mecánicas de la madera son las más importantes para determinar su uso como madera sólida. Esos atributos sirven como índices de calidad para precisar el uso más conveniente; también, influyen en el comportamiento dimensional de la madera en sus planos transversal, tangencial y radial ante las condiciones climáticas del medio que pueden propiciar efectos no deseables. La resistencia de la madera es fuertemente afectada por la humedad y el sentido de la carga, en relación con el plano longitudinal. En sentido longitudinal, la resistencia a la flexión es directamente proporcional a la densidad de la madera. Las células longitudinales son estructuras que le dan rigidez y resistencia, dado que reciben de forma directa las cargas. Las propiedades físicas más estudiadas son la densidad básica (Db), el contenido de humedad (CH), las contracciones, la relación de anisotropía y el punto de saturación de la fibra (FSP) (Kollman, 1959).

Las propiedades físicas de la madera de algunos taxones del género Quercus se han determinado en los estados de Puebla, Guanajuato y Oaxaca (^{Fuentes y Flores, 1995}; ^{Honorato y Fuentes 2001}). Los encinos son un grupo taxonómico con distribución y abundancia amplia en México, además tiene un alto potencial productivo; sin embargo, se aprovechan en usos y productos con bajo valor agregado. En su caracterización se emplean los métodos indicados en la Norma Americana ASTM D143 (^{Fuentes y Flores, 1995}; ^{Honorato y Fuentes, 2001}). Se han estudiado las propiedades físicas de nueve especies de encinos: Quercus affinis Scheidw, Q. glabrescens Benth., Q. crassifolia Bonpl., Q. mexicana Bonpl., Q. laurina Humb. & Bonpl., Q. obtusata Humb. & Bonpl., Q. rugosa Née., Q. durifolia Seemen ex Loes. y Q. castanea Née., cuyas maderas se clasificaron con alta densidad, y sus valores oscilaron de 0.62 a 0.84 g cm^-3 (^{Fuentes y Flores, 1995}; ^{Honorato y Fuentes 2001}).

La densidad básica es el indicador más utilizado para determinar e inferir otras propiedades de la madera, su rendimiento y calidad. La variación de la densidad se presenta entre y dentro de las especies, además aumenta de la médula hacia la corteza; es el resultado del espesor de la pared celular, del diámetro de las fibras, de la cantidad y el tamaño de los vasos y de la composición química de la madera. En aquella cuya densidad es alta, aumenta la contracción y expansión provocadas por la humedad. La resistencia de la madera es mayor a medida que se incrementa la densidad, la cual se evalúa a partir del conocimiento del nivel de humedad al que se miden su masa y volumen (^{Panshin y De Zeeuw, 1980}).

Las contracciones radiales totales se han determinado en un intervalo de 4.3-5.52 %; la contracción tangencial total entre 12.6-16.6 %; mientras que, la contracción volumétrica total en 16.21 a 19.0 % (^{Fuentes y Flores, 1995}; ^{Honorato y Fuentes 2001}). Estos valores sugieren cambios dimensionales altos y muy altos, así como una elevada relación de anisotropía; lo que conlleva a una gran propensión a la deformación (rajaduras y agrietamientos) y a una menor estabilidad dimensional. Grandes diferencias en los valores de las contracciones entre los planos radial y tangencial pueden provocar defectos durante el secado, mismos que se acentúan cuando el contenido de humedad es inferior al Punto de Saturación de la Fibra (SFP, por sus siglas en inglés) (^{Kollmann, 1959}; ^{Fuentes y Flores, 1995}).

El SFP representa el punto de inflexión a partir del cual se presentan cambios importantes en las propiedades físicas y mecánicas. En el INIFAP se han obtenido porcentajes que fluctúan de 25 a 35 % de contenido de humedad. La anisotropía varía entre 2.5 y 3.4, registros que se relacionan con abundantes rayos uniseriados y poliseriados (^{Fuentes y Flores, 1995}; ^{Honorato y Fuentes, 2001}). Valores que están dentro del intervalo establecido para las especies de angiospermas con duramen definido (^{Kollmann y Coté, 1968}).

Las propiedades mecánicas definen el comportamiento, aptitud y capacidad de la madera para resistir fuerzas externas en sus diferentes planos; guardan una dependencia proporcional con la densidad y la humedad. La rigidez y resistencia mecánica son importantes en aplicaciones con fines estructurales, en el dimensionado de diferentes piezas para evaluar su deformación y determinar su resistencia.

La flexión estática se refiere a la resistencia que ofrece la madera a las cargas; así cuando se utiliza como una viga (cargas transversales a su eje longitudinal) se producen deformaciones y esfuerzos de compresión, cortante y tracción (^{Honorato y Fuentes, 2001}). La compresión paralela a la fibra corresponde a la resistencia de la madera a las cargas, cuando se utiliza como columna. La madera presenta su menor resistencia a la tracción en el plano perpendicular y la mayor (de 10-20 veces más) en el sentido paralelo a la fibra; en la dirección transversal se produce una separación de las fibras, y en la longitudinal, la rotura de las mismas (^{Vignote y Martínez, 2006}).

La resistencia a la tracción también depende de la densidad; al respecto, en la madera de primavera (más ligera) su resistencia es una sexta parte de la que se tiene en la madera de verano. La resistencia al esfuerzo cortante o cizalladura, frecuentemente, disminuye por los nudos o grietas en la madera y es equivalente a entre 10 y 15 % de la resistencia a la tensión paralela (^{Vignote y Martínez, 2006}).

Los valores de las propiedades mecánicas de la madera de encino se han estimado en condición verde, a 12 % de contenido de humedad (Cuadros 1 y 2) (^{Fuentes y Flores, 1995}; ^{Honorato y Fuentes, 2001}), se basaron en la Norma Americana ASTM D143 (^{ASTM, 1992}) y la ^{Norma Francesa AFN NFB51-009 (1985)} para evaluar la resistencia al impacto. Asimismo, se determinaron la flexión estática y compresión paralela a la fibra con los esfuerzos al límite proporcional, módulo de ruptura, módulo de elasticidad, trabajo al límite de proporcionalidad y trabajo a la carga máxima; además de, la compresión perpendicular a la fibra, tensión perpendicular, esfuerzo cortante, rajado, dureza e impacto. Consistentemente, los valores obtenidos a 12 % de humedad fueron superiores a la condición verde (^{Fuentes y Flores, 1995}; ^{Honorato y Fuentes 2001}).

La madera tiene su mínima resistencia mecánica en condición verde y a medida que se seca, esta mejora de manera significativa; así, se tiene que la resistencia a la compresión y a la flexión se duplica cuando la humedad corresponde a 12 y 15 %. En condición verde, las especies analizadas y clasificadas de acuerdo con ^{Dávalos y Bárcenas (1998)}, ^{Dávalos y Bárcenas (1999)} y ^{Sotomayor (2005)} se ubicaron en un nivel medio de resistencia unitaria a la ruptura en los esfuerzos de flexión estática, compresión axial y elasticidad. Las especies se clasificaron como maderas de dureza lateral y transversal alta y muy alta; con un contenido de humedad de 12 % (valor usado internacionalmente para fines de comparación).

A medida que la madera se seca por debajo del SFP, las paredes celulares se vuelven más duras y rígidas; en consecuencia, hay un aumento de las propiedades mecánicas, excepto de la tenacidad. Las resistencias unitarias a la ruptura en flexión estática, se clasificaron como altas y muy altas, la elasticidad de alta a muy alta (^{Fuentes y Flores, 1995}; ^{Honorato y Fuentes 2001}); lo que evidencia que son maderas muy rígidas que tienden a deformarse poco. El módulo de elasticidad en el sentido longitudinal puede ser hasta 100 veces mayor que en el sentido perpendicular; y en el sentido radial, el módulo de elasticidad es dos veces más grande que en el tangencial. Las resistencias unitarias a la compresión axial fueron medias, en tanto que a la compresión perpendicular se clasificaron como altas (^{Fuentes y Flores, 1995}; ^{Honorato y Fuentes 2001}).

Los valores de trabajo a la carga máxima resultaron con buena capacidad de amortiguamiento y alta resiliencia; presentaron su mayor resistencia al impacto en el plano tangencial más que en el radial, lo cual indica que son maderas de alta tenacidad, difíciles a la separación de las fibras.

Con los resultados de la caracterización física y mecánica combinados con información de estudios de anatomía de la madera (^{Pérez-Olvera, y Dávalos-Sotelo, 2008}; ^{Fuentes y Flores, 1995}; ^{Honorato y Fuentes 2001}), se dedujo que las maderas analizadas son aptas para utilizarlas en la elaboración de productos con valor agregado como estructuras para la construcción, pisos industriales, artículos deportivos, así como en artesanías y muebles por sus características estéticas, diferentes tonalidades de color, veteado pronunciado, textura gruesa y porosidad anular que proporcionan vistosas superficies en corte tangencial que son de gran relevancia en ebanistería y chapa.

El hilo recto que presentan las especies de Quercus determina la facilidad para trabajar su madera en la elaboración de artículos torneados, tallados y labrados (^{Pérez-Olvera et al., 2015}); además de, usarla en tonelería, durmientes y carbón. Este último a partir de los residuos que se generan en los aprovechamientos y en la industria del aserrío en forma de ramas, puntas, tocones, taxones arbustivos con crecimientos sinuosos, cortezas, recortes, tiras y aserrín. La característica más importante que define la calidad y cantidad de braza que se forma durante la combustión, es la cantidad de carbono fijo (mayor a 70 %), ligado a otras propiedades y características de los encinos como su densidad alta, bajos contenidos de ceniza (3-6 %), materiales volátiles (15 %) y poder calorífico entre 30-33 MJ kg^-1; valores que representan fuentes importantes de energía (^{Bautista et al., 2017}; ^{De la Cruz et al., 2020}).

Caracterización química de la madera

Es relevante conocer la composición química de la madera, la cual en una misma especie varía según la parte del árbol: raíz, tallo o rama; del tipo de madera: normal, tensión o compresión; de la ubicación geográfica, clima y condiciones del suelo (^{Pettersen, 1984}). En investigaciones realizadas en el INIFAP, se ha determinado que el contenido de los compuestos químicos puede ser un poco mayor en las ramas que en la madera a 1.30 m de altura del tronco principal (^{Honorato y Hernández, 1998}). La pared celular de maderas suaves y duras está compuesta, principalmente, por celulosa, hemicelulosa y lignina; cuyos contenidos porcentuales oscilan entre 35 y 50 %, 10-35 % y 15-40 %, respectivamente (^{Chen, 2014}).

La determinación de celulosa, lignina y hemicelulosa es fundamental para inferir la aplicación de la madera en diversos procesos industriales como pulpa para papel, taninos, energía, preservadores orgánicos, tableros, plásticos, entre otros (^{Bautista y Honorato, 2005}; ^{Tamarit y López, 2007}). El éxito de las industrias que consumen una gran cantidad de madera depende del conocimiento de su composición química (^{Honorato, 2002}).

La diversidad de los compuestos químicos presentes en la pared celular, así como en su estructura, dificultan en algunas especies su obtención, extracción, purificación y separación. Esto conlleva a que, además de aplicar procesos clásicos de química analítica, se utilicen métodos y procesos modificados.

En México, la composición química de la madera se determina, con las normas TAPPI (Technical Association of the Pulp and Paper Industry) y ASTM, las cuales se ajustan según las condiciones del material recolectado (albura, duramen, corteza o mezclas) (^{Bautista y Honorato, 2005}). Para la evaluación cuantitativa de los componentes químicos se realiza un análisis aditivo, en el cual la suma de todos los componentes debe ser 100 % (^{Tamarit y López, 2007}).

En especies del género Pinus se ha estimado que los porcentajes de componentes químicos principales varían de 43.9-45.6 % para celulosa; 23.4-24.4 % para hemicelulosa; 66.7-70.0 % para holocelulosa; y 26.3-28.6 % para lignina (^{Honorato et al., 2016}). El análisis de componentes secundarios (extractos) se ha llevado a cabo con etanol en porcentajes entre 1.02 y 1.28 % y para solubles en etanol-benceno de 3.5-12 %. El contenido de cenizas se registró entre 0.25-0.3 % (^{Honorato et al., 2016}).

La madera de encinos mexicanos se ha subutilizado en forma de leña y carbón, por desinformación y desconocimiento de técnicas y procedimientos adecuados para destinarlas a usos de mayor valor (^{Honorato y Hernández, 1998}; ^{Santacruz y Espejel, 2004}). Las determinaciones de sus compuestos químicos principales evidencian que el contenido de celulosa es de 37 a 56 %; hemicelulosa de 22-30 %; y lignina de 18-22 %. Los pentosanos se cuantificaron en la proporción de 18-23 % (Honorato, 1998; ^{Honorato, 2002}; ^{Bárcenas et al., 2008}).

El contenido de extractivos de encinos se ha estudiado muy poco debido a la dificultad que hay para su purificación y el aislamiento de sustancias. Sin embargo, se ha determinado que la importancia de esos compuestos radica en la influencia que ejercen sobre otras propiedades, características y tratamientos de la madera. Altas concentraciones de extractivos y bajos valores de pH en la madera tienen un efecto negativo en los procesos de acabado y en la aplicación de adhesivos (^{Honorato y Hernández, 1998}, ^{Honorato, 2002}).

Los extraíbles solubles en madera y corteza se han hecho con solventes como el etanol-benceno y el hidróxido de sodio (NaOH) al 1 %, además de utilizar agua caliente. Con esta última aplicada en cortezas se obtuvo que el contenido de extraíbles varió entre 10.92 y 21.25 % en proporción al peso total de la muestra de madera; cuando se usó madera, los valores fueron de 4.61 a 10.0 %. Con etanol-benceno en ambos tipos de materiales los contenidos fueron de 5-13.23 % y de 1.14-5.24 %, respectivamente. Al usar una solución de NaOH al 1 % en corteza las concentraciones variaron de 31 a 44.90 %, y para madera de 20.89-26 % del total de los extractivos presentes. El contenido de taninos en corteza de encinos correspondió al intervalo de 5.48-54.04 %, y en madera de 0.59-33.44 % (^{Honorato et al., 2015}; ^{Rosales et al., 2016}; ^{Apolinar et al., 2017}).

También se ha estudiado la composición química de la madera de las siguientes especies tropicales: Ceiba pentandra (L.) Gaertn. (ceiba), Hevea brasiliensis (Willd. ex A.Juss.) Müll. Arg. (hule), Ochroma pyramidale (Cav. ex Lam.) Urb. (balsa), Cedrela odorata L. (cedro rojo), Inga spuria Humb. & Bonpl. ex Willd. (vainillo), Juglans pyriformis Liebm. (nogal), Acacia pennatula (Schltdl. & Cham) Benth. (huizache) y Trema micrantha (L.) Blume (capulín) (Figura 1); el propósito de esas investigaciones fue inferir sus posibles aplicaciones como pulpa para papel, resinas y adhesivos, vainillina, carbohidratos, bioplásticos, fenoles y flavonoides, entre otras; así como conocer su potencial energético para fines de usos combustibles, el cual se midió a través del poder calorífico cuyo intervalo resultó de 17.76-18.54 MJ kg^-1 (^{Honorato, 2002}; ^{Honorato et al., 2015}; ^{Rosales et al., 2016}; ^{Apolinar et al., 2017}).

Fuente: Honorato et al. (2015); ^{Rosales et al. (2016)}; ^{Apolinar et al. (2017)}.

Figura 1 Composición química de la madera de especies tropicales. 

La composición química de los taxones estudiados evidencia comportamientos específicos en diferentes procesos; así las especies con alto contenido de alfa-celulosa y hemicelulosa como Ceiba pentandra, Hevea brasiliensis y Ochroma pyramidale son ideales para procesos de pulpeo y bioconversión de carbohidratos.

Los extractos son solubles en diferentes solventes (alcoholbenceno, acetona, etanol, agua fría, agua caliente, entre otros) y pueden clasificarse en ácidos volátiles, aceites esenciales, ácidos resinosos y polifenoles. Los extractos son modificadores de las propiedades físicas, afectan la densidad y el contenido de humedad en equilibrio de la madera y, consecuentemente, modifican de manera indirecta diversas propiedades mecánicas. También, influyen en la durabilidad, color, olor y sabor de la madera. Los extractos fenólicos proveen de resistencia a la pudrición y al ataque de insectos (^{Darmawan et al., 2011}).

Las especies como Ceiba pentandra y las hojas de Cedrela odorata son ricas en extractivos, esto indica algún grado de afectación en los procesos de aserrío, secado, pulpeo, maquinado, encolado y acabados de la madera (^{Honorato et al., 2016}). Los contenidos inorgánicos (cenizas) más importantes en los procesos de aserrío y trabajabilidad son los cristales y el sílice que inciden en el mayor desgaste del filo de los elementos de corte; de ahí la importancia de que Acacia pennatula (Schltdl. & Cham.) Benth y Ceiba pentandra presenten contenidos de cenizas altos, entre 1.44 % y 1.59 %, respectivamente (^{Honorato et al., 2016}).

La lignina, rica en carbono e hidrógeno, afecta el pulpeo y los procesos de bioconversión, ésta se utiliza principalmente en la producción de poliuretano. La cantidad de lignina y los extraíbles se relacionan, estrechamente, con el poder calorífico; por lo que las especies estudiadas y señaladas en la Figura 1, pueden utilizarse con fines dendroenergéticos en los sectores industrial, doméstico y residencial; aunque Acacia pennatula y Ceiba pentandra registran valores altos en contenidos de cenizas que influyen en su uso como biocombustible (^{Honorato et al., 2016}).

La composición química es responsable del comportamiento en los diversos procesos de transformación de la madera; por ello, es relevante determinar los componentes químicos principales de los diferentes taxones, y con base en ellos definir los usos industriales específicos que garanticen el aprovechamiento óptimo e integral de la madera.

Aserrío

México se caracteriza por presentar un sector forestal industrial poco desarrollado, con altos costos de producción, tecnologías obsoletas e instaladas en unidades de producción de baja a mediana capacidad, con personal poco capacitado y por usar madera en rollo sin clasificar a precios altos. En el proceso de aserrío con sierra banda o sierra sin fin, la densidad y la dureza combinadas con un contenido de humedad bajo y la presencia de incrustantes minerales en la madera son factores determinantes en los esfuerzos a que se somete la sierra durante el corte; ocasionan el desafilado, fisuras o grietas y pueden provocar la fractura de los dientes. Con la adopción de parámetros adecuados en las sierras como los ángulos del diente (Figura 2), paso de diente, profundidad de garganta, ancho de corte, entre otros es posible obtener una buena calidad de aserrío, la cual se evalúa mediante la uniformidad en el espesor de las tablas producidas.

α = Ángulo de limpieza o ángulo libre; β = Ángulo de diente; γ= Ángulo de corte o ángulo de ataque; σ = Ángulo frontal (γ + 90˚).

Figura 2 Geometría de los dientes de la sierra cinta.  

La parte más importante de las sierras son los dientes, por el hecho de constituir los elementos de corte. Existen seis problemas de gran importancia que repercuten en los beneficios potenciales del aserrío con sierras banda: la simetría de los dientes, mantenimiento de los dientes, fisuras en el centro de la hoja, torcedura de la sierra, desgaste del perfil del volante; además de la relación de velocidad y profundidad del corte, en función de la capacidad de alimentación de la garganta (^{Zavala, 2003}; ^{Martínez et al., 2006}).

Respecto al aserrío, en el INIFAP se han realizado investigaciones referentes a la competitividad de la industria de la madera aserrada, los canales de comercialización, análisis de la industria, variación de corte en madera de pino y encino, entre otros. Sobresalen las determinaciones sobre las características que deben reunir las sierras banda para procesar la madera de encino, en las que la geometría de los dientes mostrada en la Figura 2 (paso de diente, profundidad de garganta, espacio libre lateral, ángulo de corte, ángulo del diente y ángulo libre) es relevante para aumentar la resistencia al desgaste e incrementar el rendimiento, ya que se asierra mayor volumen de madera con buena calidad de corte (^{Kirbach, 1982}; ^{Zavala, 2003}; ^{Martínez et al., 2006}).

Con el paso de diente se determina la cantidad de trabajo que una sierra puede realizar; para maderas duras y muy duras ^{Sandvik (1964)} indicó que el distanciamiento óptimo del paso de diente debe ser de 1.25 a 2.75”. ^{Schrewe (1983)} señaló que el distanciamiento también se relaciona con el ancho y el calibre de la sierra, además del diámetro de los volantes. El paso de diente tiene que ser menor en sierras de 3" a 6" de ancho, calibre de 18 a 19” y diámetro de volantes de 4 a 6 pies; mientras que, un paso de diente mayor es adecuado para sierras de 12 a 16" de ancho, con calibre de 12 a 13” y diámetro de volantes de 8 a 10 pies (^{Lunstrum, 1985}).

Para aserrar madera de encinos, ^{Flores et al. (2007a)} recomiendan un paso de diente de 1 a 2¼" (25.4 a 57.15 mm) con base en el calibre de la sierra, a menores espesores de la sierra, se debe dar menor paso de diente (Figura 2). ^{Flores et al. (2001)} registran que el paso de diente para sierras de 8" de ancho es de 1.5"; Martínez et al. (2006) documentan que para sierras de 5" de ancho el mejor resultado se obtiene con un paso de diente de 1.25".

La función de la garganta en la sierra cinta es alojar el aserrín durante el asierre y, posteriormente, arrojarlo fuera del corte. Diversos estudios coinciden en que la profundidad de garganta apropiada para maderas duras con dientes recalcados es de 1/3 del paso de diente (^{Sandvik, 1964}; ^{Schrewe, 1983}), o bien cercano a 10 veces el calibre de la sierra (^{Quezada, 1998}). Al aserrar encino con sierras de 8", Martínez et al. (2006) obtuvieron los mejores resultados al usar una profundidad de garganta de 0.5"; ^{Flores et al. (2001)} refieren que con sierras de 5”, la profundidad adecuada es de 7/16”.

La forma en que actúa el filo de los dientes de la sierra depende de sus ángulos (de corte, de diente y de limpieza), en relación con la densidad de la madera por aserrar, la dirección del corte por realizar (longitudinal o transversal) y el tipo de sierra. El ángulo de corte (ángulo de ataque) para maderas duras que provee buenos resultados varía de 20 a 30º (^{Sandvik, 1964}; ^{Schrewe, 1983}; ^{Quezada, 1998}); los más comunes son de 20 a 22º (^{Lunstrum, 1985}). En Norteamérica se utiliza un ángulo de ataque de 30º con resultados satisfactorios en sierra cinta con dientes recalcados (^{Koch, 1964}). En México, al evaluar sierras de 8" de ancho, se obtuvieron los mejores resultados con ángulo de ataque de 25° (^{Martínez et al., 2006}); mientras que, con sierras de 5” se lograron resultados aceptables al usar el ángulo de corte de 25 y 30º (^{Flores et al., 2001}).

Respecto al ángulo del diente, este no debe de ser muy pequeño para evitar que la punta del diente se debilite y se rompa bajo el efecto de la carga de corte, ni tan grande como para restringir la velocidad de alimentación y causar mayor consumo de energía. Martínez et al. (2006) indican que para aserrar encino con sierras de 8" de ancho es ideal un ángulo de 45°; con sierras de 5" de ancho, el ángulo de diente puede ser de 44°, 50° o 55° (^{Flores et al., 2001}).

El ángulo de limpieza (Figura 2) define el corte libre y limpio de la sierra, ya que la separación entre la sierra y la madera debe empezar justamente en la punta del diente para evitar que el lomo del diente roce con la madera, lo cual causa fricción y sobrecalentamiento de los dientes. Para aserrar la madera de encino se recomienda un ángulo de limpieza de 8 a 12° (^{Lunstrum, 1985}). En Norteamérica, con sierra banda ancha y dientes recalcados se usa, con buenos resultados, un ángulo de 16°. Para sierras de 8" de ancho, Martínez et al. (2006) determinaron que un ángulo de 20° da buenos resultados; con sierras de 5” los ángulos de limpieza de 10, 15 y 16° fueron los recomendados (^{Flores et al., 2001}).

En cada tipo de sierra existe un espacio libre lateral para obtener el ancho de corte adecuado, este varía en función de la geometría de los dientes, el contenido de humedad, el filo de corte, la alineación del equipo y el tipo de madera por cortar. Las maderas duras requieren que el espacio libre lateral sea 25 % mayor que el calibre de la sierra (^{Lunstrum, 1985}). En México, se determinó que para aserrar madera de encino el espacio libre lateral corresponde a un intervalo de 0.8 a 0.9 mm (^{Flores et al., 2001}).

Dada la dificultad de aserrar la madera del género Quercus, es recomendable endurecer la punta de corte de los dientes, para lo cual puede aplicarse un recubrimiento con materiales como: estelite 12, carburo de tungsteno, platino de cromo, vanadio y endurecimiento con alta frecuencia; con ello, se aumenta la resistencia al desgaste del diente hasta en 100 % al aserrar maderas blandas, o 12 veces más en maderas duras. En la formación de la punta de corte del diente, se adiciona alguno de los materiales señalados, excepto cuando se utilice alta frecuencia, en cuyo caso se usa el propio acero de la sierra (^{Kirbach y Bonac, 1982}; ^{Kirbach, 1984}). La sierra con dientes recubiertos con estelite 12 presenta mayor resistencia al desafilado, lo que permite aserrar un volumen de poco más del doble de madera de encino, comparativamente con la sierra de dientes recalcados (^{Flores et al., 2001}).

Secado

El proceso de eliminar el agua contenida en el interior de la madera hasta el punto en que la misma está en equilibrio higroscópico con el ambiente en el que se utilizará, se le conoce como secado. Es óptimo cuando la madera se seca en tiempos cortos, al menor costo y con la mejor calidad. Es un proceso necesario para la industria maderera que se realiza poco en México; en parte porque el consumidor se resiste a pagar el sobreprecio. Alrededor de 80 % de la producción de madera se comercializa recién aserrada o secada al aire libre, en este caso la madera solo alcanza valores de humedad en equilibrio con el ambiente (^{Fuentes et al., 2008}); para obtener contenidos de humedad menores, se debe recurrir al secado artificial mediante estufas de secado convencional (^{JUNAC, 1989}).

Para el secado artificial o convencional de maderas latifoliadas como el encino, especies tropicales o de eucalipto, se tiene que considerar la heterogeneidad de sus características anatómicas y físicas.

^{Zavala (2000)} refiere que las maderas duras tienen numerosos elementos de radio, grandes y amplios con uniones intercelulares más débiles, lo que favorece la aparición de rajaduras y deformaciones durante el secado al cambiar la temperatura, la humedad relativa y la velocidad del aire a condiciones más secantes. Estas maderas duras presentan contracciones altas y desiguales que favorecen esfuerzos internos excesivos; y por tanto, la severidad en los defectos es mayor, contrario a lo que ocurre con el secado de las coníferas. Una forma de minimizar defectos como rajaduras, grietas, deformaciones, apanalamiento y colapso en la madera de encinos es mediante un secado lento y a veces con un presecado (^{Zavala, 2000}).

Las maderas con altos contenidos de tílides son difíciles de secar, ya que se obstruye el flujo hídrico al reducir el diámetro de vaso haciéndolas impermeables, por lo que necesitan mayor tiempo de secado. Las tílides son comunes en el duramen de muchas angiospermas y en los vasos de madera de especies de clima templado como los encinos (^{Kollmann y Coté, 1968}); la alta densidad básica y CH altos inducen a un secado prolongado.

En el INIFAP se han desarrollado programas de secado en estufa convencional, con temperaturas menores a 100 °C para maderas de especies latifoliadas y de coníferas (^{Fuentes et al., 1997}). En su generación se consideraron las variables de secado, las características anatómicas (porosidad, distribución de los vasos, orientación del hilo, contenidos celulares, proporción de albura-duramen) y las propiedades físicas (contenido de humedad, densidad, contracciones, anisotropía y punto de saturación de la fibra) para obtener madera seca de calidad (^{Fuentes et al., 1997}; ^{Zavala, 2000}).

Los problemas de secado de las maderas tropicales en estufa convencional, también se atribuyen a la dificultad para tener volúmenes grandes de una misma especie y a los costos altos que implica la extracción de pequeños volúmenes. Al respecto, se determinó que la mejor forma de secarlas es formando grupos de especies con valores similares de densidad básica, de contenido de humedad inicial y de espesor de tablas (^{Zavala, 2000}) (Cuadro 3), lo cual conduce a una baja intensidad de defectos después del secado.

^{Zavala (2000)} desarrolló dos programas para secar una mezcla de 33 taxones tropicales agrupados por su densidad básica. El primer programa se definió para especies de densidad baja y media; el segundo para las de densidad alta. Los resultados finales en ambos programas no afectaron la calidad de la madera seca. El tiempo de secado para las maderas blandas osciló de 5 a 7 días y de 10 a 25 días para las de densidad alta. El autor concluyó que para un proceso óptimo, las maderas de densidad media a baja requieren subdividirse en otros dos grupos adicionales y las maderas de densidad alta en cuatro grupos. En el Cuadro 3 se incluyen algunos programas inéditos desarrollados en el INIFAP para diferentes especies, mismos que se sustentan en los parámetros y variables que se describen en ^{JUNAC (1989)} y en ^{Simpson (1991)}.

El secado es un proceso que requiere conocimientos y atención; no obstante, en las empresas ejidales, generalmente, lo lleva a cabo personal poco capacitado en el tema. Para atender las dificultades detectadas en la mediana y pequeña industria, ^{Quintanar et al. (2009a} y ^2009b) generaron una guía para operar una estufa de secado y un manual de secado en estufa para madera de encinos, cuyo objetivo es facilitar este proceso a los operadores de estufas en comunidades rurales. ^{Quintanar et al. (2012)} elaboraron un protocolo de mejora continua para incrementar la calidad del secado de la madera en estufa, el que está orientado a optimizar los recursos humanos y materiales utilizados durante el proceso; el protocolo se fundamenta en tres criterios básicos: el apilado de la madera, la operación de la estufa y la aplicación del programa de secado.

El método de secado solar de madera aserrada también ha sido investigado en el INIFAP. Este consiste en un proceso intermedio entre el secado en estufa convencional y al aire libre, en el que se utiliza como fuente de calor a la energía proveniente del sol (^{Fuentes et al., 1997}). Se ha determinado que el éxito de los secadores solares está restringido a las zonas con alta radiación solar, ello favorece el secado durante el verano y al inicio del otoño (^{JUNAC, 1989}). La escasez y los costos altos del combustible estimulan el interés de la industria para buscar la energía solar como fuente alternativa para secar maderas duras, ya que estas consumen de 60 a 70 % de la energía total usada en el proceso (^{Chen, 1981}).

Al comparar los métodos de secado solar, secado en estufa convencional y al aire libre ^{Fuentes et al. (1997)} señalan que secar madera de encino en secador solar tiene mayores ventajas, porque no requiere de fuertes gastos de inversión y operación, como cuando se emplean las estufas convencionales, ni de tiempos tan prolongados como al aire libre, donde además se demerita la calidad de la madera y coarta el movimiento de capital en su comercialización.

Los secadores solares son eficientes en el secado de maderas suaves y, particularmente, de las maderas duras con alta propensión a desarrollar defectos y que requieren un secado lento. Las maderas duras como el encino se asierran poco en forma de tablas y tablones; en cambio, la madera de pino está disponible en diferentes medidas comerciales en todos los aserraderos de la zona centro y norte de México (^{Fuentes et al., 2008}). Por ello, al hacer la evaluación económica de un secador solar tipo invernadero con madera de pino (Figura 3), ^{Quintanar et al. (2011)} y ^{Quintanar (2017)} obtuvieron resultados favorables con una rentabilidad de 240 %, respecto a la inversión inicial; demostraron que la recuperación del costo de inversión se obtiene en la cuarta carga de secado. Para conocer la eficiencia y el tamaño óptimo del secador solar, los autores describieron el método y cálculos de diseño, así como la evaluación por unidad de volumen secado.

Figura 3 Secador solar para madera de tipo invernadero. 

En México, existen diferentes diseños de secadores solares, cada uno con sus particularidades y ventajas. El prototipo de secador generado en el INIFAP corresponde al tipo Oxford modificado, el cual se promueve como una tecnología de transferencia y ha sido adoptada por ejidos y comunidades cooperantes en diferentes estados de la república mexicana. Los resultados han sido satisfactorios para la pequeña y mediana industria (^{Quintanar, 2005}; ^{Bárcenas et al., 2010}).

El éxito de los secadores en las comunidades rurales se atribuye a que son equipos, relativamente, económicos de construir, simples de operar y generan buena calidad de secado. Esto se explica porque la temperatura dentro del secador alcanza su valor máximo alrededor de las 14:00 horas y el aire dentro de la cámara enfría durante la noche, lo que aumenta la humedad relativa; secar durante el día y tener incrementos de humedad por las noches permite liberar o reducir las tensiones de secado, lo que favorece la calidad de la madera seca (^{Fuentes et al., 1997}).

Maquinado

El maquinado (trabajabilidad) de la madera consiste en la ejecución de operaciones que se realizan en la industria de segunda transformación a piezas de madera con máquinas y herramientas de corte, con la finalidad de dar las dimensiones y perfiles con la estética y calidad deseados, para su posterior utilización en la elaboración de productos terminados; además de, preparar la superficie para la aplicación de acabados artificiales (^{Tamarit y López, 2007}). En este proceso, se hace la separación de astillas, virutas o aserrín mediante la acción del filo de herramientas de corte o de la fricción con lijas.

A nivel industrial el maquinado es fundamental en las etapas subsecuentes de transformación de la madera; cuando se realiza de manera adecuada, se incrementa su calidad y se da mayor valor agregado al producto final (^{Flores et al., 2002}; ^{Flores y Fuentes, 2002}).

En México, la calidad de maquinado de la madera por taxón se determina con base en ensayos indicados en la norma ASTM D 1666-11 (^{ASTM, 2011}) adaptada a las características tecnológicas de la madera y a las máquinas utilizadas en la industria forestal nacional. Los ensayos son cepillado, torneado, moldurado, barrenado y lijado; la calidad se evalúa a partir de la presencia y severidad de defectos existentes en la superficie de las probetas maquinadas.

Las maderas duras de especies tropicales y del género Quercus presentan mayor dificultad para maquinarlas. Para lograr una calidad aceptable se requieren condiciones particulares de trabajo tanto de las máquinas y herramientas de corte, como de algunas características de la madera.

La densidad básica de la madera se relaciona con su dureza y por tanto, con la resistencia a la penetración y al corte. Maderas más pesadas tienen un acabado al maquinado más terso y uniforme que las livianas; este fenómeno se explica porque las primeras tienen una menor proporción de espacios vacíos por unidad de volumen y mayor contenido de lignina, lo cual favorece que el colapso de la pared celular, a nivel de fibra por la acción de la punta del elemento de corte, sea menor (^{Thibaut et al., 2016}); aunque también, exigen un mayor consumo de energía. Cuando la madera tiene alto CH presenta menor resistencia al corte, pero el defecto de grano apelusado se presenta con más intensidad; con bajo CH se observa el grano astillado, asimismo la resistencia al corte y el desafilado son mayores (^{Tamarit y Flores, 2012}).

La presencia de sílice y cristales hacen abrasiva la madera y desafila más rápido al elemento de corte. Los principales factores inherentes a las herramientas y elementos de corte que influyen en la calidad del maquinado son el tipo de acero, ángulos de corte, profundidad de corte, velocidad de corte, velocidad de alimentación y número de marcas de cuchilla por centímetro (^{Tamarit y Flores, 2012}). Estas condiciones de trabajo se pueden modificar para mejorar la calidad de maquinado.

El cepillado es el corte periférico realizado con las cuchillas de la máquina cepillo sobre la superficie de ambas caras de las tablas para obtener el espesor deseado, uniforme y una superficie tersa. Es la operación más importante de maquinado, ya que cualquier pieza antes de utilizarse en la elaboración de un producto final debe cepillarse, para darle valor agregado. Las maderas duras se cepillan mejor a favor del hilo y con un ángulo de corte de cuchilla ≤ 20°. En maderas de muy alta densidad, se recomienda usar cuchillas con recubrimiento de carburo de tungsteno (^{Tamarit y López, 2007}; ^{Tamarit y Flores, 2012}).

Los cepillos comerciales tienen un ángulo de corte de cuchilla de 30°, para reducirlo se debe hacer un bisel en las cuchillas. La acción de las cuchillas se distribuye sobre la pieza de madera, por lo que varía la velocidad de alimentación, o la velocidad de giro del cabezal porta cuchillas, lo cual origina un determinado número de marcas de cuchilla (NMC) por centímetro sobre la superficie cepillada (^{Flores et al., 2002}; ^{Tamarit y Flores, 2012}).

En maderas duras la calidad de cepillado se optimiza cuando se usa el menor ángulo de corte de cuchilla y el mayor NMC cm^-1 (hasta 29); para aumentar el NMC se debe reducir la velocidad de alimentación a 7 m min^-1. La calidad se mejora cuando la profundidad de corte es de 1.5 mm para cepillos industriales y del doble en cepillos de menor capacidad (^{Tamarit y Flores, 2012}).

El torneado provee la forma o un perfil específico a una pieza de madera, haciéndola girar en un torno contra una cuchilla o gurbia, cuyo filo corta en diferentes posiciones. Se realiza para elaborar productos decorativos de alta calidad y valor agregado. Para la mejor calidad de acabado, la velocidad óptima del torno depende del diámetro de la pieza de madera por tornear y de la velocidad de avance de la cuchilla hacia la madera; se recomienda tener al menos cuatro velocidades de giro (500, 1 000, 1 500 y 3 000 rpm) (^{Flores et al., 2013}). Para diámetros grandes, la velocidad de giro debe reducirse, e incrementarse cuando se torneen piezas de diámetro reducido (^{Tamarit y López, 2007}).

Las maderas de alta Db y textura fina, con CH de 12 a 14 % presentan la mejor calidad de torneado; con menores CH, la intensidad de los defectos es mayor. El quemado de la superficie de la madera se evita al no usar una velocidad de giro alta y con una velocidad de alimentación lenta (^{Flores et al., 2007b}).

Con el moldurado se da un perfil y forma predeterminado a uno o más de los bordes de las piezas de madera; para ello, se utilizan fresas montadas en máquinas trompos; es importante la tersura del corte y el detalle de la figura. Para moldurar maderas duras, la velocidad periférica debe ser de 40 a 60 m s^-1 en fresas con aspas de acero rápido, y de 50 a 80 m s^-1 con aspas de carburo de tungsteno; aplicar el mayor NMC cm^-1, con una velocidad de alimentación promedio de 3 m min^-1 para producir molduras curvas, y de 6 m min^-1 para molduras rectas. La velocidad de rotación del cabezal varía de 4 000 a 10 000 rpm (^{Flores et al., 2002}; ^{Flores y Fuentes, 2002}).

El taladrado (barrenado) consiste en hacer una o varias perforaciones de diámetros determinados a piezas de madera, con una o varias brocas colocadas vertical u horizontalmente en una máquina taladro, en la que se desplaza la madera hacia la broca o viceversa; es útil para realizar uniones o ensambles. Para lograr uniones fuertes, el corte debe ser limpio, liso, con desgarre de fibra mínimo y de tamaño correcto. La velocidad de corte tiene que ser baja, sin exceder 3 000 rpm; la calidad se reduce a medida que se usan brocas de grandes diámetros y longitudes, ya que la vibración de la broca aumenta produciendo perforaciones de diámetro mayor al previsto (^{Flores et al., 2002}; ^{Flores y Fuentes, 2002}).

Para maderas de alta densidad se usan brocas de acero de alta velocidad, de acero al níquel-cromo, o de carburo de tungsteno; la velocidad de penetración debe ser lenta al momento en que la broca hace contacto con la madera, después se aumenta a 75 cm min^-1, lo que evitará que se produzca una superficie quemada (^{Tamarit y López, 2007}).

El lijado es la acción abrasiva de una lija sobre la madera para calibrar su espesor, obtener superficies planas y lisas, para remover marcas de astilla y otros defectos; también, para igualar las piezas que han sido unidas y así, preparar la superficie para la aplicación de un acabado artificial. El abrasivo común es la lija de papel con granos de cuarzo. En trabajos a escala industrial, se utilizan lijas de óxido de aluminio.

La velocidad de la lija se relaciona con la cantidad de madera por remover, una alta velocidad produce una superficie lisa y tersa, además requiere menos energía por volumen removido. El lijado se realiza en dirección paralela al grano, las tablas se lijan primero con lijas gruesas (No. 60 u 80) para remover defectos; enseguida, para dar el acabado final, se usan lijas finas (No. 100 o 120) (^{Flores et al., 2002}; ^{Tamarit y López, 2007}).

En diversas investigaciones llevadas a cabo por investigadores del INIFAP se presenta la calidad de maquinado para 37 especies de maderas duras (Db ≥ 0.55 g cm³) (^{Flores y Fuentes, 1995}; ^{Zavala y Vázquez, 2001}; ^{Flores et al., 2002}; ^{Flores y Fuentes, 2002}; ^{Flores et al., 2007b}; ^{Tamarit y López, 2007}; ^{Flores et al., 2013}).

Resalta la necesidad de estudiar el maquinado de la madera de otros taxones presentes en bosques naturales y en plantaciones comerciales; además de, nuevos materiales a base de madera natural o modificada química o termomecánicamente, productos bioingenieriles como tableros, laminados y otros elaborados a partir de residuos agrícolas. También, se debe evaluar el desempeño de nuevos materiales (aleaciones) en forma de inserciones o recubrimientos en los elementos de corte y su relación con la calidad de la superficie maquinada, el efecto en el consumo de energía y en el nivel de desperdicios generados. Otra área por explorar es el desempeño de procesos de maquinado automatizados mediante sensores y control numérico computarizado (^{Thibaut et al., 2016}; ^{Nasir y Cool, 2018}).