Coordinación de la especialidad en plásticos – CETIS No 6
EXTRUSION
Transformación de Termoplásticos
Autor: J. Eduardo Morales Méndez
TEMARIO Introducción Aplicaciones Objetivos I. Conceptos II. Principios básicos III. Partes constituyentes de la extrusora IV. Diámetro y longitud del cañón V. Diseño general y Tipos de husillos VI. Cabezal de la extrusora VII. Componentes auxiliares de la maquina de extrusión VIII. Condiciones de operación para una determinada resina IX. Solución de defectos
Introducción
Gran parte de los materiales plásticos han encontrado infinidad de mercados y una asombrosa variedad de aplicaciones en diversos campos industriales. Estos materiales poseen unas características muy interesantes, tales como intercambiabilidad de piezas, excelente acabado, propiedades eléctricas y mecánicas adecuadas, gran variedad de color, poco peso, aislamiento térmico, rápida producción y bajo costo. Uno de los procesos para la obtención de materiales plásticos es la extrusión. La extrusión es probablemente el proceso más versátil en la industria de los plásticos y también es una operación de alta calidad.
La extrusión, por su versatilidad y amplia aplicación, suele dividirse en varios tipos, dependiendo de la forma del dado y del producto terminado. Así la extrusión puede ser: De tubo y perfil De película tubular De lámina y película plana Recubrimiento de cable De Monofilamento Para pelletización y fabricación de compuestos Independientemente del tipo de extrusión que se quiera analizar, todos guardan similitud hasta llegar al dado extrusor. Las variables a controlar serán: la temperatura de proceso, el control de las resistencias eléctricas, el plástico fundido, la velocidad de giro del husillo y la presión general del plástico fundido. Básicamente, una extrusora consta de un eje metálico central con alabes helicoidales llamado husillo o tornillo, instalado dentro de un cilindro metálico revestido con una camisa de resistencias eléctricas, el husillo se mueve por medio de un motoreductor, colocado al principio del cañón y al final del cañón esta conectado un cabezal que contiene el dado formador y boquilla. Los extrusores alimentados con polímeros sólidos se les llama “extrusores plastificadores”, estos realizan tres operaciones: el transporte, la fusión o plastificación y bombeo o dosificación del polímero fundido..
Aplicaciones A continuación, se enlistan productos que encuentran en el mercado, transformados por el proceso de extrusión: - Película tubular Bolsa (comercial, supermercado) Película plástica para uso diverso Película para arropado de cultivos Bolsa para envase de alimentos y productos de alto consumos -Tubería Tubería para condición de agua y drenaje Manguea para jardín Manguera para uso médico Popotes Recubrimiento Alambre para uso eléctrico y telefónico
Perfil Hojas para persiana Ventanería Canales de flujo de Agua
-Lámina y Película Plana Rafia Manteles para mesa e individuales Cinta Adhesiva Flejes para embalaje -Monofilamento Filamentos Alfombra (Filamento de las alfombras)
Objetivos Identificar las partes que constituyen a un extrusor Conocer el funcionamiento de sus partes Conocer sus caracter铆sticas en el caso de elegir un equipo Analizar donde se puede generar un problema en el momento de la operaci贸n. Identificar los diferentes procesos de extrusi贸n para la obtenci贸n de un producto determinado
I. Conceptos
¿Qué es la extrusión? La palabra extrusión viene de dos vocablos latinos, “ex” fuera y “trudere”, que significa empujar hacia. La operación de extrusión es la acción de forzar a un material, por medio de presión, a pasar a través de un orificio o dado ( boquilla, matriz), en condiciones reguladas. El equipo debe ser capaz de proveer suficiente presión sobre el material en forma continua y uniforme, debe contar con medios para ablandar o acondicionar en alguna forma para que éste sea extruible. Es un proceso por el cual es posible obtener productos acabados o semiacabados en régimen continuo. Los productos son perfiles y presentan diferentes formas.
El material debe ser tal que una vez acondicionado en forma adecuada, fluirá bajo presión y solidificará cuando estas condiciones se eliminen, o bien, se puede hacer que solidifique como resultado de algún cambio químico que se pueda efectuar en forma continua. Existen tres tipos comerciales de extrusión, y son: pistón y cilindro, bombas de varios tipos y husillos giratorios. Para nuestro caso estudiaremos la extrusión de plásticos con un husillo giratorio
De acuerdo a lo expuesto anteriormente, el material se alimenta en forma de granulo, escamas o polvos. El material se calienta por fricción y calor a medida que avanza a lo largo del husillo y se hace un fluido muy viscoso hacia la parte media del husillo. La acción del husillo sobre este fluido genera la presión necesaria para hacerle salir por la boquilla, que se encuentra al final del extrusor, en donde el material toma la forma deseada; al salir de la boquilla se enfría con aire o agua. Una máquina que opera según este esquema es un “ extrusor de plastificación”.
Los extrusores modernos operan entre 20 y 200 rpm (revoluciones por minuto) y, según su tamaño, pueden proporcionar hasta 1,800 Kg/h de material plastificado, siendo la calidad (homogeneidad del extruido) el principal factor que limita la producción. El extrusor, además de funcionar como una bomba, funciona como un transportador y un plastificador y en algunos casos como cambiador de calor y mezclador. Dentro del proceso de extrusión, varias partes debe identificarse con el fin de aprender sus funciones principales, saber sus características en el caso de elegir un equipo y detectar en donde se puede generar un problema en el momento de la operación.
Características de los plásticos a extruir En general existen 16 materiales o grupos de materiales que se procesan comercialmente por las técnicas de extrusión. 1. Resinas acrílicas (polimetacrilato de metilo) 2. Copolímeros ABS (copolímero del acrilonitrilo-butadieno-estireno) 3. Plásticos de caseína 4. Materiales Celuloicos 5. Espumas de PS, PVC y espumas de poliolefinas 6. Poliacetales 7. Poliamidas (incluyendo poliuretanos lineales) 8. Policarbonatos 9. Polietilenos (alta, mediana y baja densidad) 10. Polipropileno 11. Poliestireno (incluyendo poliestirenos modificados) 12. Materiales basados en PVC 13. Plásticos vinílicos 14. Resinas fluorocarbónicas 15. Materiales termofijos 16. Elastómeros ( hules)
El peso molecular del plástico y su influencia en el procesado Actualmente los plásticos se obtienen por dos procesos de polimerización: Polimerización por adición: PE, PP, PS, ABS, PMMA, PVC,PTFE Polimerización por condensación: PC, PA, PET, PBT, PES, PEEK La polimerización por adición, produce por lo general un rápido crecimiento de la cadena y pesos moleculares superiores a 100, 000 daltons; además no se forman subproductos. Son menos susceptibles a la absorción de agua y con frecuencia se despolimerizan durante el procesamiento. Cuando estos materiales se secan antes de procesarlos es con el fin de evitar la formación de espuma y los defectos en la superficie, como las irregularidades.
La polimerización por condensación, proporciona un menor crecimiento de la cadena y pesos moleculares de 10,000 a 50, 000 daltons; además se forman subproductos, como el agua. Estos materiales poco secos, si se procesan al estado fundido, tienden a despolimerizarse. Como esto reduce el peso molecular, se reducen las propiedades de los materiales, por lo tanto siempre se secan antes de procesarlos (aunque se empleen husillos especiales y un equipo de procesamiento ventilado, los polímeros que vayan a condensarse siempre se deben secar durante su procesamiento).
TERMOPLÁSTICOS PROPIEDADES PARA SU PROCESO
Temperatura de procesamiento Las propiedades de los plásticos difiere por el proceso de polimerización de obtención, por su estructura química, por sus características físico-dinámicas, entre las más importantes. De aquí que, existan diferentes husillos. RESINA
DENSIDAD (g/cm3)
COEFICIENTE DE EXPANCIÓN TÉRMICA LINEA
(23-80°C)
10 -
TEMPERATURA DE PROCESO (°C)
4/k
extrusión
inyección
TEMPERATURA DE USO (°C)
ABSORCIÓN DE AGUA (23°C,SATURADA)
LDPE
0.914 – 0.939
2.0-2.4
210
250
Menos de 100°C
0.01 – 0.04
HDPE
0.933-0.966
1.2-1.8
180
205
Menos de 100°C
0.01 – 0.04
PP
0.894 – 0.912
1.1 – 1.8
235
255
Menos de 100°C
0.01
PET
1.38-1.40
0.70 – 0.80
250
255
Menos de 100°C
0.1
PC
1.2
0.70 – 0.80
290
300
Menos de 100°C
0.35
PVC (blando)
1.18-1.35
0.7 – 0.75
185
195
Menos de 100°C
0.1
PS
1.05
0.80
210
220
Menos de 100°C
0.1
Temperatura de procesamiento de los plásticos Las temperaturas de procesamiento están asociadas con las temperaturas de transición de los polímeros. La temperatura de transición vítrea (tg) es la temperatura a la cual la región amorfa (desordenada) de un polímero pasa del estado de vidrio (vítreo) a un estado de caucho. En los polímeros amorfos, la tg está en relación con las temperaturas de procesamiento. Cuando el plástico alcanza su temperatura de procesamiento al estado fundido fluye con facilidad y puede extruirse , moldearse por inyección y moldearse por extrusión – soplado
Plásticos amorfos – plásticos como el PC, la diferencia entre la temperatura de ablandamiento y la de procesamiento está cercana a los 140°C. Por lo tanto carecen de temperaturas de fusión bien definidas, se ablandan. Presentan temperatura de transición vitrea. La temperatura de fusión en en rangos, no presentan una sola temperatura. Plásticos semicristalinos - plásticos como el PP, con grado de cristalinidad elevada , permanece relativamente rígido hasta que alcanza su temperatura de fusión Tf. En ese punto los cristalitos (región sumamente ordenadas) en los polímeros semicristalinos se rompen y el polímero empieza a fluir. Por lo tanto estos plásticos se funden. Los plásticos semicristalinos presentan una sola temperatura de fusión. Por lo general son opacos
Temperatura de Transición Vítrea (Tg): Temperatura o pequeño intervalo de temperaturas por debajo del cual un polímero se encuentra en un estado vítreo y encima de él, este presenta la consistencia de un hule. Esta temperatura es de extrema importancia para el procesador, ya que permite determinar la factibilidad de emplear un polímero para ciertas aplicaciones. Por ejemplo, si tenemos un polímero con una Tg de100º C y otro con una Tg de -20º C, el primero será un material rígido a temperatura ambiente, mientras que el segundo será flexible.
Temperatura de Fusión (Tm) : Temperatura o pequeño intervalo de temperaturas en los cuales los cristales desaparecen en un polímero semicristalino y este pasa rápidamente de sólido semicristalino a un liquido muy viscoso.
La tg , se entiende que es un punto intermedio de temperatura entre el estado fundido y el estado rígido del material. El estudio de Tg es más complejo en el caso de los polímeros que en cualquier otro material de moléculas pequeñas. Por encima de la Tg los enlaces secundarios de las moléculas son mucho más débiles que el movimiento térmico de las mismas, por ello el polímero se torna gomoso y adquiere cierta elasticidad y capacidad de deformación plástica sin fractura. Este comportamiento es específico de polímeros termoplásticos.
Durante el calentamiento, el módulo E en Pascales (Pa) de un polímero semicristalino decrece, en un principio, rápidamente. Luego pasa por un período de estabilización, en el gráfico se muestra un amesetamiento de la curva. En esta fase el material se presenta muy viscoso. Si la temperatura se incrementa aún más, el polímero se funde y el módulo es cero. Entre el estado rígido y el fundido se encuentra la temperatura de transición vítrea Tg.
Tg- tem. de transición vitrea
Tm – temp de fusión
Temperatura de la masa fundida del polímero Hemos visto que es importante mantener la temperatura de la masa, antes de la entrada al cabezal, en un nivel bajo. Para un procesamiento inmejorable con un husillo de barrera, el perfil de temperatura de las zonas de la extrusora debe ser del tipo "joroba" (“humped"). Esto es que la primera zona debe estar caliente pero no tanto; la segunda zona debe estar muy caliente para fundir el material rápidamente para disminuir desgaste del tornillo por fricción y el calor de cizallamiento; luego cada zona que sigue debe estar más fría en forma progresiva; hasta que la última zona esté relativamente fría. Consideremos que la extrusora es el intercambiador de calor más eficiente de la Línea porque cuenta con un sistema de enfriamiento forzado y el espesor de la capa de resina es relativamente bajo. Perfil de la temperatura de "Joroba" de una extrusora en °C. de cuatro zonas Este es un perfil para una extrusora de cuatro zonas. Considere que cada diseño de husillo es diferente por lo que el perfil de temperatura par cada caso determinado debe establecerse para lograr los mejores resultados. También se debe considerar que la temperatura de la última zona no debe ser menor que la temperatura de fusión del material, porque si lo es el polímero se solidificará en la camisa de la extrusora si el tornillo deja de operar.
MATERIAL
Relación de compresión del husillo
Zona de alimentació n (°C)
Zona de transición (°C)
Zona de dosificación (°C)
Zona de dado (°C)
ABS
2.75:1
204
219
227
238
Nylon 6
3.9:1
216
238
249
260
LDPE
3.5:1
171
180
185
191
149
163
185
210
LLDPE HDPE
3:1
171
193
204
204
PP
3:1
190
210
221
221
PS
3:1
177
204
227
232
PVC Flexible
2.5:1
130
171
181
181
PVC rigido 2.5:1
149
160
171
181
PC
266
277
288
293
2.25:1
Tamaño del plásticos a extruir
El tamaño y presentación del compuesto para la mayoría de los plásticos se da en: esferas, cilindros o cubos regulares de 1/8 plg (3 mm) o 3/32 plg (2.3 mm)
materiales para extrusión frecuentemente son suministrados por los fabricantes en forma de compuestos especialmente formulados. Estos materiales se presentan en forma de gránulos o pellets, pueden contener estabilizadores al calor y a la luz, lubricantes, pigmentos, plastificantes y otros aditivos (además de las resinas básicas), los cuales mejoran las propiedades de extrusión o dan las características requeridas para el producto final en particular. El compuesto debe estar adecuadamente estabilizado al calor y a la luz, de tal manera que no haya degradación en la máquina de extrusión o durante su servicio como producto terminado. Los
Fusión del plástico Los plásticos funden por acción mecánica (fricción de plástico con las paredes del husillo y el cañón) en combinación con la elevación de su temperatura por medio de calentamiento del cañón. La acción mecánica incluye los esfuerzos de corte y el arrastre, que empujan al plástico hacia la boquilla e implica un incremento en la presión, como se presenta en la siguiente figura. La primera fusión que se presenta en el sistema ocurre en la pared interna del cañón, en forma de una delgada película, resultado del incremento en la temperatura del material y posteriormente de la fricción.
Cuando esta película crece, es desprendida de la pared del cañón por el giro del husillo, en un movimiento de ida y vuelta seguido de un barrido, formando un patrón semejante a un remolino o rotatorio sin perder el arrastre final. Esto continúa hasta que se funde todo el polímero.
PLÁSTICO EN ESTADO FLUIDO
La fusión y arrastre del material: si el material se adhiere al husillo y resbala sobre la pared del cañón, entonces el arrastre es cero, y el material gira con el husillo. Sin embargo, el material no resbala con la pared del cañón y resbala con el husillo, entonces el arrastre es máximo y ocurre el transporte de material. En la realidad el polímero experimenta, fricción tanto en la pared del cañón como en el husillo y las fuerzas de fricción determinan el arrastre que sufrirá el plástico.
El plástico, se calienta hasta su temperatura de fusión y de esta manera puede fluir dentro del extrusor. EL material debe fluir en forma de una masa fundida homogénea que no tenga partículas duras, no mezcladas o mezcladas imperfectamente, de modo especial en el caso de los materiales de vinilo y no debe mostrar una indebida tendencia a pegarse a las paredes de metal calentadas de la máquina de extrusión.
Fluido Los plásticos al ser fundidos fluyen y presentan viscosidad. El fluido se define como una sustancia que se deforma continuamente bajo la acción de un esfuerzo de corte; por tanto, en ausencia de éste, no habrá deformación. La reología estudia los fenómenos relacionados con el flujo y la deformación de los materiales. Isaac Newton fue el primero en definir el flujo viscoso. Los plásticos presentan un comportamiento de flujo no newtoniano. Esto es, no siguen las Leyes de Newton. Un fluido no newtoniano es aquel cuya viscosidad varía con el gradiente de tensión que se aplica, no tiene un valor de viscosidad definido y constante, es independiente del tiempo, con esfuerzo umbral, a diferencia de un fluido newtoniano.
Índice de fluidez El índice de fluidez para poliolefinas se recomienda cercano a 1 o por debajo, los índices de fluidez para resinas superiores a dos se utilizan El índice de fluidez es una prueba reológica básica que se realiza a un polímero para conocer su fluidez. Se mide en g/10min. Se define como la cantidad de material (medido en gramos) que fluye a través del orificio de un dado capilar en 10 minutos, manteniendo constantes presión y temperatura estándares. El índice de fluidez consiste en tomar una cantidad de polímero a una temperatura conocida arriba de su Tg y obligarlo con la fuerza de gravedad y un peso dado a través de un orificio por un tiempo determinado, (según la norma que se utilice, e.g. ASTM). La prueba no dura diez minutos, sino que puede durar un minuto o menos, pero de forma continua y luego se ajusta el valor a las unidades adecuadas. Un peso molecular bajo se traduce en un alto valor de índice de fluidez, corresponde a una viscosidad baja, excelentes valores para el proceso de extrusión. La industria utiliza el índice de fluidez como una herramienta básica para el control de la calidad y la aceptación de las materias primas plásticas.
Ejemplo de 铆ndice de fluidez y su relaci贸n con los procesos de transformaci贸n: Polietileno de alta densidad HDPE- Dow Chemical Company
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Ejemplo de índice de fluidez y su relación con los procesos de transformación: Polietileno de alta y baja densidad: PEMEX MARCA
PROPIEDADES
DATOS
PROCESO
BDL92010 S
Indice de fluidez (g/10 min) Densidad (g/cm3) Tensión (Mpa) Elongación (%) LLDPE CONDICIONES DE OPERACIÓN Temp (170 – 190 °C); relación de soplado: 1.5 a 3 veces el diámetro del dado
1 0.918 24 550
EXTRUSIÓN Y COEXTRUSIÓN DE PELÍCULAS
BDL 92010 C
Indice de fluidez (g/10 min) Densidad (g/cm3) Tensión (Mpa) Elongación (%) CONDICIONES DE OPERACIÓN Temp (170 – 190 °C); Dado: 170 a 190°C;relación de soplado:1.5 a 3 veces el diámetro del dado
1 0.921 24 550
EXTRUSIÓN DE PELÍCULAS Y SACOS
BDL 36050
Indice de fluidez (g/10 min) Densidad (g/cm3) Tensión (Mpa) Elongación (%) CONDICIONES DE OPERACIÓN Temp (170 – 190 °C); relación de soplado: 1.5 a 3 veces el diámetro del dado PEMedia densidad
5 0.936 17.6 700
ROTOMOLDEO
PADMEX 65050
Indice de fluidez (g/10 min) Densidad (g/cm3) Tensión (Mpa) Elongación (%) CONDICIONES DE OPERACIÓN Temp (210-260 °C); Boquilla: 225 – 265°C HDPE
5 0.965 30.4 500
MOLDEO DE ARTÍCULOS INDUSTRIALES
PADMEX
Indice de fluidez (g/10 min) Densidad (g/cm3) Tensión (Mpa) Elongación (%) CONDICIONES DE OPERACIÓN Temp (210-250 °C); Boquilla: 220-250°C; artículos pared delgada HDPE
19 0.96 26.5 650
MOLDEO DE PAREDES DELGADAS
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II. Principios básicos La extrusión es la acción de forzar el paso de un plástico, por medio de presión, a través de un “dado” o “boquilla”. El proceso es muy utilizado para producir longitudes de termoplásticos con secciones transversales constantes como: Películas Tuberías Mangueras Fibras Películas Películas Bolsas Popotes y filamentos Hojas para persianas Ventanería Canales de flujo de agua Cañuelas Cintas adhesivas
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Se presenta el proceso de obtención de una tubería Alimentación Equipo auxiliar
Embobinador
Extrusión jalador y contámetro
Zona de enfriamiento
El polímero sólido se alimenta en un extremo y en el otro sale el material sometido a extrusión ya perfilado. Dentro de la máquina el polímero se funde y homogeneiza. Al salir del dado de la extrusora se coloca en una cámara (zona) de enfriamiento, para posteriormente darle la presentación requerida por el cliente.
III. Partes constituyentes de la extrusora El extrusor estรก constituido de cinco partes cuyas funciones son: Zona de transmisiรณn de Potencia zona de alimentaciรณn zona de compresiรณn zona de dosificaciรณn zona del dado o formado del producto
El operador del extrusor controla las temperaturas del cilindro, cabezal y boquilla, y a veces también las temperaturas del tornillo y del material en la tolva. El cilindro se divide en zonas, cada una con sus controles de calefacción y enfriamiento. Las temperaturas de estas zonas no tienen que coincidir con las temperaturas del material adentro, pero se seleccionan según se necesite en cada zona. La zona de alimentación es especialmente importante ya que afecta la velocidad de alimentación y por lo tanto, puede controlar la producción. Las temperaturas del cabezal y la boquilla normalmente son más o menos iguales a la temperatura del material plastificado adentro. La temperatura del plastificado se mide dentro del cabezal. Esta normalmente entre 175 – 230°C (350 – 450°F), pero es mayor para ciertos plásticos. Si es demasiado caliente habrían problemas de degradación del material o enfriamiento insuficiente. La presión del material plastificado también se mide al fin del tornillo, y refleja la resistencia del cabezal. La presión está típicamente entre 35 – 350 Kg/cm2 (500 – 5000 psi), y en algunos casos más. La velocidad del tornillo se selecciona tan alta como lo permita la calidad del producto. Las velocidades típicas están entre 50 y 200 rpm. Las máquinas más grandes operan a velocidades más bajas, pero las muy pequeñas también giran lento para permitir bastante tiempo la resistencia. El amperaje del motor normalmente se mide; indica el límite de operación del sistema,. indica pulsación (variación de espesor = “surging”), e indica cambios en la viscosidad del material. El amperaje y el poder del motor varían mucho con el tamaño de la máquina; p.ej., 5 HP (3.5 Kw) para una pequeña hasta 1000 HP (750 Kw) o más para una muy grande. La producción es normalmente entre 2 y 7 Kg/hr (5-15 lb/hr) por cada HP usado (65% de estas cifras por Kw), según el tipo de polímero extruido.
Zona de transmisión de Potencia El tornillo, cuando gira, trata de desenroscarse y salir del cilindro hacia atrás. No puede irse porque un cojinete grande lo mantiene en su posición. En vez, el empuje del tornillo provoca que el material salga a través del cabezal. Todo el cabezal actúa como una resistencia al flujo. Lo más la resistencia, de manera que el tornillo debe trabajar para empujar el material (se requiere más fuerza para girar el tornillo). SISTEMA MOTRIZ El motor de la extrusora es el componente del equipo responsable de suministrar la energía necesaria para producir: la alimentación de la resina, parte de su fusión (70 a 80%), su transporte y el bombeo a través del cabezal y la boquilla. Los motores incorporados en las líneas de extrusión son eléctricos y operan con voltajes de 220 y 440 V. Las extrusoras modernas emplean motores DC (corriente continua), ya que permiten un amplio rango de velocidades de giro, bajo nivel de ruido y un preciso control de la velocidad. Se recomienda que la potencia de diseño sea de 1 HP por cada 10 a 15 Ib/h de caudal, sin embarco para las aplicaciones de alto requerimiento de mezclado esta relación puede llegar a ser de 1HP porcada 3a5 lb/h.
La velocidad alcanzada por los motores resulta más elevada que la requerida por el tornillo, de aquí el uso de motovariadores. Los motovariadores reducen la velocidad hasta en un 20:1. Casi todos los extrusores fabricados en los últimos 20 años tienen motores que funcionan con corriente continua (CC). La corriente alterna (CA) normal se convierte a CC al lado de la máquina. Con CC, cambiar la velocidad del motor es fácil y esta es la manera de cambiar la velocidad del tornillo. Un motor CC no puede estar totalmente encerrado, lo cual puede ocasionar problemas en áreas polvosas. Conviene asegurarse que el ventilador funciona adecuadamente así como cambiar los filtros y revisar el motor periódicamente.
Todos estos motores trabajan a velocidades muy por arriba de aquellas necesarias para la extrusión, por eso se reduce en dos etapas (a veces tres) de la velocidad del motor (normalmente 1750 – 2000 rpm máximo) a la velocidad del tronillo (100 – 200 rpm máximo. La reducción puede hacerse solamente por engranes o por una combinación de engranes y poleas. En algunos sistemas, se puede sustituir engranes o poleas diferentes en una de las etapas. Esto permite la operación del motor cerca de su velocidad máxima, que es más eficiente y hace disponible más poder si se necesita. La reducción termina con un engrane grande (bull gearr) en el centro del cual se ubica el tornillo. El empuje de retroceso producido por el tornillo se soporta por medio del cojinete grande (cojinete de empuje). Su vida puede ser estimada como sigue:
Tolva de alimentación La tolva es el depósito de materia prima en donde se colocan los pellets de material plástico para la alimentación continua del extrusor. Debe tener dimensiones adecuadas para ser completamente funcional; los diseños mal planeados, principalmente en los ángulos de bajada de material, pueden provocar estancamientos de material y paros en la producción. Para un buen funcionamiento de la tolva se toma como regla general que la garganta de alimentación debe tener un diámetro nominal del husillo y un largo de 1.5 o 2 veces el diámetro nominal del tornillo. La altura total de la tolva depende de la cantidad de material que se quiera almacenar y a que intervalos se quiera estar llenando nuevamente; en ocasiones se pueden adicionar sistemas de alimentación de material automático, que aunque este sistema es más práctico, solo se utiliza con producciones muy elevadas para que el costo sea justificado.
En materiales que se compactan fácilmente, una tolva con sistema vibratorio puede resolver el problema, rompiendo los puentes de material formados y permitiendo la caída del material a la garganta de alimentación. Si el material a procesar es problemático aún con la tolva con sistema vibratorio puede resolver el problema, rompiendo puentes de material formados y permitiendo la caída del material a la garganta de alimentación. Si el material a procesar es problemático aún con la tolva en vibración, la tolva tipo crammer es la única que puede formar el material a fluir, empleando un tornillo para lograr la alimentación,
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Las tolvas de secado son usadas para eliminar la humedad del material que está siendo procesado, sustituyen a equipos de secado independientes de la máquina. En sistemas de extrusión con mayor grado de automatización, se cuenta con sistemas de transporte de material desde contenedores hasta la tolva, por medios neumáticos o mecánicos. Otros equipos auxiliares son los dosificadores de aditivos a la tolva y los imanes o magnetos para la obstrucción del paso de materiales ferrosos, que puedan dañar el husillo y otras partes internas del extrusor.
IV. Cañón o barril del extrusor
Es un cilindro metálico que aloja al husillo y constituye el cuerpo principal de una máquina de extrusión, conforma, junto con el tornillo de extrusión, la cámara de fusión y bombeo de la extrusora. En pocas palabras es la carcaza que envuelve al husillo. El barril debe tener una compatibilidad y resistencia al material que esté procesando, es decir, ser de un metal con la dureza necesaria para reducir al mínimo cualquier desgaste. El cañón básicamente es un cilindro hueco de gran espesor, para que pueda soportar las presiones generadas en su interior por el husillo y el plástico.. Se encarga de transmitir el calor de las resistencias al polímero.
La dureza del cañón se consigue utilizando aceros de diferentes tipos y cuando es necesario se aplican métodos de endurecimiento superficial de las paredes internas del cañón, que son las que están expuestas a los efectos de la abrasión y la corrosión durante la operación del equipo. Aceros al carbón como los AISI 1018, 1025, 1035, 1045, 1050 o aceros con aleaciones de sílice, cromo y molibdenos del tipo AISI 4130, 4140, 4142, 4150, aceros inoxidables del tipo 304L, 316, 410, 17-4 PH, 440ª y HK, de aleaciones especiales como es el INCONEL 600. Los cañones de aleaciones de acero nitrurado se utilizan para los plásticos considerados suaves( PE,PP,PET,PS, Acetatos) y medios (ABS,PVC,SAN,PC,PA, acrílicos , poliésteres). Los cañones bimetalicos estándares, xaloy 101, se utilizan para plásticos severos (resinas con hasta 30% de fibra de vidrio, cargas y aditivos) Los cañones bimetálicos Premium, xaloy 800, son utilizados para plásticos críticos (Fluoropolímeros, fenólicos, resinas con hasta 30% de fibra de vidrio,, cargas y rellenos). 38
Cañón del extrusor
Para entender el diseño y construcción de un extrusor. Se pone como ejemplo el cañón de la siguiente figura que mide 32mm de diámetro interno (D) y una longitud de 650 mm(L). L/D = 20:1
El cañón o cilindro cuenta con resistencias eléctricas que proporcionan una parte de la energía térmica que el material requiere para ser fundido. El sistema de resistencias, en algunos casos va complementado con un sistema de enfriamiento que puede ser flujo de líquido o por ventiladores de aire. Todo el sistema de calentamiento es controlado desde un tablero, donde las temperaturas de proceso se establecen en función del tipo de material y del producto deseado. Para la mejor conservación de la temperatura a lo largo del cañón y prevenir cambios en la calidad de la producción por variaciones en la temperatura ambiente, se acostumbra aislar el cuerpo del cañón con algún material de baja conductividad térmica como la fibra de vidrio o el fieltro.
En el diseño de todo cilindro de extrusión se busca: 1) Máxima durabilidad. Esto es buena resistencia de la superficie interior de la camisa frente al roce con los filetes del husillo. Buena resistencia frente a la abrasión, causada por fibras y cargas minerales. Buena resistencia química en contacto con los polímeros. Gran dureza en la superficie, incluso a elevadas temperaturas de trabajo. 2) Alta transferencia de calor. 3) Mínimo cambio dimensional con la temperatura. En la fabricación de cilindros de extrusión tales exigencias logran ser cubiertas utilizando materiales tales como: Xaloy 101 (para extrusoras de propósito general, procesamiento de PEAD y PEBD), Xaloy 800 (para el procesamiento de PELBD), ó Xaloy 306 (para productos corrosivos, como los copolímeros ácidos). En muchos casos se encamisan los cilindros con Xaloy, para minimizar costos, se ha encontrado que el xaloy puede durar seis u ocho veces más que las camisas nitruradas. También se crean capas de este material con grosores de 1.5 mm, en los cilindros, como protección al desgaste.
Actualmente se construyen cilindros con una relación de longitud a diámetro L/D entre 20 y 24. La longitud del cilindro se considera desde el plato rompedor hasta la parte posterior de la garganta de alimentación, y el diámetro considerado es el diámetro interno del cilindro. Los cilindros se diseñan para soportan 700 kg/cm 2 de presión y resistentes a efectos térmicos para aguantar temperaturas de hasta 400°C. La mayoría de los tornillos son de paso cuadrado: la distancia de una hélice a la otra es igual al diámetro. Esto facilita medir el L/D simplemente contando los pasos. Los pasos debajo de la abertura de alimentación no se incluyen en el L/D. Los tornillos algunas veces se describen por su relación de compresión, la cual es la relación de volúmenes de la primera a la última hélice. Si el paso es cuadrado, ésta es la relación de las profundidades del canal a ambos extremos del tornillo, típicamente entre 2 y 4. La relación de compresión es útil pero no es suficiente para describir adecuadamente un tornillo, a menos que una de las profundidades del canal también se especifique.
En los cilindros con zonas de alimentación lisas (convencionales) las etapas de dispersión y mezclado del tornillo se encuentran localizadas en la zona de dosificación (última sección del tornillo); lo cual frecuentemente genera merma en la producción. En cilindros acanalados los mejores resultados se han obtenido ubicando las etapas de mezclado a dos tercios (2/3) de la longitud del tornillo. Esta ubicación promueve la dispersión de aglomerados y la finalización de la fusión.
Cilindros con Zonas Acanaladas: Son cilindros de extrusión que poseen una superficie interna con canales de formas específicas. Zonas acanaladas ubicadas en la etapa de alimentación de los cilindros de extrusión, suelen ser utilizadas para favorecer el procesamiento de resinas de bajo coeficiente de fricción (Ej.-HMW PEAD y PP). Para ser transportado hacia adelante, el material no debe girar junto con el tornillo, o al menos debe girar a una menor velocidad que el tornillo. La única fuerza que puede evitar que el material de vueltas junto con el tornillo y, por tanto hacer que el material avance a lo largo de la camisa, es la fuerza de arrastre o fricción entre el material y la superficie interna de la camisa. A mayor fricción menor rotación del material junto con el tornillo y, por lo tanto, más movimiento hacia delante. El caudal se hace tanto mayor cuanto mayor sea el coeficiente de rozamiento del sólido con la carcasa con respecto al del sólido con el eje del tornillo. Por ello las carcasas de las extrusoras en la sección de alimentación suelen “rasurarse” según las generatrices del cilindro.
Existe un variado diseño de zonas de alimentación acanaladas; sin embargo, las de canales de sección cuadrado maximizan el volumen de material alimentado. Las zonas de alimentación acanaladas permiten controlar el coeficiente de fricción polímero-cilindro mediante la geometría reduciendo la sensibilidad con respecto a la temperatura y las propiedades termodinámicas de las resinas. Por otro lado, las zonas de alimentación acanaladas permiten incrementar el volumen de la sección de alimentación, acelerando así la fusión; con lo que se logran importantes aumentos en el caudal de extrusión
Cilindros bimetálicos A. Bimetal DXCN Recomendado para condiciones severamente corrosivas. Es una aleación a base de cobalto-níquel con un alto contenido de cromo y boro, para una excelente resistencia a la corrosión de hidroclóritos y otros ácidos. Tiene una micro estructura de fase dual con boruros complejos que proveen una excelente resistencia al desgaste; hasta 10 veces la vida útil de barriles nitrurados en atmósferas severamente corrosivas. Tiene un grado de dureza típica de 53-58 Rockwell C.
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B. Bimetal DXNB Recomendado para procesos de materiales abrasivos. Es un acero especial a base de níquel y boro, de alta dureza, estructura martensitica en matriz de carburo de hierro. Tiene una excelente resistencia a la abrasión y una coeficiente bajo de fricción (µ = 0.07), para la prevención de daño por fricción contra el tornillo. Provee una vida útil de por lo menos cuatro veces la de los barriles nitrurados y un grado de dureza entre 60-65 Rockwell C.
C. Bimetal DXCT Recomendado para condiciones extremadamente abrasivas y moderadamente corrosivas. Es una aleación con un alto contenido de carburo de tungsteno con una matriz de aleación de cromo-boro-níquel. El carburo de tungsteno provee la resistencia primaria al desgaste, mientras la matriz con el alto contenido del aleado de cromo-boruro provee resistencia adicional al desgaste y corrosión. Tiene una dureza macro de 62-68 Rockwell C; sin embargo, sobre 80% del volumen de esta aleación es ocupado por los carburos de tungsteno y boruros que muestran una dureza micro sobre 70 HRC. Es la aleación de resistencia más alta contra el desgaste y corrosión disponible para barriles bimetálicos.
En algunos casos, se fabrican cañones con una ranura de ventilación , en la zona de mezclado, la cual permite el escape de vapores que se generan cuando se procesan plásticos hidroscópicos, es decir, que contienen agua, aunque en la actualidad es más utilizado un sistema externo de secado, lo cual resulta más factible,
V. Diseño general y tipo de husillos (tornillos)
El husillo, cuando gira, trata de desenroscarse y salir del cilindro hacia atrás. No puede irse porque un cojinete grande lo mantiene en su posición. En vez, el empuje del husillo provoca que el material salga a través del cabezal. Todo el cabezal actúa como una resistencia al flujo. Lo más la resistencia, lo mas el husillo debe trabajar para empujar el material (se requiere más fuerza para girar el tornillo).
Características de un husillo simple
El husillo de un extrusor tiene uno de dos “hilos” en espiral a lo largo de su eje. El diámetro medido hasta la parte externa del hilo es el mismo en toda la longitud para permitir un ajuste preciso en una camisa cilíndrica, con un claro apenas suficiente para dejarlo rotar. El núcleo es de diámetro variable, de manera que el canal en espiral varía en profundidad. La profundidad del canal disminuye desde el extremo de alimentación hasta el extremo del dado, aunque existen modificaciones.
Una consecuencia de que disminuya la profundidad del canal es el incremento de la presión a lo largo del extrusor y ésta es la que impulsa el material fundido a pasar a través del dado. Núcleo
Hilos o filetes
El husillo básico de extrusión, está dividido en tres zonas, y del que hablaremos con mayor detalle más adelante, En la figura anexa se muestran las tres zonas, que son: de transporte, transición o compresión y zona de dosificación u homogeneización. Cada sección cumple una función determinada
Longitud del husillo Longitud: Tienen una importancia especial; influye en el desempeño productivo de la máquina y en el costo de ésta. Funcionalmente, al aumentar la longitud del husillo y consecuentemente la del extrusor, también aumenta la capacidad de plastificación y la productividad de la máquina.
Parámetros para el diseño de un husillo Se muestra esquema de diseño de husillo de extruder, el calculo de este considera, para fines prácticos que el cilindro es el que gira y el husillo es el que permanece inmóvil.
Con mayores precauciones que con los extrusores tradicionales, las secciones de alimentación acanaladas deben mantenerse refrigeradas y aisladas del cilindro de extrusión; para favorecer el desplazamiento axial del polímero. Tabla 1. Caudales de extrusión de PEBD para maquinas con sección de alimentación lisa y acanalada.
Tabla 2. Caudales de extrusión de PP para maquinas con sección de alimentación lisa y acanalada
Alabes o filetes o paleta pistón Los alabes o filetes, que recorren el husillo de un extremo al otro, son los verdaderos impulsores del material a través del extrusor. Las dimensiones y formas que éstos tengan, determinará el tipo de material que se pueda procesar y la calidad de mezclado de la masa al salir del equipo. En un tornillo de extrusión se pueden distinguir tres zonas características: zona de alimentación, zona de compresión y la zona de dosificación
Zona de alimentación
En la zona de alimentación o primera parte, el material debe entrar precalentado, este se transporta a la siguiente zona. En esta parte la profundidad del husillo (tornillo) es constante y la longitud de esta zona es tal que hay una alimentación correcta hacia adelante, ni deficiente ni excesiva. Esta alimentación varía un poco para obtener una eficiencia óptima con los diferentes polímeros. En esta parte ocurre el transporte de gránulos sólidos y comienza la elevación de temperatura del material. La experiencia en poliolefinas aconseja el uso de 50 °C por debajo de la temperatura de fusión del plástico,en la zona de alimentación. Una temperatura muy baja impide la fusión y que el plástico se adhiera al husillo
La zona de alimentación es especialmente importante ya que afecta la velocidad de alimentación y por lo tanto, puede controlar la producción. Cuando un material se alimenta a la tolva, es atrapado por el tornillo y empujado a través del cilindro, donde se plastifica lo suficiente para continuar su viaje hasta la boquilla. El calor se genera por fricción cuando el tornillo gira y el plástico roza con las superficies del cilindro y del tornillo. De esta manera, la energía para plastificar el material proviene mayormente del motor, el cual hace girar el tornillo. En esta parte, los filetes son muy pronunciados con el objeto de transportar una gran cantidad de material al interior del extrusor, aceptado el material sin fundir y aire que está atrapado entre el material sólido. Esta zona tamnién se conoce como zona de transporte, las partículas alimentadas siguen trayectorias rectas y paralelas al eje del tornillo.
Zona de compresión o transición En esta segunda zona, la profundidad del canal decrece. Esta zona tiene diferentes funciones y se le conoce, como zona de compresión o de transición. En esta zona la resina se comprime y se calienta hasta su punto de fusión. En esta, se expulsa el aire atrapado entre los gránulos originales; seguido de una mejora de transferencia de calor desde las paredes del barril calentando con forme el material se vuelve menos espeso; posteriormente, se da el cambio de densidad que ocurre durante la fusión.
Relación de compresión Como la profundidades de los alabes no son constantes, las diferencias que diseñan dependiendo del tipo de material a procesar, ya que los plásticos tienen comportamiento distintos al fluir. La relación entre la profundidad del filete en la alimentación y la profundidad del filete en la descarga, se denomina relación de compresión. El resultado de este cociente es siempre mayor a uno y puede llegar incluso hasta 4.5 en ciertos materiales.
Zona de dosificación Una vez más se encuentra una profundidad de husillo constante y la profundidad del canal es mínima. Mediante la reducción de área se hace el efecto de una bomba, con lo que el material es obligado a salir de manera constante y sin turbulencia. Su función es la de homogeneizar el material fundido y con ello suministrar a la región del dado material de calidad homogénea a temperatura y presión constantes.
Dispositivo de mezclado En la zona de dosificación del extrusor, se presenta el flujo laminar, esto provoca que a veces no se haga una buena mezcla y puedan quedar pellets en un estado sólido. Esto da como resultado que sel plástico no sea uniforme, las propiedades no sean las deseadas y en caso de utilizar un color, este no sea homogéneo en todo el producto. La solución que han presentado los fabricantes de husillos es, desarrollar en la zona de dosificación dispositivos para mejorar el mezclado, estos son: a) Mezclador tipo Dulmage b) Mezcladores tipo pines c) Mezclador tipo Maddock d) Mezclador tipo pulsante
Se adaptan a los extrusores modificaciones para evitar estancamiento del material y mejorar el mezclado, estas modificaciones provocan que el material fluya hacia atrás a través de las roscas ranuradas, esto aumenta el tiempo de residencia y proporciona una mejor homogeneización del material, además de una disminución en los esfuerzos cortantes esta manera se evita la degradación. 63
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Mezclador tipo Dulmage Este tipo de mezclador fue desarrollado por Fred Dulmage de Dow Chemical Co. Consiste en una serie de cortes semicirculares que forman una hélice, en la misma dirección que los filetes del husillo. Por lo regular tiene 3 o más secciones interrumpidas por pequeños cortes cilíndricos lo que interrumpe el flujo laminar y provoca una buena mezcla. Se utiliza en la fabricación de espumas y otras aplicaciones.
Mezcladores tipo pines Es un tornillo similar al tornillos mezclador de piña, solo que los pines se deben utilizar dependiendo de la resina a procesar; estos rompen el patrón de flujo en varios chorros de la resina creando esfuerzos de corte de cizalla, sin zonas de flujo muertas, sin causar degradación de ésta y generando excelente dispersión y homogenización de los elementos agregados. Como se observa en la figura, los pines se colocan comúnmente de manera radial en el husillo, pero pueden ser colocados con un acomodo y forma diferente. Los pines evitan el flujo laminar y mejoran la mezcla. En comparación con otros dispositivos de mezclado, los pines son fáciles de colocar.
Tornillos mezcladores maddock Este mezclador fue desarrollado por Bruce Maddock de Unión Carbide. Consiste en una serie de ranuras circulares opuestas que van alineadas con el eje del husillo. Como se puede ver en la figura, este dispositivo tiene dos tipos de ranuras, una que esta abierta hacia la entrada de plástico, la otra esta abierta hacia la salida. También existen dos tipos de separaciones, que van alternadas, el separador de arrastre empuja el material hacia la separación de mezclado; la separación de mezclado que como su nombre lo dice realiza la función de mezclar y desaparecer el material sin fundir. Este mezclador es colocado al final del husillo. Es ampliamente usado para procesar polipropileno y polietileno.
Este tornillo cumple una función más específica; la cual es generar alto cizallamiento para generar una acción dispersiva de los pigmentos y aditivos que se agreguen a las resinas que se procesan. Su diseño cuenta con parámetros como: Ángulo de inclinación de la hélice, longitud de mezclador, número de canales, altura para cizallamiento, entre otros Dentro de este tipo de tornillos también tenemos tornillo con mezcladores mixtos (maddock y piña) lo cual genera productos de máxima calidad, pero también se debe tener cuidado en su aplicación respecto a la resina a procesar.
Tornillos mezcladores piña El mezclado distributivo de piña se trata de una unidad de romboides entrecruzados, la cual se diseña para permitir una mejor mezcla de los compuestos de la extrusión, con mejor homogeneidad y transporte del flujo másico y sin generar altos esfuerzos de cizalla y caída de presión; para agregar este mezclador en los diseños se debe tener en cuenta el tipo de resina a procesar: para no generar
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posible degradación de la resina
Mezclador de barrera o tipo pulsante Son tornillos de alto desempeño, desarrollado por la empresa Maiellefer, pues se puede aumentar la velocidad de extrusión así como la calidad del producto final también se diseña y fabrican de acuerdo a la necesidad de cada proceso. En este mezclador, la sección de dosificación esta dividida en secciones con cambios constantes, para aumentar el plastificado. Estas secciones son más profundas y más elevadas que el promedio de la zona de dosificación. Cada vez que el plástico cambia de una sección a otra, se hace una especie de masaje, lo cual evita el flujo turbulento, hace una mezcla, distribución y fundición uniforme..
http://negribossi.blogspot.mx/2012/12/husillos-barrera.html
Fuente
http://negribossi.blogspot.mx/2012/12/husillos-barrera.html
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Tornillos de doble etapa Son tornillos de alto desempeño pues se puede aumentar la velocidad de extrusión así como la calidad del producto final también se diseña y fabrican de acuerdo a la necesidad de cada proceso.
Tornillos dosificadores Son tornillos de alto desempeño pues se puede aumentar la velocidad de extrusión así como la calidad del producto final también se diseña y fabrican de acuerdo a la necesidad de cada proceso.
Tipos de husillos
Las modificaciones que se han realizado a los husillos en la actualidad ha permitido mejorar las condiciones de mezclado y productividad del proceso de extrusión. En tal sentido, uno de los parámetros más importantes es la relación de compresión y ésta se define como: la relación entre el volumen de la primera vuelta del canal del husillo (al lado de la tolva) y el volumen de la última vuelta ( al lado del cabezal). Otra forma es medir la profundidad del canal de la primera vuelta del husillo y la profundidad de la última vuelta. En máquinas comerciales la relación va del 2.1 al 4: 1. Otro parámetro es la configuración geométrica del husillo y la aplicación para cada tipo de termoplástico. Existen diferentes husillos, cada uno de estos se diseña para usarse con determinados materiales.
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Esto significa que operando dos extrusores en las mismas condiciones de rpm. y temperatura que sólo se distingan en longitud no tenga capacidad de fundir o plastificar el material después de recorrer todo el extrusor, mientras que el extrusor de mayor longitud ocupará la longitud adicional para continuar la plastificación y dosificará el material perfectamente fundido, en condiciones de fluir por el dado. Otro aspecto que se mejora al incrementar la longitud es la calidad de mezclado y homogeneización del material. De esta forma, en un extrusor pequeño la longitud es suficiente para fundir el material al llegar al final del mismo y el plástico se dosifica mal mezclado. En las mismas condiciones, un extrusor mayor fundirá el material antes de llegar al final y en el espacio sobrante seguirá mezclando hasta entregarlo homogéneo. Esto es importante cuando se procesan materiales pigmentado o con lotes maestros (master batch), de cargas o aditivos que requieran incorporarse perfectamente en el producto.
El espesor de la hélice es normalmente el 10% del diámetro. Si fuera mayor, habría demasiado calor en el claro entre el cilindro y la hélice; también el volumen reducido bajaría la producción. Si este espesor fuera mucho menor del 10%m se podría deformar y romper. Algunos tornillos tienen hélices con espesor variable – más gruesa en la zona de alimentación – y hay otros con hélices afiladas. La parte de las hélices que está en contacto con el cilindro se trata para prevenir el desgaste. Para trabajo ligero, un tratamiento de llamas basta, pero es mejor poner una capa de un metal muy duro. Algunas veces todo el tornillo se endurece con tratamiento químico. La tolerancia típica entre las hélices del tornillo y el cilindro es de 0.10-0.15 mm (0.004-0.005 pulgadas) para un extrusor nuevo. Un ajuste más preciso sería muy difícil de fabricar y desarrollaría demasiado calor. Tolerancias mayores son comunes en máquinas usadas. Los tornillos desgastados a veces (no siempre) bajan la producción por rpm (conviene llevar un registro). Esto es importante solamente si no hay otros factores que limitan la producción y si no se puede aguantar un aumento en la temperatura del material plastificado. El costo de reconstrucción de un tornillo es entre 50 y 75% del costo del mismo tornillo nuevo. Los tornillos son de acero, pero algunos plásticos corrosivos como PVDC requieren metales especiales en todo el sistema. Para los otros, el cromado no es necesario si el tornillo se mantiene continuamente limpio. Muchos tornillos están perforados axialmente para enfriarlos. 80
Gracias a los intensos estudios del comportamiento del flujo de los polímeros, el husillo ha evolucionado ampliamente desde el auge de la industrial plástica hasta el grado de convertirse en la parte que contiene la mayor tecnología dentro de una máquina de extrusión. Por esto, es la pieza que en el alto grado determina el éxito de una operación de extrusión. Con base al diagrama, se describen a continuación las dimensiones fundamentales para un husillo y que, en los diferentes diseños, varían en función de las propiedades de flujo de polímero fundido que se espera de la extrusora.
Diámetro del husillo Diámetro: Es la dimensión que influye directamente en la capacidad de producción de la máquina generalmente crece en proporción con la longitud del equipo. A diámetros mayores, la capacidad en Kg/hr es presumiblemente superior. AI incrementar esta dimensión debe hacerlo también la longitud de husillo, ya que el aumento de la productividad debe ser apoyada por una mejor capacidad de plastificación. Como consecuencia de la importancia que tienen la longitud y el diámetro del equipo, y con base en la estrecha relación que guardan entre sí, se acostumbre especificar las dimensiones principales del husillo como una relación longitud / diámetro (L/D). Comercialmente las relaciones L / D más comunes van desde 16:1 a 32:1.
Algunas veces se suministra más calor mediante calentadores externos o precalefacción del material. Cuando el material plastificado sale de la boquilla, toma la forma de la salida; una rendija larga hace una película plana o una lámina, una abertura circular hace tubos, muchos agujeros pequeños hacen filamentos, etc. Ya fuera del cabezal, el plástico es enfriado (con aire, agua o contacto con rodillos metálicos), estirado, y al fin enrollado o cortado a las dimensiones requeridas.
Nuevamente, hay una modificaciĂłn del diseĂąo ideal, para cada tipo de polĂmero. Para un polĂmero que funde poco a poco, por ejemplo, el polietileno de baja densidad, es apropiado un tornillo, con la longitud total dividida en tres zonas iguales. Los husillos de este tipo se conocen a menudo como husillos para polietileno.
VI. Cabezal El componente de la línea denominado cabezal, es el responsable de conformar o proporcionar la forma del extruido. De forma detallada, los principales componentes de un cabezal para la extrusión son: Plato rompedor y mallas: Constituyen el punto de transición entre la extrusora y el cabezal. A estos componentes les corresponde una parte importante de la calidad del material extruido. El plato rompedor es el primer elemento del cabezal destinado a romper con el patrón de flujo en espiral que el tornillo imparte; mientras que la función de las mallas es la de eliminar del extruido partículas y/o grumos provenientes de impurezas, carbonización, pigmentos y/o aditivos, etc.
Boquilla La boquilla de extrusión es el componente del cabezal encargado de la conformación final del extrudado. Se debe velar por que el polímero fluya, con volumen y velocidad de flujo uniforme, alrededor de toda la circunferencia de la boquilla, de manera de lograr espesores uniformes. Los diseños actuales de boquillas presentan dos secciones claramente definidas. La primera de estas secciones es conocida como: cámara de relajación; mientras que la segunda puede ser llamada cámara de salida (die land). La cámara de relajación de la boquilla tiene como propósito producir la desaceleración del material e incrementar el tiempo de residencia en la boquilla de manera tal que el polímero relaje los esfuerzos impartidos por el paso a través de los paquetes de filtros y el plato rompedor. La cámara de descarga (Die land) produce el formado del perfil deseado con las dimensiones requeridas. Los parámetros básicos para la especificación de una boquilla son: El diámetro y la abertura de la salida, Adaptadores: Son requeridos cuando la boquilla no es diseñada específicamente para un determinado extrusor. Debido a que los fabricantes de extrusoras y boquillas no siempre son los mismos, el uso de adaptadores suele ser común.
Zona del dado
La zona final de un extrusor es la zona del dado, que termina en el cabezal. Situado en esta región se halla el portamallas. Esta consta, por lo común, de una placa de acero perforada conocida como la placa rompedora y un juego de mallas de dos o tres capas de gasa de alambre situadas en el lado del tornillo.
La comprensión de lo que realmente es la temperatura de la masa puede permitir a los ingenieros de planta mejorar la calidad de sus productos finales. Una masa que no tiene una gradiente de temperatura uniforme a través del flujo de la masa fundida tendrá consecuentemente una gradiente no uniforme de viscosidad. Todos los diseños de cabezales por sistemas de simulación de flujo con computadoras asumen una viscosidad constante.
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VI. EL CABEZAL DE LA EXTRUSORA Todo el cabezal actúa como una resistencia al flujo. Lo más la resistencia, lo mas el tornillo debe trabajar para empujar el material (se requiere más fuerza para girar el tornillo). El operador del extrusor controla las temperaturas del cilindro, cabezal y boquilla, y a veces también las temperaturas del tornillo y del material en la tolva. El cilindro se divide en zonas, cada una con sus controles de calefacción y enfriamiento. Las temperaturas de estas zonas no tienen que coincidir con las temperaturas del material adentro, pero se seleccionan según se necesite en cada zona. La zona de alimentación es especialmente importante ya que afecta la velocidad de alimentación y por lo tanto, puede controlar la producción. Las temperaturas del cabezal y la boquilla normalmente son más o menos iguales a la temperatura del material plastificado adentro. Para algunos plásticos sensibles a altas temperaturas se considera una temperatura menor en el cabezal en relación a la temperatura de plastificación dentro del husillo, esto debido a que se puede presentar una degradación del polímero en la zona de la boquilla, afectando la calidad del producto.
Función de la zona rompedora del cabezal El ensamble placa rompedora-juego de mallas tiene tres funciones: -Evitar el paso de material extraño, por ejemplo, polímero no fundido, polvos, cuerpos extraños. -Crear un frente de presión cuando se opone una resistencia al bombeo de la zona anterior. -Eliminar la “ memoria de giro “ del material fundido. -El cribado ayuda a reducir los defectos del producto más adelante al remover partículas no deseadas. Es sorprendente cuán amenudo quedan atrapadas en la malla las partículas de metal o, inclusive, tuercas o tornillos pequeños así como, por ejemplo, aglomerados de materiales de relleno que han escapado a la dispersión. Además de hacer que el producto salga defectuoso, las partículas metálicas dañan el dado, lo cual es un grave problema, pues los dados son caros y difíciles de reparar.
En lo que respecta a su diseño, el plato rompedor no es más que una placa cilíndrica horadada. Por otro lado, las mallas deben ser fabricadas con acero inoxidable, ya que las compuestas con cobre o bronce tienen un efecto catalítico sobre las reacciones termo-oxidativas. Torpedo: Algunos cabezales de extrusión suelen presentar en el ducto de acople entre la extrusora y el cabezal, un elemento que contribuye con la función del plato rompedor (modificar el patrón de flujo en espiral a uno longitudinal). Por su geometría, a este dispositivo se le suele denominar torpedo.
Esquema de un torpedo de un cabezal de extrusión de película tubular
VII. Calentamiento y enfriamiento del cañón Control de la temperatura en los cilindros: Sistema de calentamiento del cilindro: El calentamiento del cilindro se produce, casi exclusivamente, mediante resistencias eléctricas. El sistema de calentamiento de la extrusora es responsable de suministrar entre un 20-30% del calor necesario para fundir la resina. Para suministrar el calor requerido, el calentamiento suele ser de 25 a 50 vatios/in2 (38750 a 77500 W/m2). Sistema de enfriamiento del cilindro: Aunque pueda lucir contradictorio, cada zona de calentamiento del tornillo de la extrusora está acompañada, en la mayor parte de los equipos comerciales, de un ventilador el cual permite el control de la temperatura eliminando calor de la extrusora mediante el flujo de aire sobre la superficie requerida. Los ventiladores son accionados por controladores de temperatura que comandan la operación de los calefactores eléctricos. Los ventiladores entran en operación cuando la temperatura de una zona supera el punto prefijado, por efecto de: a.- La transferencia excesiva de calor por parte de la resistencia (Ej.- Durante el arranque de la máquina). b.- La generación excesiva de calor por parte de los elementos de mezclado presentes en el tornillo de la extrusora. La temperatura de extrusión sólo puede ser controlada de manera precisa mediante la acción combinada de las bandas de calentamiento eléctrico y los ventiladores de cada zona.
Sistema de calentamiento Hay dos fuentes de calor en el cañón para poder llevar el plástico a una temperatura deseada. Primero esta el calor que se transmite por medio del barril y que por lo regular es generado mediante la fricción causada por el husillo y el material. Durante los primeros ciclos de la máquina, la mayor cantidad de calor proviene de las resistencias; una vez que ya se esta corriendo el ciclo de aconstante, la fricción del tornillo genera una buena parte del calor, aunque las resistencias se deben mantener funcionando para tener un control preciso de la temperatura de proceso. Las resistencias eléctricas tienen forma de banda y se colocan alrededor del cañón.
El control de estas resistencias se realiza por medio de termopares, los cuales están hechos de un material sensible a la temperatura, son colocados en el interior del cañón para tener una medición real de la temperatura en el metal. Los termopares son conectados a sistemas de medición de temperatura conocidos como pirómetros, este sistema tiene como función monitorear la temperatura y realizar diferentes acciones, ya sea para aumentar o reducir el calor generado por la resistencia.
IX Solución de casos DEFECTO
CAUSA
SOLUCIÓN
Superficie altamente irregular y fracturada
Altos esfuerzos de flujo Mantener la a través del dado temperatura de fusión del plásticos
Piel de tiburón, superficie rugosa
Alta fricción en la superficie del dado, provoca un diferencial de velocidad, provocado por los esfuerzos tensiles
Tallo de bambú
Gradiente de velocidad muy grande
rechupetes
Enfriamiento heterogéneo en la superficie
Regular la velocidad de flujo, si el gradiente de velocidad crece, se forman marcas prominentes en la superfice
ESTUDIO DE CASO La importancia de la memoria de giro
Un ingeniero en polímeros, hace algunos años intervino en la creación de un nuevo diseño de bloques de piso de mosaico elaborado con un compuesto de PVC de color, , con alto contenido de material de relleno. El procedimiento de manufactura consistía en, formar la composición del PVC, plastificante, material de relleno formado por carbonato de calcio, estabilizadores térmicos y pigmentos y luego someterse a extrusión una tira del perfil requerido. Conforme la tira salía del dado, se cortaba con un par de cuchillas y se obtenían bloques rectangulares, los cuales podían entonces enfriarse en un baño de agua. En la figura siguiente se muestra el diagrama de proceso y el producto. Los bloques o losetas tenían un perfil de sección transversal conveniente para colocarlos sobre una lechada de cemento y fijarlos permanentemente al subpiso.
Durante las primeras pruebas a escala piloto, se puso en servicio un extrusor bastante viejo y se elaboró un dado. En esta etapa inicial ¡nohabía placa rompedora! Una vez que se terminaron las pruebas iniciales para determinar las temperatuas de manufactura, velocidades, etc. se obtuvo una tira continua por extrusión, y se cortaron las primeras losetas. Pronto se vio, cuando las sacaron del baño de enfriamiento, que todas estaban torcidas.
Cuando se colocaban sobre una superficie plana se enroscaban ligeramente. Tal defecto, desde luego, era fatal, pues no sería posible obtener con ellos un piso con buen nivel. Con un análisis detallado de la torsión se notó que siempre era en la misma direccción y notablemente regular. Se dedujo que era difícil que se debiera al alivio de esfuerzos aleatorios del procedimiento. Era el resultado de la memoria de giro del husillo. Se hizo una placa rompedora y se colocó entre el tornillo y el dado; la torsión cesó de inmediato. La placa de rompimiento trabajo, desde luego, deshaciendo el tapón de polímero que contenía la “ memoria “ alineada y volviéndolo a formar después con el alineamiento fragmentado.