Encicloped.pdf

CAPITULO n 2.1.3. IMPORTANCIA EN EL MERCADO

Así la extrusión puede ser:

En México, el proceso de extrusión es el más impOliante tomando en cuenta el volumen de plástico transformado. En 1995, más del 50% de todo el plástico moldeado se obtuvo por este proceso, sin considerar que los procesos de soplado y termoformado involucran una fase de extrusión.

PROCESO Dentro del proceso de extrusión, vanas palies deben 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. La extrusión, por su versatilidad y amplia aplícación, suele dividirse en vanos tipos, dependiendo de la forma del dado y del producto extruído.

De tubo y perfil @I

De película tubular

@I

De lámina y película plana

@I

Recubrimiento de cable

@I

De monofilamento Para peiletización y fabricación de compuestos (compounding)

__________

~rGARGANTA

Básicamente, una de extrusión consta de un eje metálico central con álabes helicoidales llamadú husilio o tornillo, instalado dentro de un cilindro metálico revestido con una camIsa de resistencias eléctricas. Figura 2-1 Partes Principales de /lna Extrusora.

BARRIL

del tornillo, se ubica la salida del extruído y el dado que forma finalmente al

/

La es el depósito de materia prima en donde se los pellets de material plástico para la alimentación contin ua de l extrusor.

materiales que se compactan fácilmente, una con sistema vibratorio puede resolver el problema, rompiendo los puentes de material y permitiendo la caída del material a la garganta de alimentación. Si el material a procesar es problemático aún con la en vibración, la tolva tipo cramer es la única que puede forzar el material a fluir, empleando un para lograr la alimentación.

Figura 2-2, muestra el funcionamiento de la tolva Cramer.

MOTOR

I

I

I

HUSILLO

.

.

.

.

I~

0''''

I I

Figura 2-2 Tolva Tipo Cmmer.

HUSILLO CUBIERTA /

i

HUSILLO DE I ALlMENTACION

TOLVA

I

Debe tener dimensiones adecuadas para ser completamente funcional; los diseños mal planeados, principalmente en los ángulos de bajada material, pueden provocar estancam ientos de material y paros en la producción.

RESISTENCIAS /

ACOPLAMIENTO

extremo del cilindro se encuentra un orificio para la matería prima, donde se instala alimentación, generalmente de forma ese mismo extremo se encuentra el accionamiento del husillo, compuesto un sistema de reducción de

Independientemente del lipo de extrusión que se quiera analizar, todos guardan similitud hasta llegar al dado extrusor.

TOLVA

CAJA DE ENGRANES

5

PROCESOS DE TRANSFORMACION

principio

de

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 transpOlie 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 palies internas del extrusor.

2.3.2. BARRIL

CAÑON

Es un cilindro metálico que aloja al husillo y constituye el cuerpo principal de una máquina de extrusión. 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.

6

CAPITULO n

PROCESOS DE TRANSFORMACION 2.3.3. HUSILLO

La dureza del cañón se consigue utilizando aceros de diferentes tipos y cuando es necesario se aplican métodos de endurecimiento superficial de

b) Longitud Gracias a los intensos estudios sobre el comportamiento del flujo de los polímeros, el

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

husillo ha evolucionado ampliamente desde el auge de la industria plástica hasta el grado de conveliirse en la parte que contiene la mayor tecnología dentro de una máquina de extrusión.

El cañón cuenta con resistencias eléctricas que proporcionan una p31ie de la energía térmica que el material requiere para ser fundido.

Por esto, es la pieza que en alto grado determina el éxito de una operación de extrusión.

El sistema de resistencias, en algunos casos va

La Figura 2-3 muestra las p31ies más importantes de un husillo.

complementado con un sistema de enfriamiento que puede ser por venti ladores de aire.

flujo

de

líquido

o

por 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 del polímero fundido que

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.

se desee procesar o de la productividad que se espera de la extrusora. Todas las dimensiones que a continuación se detallarán son muy importantes de considerar cuando se analice la compra de un eqUIpo nuevo.

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.

Figura 2-3 Nomenclatura del Husillo.

LONGITUD DE ALABES

TRANSICION

DOSIFICACION

(

RADIO

DlAMETRO DEL EJE EN DOSIFICACION

------------------------~

ALlMENTACION

ANCHO DE ALABE DlAMETRO ALlMENTACION

DlAMETRO EXTERNO

-

~~,A

o filetes, que recorren el husillo de un al otro, son los verdaderos impulsores del del extrusor. Las dimensiones y éstos tengan, determinará el tipo de

Tiene una importancia especial; influye en el

que se pueda procesar y la calidad de de la masa al salir del equipo.

Funcionalmente, al aumentar la longitud del husillo y consecuentemente la del extrusor, también aumenta la capacidad de plastificación y la productividad de la máquina. Esto significa que

del Filete en la Zona de Alimentación

LONG. DEL MANGO LONG. COJINETE

DIAMETRO DEL HUSILLO

desempefio productivo de la máquina y en el costo de ésta.

operando dos extrusores en las mismas condiciones la distancia entre el extremo del filete y la p31ie o raíz del husillo. En esta p31ie, los filetes muy pronunciados con el objeto de transportar cantidad de material al interior del , aceptando el materia! sin fund ir y aire que atrapado entre el material sólido. del Filete en la Zona de Descarga o

En la mayoría de los casos, es mucho menor a la profundidad de filete en la alimentación. Ello tiene consecuenCIa la reducción del volumen en el material es transportado, ejerciendo una compresión sobre el material plástico. Esta compresión es útil para mejorar el mezclado del material y para la expulsión del aire que entra junto con la materia prima alimentada.

LONGITUD TOTAL ~-----------------

_k ...

de RPM y temperatura que sólo se distingan en longitud, es posible que el extrusor de menor 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 plastificaciól1 y dosificará el material perfectamente fundido, en condiciones de fluir por el dado. Otro aspecto que se mejora al incrementar la calidad de mezclado y longitud es la homogeneización del material. De esta forma, en un extrusor pequefio 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

Relación de Compresión

entregarlo homogéneo. Esto es importante cuando

Como las profundidades de los álabes no son constantes, las diferencias se diseñan dependiendo

se procesan materiales pigmentados o con lotes maestros (master batch), de cargas o aditivos que reqUIeran incorporarse perfectamente en el

del tipo de material a procesar, ya que los plásticos tienen comportamientos distintos al fluir. La relación entre la profundidad del filete en la alimentación y la profundidad del fiiete en la descarga, se denomina relación de compresión. El resultado de este cociente es siempre mayor a uno y llegar incluso hasta 4.5 en ciertos materiales.

producto.

e) 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.

7

8

CAPITULO

PROCESOS

Al incrementar esta dimensión debe hacerlo también la longitud de husillo, ya que el aumento de 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 acostumbra especificar las dimensiones principales del husillo como una relación longitud/diámetro (LID). Comercialmente las relaciones LID más comunes van desde 20/1 hasta 30/1, aunque la maquinaria especial fuera de este rango también está disponible.

a) Dado o Cabezal para Pelicula Tubular

ser eliminado al practicar en el cuerpo del mandril o cabezal. Las ranuras que se en profundidad al avanzar lateralmente, efecto de movimiento lateral del en conjunto con el movimiento longitudinal, provoca el de cualquier defecto por la objetos estáticos previos y, por homogeneiza la salida del material C;-UJt:,¿¡:1J (ver Figura 2-6).

El cabezal de una línea de película soplada, puede definirse como un núcleo y una envolvente cilíndricos y concéntrícos, separados por un espacio que puede oscilar entre los 0.6 y 2.8 mm, llamado abertura o tolerancia. Ambas estructuras metálicas están controladas en temperatura por una serie de resistencias eléctricas. La función del cabezal es ofrecer al polímero fundido la forma de un tubo de pared delgada de espesor constante a lo largo de su circunferencia, que se transforma en una película por la acción de una expansión longitudinal y transversal al llegar a la zona de formación de la burbuja. La Figura 2-5, ilustra la construcción de un cabezal para película tubular.

Si el cabezal se encuentra uniformemente centrado y calentado y el material sale homogéneo, la película se forma con un espesor y diámetro constante. El , material extruído recibe un enfriamiento superficial mediante una corriente de aire proveniente del dispositivo llamado anillo de enfriamiento. El anillo de enfriamiento cumple con las siguientes funciones: 01)

SALIDA VERTICAL DEL PLASTICO

01)

ELPLAST1CO FLUYE HORIZONTAL Y VERTICALMENTE

Llevar el material fundido al estado sólido Estabilizar a la burbuja en diámetro y forma circular Reducir la altura de la burbuja

BORRANDO LINEAS

DE UNJON

2.4,1. COMPONENTES DE UNA LINEA DE PELICULA TUBULAR O SOPLADA Consiste típicamente en: extrusora, cabezal o dado, anillo de aIre de enfriamiento, dispositivo estabilízador o calibrador de película, dispositivo de colapsamiento de la burbuja, rodillo de tiro superior, embobinadora y una torre estructural que soporta las partes anteriores.

9

MANDRIL

LABIOS DE SALIDA

SISTEMA DE CENTRADO

01)

ENTRADA VERTICAL DEL PLASTICO 01)

En ciertos casos, proporcionar claridad a la película, deteniendo la cristalización del polímero Mejorar la productividad

ZONA DE DISTRIBUC¡ON ENTRADA DE AiRE (ANTES DEL DISTRiBUIDOR)

2-6 Flujo de Plástico en los Canales Helicoidales del Cabezal.

Las variables a controlar para llegar al mejor enfriamiento de la película son:

MANDRIL

La distribución de los componentes de la línea de película tubular se detalla en la Figura 2-4.

RODILLO DE COLAPSAMIENTO

SISTEMA DE BOBiNADO

Figura 2-5 Cabezal de Exlrusión de Película Tubular.

De la construcción del cabezal para película tubular, las siguientes panes son de gran importancia:

TORRE

BURBUJA PANEL DE CONTROL

BOBINA

ANILLO DE ENFRIAMIENTO

EXTRUSOR CABEZAL

Figura 2-4 LÉnea de Ext/'llsión de Película Tubular.

01)

Volumen del aire

G>

Velocidad del aire

01)

Dirección del aire

01)

Temperatura del aire

Tornillos de Calibración de Espesor

Ranuras de Flujo Helicoidal

En el diseño de un cabezal, se observa la inconveniencia de tener flujos totalmente longitudinales, ya que las partes sólidas que dividen el paso del material y que son inevitables en el ensamble del cabezal, pueden producir líneas de unión o soldadura visibles a la salida del cabezal.

Se utilizan para instalar de manera perfectamente concéntrica las partes componentes del cabezal, lo cual es indispensable después de una labor de desensamble para su limpieza y mantenimiento.

h)

de Enfriamiento

Por la acción del extrusor, el polímero fundido abandona el cabezal, toma el perfil tubular de los labios del dado y continúa modificándose con un estiramiento longitudinal por acción del tiro de unos rodillos superiores y una expansión lateral por efecto de la presión del aire atrapado dentro de la burbuja.

Los diseños de anillos de enfriamiento son variados, dependiendo del tipo de material que se vaya a procesar. Los diseños más comp licados son los anillos con una y dos etapas de enfriamiento, que se eligen según los requerimientos de enfriamiento del proceso.

......

t

... ...

e: e

10

PROCESOS DE TRANSFORMACION

CAPITULO n

Un esquema del anillo de enfriamiento de una y de dos etapas se muestra en la Figura 2-7. ANILLO DE ENFRIAMIENTO (UN LABIO)

ANILLO DE ENFRIAMIENTO (DOS LABIOS)

Una ventaja más de la circulación interna de aire la reducción de la tendencia de la película adherirse o bloquearse internamente, gracias a remoción de ciertos volátiles emitidos por

es a la el

RODILLO DE' CONTACTO

110

PELlCULA

LINEA DE

ENFRIAMIEN.Tr~O_ _ _~~=-~-¡--t----:::::::::::

ANILLO

-

SALIDA DE AIRE

U!J~~rr:

Figura 2-7 Anillos de Enji'iamiento.

También en la palie de enfriamiento de la burbuja, existen equipos con la opción de enfriamiento interno del producto. Es conveniente aclarar que el aire que se encuentra en el interior de la burbuja, en equipos convencionales, se mantiene sin reemplazo durante toda la operación de producción. Esto provoca que el enfriamiento principal sólo ocurra por la acción del anillo de enfriamiento. En la operación de equipos con enfriamiento interno, el área de contacto se duplica, permitiendo aumentos de productividad del 30 al 50%, aunque se requiere de un cabezal especial y un segundo compresor para abastecer el enfriamiento interno.

En los equipos sin enfriamiento interno, debido a que la cantidad de aire en el interior de la burbuja es constante, generalmente no requieren más que ajustes ocasionales de introducción o extracción de aire, para llevar la película nuevamente a las dimensiones especificadas. En este caso, las variaciones en la temperatura ambiente a lo largo del día, pueden provocar ligeras variaciones en el diámetro. Cuando un mayor control de dimensiones sea requerido, se puede usar la unidad o canasta de

captación

d) Unidad de Tiro

selladoras, etcétera.

BOBINA DE PRODUCTO

e:J""'"~.

RODILLO DE TENSION

PELlCULA

para final

película, son del material

suministrarlo a máquinas de como Impresoras, cortadoras,

Existen básicamente dos tipos de embobinadores '" De contacto '" Centrales

Este tipo de embobinador es el de mayor uso en las líneas de película soplada. Sus ventajas son: simplicidad de operación y economía. Desventajas: sólo produce bobinas apretadas y tiene dificultad para producir rollos de película angosta de gran longitud. Embobinadores Centrales

En los embobinadores centrales, el rodillo de la película está motorizado, varía de velocidad al incrementarse el diámetro de la bobina, así como varía el torque para mantener constante la tensión en el producto. Todas estas variaciones son controladas por computadora.

Embobinadores de Contacto

La Figura 2-9, muestra la construcción de un La primera parte de la unidad de tiro que tiene contacto con la película es el marco de colapsamiento que tiene la función de: '"

diámetro.

para producido procesado

e) Unidades de Calibración Las unidades de calibración ó dispositivos que controlan el diámetro de la burbuja se requieren cuando se trabaja con la opción de enfriamiento interno. Estas unidades constan de pequeños rodillos soportados por ejes curvos dispuestos alrededor de la burbuja y mantienen constantemente las dimensiones de ésta. Adicionalmente, un sensor de diámetro colocado justo arriba de la línea de enfriamiento, manda una señal para aumentar o reducir el volumen de aire; con ello se puede lograr diferencias de ±2 mm en el

RIEL O CREMALLERA

CILINDRO NEUMATICO

Figura 2-8 Embobinador de Contacto.

calibración.

Incluye un marco para el colapsamiento de la burbuja y un rodillo de pr",ión y jalado de la película, que al igual que el embobinador, son palies que no influyen en la productividad de una línea de extrusión, pero tienen influencia en la calidad del formado de la bobina de película.

BOBINA DE PRODUCTO

afectan la productividad de la línea de en la calidad de la película final,

tirar unifonnemente para no provocar en el espesor. La película debe con la firmeza necesaria para evitar la que pueda causar un descenso en el Para el logro de esta última función,

polímero cal iente.

SALIDA DE AIRE

RODILLO DE CONTACTO

11

Llevar a la película en forma de burbuja a una forma plana por medio de una disminución

En el embobinador de contacto, el eje que pOlia el núcleo sobre el cual se enrollará la bobina, llamado rodillo de película, no está motorizado, pero gira por la transmisión del movimiento de otro rodillo (sobre el cual se recarga) que sí cuenta con un motor accionador llamado rodillo de contacto.

embobinador central.

RODILLO DE PRESION

EJE EN POSICJON INICIAL

constante del área de paso '"

Evitar que durante el colapsamiento de la burbuja se formen pliegues o arrugas

El marco de colapsamiento puede fabricarse de diversos materiales que van desde tiras de madera hasta rodillos de aluminio u otros metales. Los parámetros principales para el buen desempeño de la unidad de colapsamiento es la fricción entre la película, el marco y los ángulos de colapsamiento de la burbuja.

El rodillo de contacto es fijo y puede estar cromado o recubielio con hule, mientras que el rodillo de película no tiene un eje fijo y se mueve sobre un riel curvado que mantiene la presión constante entre los dos rodillos.

Figura 2-9 Sistema de Embobinado Central.

La Figura 2-8, ilustra el funcionamiento de un embobinador de contacto.

El uso de sistemas computarizados vuelve al enrollado central costoso, y en cierta forma, más complicado de manejar en comparación con el embobinador de contacto.

13

12 pretende ilustrar usos los usos específicos son en el sector de envase,

Entre las ventajas del sistema de embobinado central está la producción de bobinas de baja tensión de enrollado, que reduce la sensibilidad de los rollos al encogimiento post-enrollado.

2.4,2, COEXTRUSION DE PELICULA El proceso de coextrusión de película tubular, cobra importancia por la gran versatilidad y variedad de películas que se pueden obtener. Entre sus usos se encuentra la combinación de propiedades de dos distintos polímeros para obtener un producto con la suma de sus ventajas en una película sandwich, para obtener un espesor menor y reducir el costo del producto. Las diferencias básicas entre una línea de extrusión de película y una de coextrusión, se observan en la aparición de dos o más extrusores y la modificación del cabezal o dado con la adición de más canales de flujo. Generalmente se coextruyen materiales que tengan compatibilidad física y condiciones de extrusión similares. Cuando los polímeros que van a formar una película de varias capas tienen compatibilidad física es posible que se unan sin la necesidad de utilizar sustancias intermedias que funcionen como adhesivos. Por otra parte, si los materiales tiene condiciones de extrusión parecidas se tendrán menos problemas en los disefíos del cabezal El extrusor o extrusores adicionales proporcionan el material que formará las capas secundarias en la película terminada, como se observa en la Figura. 2.10.

consta de una extrusora con un diseño adecuado al tipo de material que En la producción de tubo y de uso más común es el (PVC), aunque la tubería de usada por su bajo costo.

Figura 2-1 () Cabezal para Producción de Película Coextrllida, Tres Capas.

Las siguientes partes del sistema, son las mismas que las de una línea de extrusión sencilla.

extremo del extrusor, un cabezal o dado al polímero en estado plástico a las del tubo o perfil requeridos. Sin asegurar la exactitud de dimensiones

del producto, se hace necesaria la instalación de la una unidad de formación o calibración, en la cual, el tubo o perfil adquirirá las dimensiones que aseguren los posteriores ensambles o soldaduras que con ellos se hagan. Una vez logradas las dimensiones del producto, una tina de enfriam iento remueve el calor excedente, evitando cualquier deformación posterior del producto. Antes de la tina de enfriamiento, no es posible aplicar ningún esfuerzo o presión al producto sin correr el riesgo de provocarle una deformación permanente. Junto a la tina de enfriamiento, un elemento de tiro aplica una tensión o jalado constante al material para que esté siempre en movimiento. Por último, dependiendo de la flexibilidad del producto, una unidad de corte o de enrollado prepara el producto para su distribución. A continuación, se muestran arreglos típicos de líneas de extrusión de tubería flexible (Figura 2-11), perfil (Figura 2-12) y tubería (Figura 2-13).

FORMADOR CORTADOR TENSION

CABEZAL ENFRIAMIENTO

JALADOR

TANQUE DE VACIO

EXTRUSOR

A continuación, se enlistan algunos de los artículos terminados más comunes que se producen en una línea de película tubular: '" Bolsa comercial

Linea de Tuberías para Poliolefinas.

'" Bolsa para empaque (alimentos, diversos) EXTRUSOR DOBLE HUSILLO

Película para uso agrícola (telón agrícola) CORTADOR

'" Bolsa desprendible para autoservicio

JALADOR

" Película encogible para embalaje Bolsa para transporte de basura '" Sacos industriales '" Otros Línea de Pe/files para Ven tan ería.

TANQUE DE VACIO

o

TECNOLOGIAS AVANZADAS PARA PROCESOS PLASTICOS

ELECTRA FORM, N

PROCESOS DE TRANSFORMACION

..··'f··

En cuanto a las restricciones, al planear usar la inyección para producir una pieza se debe considerar que: • Moldes para Inyección de Preformas/Envases • Robots para Inyectoras y Sopladoras.

Controles de Temperatura para Moldes

(11

es un proceso piezas de plástico que un sistema de fusión y diseüado para expulsarla a que se encuentra en estado metálico hecho de dos o más tiene la forma exterior de la un sistema de cierre de molde que al recibir la presión interna

(11

Por tratarse de un proceso cíclico, una interrupción menor en una de las etapas puede abatir gravemente la productividad del proceso.

~

La construcción de un molde es costosa e implica la necesidad de tener asegurada una alta producción, o el costo final de los artículos se elevará.

(11

~ -'É -;-- -~' --.

La forma de la pieza puede ser complicada por lo que se recurre a moldes complicados y caros.

~

Termo-Reguladores de agua y de aoerre. Controladores de temperatura para moldes de Nylon, Acetal, Policarbonato, Polyester, Bakeltta, Zama!