Conceptos básicos de extrusión: la doma del tornillo

Alan Griff | 19 de septiembre de 2021

El planeta Tierra gira a una velocidad de 0,0007 rpm. Fácil de calcular: una revolución por día, dividida por 24 para obtener revoluciones/hora y luego por 60 para obtener revoluciones/min = rpm. En cuanto a la velocidad lineal, depende de dónde vivas. En el norte de California, donde estoy, hay 38 de latitud norte y nos movemos a unas 730 millas por hora. Esa es aproximadamente la velocidad del sonido, pero no la sentimos ni la oímos porque el aire que nos rodea se mueve igual de rápido. Es mucho más rápido que dentro de cualquier extrusora: en un barril de 12 pulgadas/30 cm, funcionando rápidamente a 100 rpm, una partícula en la pared del barril aún alcanza sólo 314 pies/min, o 0,36 millas por hora. Nada de esto es importante en el funcionamiento de una extrusora, pero para nosotros, los ingenieros, es divertido.

Sin embargo, es importante entender cómo funciona un tornillo. Aquí hay una versión condensada de la sección sobre tornillos individuales en mi Manual operativo de extrusión de plásticos (24.a edición, 2021).

Expresamos la longitud del sistema como relación longitud-diámetro (L/D). El L/D más común es alrededor de 24:1; algunos son más largos, 30:1 o incluso más, y algunos son tan cortos como 20:1. Más longitud puede significar más producción si calentar, fundir o mezclar son límites de producción

Un tornillo estándar tiene tres zonas:

Muchos tornillos tienen paso cuadrado, lo que significa que la distancia de un tramo al siguiente es la misma que el diámetro. Esto hace que sea fácil obtener L/D simplemente contando turnos. La parte debajo de la abertura de alimentación no debe incluirse en L/D, pero muchas personas sí la cuentan, ya que hace que el tornillo parezca más largo.

La relación de compresión de un tornillo es la relación entre el volumen del primer tramo y el volumen del último, normalmente entre dos y cuatro. A menudo se toma como la relación entre la profundidad del primer y el último canal en un tornillo de paso constante. La relación de compresión es útil, pero es un número indefinido y no puede describir adecuadamente un tornillo a menos que se conozca al menos la profundidad de un canal.

El ancho del vuelo (espesor) es alrededor del 10% del diámetro del cañón. Las paletas más anchas desperdician la longitud del tornillo y desarrollan demasiado calor en los espacios libres hacia la pared del cañón, mientras que las paletas estrechas pueden permitir demasiado flujo (fugas) en esos espacios libres. Para evitar el estancamiento donde el vuelo se encuentra con la raíz, las esquinas están redondeadas

Los tornillos suelen ser de acero mecanizable, pero las superficies de vuelo más cercanas al cañón reciben un tratamiento adicional para retrasar el desgaste. Para un uso ligero, basta con endurecerlo a la llama. Toda la superficie del tornillo se puede endurecer mediante nitruración, pero el tratamiento habitual es una capa de aleación dura en estas superficies de vuelo.

Los barriles son cilindros de acero normalmente revestidos con una aleación resistente al desgaste.

El espacio libre entre las paletas del tornillo y el cilindro en tornillos nuevos es de entre 0,005 y 0,010 pulgadas (0,125 a 0,25 mm), menos para tornillos muy pequeños y más para tornillos muy grandes. Un ajuste más ajustado sería más costoso de hacer y desarrollaría demasiado calor. Un poco de desgaste más allá de estos valores suele ser inofensivo e incluso puede ser útil, así que asegúrese de que haya un problema real antes de reconstruir o reemplazar (como sobrecalentamiento porque el tornillo debe funcionar más rápido para obtener el mismo rendimiento).

Los tornillos se pueden diseñar por computadora si conocemos la resistencia (presión en la punta del tornillo), la velocidad de salida deseada y las viscosidades del material, pero aún así es una buena idea “sazonar” la computadora con algo de experiencia antes de cortar metal.

Cromar un tornillo puede aumentar el deslizamiento en la raíz (lo cual es bueno) y previene la corrosión, especialmente cuando está fuera de la máquina, pero es innecesario para la mayoría de los plásticos. Para materiales muy abrasivos se puede endurecer toda la superficie del tornillo. Finalmente, el PVDC y algunos fluoroplásticos necesitan metales especiales, ya que los materiales a base de hierro se corroen y el revestimiento no dura lo suficiente.

Algunos tornillos están perforados con un paso central. La refrigeración por agua en toda la longitud mejora la mezcla en los últimos tramos. Se utiliza aceite con PVC rígido para mantener la punta del tornillo alrededor de 300 °F (150 °C), para que el PVC no se degrade allí. El enfriamiento del tornillo solo hasta la mitad del cilindro se realiza con algunos plásticos para evitar que se pegue a la raíz del tornillo en la zona de alimentación.

Una sección Maddock es un trozo de tornillo de aproximadamente dos diámetros de largo, que normalmente se encuentra solo unas pocas vueltas antes del final, con grandes ranuras (llamadas flautas) en pares en lugar de tramos.

Cada flauta de entrada tiene una salida correspondiente, con una cresta de barrera entre ellas (consulte el dibujo a continuación). El espacio libre hasta el cañón sobre esta cresta es de aproximadamente 0,020 a 0,030 pulgadas (0,50 a 0,75 mm). Los primeros Maddocks tenían estrías paralelas al eje del tornillo, pero ahora son más helicoidales.

La masa fundida entra por las canales de entrada, fluye sobre la cresta de la barrera y sale por las salidas. Los gránulos no derretidos no pueden pasar enteros, sino que se cortan y aplanan y finalmente pasan como derretidos. Además, la masa fundida más fría permanece en el área de alto cizallamiento por más tiempo que la masa fundida más caliente, lo que proporciona una mayor uniformidad térmica. A menudo se le llama cabezal mezclador Maddock, pero rara vez se encuentra en el extremo (cabeza) del tornillo y es más un colador que un mezclador.

Un tornillo de barrera tiene una sección que ocupa la mayor parte de la zona de compresión, con un tramo adicional que forma dos canales paralelos, uno para la masa fundida y otro para los gránulos. El espacio entre la nueva aleta y el cañón es lo suficientemente grande como para que la masa fundida formada en el canal de perdigones pueda fluir hacia atrás hacia el canal de masa fundida, pero lo suficientemente pequeña como para bloquear los perdigones, que miden aproximadamente 0,060 pulgadas (1,5 mm). Los gránulos permanecen en su canal principal, pero se les drena el exceso de material fundido y, por lo tanto, generan más calor por fricción a medida que se frotan entre sí. En consecuencia, la fusión es más eficiente por rpm. A medida que el material desciende por el tornillo, se produce más masa fundida, por lo que el canal de masa fundida aumenta de volumen. El canal de pellets, sin embargo, se hace más pequeño a medida que quedan menos pellets sin fundir, hasta que finalmente termina la sección, los pellets desaparecen y un solo tramo transporta la masa fundida a través de la zona de dosificación. Es común combinar dicha barrera con una sección Maddock en la zona de dosificación u otro dispositivo de mezcla especial.

La sección de barrera en el dibujo tiene sólo 4 diámetros de largo, pero está acortada para mayor claridad; la longitud habitual es de al menos 10 diámetros.

Los pasadores de mezcla son anillos de pernos que se proyectan desde la raíz del tornillo para interrumpir el flujo aerodinámico como las rocas en un arroyo, mejorando así la mezcla. Generalmente se colocan en el último cuarto del tornillo.

Los barriles ranurados tienen ranuras axiales o helicoidales en el barril, en una zona de alimentación separada enfriada por agua, para mejorar la entrada de plásticos duros y resbaladizos como el polietileno de alta densidad. Se necesita un tornillo con una alimentación menos profunda y una zona de dosificación más profunda, a menudo sin compresión alguna. Debido a que una zona de dosificación profunda produce una mezcla deficiente, se necesita hardware adicional, ya sea una sección de mezcla intensiva en el extremo de salida del tornillo o un mezclador estático en el cabezal.

Para la extrusión ventilada (de dos etapas), se utiliza un tornillo muy largo, ya que todo el material debe fundirse antes de la ventilación, que normalmente alcanza alrededor del 70 % de la longitud total. Esta primera parte es un tornillo normal de tres zonas, pero luego de repente vuelve a ser profundo, lo que reduce la presión de fusión para que se pueda aplicar un vacío a través de un orificio en el cilindro (el respiradero) para extraer aire, humedad u otros volátiles. La masa fundida continúa aguas abajo, se recomprime, pasa por una sección final de dosificación y mezcla y luego sale por la matriz.

Se pueden agregar materiales a través del orificio de ventilación, como gases y agentes espumantes, desechos, resina de mezcla y microaditivos. Incluso se pueden insertar materiales no termoplásticos, como la fibra de vidrio, que no tiene que fundirse y es mucho menos abrasiva cuando se agrega al material fundido en lugar de mezclarse con partículas de alimento sólidas y duras.

En un tornillo ventilado, la segunda etapa debe quitar lo que la primera etapa (trasera) pone en la zona de ventilación y también debe trabajar contra la resistencia de la cabeza. Por lo tanto, la capacidad de bombeo de la segunda etapa debe ser mayor que la capacidad de la primera etapa, que funciona contra resistencia cero (o bien, la alimentación debe controlarse por separado) para evitar que el plástico derretido salga por el respiradero. La relación habitual entre las profundidades de medición delantera y trasera está entre 1,5 y 2,0. Sin embargo, los canales profundos no pueden bombear bien contra alta presión, por lo que un tornillo ventilado típico solo puede funcionar contra una resistencia máxima (incluidas las pantallas) de alrededor de 2500 psi (17 MPa). Para una mayor resistencia de la cabeza, se necesita alimentación controlada o una bomba de engranajes para permitir la ventilación.

Los tornillos de dos alas tienen dos trayectorias paralelas en parte o en la totalidad del tornillo. En la zona de medición, esto ayuda a la transferencia de calor, por lo que a veces se usa donde se necesitan temperaturas muy altas, como en el recubrimiento por extrusión. Se cree que una zona de alimentación de doble tramo proporciona una alimentación más suave (menos pulsaciones), pero rara vez se ve hoy en día. Todos los tornillos de barrera tienen dos tramos en sus secciones de barrera, pero los dos caminos no son iguales, como se explicó anteriormente. En un tornillo ondulado, los dos (o tres) caminos tienen el mismo ancho, pero hay una barrera entre ellos lo suficientemente baja como para que la masa fundida fluya. Las profundidades del canal tienen aumentos y disminuciones en forma de ondas, desfasados ​​entre sí, por lo que cuando un camino es poco profundo, el camino a través de la barrera es profundo y el derretimiento fluye de lo poco profundo a lo profundo. Media vuelta después, las profundidades son al revés. El derretimiento todavía fluye de lo poco profundo a lo profundo, por lo que se mueve hacia adelante y hacia atrás a través de la barrera a medida que avanza río abajo, lo que es bueno para mezclar y estabiliza el flujo.

Sobre el Autor

Allan Griff es un ingeniero de extrusión veterano que comenzó en el servicio técnico de un importante proveedor de resina y ahora trabaja por su cuenta durante muchos años como consultor, testigo experto en casos legales y, especialmente, como educador a través de seminarios web y seminarios, tanto públicos. e internamente, y ahora en su nueva versión audiovisual. Escribió Plastics Extrusion Technology, el primer libro práctico sobre extrusión en los Estados Unidos, así como el Plastics Extrusion Operating Manual, actualizado casi todos los años y disponible en español, francés e inglés. Obtenga más información en su sitio web, www.griffex.com, o envíele un correo electrónico a [email protected].

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