Eficiencia en alimentación y diseño de tornillo en extrusión

Cada polímero, cada extrusora y cada proceso requieren de un diseño diferente para optimizar el rendimiento.

Cada diseño de husillo es un ejercicio para la búsqueda del "punto óptimo". Cada polímero, cada extrusora y cada proceso requieren de un diseño diferente para optimizar el rendimiento.

Lo primero a considerar son las capacidades de la extrusora, incluyendo caballos de fuerza, velocidad de tornillo, diámetro, L/D, etc… Entonces entran en juego los requisitos para el proceso, tales como la temperatura de fusión deseada, producción, necesidad de desvolatilización, homogeneidad de la masa fundida y la estabilidad de la producción.

Finalmente deben ser consideradas las propiedades térmicas, reológicas y propiedades de las partículas sólidas del polímero. He diseñado miles de tornillos simples y puedo decir enfáticamente que, con todas estas consideraciones, hay muy pocos duplicados exactos.

Como ejercicio, una vez intenté escribir, por menor que fuera, cada consideración y dato que tenía que ver con el diseño de un tornillo para una extrusora, proceso y polímero nuevos. Muchos de ellos son elementos que se vuelven automáticos, y realmente no los consideras de manera activa; pero los pones en una lista, y rápidamente superan los 100 elementos.

La importancia de la relación de compresión en el diseño de husillo

En una columna anterior, mencioné algunas de las limitaciones de utilizar la relación de compresión (C/R) como un criterio importante en el diseño de un husillo. La relación de compresión fue utilizada como un parámetro principal para el diseño de tornillos simples en las primeras etapas de la tecnología de diseño de tornillo.

Hoy, la relación de profundidad entre los filetes de alimentación y la medida de los filetes es más útil para estimar la eficiencia con la que se espera que se transporten los sólidos. Se basa principalmente en información empírica obtenida en numerosos diseños y polímeros.

Eficiencia en la alimentación de polímero y diseño de tornillo

Si se sospecha (o se sabe) que las partículas de polímero sólido no se alimentarán eficientemente debido a su densidad, propiedades de fricción, características de embalaje, o flujo de sólidos, se aumentan los filetes de alimentación para permitir más polímero en el tornillo.

Con esto se pretenden compensar las ineficiencias de alimentación debido a estas partículas variables, por lo que la salida de la sección de alimentación de sólidos será la adecuada para el resto del tornillo.

La tasa de compresión y su impacto en la transferencia de energía

La tasa de compresión es un parámetro más crítico, y es la velocidad o el ángulo de la sección de compresión. Este ángulo determina la agresividad con la que se intenta transferir energía a los sólidos.

Un ángulo demasiado agresivo provoca taponamiento y uno demasiado suave provoca ruptura de la cama de sólidos y una calidad deficiente del fundido y/o taponamientos más adelante en el ciclo del proceso. Naturalmente, diferentes polímeros tienen su propia velocidad ideal de fusión o "punto óptimo".

Los diseñadores a menudo discuten sobre si la C/R debe ser 2:1, 3:1 y así sucesivamente, como si eso fuera todo lo que se necesita saber. El polímero absorbe la energía de la cizalla del tornillo giratorio, y cuanto menor sea la producción, mayor incremento de energía o temperatura de fusión va a cada unidad de producción y a la inversa.

Por ejemplo un tornillo de 3.5 pulgadas con una profundidad de alimentación de 0.500 pulgadas y una profundidad de medición de 0.200 pulgadas tiene un C/R de 2.5. Pero también sucede los mismo con un tornillo con una profundidad alimentación de 0.375 pulgadas y profundidad de medición en 0.150. ¿Se espera que estos dos diseños funcionen igual?

Se espera que el segundo tornillo tenga aproximadamente el 75% de la producción del primero, y debido a que la potencia de entrada es casi la misma, presentará un mayor aumento de temperatura porque hay menos polímero para absorber el calentamiento de la cizalla. Como resultado, establecer simplemente el C/R no es muy indicativo del desempeño del tornillo

El papel del C/R en tornillos de barrera y diseño convencional

Con la popularidad de los tornillos de barrera, que separan completamente las funciones de fusión y transporte, el C/R tiene aún menos sentido. Muchas secciones de barrera tienen una relación 10:1 de profundidad de alimentación con respecto a la profundidad de descarga, sin embargo ofrecen una temperatura de fusión más baja a la salida de un tornillo de filetes convencional de con una relación 3:1.

El C/R era utilizado a menudo en el pasado como base para el ajuste de la temperatura de fusión, y los polímeros con temperaturas de proceso más altas se procesaban con relaciones de compresión más altas. Esto no tiene en cuenta aspectos, como el grado de comportamiento al adelgazamiento de la cizalla de los polímeros, su calor específico, retraso en la fusión, L/D del tornillo, viscosidad, entre otros.

Buscando el “punto óptimo” en diferentes polímeros y procesos

Cada polímero y cada proceso tienen un “punto óptimo” en donde el polímero que sale del barril tiene el flujo ideal y las características de fusión de ese proceso. Los tornillos están diseñados para una velocidad específica, que generalmente se basa en la producción esperada más alta que está dentro de la capacidad de la extrusora y la presión esperada del cabezal.

Aunque los tornillos suelen tener una amplia gama de velocidades de operación, no es una gama infinita y pueden funcionar mal a velocidades mucho mayores o menores que sus velocidades de diseño. Un ejemplo es un tornillo para recubrimiento por extrusión de alta velocidad, donde la temperatura de fusión (±3 °F) es fundamental para desarrollar la adhesión correcta al sustrato. Sin embargo, es necesario que una producción específica coincida con la velocidad de la línea deseada.

Me preguntan todo el tiempo por los diseños del tornillo de "propósito general", aunque en una columna anterior, comenté que no existe algo así, ya que el "punto óptimo" es un objetivo en movimiento. De hecho, mientras escribo esta columna, he recibido una solicitud de un diseño de tornillo de uso general para procesar PVC rígido, PVC flexible y HDPE. No hay ningún "punto óptimo" para ese diseño. 

Acerca del autor

Jim Frankland

Jim Frankland es un ingeniero mecánico que ha estado involucrado en todo tipo de procesos de extrusión durante más de 40 años. Ahora es presidente de Frankland Plastics Consulting, LLC. Contacto: jim.frankland@comcast.net o (724) 651-9196.