Extrusión: gargantas de alimentación lisas vs. ranuradas

Hay básicamente dos tipos de extrusoras de un solo tornillo, que se diferencian principalmente por su diseño en la garganta de alimentación. La mayoría de las extrusoras de un solo tornillo tienen garganta de alimentación lisa, básicamente un tubo liso alrededor del tornillo giratorio.

Las extrusoras con gargantas de alimentación lisa se ven afectadas de diversas maneras por la resistencia o la "cabeza" de presión contra la cual el tornillo está girando. Al aumentar la presión, un flujo inverso (o flujo de presión) se desarrolla en los canales del tornillo que restan de la salida (o flujo de arrastre), mientras se incrementa la temperatura de fundido (debido a que el material esencialmente se recircula de nuevo en el tornillo).

Esto puede causar problemas significativos en los procesos de extrusión que tienen alta presión resultante de una abertura estrecha del dado, tales como soplado de película, recubrimiento por extrusión y tubería de pared delgada.

Problemas y eficiencia de las extrusoras con gargantas de alimentación lisas

Con una alimentación lisa, el transporte de sólidos del material con la rotación del tornillo es altamente dependiente de la fricción de las partículas de polímero contra la pared del barril.

Dependiendo del polímero y las temperaturas, la eficiencia de la alimentación es típicamente 15% a 30% basado en el volumen del canal, a causa del "deslizamiento" de las partículas de polímero en la pared de alimentación de la garganta.

El segundo tipo de garganta de alimentación tiene ranuras o interrupciones maquinadas en la pared de la garganta de alimentación. Las extrusoras con gargantas de alimentación ranuradas resisten la rotación de las partículas poliméricas sólidas contra la pared de la garganta de alimentación. Esto puede aumentar la eficiencia de transporte varias veces.

Además, debido a que el polímero se compacta mucho más rápidamente en un sólido y no puede deslizarse en la pared de la garganta de alimentación, los filetes del tornillo actúan como una cuña espiral multiplicando el desarrollo de la presión.

Como este bloque espiral de polímero se mueve hacia debajo de la garganta de alimentación, se convierte en altamente presurizado en comparación con lo que ocurre en un extrusor de garganta lisa.

En la ausencia de cualquier fusión, que reduzca el desarrollo de la presión, la presión tiende a aumentar exponencialmente con la longitud de la ranura. Las longitudes de ranurado son generalmente 4D o menos debido a la subida exponencial en la presión y la dificultad en prevenir que la fusión se produzca con longitudes más largas.

Las presiones superiores a 12.000 psi se han alcanzado al final de la sección acanalada, por lo que se debe tener cuidado en el diseño para evitar la sobre-presurización del barril. Eso se puede hacer modificando el diseño de las propias ranuras, o mediante el diseño de una sección de descompresión en el tornillo. Esta presión compensa, y en muchos casos puede superar, la presión en la descarga. La garganta de alimentación ranurada se enfría intensamente para que el material no se funda prematuramente y obstaculice el desarrollo de presión.

Dado que el barril es esencialmente un tubo, la presión de la garganta de alimentación ranurada se transfiere a través del barril, contrarrestando la resistencia de la presión de descarga. Si el desarrollo de la presión de la garganta de alimentación excede la presión de descarga, la salida será superior al flujo de arrastre, lo que resulta en mayores ganancias de rendimiento.

Estudio comparativo: extrusoras con alimentación ranurada vs alimentación lisa

Para ilustrar esto, observé recientemente una prueba en una máquina de extrusión de 90 mm procesando HDPE fraccional en una planta que visité. Usando un diseño de tornillo de barrera, la salida de la extrusora con garganta de alimentación ranurada era 563 libras/h, con una temperatura de fusión de 418 F a una velocidad de tornillo de 95 rpm. La presión en el cabezal era de 6200 psi.

Con una extrusora esencialmente idéntica de 3.5 pulg que tiene un tornillo de diseño similar y alimentación lisa, la salida era 445 libras/h a la misma velocidad de tornillo y una presión ligeramente inferior. La temperatura de fundido era 432 F. Eso es un aumento del 26,5% en la producción y una caída de 27 ° F en la temperatura de fundido.

Dicho esto, antes de decidirse a pasar a una garganta de alimentación ranurada, hay que sopesar las ventajas contra las desventajas para su proceso.

Ventajas y desventajas de las extrusoras con garganta de alimentación ranurada

• La reducción o eliminación del efecto de la alta presión en el cabezal, lo que resulta en una mayor producción.
• Reducción de la temperatura de fundido para la misma productividad.
• Salida estabilizada.
• No es muy sensible a las temperaturas del barril.

Las desventajas de la garganta de alimentación ranurada:

• Requiere proporcionalmente más energía.
• Rendimiento muy sensible a características de las partículas.
• Por lo general no es adecuado para la mayoría de remolidos debido a la obstrucción de las ranuras.
• No funciona en polímeros "blandos" como muchos TPE debido a la obstrucción de las ranuras.
• No es tan bueno para producir compuestos de aditivos sin extensas secciones de mezcla debido a la productividad específica superior.
• Generalmente no es adecuado para polímeros o aditivos en polvo.
• Puede haber un desgaste acelerado de tornillo / barril sin diseño balanceado debido a presiones más altas en la sección de alimentación.
• Puede ser inestable con polímeros "duros" como el policarbonato.
• Requiere un mayor volumen de agua fría para refrigeración.
• Requiere un diseño de tornillo especial, a diferencia de los que se usan para extrusoras de alimentación lisa.
• La tecnología de alimentación ranurada fue desarrollada en Alemania en la década de 1960 y ha sido más ampliamente utilizado en Europa que en otras partes del mundo. Sin embargo, este diseño es el estándar en todas partes en gran parte de la tubería de HDPE y para la producción de película soplada HMW-HDPE.

A finales de 1960, el Dr. Georg Menges y un grupo de colaboradores en el IKV en la Universidad de Aachen publicaron directrices sobre el uso de las gargantas de alimentación ranuradas. Mientras que en su mayoría siguen siendo válidas, han surgido nuevos diseños, en particular en el punto donde el polímero entra en el tornillo, junto con diferentes formas de las ranuras para acomodarse a una gama más amplia de partículas de polímero.

Ahora, los diseños de alimentación ranurada son más comunes. Muchas líneas de película soplada de barrera, por ejemplo, están equipadas en su totalidad con extrusoras de alimentación ranurada.

Mientras tanto, también ha habido muchos avances en "mejoras de la superficie"  de la garganta de alimentación. A pesar de que no debe confundirse con la garganta de alimentación ranurada tradicionales, estas superficies tienen como objetivo mejorar la fricción en la pared de alimentación de la garganta con ranuras poco profundas de varios diseños.

Estas han demostrado mejorar significativamente la productividad con polímeros que tienen baja eficiencia de la alimentación, y son eficaces en el tratamiento de triturado y rellenos. Sin embargo, cuando se trata de diseño de tornillo, que siguen los principios de la garganta de alimentación lisa.

En pocas palabras: las gargantas de alimentación ranurada tienen sus pros y sus contras. Como procesador, hay que balancear la promesa de un mejor rendimiento y menor temperatura de fusión contra las desventajas. Considérelas sólo para situaciones en las que son beneficiosos en general al proceso. No piense en ellas como extrusoras de propósito general.

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.