Conceptos básicos de extrusión: la domesticación 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, es 38 de latitud norte y nos movemos alrededor de 730 millas por hora. Eso es aproximadamente la velocidad del sonido, pero no lo sentimos ni lo escuchamos, ya que el aire que nos rodea se mueve a la misma velocidad. Es mucho más rápido que dentro de cualquier extrusora: en un barril de 30 cm/12 pulgadas, funcionando rápido a 100 rpm, una partícula en la pared del barril alcanza solo 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 resumida de la sección sobre tornillos simples en mi Manual de operación 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 a 30:1 o incluso más, y algunos son tan cortos como 20:1. Más longitud puede significar más producción si el calentamiento, la fusión o la mezcla son límites de producción

Un tornillo estándar tiene tres zonas:

Muchos tornillos son de paso cuadrado, lo que significa que la distancia de un vuelo al siguiente es igual al diámetro. Esto facilita la obtención de L/D con solo contar los turnos. La parte debajo de la abertura de alimentación no debe incluirse en L/D, pero muchas personas la cuentan porque 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 canal primero y el último en un tornillo de paso constante. La relación de compresión es útil, pero es un número indefinido y no puede describir correctamente un tornillo a menos que se conozca al menos la profundidad de un canal.

El ancho de vuelo (grosor) es de alrededor del 10% del diámetro del cañón. Las paletas más anchas desperdician la longitud del tornillo y generan demasiado calor en los espacios libres hacia la pared del cilindro, 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 se redondean

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 uso ligero, el endurecimiento a la llama es suficiente. 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 generalmente revestidos con una aleación resistente al desgaste.

El espacio libre entre las paletas del tornillo y el cilindro en tornillos nuevos es de 0,005 a 0,010 pulg. (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 fabricar y generaría demasiado calor. Un poco de desgaste más allá de estos valores generalmente es inofensivo e incluso puede ser útil, así que asegúrese de que haya un problema real antes de reconstruir o reemplazar (como el sobrecalentamiento porque el tornillo debe funcionar más rápido para obtener el mismo resultado).

Los tornillos pueden diseñarse por computadora si conocemos la resistencia (presión en la punta del tornillo), la tasa 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 no es necesario para la mayoría de los plásticos. Para materiales altamente abrasivos, se puede templar 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 recubrimiento no dura lo suficiente.

Algunos tornillos están perforados con un pasaje central. La refrigeración por agua en toda su longitud mejora la mezcla en los últimos vuelos. El aceite se usa 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 en 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 de Maddock es una longitud de tornillo de alrededor de dos diámetros de largo, que normalmente se encuentra solo unas pocas vueltas antes del final, con ranuras grandes (llamadas flautas) en pares en lugar de tramos.

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

La masa fundida entra por las flautas de entrada, fluye sobre la cresta de la barrera y sale por las salidas. Los gránulos sin derretir no pueden pasar enteros, sino que se cortan y aplanan y finalmente pasan como derretidos. Además, el fundido más frío permanece en el área de alto cizallamiento más tiempo que el fundido más caliente, proporcionando una mayor uniformidad térmica. A menudo se le llama cabezal de mezcla 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 vuelo adicional que forma dos canales paralelos: uno para la masa fundida y otro para los gránulos. El espacio libre entre la nueva paleta y el cilindro es lo suficientemente grande como para que el fundido formado en el canal de gránulos pueda fluir hacia atrás en el canal de fundido, pero lo suficientemente pequeño como para bloquear los gránulos, que miden alrededor de 0,060 pulgadas (1,5 mm). Los gránulos permanecen en su canal principal, pero se drenan del exceso de fusión 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 crece en volumen. El canal de gránulos, sin embargo, se vuelve más pequeño a medida que quedan menos gránulos sin fundir, hasta que la sección finalmente termina, los gránulos desaparecen y un solo tramo transporta la masa fundida a través de la zona de medición. Es común combinar una barrera de este tipo con una sección Maddock en la zona de medición u otro dispositivo de mezcla especial.

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

Los pasadores de mezcla son anillos de espárragos que se proyectan desde la raíz del tornillo para interrumpir el flujo aerodinámico como rocas en un arroyo, mejorando así la mezcla. Se suelen poner 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 medición más profunda, a menudo sin compresión alguna. Debido a que una zona de dosificación profunda produce una mezcla deficiente, se necesita más hardware, 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 (dos etapas), se utiliza un tornillo muy largo, ya que todo el material debe fundirse antes de la ventilación, que suele tener alrededor del 70 % de la longitud total. Esta primera parte es un tornillo normal de tres zonas, pero de repente se vuelve más profundo, lo que reduce la presión de fusión para que se pueda aplicar un vacío a través de un orificio en el barril (la ventilación) para extraer aire, humedad u otros volátiles. La masa fundida continúa aguas abajo, se vuelve a comprimir, 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, chatarra, mezcla de resina y microaditivos. Incluso se pueden insertar materiales no termoplásticos, como la fibra de vidrio, que no tiene que derretirse y es mucho menos abrasivo cuando se agrega al material fundido en lugar de mezclarlo con partículas de alimentación 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 del cabezal. Por lo tanto, la capacidad de bombeo de la segunda etapa debe ser mayor que la capacidad de la primera etapa, que trabaja contra resistencia cero, o la alimentación debe controlarse por separado, para evitar que el plástico derretido salga por la ventilación. La proporción habitual de profundidades de medición delantera: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 mallas) de alrededor de 2500 psi (17 MPa). Para una mayor resistencia del cabezal, se necesita una alimentación controlada o una bomba de engranajes para permitir la ventilación.

Los tornillos de doble vuelo tienen dos trayectorias paralelas en parte o en todo el tornillo. En la zona de medición, esto ayuda a la transferencia de calor, por lo que a veces se usa cuando se necesitan temperaturas muy altas, como el recubrimiento por extrusión. Se cree que una zona de alimentación de doble vuelo proporciona una alimentación más suave (menos pulsación), pero hoy en día rara vez se ve. Todos los tornillos de barrera tienen doble vuelo en sus secciones de barrera, pero las dos trayectorias no son iguales, como se explicó anteriormente. En un tornillo de onda, los dos (o tres) caminos tienen el mismo ancho, pero hay una barrera entre ellos lo suficientemente baja como para que el derretimiento fluya. Las profundidades del canal tienen aumentos y disminuciones similares a 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 desde lo poco profundo hacia lo profundo, por lo que se mueve de un lado a otro a través de la barrera a medida que avanza río abajo, lo cual es bueno para mezclar y estabilizar el flujo.

Sobre el Autor

Allan Griff es un ingeniero de extrusión veterano, comenzó en el servicio técnico para un importante proveedor de resinas 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, ambos públicos. e in-house, y ahora en su nueva versión audiovisual. Escribió Tecnología de Extrusión de Plásticos, el primer libro práctico de extrusión en los Estados Unidos, así como el Manual Operativo de Extrusión de Plásticos, 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].

No se planean seminarios en vivo en el futuro cercano, o tal vez nunca, ya que su seminario audiovisual virtual es incluso mejor que en vivo, dice Griff. Sin viajes, sin esperar fechas en vivo, las mismas diapositivas de PowerPoint pero con explicaciones de audio y una guía escrita. Mire a su propio ritmo; La asistencia en grupo se ofrece por un precio único, incluido el derecho a realizar consultas y obtener respuestas detalladas por correo electrónico. Llame al 301/758-7788 o envíe un correo electrónico [email protected] para obtener más información.

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