30 años de innovación en extrusión

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La evolución del proceso de extrusión de termoplásticos ha estado marcada por dos grandes tendencias tecnológicas: la primera es el mejoramiento continuo e innovación en los husillos de extrusión, para hacerlos más productivos y con un mejor desempeño en cuanto al control de la contrapresión, temperatura y homogeneidad de la masa fundida, y la segunda es el mejoramiento energético que busca lograr un óptimo consumo específico de energía (kWh/kg) de la unidad de plastificación.

La industria de transformación de termoplásticos (incluyendo la de extrusión) es considerada como un sector industrial energéticamente intensivo, ya que la energía se puede constituir hasta en un 10% de sus costos de producción para tecnologías de la última década, y hasta en un 20% para tecnologías anteriores.

Por lo tanto, todos los esfuerzos que apoyen la investigación, desarrollo tecnológico e innovación para un mejor desempeño productivo y energético de los procesos de transformación de plásticos son de gran impacto.

Evolución del proceso de extrusión

A continuación se destacarán los principales hitos tecnológicos, apoyados en los registros de propiedad intelectual1, 2 del proceso de extrusión, como precursores al estado del arte de uno de los procesos más importantes en la transformación de plásticos.

Década 1960 a 1970

Las primeras innovaciones en el proceso de extrusión se evidencian en las patentes de Bruce Maddock haciendo parte de Union Carbide Corporation, en los documentos publicados por la oficina de patentes de los Estados Unidos (USPTO) en los años 1958, 1962 y 1973. Estas patentes enfatizaron la importancia del mezclado en el proceso de extrusión y reivindicaron un mezclador que sometía corrientes individuales de masa fundida a zonas de alta cizalladura repetidas veces, lo cual se denominó mezcla dispersiva.

La Figura 1 ilustra la unidad de mezcla dispersiva tipo Maddock en donde se aprecian los canales axiales de entrada y de salida de la masa fundida. El polímero es forzado a pasar varias veces por una pequeña holgura entre la altura de la separación entre canales y el cilindro, lográndose así el efecto de dispersión.

Década 1970 a 1980

Por la misma época Jacob Vermeulen como parte de Shell Oil Company en las patentes publicadas por la USPTO en 1968, 1973 y 1976 evidenció la influencia de la velocidad de plastificación en el proceso de extrusión.

Décadas 1980 a 2000

Posteriormente, Charles Maillefer con su propia empresa Maillefer S.A. de Suiza, en las patentes publicadas por la USPTO y varias oficinas de patentes Europeas en los años 1967, 1978, 1979, 1984, 1985, 1986 y 1989, invocó una extrusora de alto flujo másico manteniendo una muy buena calidad del extruido gracias a una zona de homogeneización en donde el husillo poseía varios canales (el inicio de las secciones de barrera) y el cilindro tenía ranuras longitudinales o en espiral para forzar el material hacia adelante y hacia las siguientes zonas (principio de las extrusoras de zona de alimentación ranurada).

La Figura 2 ilustra la unidad de mezcla dispersiva tipo Maillefer en donde se aprecian varios canales en espiral de entrada y de salida de la masa fundida. El polímero es forzado a pasar varias veces por una pequeña holgura entre la altura de la separación entre canales en espiral y el cilindro, lográndose así el efecto dispersivo.

Finalmente, el ingeniero Eberhard Grünschloss, en sus patentes publicadas en la oficina alemana de patentes y en la USPTO en los años 1977, 1978, 1981, 1999 y 2002, reivindica la extrusora con zona de alimentación ranurada de alta productividad, con uso eficiente de la energía, con enfriamiento mínimo en las ranuras y bajo nivel de desgaste metálico.

Décadas 2000 hasta la fecha

El ingeniero Grünschloss desde el IKT (Instituto para la Tecnología de los Plásticos) de Stuttgart, Alemania, continuó sus investigaciones y desarrollos, y logró la innovación de la extrusora denominada Helibar, con patentes otorgadas en 2004 y en 2006. Esta es una unidad de plastificación de alta productividad y desempeño en donde el cilindro es ranurado axialmente, desde la zona de alimentación, pasando por las zonas de plastificación y mezclado. El husillo es diseñado con una sección de barrera y varias unidades de mezcla consecutivas. La capacidad de producción de esta extrusora se ve optimizada por medio del uso de ranuras en espiral en el cilindro que, además, se caracterizan por una mejor autolimpieza y menor fricción. A estos beneficios se une la capacidad de formar presión, hasta 800 bar, en la punta del husillo.

La patente que muestra la aplicación extendida al proceso de inyección es la otorgada por la USPTO en 2006 y es conjunta entre el ingeniero Grünschloss y la empresa Krauss Maffei.

Esta tecnología considerada estado del arte o de la técnica, se utiliza actualmente para los procesos de extrusión, inyección y soplado de cuerpos huecos. La estabilidad de la contrapresión, así como la muy buena calidad de mezcla y coloración por medio del uso de masterbatches o concentrados, son factores positivos que permiten una diferenciación para el moldeo eficiente por extrusión- soplado, la extrusión de tuberías corrugadas o lisas y el recubrimiento de cables2.

El consumo de energía de la Helibar puede ser mucho más bajo de lo normal, gracias a la necesidad reducida de enfriamiento y al menor tamaño de la extrusora con la misma capacidad de producción, medida en kg/h. Las pruebas han demostrado los siguientes resultados, entre otros:

• Mejora de un 10% en el consumo de energía en comparación con extrusoras de última generación con zona de alimentación ranurada.

• Incremento de 20% en eficiencia en comparación con máquinas de tecnologías anteriores que no son del estado del arte, y que se logra adaptando la unidad de plastificación (husillo y cilindro), conservando el mismo sistema de accionamiento; y finalmente.

• Mejora de un 60% en eficiencia al reemplazar la unidad de plastificación completa y el accionamiento.

En los años subsiguientes se observaron otras tecnologías, como la de Johannes Wortberg publicada por la oficina de patentes de Alemania en 2009, reivindicando una extrusora de alto rendimiento y baja temperatura de la masa fundida con buena homogeneidad, permitiendo la entrada de material granulado en el cilindro y adecuando el diseño del husillo de barrera y de mezclado para tal fin.

Los inventores austriacos Wolfgang Binder, Gerhard Tauber y otros de la compañía SML de Austria reivindicaron una extrusora con un arreglo geométrico que permitía la separación de una resina plastificada de la zona de plastificación y que permitía la fusión en flujo libre. Esta solicitud de patente fue publicada por la oficina alemana de patentes en el 2012.

En el 2013 la oficina alemana de patentes publica una tecnología de la empresa alemana Renad y el inventor Manfred Schäfer invocando una extrusora monohusillo, que permite la alimentación de plástico de desecho o ´scrap´ por un extremo y por el otro extremo el ingreso de gránulos. El husillo con un mayor número de zonas se adecúa geométricamente a las dos alimentaciones. El cilindro posee varias zonas de desgasificación.

Desde el año 2013 se han publicado un gran número de solicitudes de patentes en la oficina de China por las compañías Tianjin, Zhangjiagang, Guangdong, Jiangsu y otras, reivindicando extrusoras energético-eficientes, extrusoras con husillos refrigerados, extrusoras con mecanismos reciprocantes, entre otras características. Sin embargo, de estas solicitudes, muy pocas poseen solicitud internacional tipo PCT (Patent Cooperation Treaty). Es difícil establecer el nivel de impacto de estas tecnologías.

Conclusiones

La extrusión de plásticos, como parte del sector industrial de procesos de transformación de polímeros, es un área tecnológica muy dinámica e innovadora.

La evolución se ha dado en búsqueda de las grandes productividades, de la disminución de costos de inversión y operativos, así como de los productos disruptivos y competitivos en los mercados globales.

Artículo proveniente de la revista impresa con el código Tp3003-extrusión.

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