Avances tecnológicos en extrusión tienen mucho futuro

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Pocos desarrollos de gran magnitud han ocurrido en la industria de la extrusión de plásticos en las últimas décadas. Esto es particularmente cierto en la extrusión con tornillos simples. Algunas personas consideran que la extrusión de plásticos es una tecnología madura donde no es posible lograr desarrollos nuevos radicalmente novedosos. Sin embargo, esta noción es incorrecta porque varios nuevos avances están apareciendo en el mercado y pensamos que estos producirán cambios significativos en la tecnología de extrusión.

Nuestro entendimiento del fenómeno de mezclado durante el procesamiento de polímeros ha avanzado significativamente en las últimas dos décadas. Un buen número de universidades e institutos han dedicado recursos importantes al estudio de los procesos de mezclado. Se ha determinado que la reorientación de los elementos del fluido es crítica para lograr un mezclado distributivo altamente efectivo. Este entendimiento ha llevado al desarrollo de varios elementos eficientes de tipo distributivo. En cuanto al mezclado dispersivo se ha determinado que el flujo de la resina de tipo elongacional aporta un efecto dispersivo mucho más significativo que el flujo de tipo cortante o de cizalladura. Recientemente, varios aparatos de mezclado han aparecido en el mercado que toman ventaja del flujo elongacional para lograr mezclados mejorados de tipo dispersivo.

El flujo de tipo elongacional no se reconoce muy bien debido a que requiere ser sometido a análisis relativamente complejos. El flujo de cizalladura se comprende con mayor facilidad debido a que su análisis es más simple; el flujo en los tornillos de los extrusores es en su gran mayoría de tipo de cizalladura. Durante mucho tiempo se consideró que era difícil, si no imposible, generar patrones de mezclado elongacional en los tornillos de extrusión de tornillo simple (SSE, del inglés single screw extruder). Como resultado, los aparatos de mezclado elongacional no se desarrollaron sino hasta hace poco.

En el pasado, los aparatos de mezclado fueron diseñados considerando que existían partes del aparato donde ocurría flujo elongacional. Sin embargo, estos mezcladores se concebían intuitivamente, efectuando procedimientos de error y ensayo, en lugar de cálculos de ingeniería. Ejemplos son el mezclador Banbury y los discos de amasado en los extrusores de tornillos gemelos. Es justo afirmar que el diseño de la mayoría, sino de todos, de los mezcladores realizado antes del año 2000 se basó en la intuición más que en análisis detallado del patrón de flujo. La razón es que las técnicas de análisis numérico y el poder computacional de los computadores anteriores al año 2000, no fueron muy apropiados para realizar análisis complejos en tres dimensiones de los aparatos mezcladores diseñados con geometría complicada.

Desde 1995 han ocurrido innovaciones importantes en las técnicas de análisis numérico que han hecho posible realizar análisis completos de flujo en tres dimensiones en aparatos de mezclado complejos, en tiempos relativamente cortos (1-4). De hecho, ahora es, con frecuencia, menos costoso diseñar y modelar mezcladores que lo que cuesta manufacturarlos. Esto significa que geometrías múltiples pueden ser probadas numéricamente antes que el mezclador pase a manufactura. En el pasado, generalmente era menos costoso manufacturar y probar varios modelos de mezcladores con diversas geometrías. Hace un tiempo, no existían las herramientas para hacer un análisis completo en tres dimensiones en mezcladores complejos.

Los nuevos elementos de diseño
El mezclador CRD
El análisis numérico del flujo de la resina fundida en extrusores de tornillos gemelos (twin-screw extruders, TSE), ha demostrado la ocurrencia de una cantidad significativa de flujo elongacional en los bloques de amasado. Esta es la razón por la cual la acción de mezclado en TSE ocurre primariamente en los discos de amasado. La misma acción de mezcla, sin embargo, puede ser generada en SSE de una manera directa; este es el principio que soporta el diseño del elemento de mezclado CRD (Chris Rauwendaal Dispersive) (5-7). Como resultado, ahora es posible lograr la capacidad de mezclar en SSE tan bien como se hace en TSE. El mezclador CRD ha existido comercialmente desde el año 2000 y ha tenido considerable éxito en la industria de extrusión. La  figura 1 muestra un ejemplo de un mezclador tipo CRD.

El elemento mezclador VIP
Otro elemento mezclador diseñado con base en el análisis de ingeniería para los procesos de mezclado fue desarrollado por Rauwendaal Extrusion Engineering, con sede en Altos Hills, California, en cooperación con Sulzer Corporation, de Winterthur, Switzerland. Este mezclado saca ventaja de la efectividad alta de la reorientación en las interfases cuando se intercalan los pines para crear vórtices con acción de mezclado (8,9). Por esta razón, el mezclador se denomina en inglés vortex intermeshing pin, VIP. El mezclador VIP se desarrolló en primer lugar para mejorar el mezclado en los procesos de moldeo por inyección al incorporar el mezclado en una válvula de no retorno. Sin embargo, el mezclador VIP es igualmente útil en aplicaciones regulares de extrusión. Debido a que el mezclador puede lograr un nivel excelente de mezclado en una distancia de solamente un paso, 1D, el mezclador VIP es particularmente atractivo en aplicaciones donde el espacio es limitado para incorporar un elemento de mezclado.

Proceso de control mejorado en extrusores de tornillo simple
Una aplicación importante en SSE es el control limitado que tiene este proceso. Debido a que la productividad está directamente afectada por la velocidad del tornillo, esta variable no puede ser modificada sin afectar el flujo de salida del material en una operación convencional. Esto significa que las principales variables del proceso son las temperaturas del barril. Desafortunadamente, las temperaturas del barril tienen un efecto muy limitado sobre el proceso, particularmente en extrusores de mayor diámetro. Por esto, el proceso SSE tiene una ventana de operación relativamente angosta.

Hay, sin embargo, varios métodos mediante los cuales el grado de control puede ser mejorado. Algunos de estos métodos son:

  • Alimentación controlada
  • Bombas dosificadoras
  • Extrusores más largos
  • Alimentación múltiple a lo largo del barril
  • Diseño modular del tornillo y el barril
Estos métodos y características son de común ocurrencia en la industria de los extrusores de tornillos gemelos. Sin embargo, SSE generalmente emplea el sistema de alimentación por inundación, sus longitudes son relativamente cortas, no cuentan con puntos múltiples de alimentación y emplean tornillos y barriles fabricados en una sola pieza de material. De aquí que su flexibilidad sea limitada y que la ventana de procesamiento sea también angosta.

La alimentación regulada ofrece un número de ventajas importantes. Permite ajustar el grado de llenado en el extrusor, por lo que es posible controlar también el consumo de energía en el mismo. Por lo tanto, al controlar el consumo de energía en el extrusor es posible controlar el nivel de mezclado y la temperatura del material fundido. A su vez, la alimentación regulada amplía la ventana de procesamiento; por ejemplo, permitiendo que el extrusor opere a mayores velocidades del tornillo al tiempo que se logra un control adecuado de la temperatura. Obviamente, la alimentación controlada opera bien solamente cuando la longitud del extrusor es mayor que la mínima requerida para establecer un proceso adecuado de extrusión. La alimentación regulada en extrusores relativamente cortos frecuentemente muestra resultados indeseables.

Cuando se mezcla un relleno sólido con las partículas de polímero dosificadas con alimentación regulada, se logran beneficios significativos. La alimentación regulada reduce la presión generada en el transporte de los sólidos y en las zonas de plastificación. Por esta razón, se puede eliminar la aglomeración de las partículas de relleno, el cual es un problema que se presenta con frecuencia en los extrusores alimentados por inundación. Varios estudios (12,13) han demostrado que la alimentación regulada puede mejorar de manera significativa la calidad de la dispersión del relleno en el polímero tanto en operaciones de extrusión como en inyección.

Los métodos mencionados arriba pueden ser aplicados tanto en SSE como en TSE. Esto, por supuesto, incrementa el costo del equipo, pero aumenta su versatilidad y la facilidad del control del proceso, todo lo cual trae beneficios valiosos que superan el mayor costo de la máquina. Estas consideraciones han llevado al desarrollo de nuevos tornillos simples para extrusores que preparan compuestos.

Nuevo extrusor para preparar compuestos
Recientemente, se desarrolló un nuevo extrusor para la preparación de compuestos, el cual consiste esencialmente en un extrusor de tornillo simple SSCE (del inglés, single screw compounding extruder) que opera con las características de un TSCE. Esta máquina es el resultado del trabajo conjunto entre Rollepaal Machinefabriek, de Dedemsvaart, Holanda, y Rauwendaal Extrusion Engineering, Inc. El nuevo SSCE emplea puntos de alimentación múltiples a lo largo del barril para la adición por etapas de los ingredientes del compuesto y la remoción de volátiles. La alimentación regulada también se emplea para lograr el control sobre el consumo de energía y el mezclado, lo que permite que la máquina opere a altas velocidades del tornillo, del orden de 1000 rpm, con una consecuente productividad alta. Por ejemplo, un SSCE de 60 mm es capaz de entregar 1000 kg/hr. Los extrusores de tornillo convencional simple requerirían contar con un diámetro mínimo de 150 mm para alcanzar una productividad de este orden. La  figura 2 muestra un esquema representativo de un sistema SSCE.

El sistema SSCE hace uso de la acción del mezclado elongacional para lograr efectos dispersivo y distributivo eficientes. Esto le brinda al sistema SSCE alcanzar una capacidad de mezclado comparable a la de un sistema TSCE. La diferencia más importante entre el SSCE y el TSCE es el costo. El precio de compra de un SSCE es cerca de la mitad de uno para TSCE, al tiempo que el costo de operar un SSCE es sustancialmente menor, así como ocurre también con los costos y facilidades de mantenimiento. El número de repuestos es más reducido y las piezas tienen una menor tendencia al desgaste. Debido a que el SSCE puede realizar esencialmente las mismas tareas de un TSCE a un costo que es la mitad de éste, es de esperarse que el sistema SSCE capturará en el futuro un segmento importante del mercado de maquinaria para la preparación de compuestos.

Otra característica importante del sistema SSCE es que éste puede operar con un mecanismo de dispersión de sólidos en proceso de fundición, DSM, que permite lograr la fundición en una distancia relativamente corta. En los extrusores de tornillo simple generalmente ocurre un mecanismo de fundición de sólidos que es continuo y que requiere longitudes del orden de 10D a 15D (11). Con la unidad de plastificación DSM la longitud de la sección de plastificación tiene una longitud en el rango de 2D a 5D. Esto se traduce en la disponibilidad que brinda para que el resto de la longitud del tornillo pueda ser empleada para realizar otras tareas del proceso, como son las de mezclado, devolatización y desarrollo de la presión. Las ventajas que ofrece la fundición DSM en un extrusor de tornillo simple representa un avance significativo en la tecnología de extrusión. En la  figura 3 se comparan los tipos de mezclado CSM y DSM.

Solución de problemas de extrusión empleando ayudas computacionales

Uno de los retos principales en las operaciones de extrusión es la solución de problemas de extrusión. Hoy en día hay paquetes de programas computarizados que ayudan a la solución de estos problemas (14). Tales programas pueden ser beneficiosos para las compañías que cuentan con poca experiencia en extrusión y en la solución de estos problemas. Estando disponibles estos programas se acortan los pasos para incorporarlos dentro del sistema de control del extrusor. Los sistemas cuentan con medios incorporados para detectar las fallas, diagnosticarlas y sugerir las posibles soluciones.

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