¿Cómo hacer más eficiente la transferencia de calor en la unidad de plastificación?

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El método de plastificación por tornillo reciprocante que se utiliza en los procesos de inyección de termoplásticos, transforma la resina de su estado sólido al estado fundido para luego llevarla al interior de la cavidad del molde. Para esto, el aporte de energí­a necesario se hace mediante dos mecanismos: el calentamiento generado por la fricción entre los pellets, el tornillo y el barril, donde se aporta la cantidad más importante de energí­a; y el calentamiento proveniente del sistema de calefacción de la unidad de inyección.

En la extrusión de termoplásticos, donde el mecanismo de plastificación es igual al del proceso de inyección (rotación del husillo), la fricción interna genera el calor suficiente para la transformación del termoplástico, por lo que la fuente externa de calor se utiliza principalmente en los inicios. Gracias a que la extrusión es un proceso continuo, logra estabilizarse térmicamente y más bien en ocasiones es necesario retirar calor del sistema para hacer control de temperatura. Claro, el sistema está compuesto también por elementos calefactores que entran a operar cuando es necesario para garantizar la estabilidad.

En inyección, la discontinuidad en el proceso de plastificación (rotación para plastificar, avance axial para inyectar, nuevamente rotación para plastificar), lleva a que no se logre el equilibrio térmico derivado del proceso de transporte del material, por lo que la participación de los elementos calefactores es mayor e indispensable.

El control de la temperatura

Además de llevar a estado fundido el material, la unidad de plastificación responde en el proceso de inyección por la uniformidad térmica de la masa fundida y por la consistencia de su temperatura en el tiempo, logrando que, a pesar de la discontinuidad térmica, el proceso de inyección logre que la dinámica de extracción de calor en cada ciclo sea la misma. Se trata de una responsabilidad compartida entre el tornillo y el sistema calefactor.

Una configuración habitual para el control de temperatura está compuesta por tres elementos: el sensor de temperatura, el elemento calefactor y el control de temperatura. De las caracterí­sticas de cada uno de ellos dependerá la calidad de la masa fundida y de ésta la confiabilidad del producto. Es de vital importancia contar con la configuración correcta para las resinas y los productos procesados.

Normalmente, en inyección se acostumbra a sectorizar la unidad plastificación por lo menos en cuatro zonas, y en algunas ocasiones se puede llegar a tener incluso diez o más. Esto dependerá del nivel tecnológico de los equipos y de lo sensibles que puedan ser el proceso y la resina térmicamente. Serán por lo menos cuatro zonas de calefacción, para respetar las tres zonas del husillo de plastificación (alimentación, compresión, dosificación), porque la condición de transporte del material en cada una de las etapas es diferente, y la generación de calor también, lo que al final representa una necesidad particular en cada zona para compensar el calor desde el exterior, permitiendo lograr estabilidad.

La cuarta o última zona normalmente se asigna a la boquilla, que por sus condiciones geométricas y por encontrarse en el extremo de la unidad, tendrá requerimientos especiales, requiriendo calor de manera diferente a las otras zonas. Contar con un mayor número de zonas permitirá hacer un control más refinado, que siempre generará beneficios en la eficiencia del proceso y en la calidad del producto.

La potencia instalada de las máquinas inyectoras se consume en los elementos motrices y en el sistema de calefacción. En cada uno de estos sistemas es cada vez más importante buscar alternativas más eficientes, no solo por su participación en el costo del producto, también por la sostenibilidad de los procesos, que adquiere más relevancia todos los dí­as.

Los elementos calefactores están disponibles en diferentes caracterí­sticas y tecnologí­as. Siempre habrá más puntos a considerar que la potencia y el tamaño: el material, el aislamiento, la velocidad de respuesta, jugarán un papel fundamental en su definición.

Buscando la eficiencia desde el elemento calefactor

Existen diferentes tipos de elementos calefactores en el mercado. Entre los más comunes se cuentan:

Bandas calefactoras de mica: están fabricadas a partir de una placa de NiCr enrollada y aislada de los soportes apropiados en mica. De fácil ensamble y ajuste a la superficie del barril, son las que habitualmente se instalan en las boquillas de las máquinas. Operan bien en temperaturas hasta de 350°C, y las potencias de calefacción rondan los 4 W/cm2. El modo predominante de transferencia de calor hacia el barril es conducción.

Bandas calefactoras cerámicas: estos elementos calefactores se componen de una espiral en aleación de NiCr 80/20 o FeCrAl insertado en elementos modulares de esteatita. Gracias al modo de transferencia de calor por radiación, las bandas cerámicas son la solución de calentamiento óptima para instalaciones de alta potencia y pueden alcanzar una temperatura media de hasta 450°C.

Cartuchos: Se caracterizan por la extrema versatilidad y precisión del perfil térmico combinado con un alto rendimiento, ya que pueden alcanzar temperaturas de hasta 750°C o cargas especí­ficas del orden de 40 W/cm2. Las marcas Zoppas Industries, Delta Manufacturing, Industrial Heater Corp se cuentan entre las más reconocidas para la región.

El fabricante Rex Materials Group Pyrolite ofrece su sistema patentado Rex TCS; se trata de elementos calefactores radiantes embebidos en un aislamiento de alta temperatura. La calefacción radiante combinada con la contención de calor permite a TCS reducir los costos de energí­a asociados con la calefacción de barril en un promedio del 40%, lo que da como resultado un retorno de la inversión de uno a dos años según el costo de energí­a.

Disminuyendo las pérdidas

La transferencia de calor desde los elementos calefactores convencionales (mica) hacia la unidad de plastificación se da por conducción. Sin embargo, por el tipo de ensamble y de tecnologí­as habitualmente utilizadas, está siempre presente la radiación y la convección en la otra dirección, hacia el ambiente. Esto claramente es indeseable y representa ineficiencia.

En el mercado se encuentran alternativas de aislamiento, que permiten evitar que el calor fluya en el sentido indeseado, se conocen como mantas térmicas o mantas aislantes, con fabricantes en todos los continentes, y que involucran una amplia gama de materiales en su construcción. Aprovechan el concepto elemental, de evitar que el calor se escape y se concentre en donde es de interés, en la unidad de plastificación.

Si bien se trata de un principio sencillo, es muy importante tener en cuenta los materiales en los que se fabrican, las temperaturas que logran soportar tanto las mantas como el cableado de los elementos calefactores y en ocasiones es necesario replantear en este sentido y evitar tener problemas eléctricos, por superar las temperaturas máximas que soportan los cables si estos quedan al interior del elemento aislante.
Son diversos los fabricantes de este tipo de elementos. Unitherm International e Insul–Vest son dos ejemplos mundialmente reconocidos.  

También los barriles pueden aportar térmicamente

El barril, que siempre ha tenido la responsabilidad de contener el proceso de plastificación, también puede aportar en el proceso de hacer más eficiente la transferencia de calor desde los elementos calefactores hasta la resina, además de disminuir las pérdidas.

Xaloy SmartHeat incorpora un recubrimiento con una nueva y avanzada tecnologí­a de Nordson, que elimina las pérdidas de energí­a en la unidad de plastificación. Se trata de un robusto recubrimiento que se aplica mediante depósito por plasma en la superficie exterior del barril (inferior a 2 mm) y se combina con un aislante térmico de alta eficiencia, garantizando la uniformidad de la temperatura en el barril.

Algunos beneficios adicionales son que reduce los defectos e incrementa la calidad de la producción, logra reducciones de entre un 30 y un 60% en el consumo de energí­a respecto a los sistemas de bandas tradicionales, disminuye los tiempos de paro por eliminar la necesidad de reemplazar o mantener los elementos calefactores tradicionales, además de generar una mayor seguridad para las personas.

Según cifras obtenidas, en algunos casos se logran retornos de la inversión hasta de 12 meses. Claramente se trata de una tecnologí­a que justifica ser estudiada y evaluada.

Los sistemas regenerativos

Wittmann Battenfeld ha desarrollado y patentado el sistema denominado Kers (Kinetic Energy Recovery System), que utiliza el total de la energí­a de frenado en la máquina para almacenar la energí­a en un circuito intermedio, generar el voltaje de control y el calentamiento del barril. Se pueden lograr ahorros en consumo de energí­a adicionales hasta de un 5% en máquinas eléctricas.

Artí­culo de la edición abril-mayo: código TP 3402 inyeccion

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