¿Inestabilidades en el proceso de extrusión?: Aprenda a solucionarlas

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Tal vez el problema más frecuentemente encontrado en el proceso de extrusión es la variación en el rendimiento de la extrusora.

La aparición de inestabilidades está relacionada con un gran número de causas, algunas de las cuales son:

  • Problemas de flujo másico en la tolva de alimentación
  • Problemas de transporte de sólidos en la extrusora
  • Capacidad de fundición insuficiente
  • Fragmentación de la cama sólida
  • No uniformidad de temperaturas de fundido en el dado
  • Fluctuaciones de temperatura en el barril
  • Fluctuaciones de temperatura en el tornillo
  • Fractura del fundido / piel de tiburón
  • Variaciones en la velocidad del tornillo
  • Desgaste del barril / desgaste del tornillo
  • Capacidad de mezclado insuficiente
  • Presión demasiado baja en la cabeza del dado 
  • Capacidad de generación de presión insuficientea


Algunos prerrequisitos para una extrusión estable son un buen actuador para la extrusora, un buen sistema de control para la temperatura, un aparato adecuado de embobinado, y más importante aún, un buen diseño del tornillo. Probablemente resultan más inestabilidades de un diseño de tornillo inapropiado que de cualquier otra causa; sin embargo, un cambio en este aspecto es considerado a menudo como la última opción. Además, una instrumentación apropiada es de vital importancia para diagnosticar un problema de manera rápida y precisa


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El actuador de la extrusora debería ser capaz de mantener la velocidad del tornillo constante con variaciones inferiores al 0.1%; lo mismo se debe poder decir del sistema de embobinado; esto no siempre sucede en las líneas de extrusión reales. La extrusora debería estar equipada con algún tipo de control de temperatura proporcional, preferiblemente un control de tipo PID (Proporcional Integral Derivativo) o algo mejor; los controles de temperatura on-off son inapropiados para la mayoría de operaciones en la extrusión.

Varios investigadores han clasificado las inestabilidades en la extrusión basados en el marco de tiempo en el que éstas ocurren; la frecuencia de las inestabilidades es a menudo una indicación de la causa del problema. Bajo este concepto es posible reconocer cinco tipos de inestabilidades:

  1. Inestabilidades de alta frecuencia, ocurriendo en un tiempo inferior al período de rotación del tornillo.
  2. Inestabilidades que ocurren a la frecuencia de rotación del tornilo.
  3. Inestabilidades de baja frecuencia, en un lapso de tiempo que es entre 5 y 10 veces el período de rotación del tornillo.
  4. Fluctuaciones muy lentas ocurriendo en un período de por lo menos un par de minutos
  5. Fluctuaciones aleatorias.

1. Inestabilidades de alta frecuencia
Las inestabilidades de alta frecuencia están asociadas a menudo con inestabilidades en el flujo dentro del dado, como fractura del fundido, piel de tiburón, o resonancia durante el halado.

También pueden ser causadas por problemas del actuador, no uniformidades en la temperatura del fundido o vibraciones.

1.1.Piel de tiburón
La piel de tiburón se manifiesta como una superficie regular acanalada, con los canales corriendo perpendicularmente a la dirección de la extrusión. Una forma menos severa de piel de tiburón es el alternamiento de una superficie mate con una brillante.

Generalemente se cree que este efecto se forma en los labios del dado o en la salida; depende primordialmente de la temperatura y de la velocidad lineal de extrusión. Factores como las tasas de cortante, dimensiones de los dados, ángulo de aproximación, rugosidad superficial, aspecto L/D o material de construcción parecen tener poco o ningún efecto en este tipo de defecto.

Se cree, además, que la piel de tiburón es causada por la rápida aceleración de las capas superficiales del extruído cuando el polímero sale del dado. Si la tasa de estiramiento es demasiado alta, la capa superficial del polímero puede fallar y formar las canales características. Los polímeros de alta viscosidad con distribuciones de peso molecular (MWD) estrechas tienden a ser más susceptibles a presentar este efecto.

El problema puede ser reducido por lo general disminuyendo la velocidad de extrusión e incrementando la temperatura del dado, particularmente en la sección de los labios. Existe evidencia de que hacer corridas a temperaturas muy bajas también tiene efectos benéficos. La selección de un polímero con una MWD amplia puede ser positiva, al igual que el uso de un lubricante externo; la lubricación puede obtenerse añadiendo un aditivo al polímero o coextruyendo una capa delgada externa de baja viscosidad.

1.2. Fractura del fundido
La fractura del fundido es una distorsión severa del extruído que puede tomar muchas formas diferentes: de espiral, de bambú, rizos ordenados, fractura aleatoria, etc. (Figura 1). No es un defecto superficial como la piel de tiburón, sino que está asociada con el cuerpo completo del extruído fundido. Sin embargo, muchos investigadores no hacen distinción entre la piel de tiburón y la fractura del fundido y juntan todas estas inestabilidades bajo el término de fractura de fundido. Los polímeros lineales tienden a desarrollar una inestabilidad del flujo en cortante a la altura de los labios del dado, mientras que los polímeros ramificados tienden a desarrollar inestabilidades en la región de convergencia del canal de flujo del dado. Generalmente la fractura del fundido se dispara cuando se excede cierto esfuerzo cortante contra las paredes del cabezal. Este esfuerzo crítico es del orden de 0.1 a 0.4 MPa (15 a 60 psi).


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Se ha encontrado que suavizar las líneas de flujo de la geometría del canal reduce la tendencia a formar fractura de fundido en polímeros ramificados. Las altas temperaturas, particularmente en las paredes de los labios del dado, ayudan a tener mayores tasas de extrusión antes de que aparezca fractura en el fundido. El esfuerzo cortante crítico con respecto a las paredes parece ser relativamente independiente de la longitud, radio y temperatura del dado, y parece variar inversamente con el peso molecular, pero se cree que es independiente su distribución.

Ciertos polímeros exhiben una región de superextrusión por encima del rango de fractura del fundido, donde el extruído no se distorsiona. Este proceso es particularmente ventajoso para los polímeros cuyo fundido se fractura a tasas relativamente bajas, como el FEP (fluorotermoplástico). En la región de superextrusión se cree que el polímero se resbala uniformemente a lo largo de las paredes del dado.

El problema de la fractura del fundido puede ser resuelto suavizando las líneas de flujo del dado, incrementando la temperatura en los labios, haciendo corridas a tasas más bajas, reduciendo el peso molecular o la viscosidad del polímero fundido, incrementando el área seccional del canal de salida o usando un lubricante externo. En algunas ocasiones, el problema de fractura de fundido puede ser resuelto llegando hasta la superextrusión. Este proceso se usa particularmente en la industria de recubrimiento de cable, donde las líneas de alta velocidad son muy importantes para la garantizar la rentabilidad de la producción.

2. Resonancia del halado
La resonancia del halado ocurre en los procesos donde el extruído se expone a un flujo que se estira con superficie libre, como en extrusión de película fundida, hilado de fibras y moldeo por soplado. Se manifiesta en variaciones cíclicas regulares de las dimensiones del extruído. La resonancia ocurre por encima de cierta relación de halado crítica, cuando el polímero se encuentra aún en estado fundido al momento de ser embobinado y es rápidamente templado después.

Esta inestabilidad se presenta porque la resistencia a la deformación extensional decrece a medida que el nivel de esfuerzo se incrementa. La cantidad total de masa entre el dado y el embobinado no puede variar con el tiempo porque la velocidad de embobinado es constante, pero no necesariamente sucede lo mismo con las dimensiones del extruído. Si las dimensiones del extruído se reducen justo antes del embobinado se afecta el resto de la geometría producida. A medida que la sección más grande de extruido es embobinada, puede formarse una sección delgada por encima de ella; esto puede suceder una y otra vez, llegando a ocurrir una variación cíclica de las dimensiones del extruído; la resonancia del halado no se presenta cuando el extruído se solidifica en el embobinado dado que las dimensiones en ese punto ya están fijas. Se ha encontrado que la resonancia isotérmica del halado es independiente de las dimensiones del extruído. La relación crítica de halado para casi todos los fluidos newtonianos como el nylon, poliéster, polisiloxano, etc. es de aproximadamente 20. La relación crítica de halado para fluidos estrictamente no newtonianos como el polietileno, poliestireno, polipropileno, etc. puede ser hasta de 3. La amplitud de las variaciones dimensionales aumenta con la relación de halado y la longitud de descuelgue.

3. Inestabilidades a la frecuencia del tornillo
Las inestabilidades a la frecuencia del tornillo ocurren esencialmente en todas las operaciones de extrusión, aunque en pequeño grado; pueden ser causadas por la variación en la entrada de polímero desde la tolva hasta la carcaza de alimentación, cuando el flujo se interrumpe cada vez que el filete del tornillo pasa por la abertura de entrada. Esto causa un cambio de presión cíclico que se puede detectar si la extrusora tiene sistemas precisos de medición de presión. Una forma de reducir la entrada irregular de polímero desde la tolva es usar una geometría de doble filete en el tornillo para la sección de alimentación, aunque por lo general, una mejor solución es la de cambiar la forma de la abertura de entrada. La longitud axial de esta abertura debe ser cercana a 1.5 veces el diámetro del tornillo y el ancho de 0.75 veces.


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Las variaciones a la frecuencia del tornillo también pueden causar diferencias de presión a lo largo del filete; esta diferencia de presión es la responsable del flujo recirculante en la dirección del canal de flujo. Cuando la presión se mide a lo largo o en el extremo del tornillo, se obtendrá un patrón con una forma de serrucho. Ver Figura 2.

Estas fluctuaciones de presión son más severas en el extremo final del tornillo, pero se reducen a medida disminuye la distancia hacia el cilindro, debido a que el fundido de polímero es ligeramente compresible. Por esto, la fluctuación de presión real depende mucho de la localización del transductor de presión. Si se usa una placa de rompimiento, la fluctuación se reducirá significativamente tal como se muestra en la figura 2.

En la mayoría de los casos, la causa más común de inestabilidades a la frecuencia del tornillo es la diferencia de presión entre el borde delantero y el trasero del filete en la sección de bombeo. Esta fluctuación de presión se le llama comúnmente "ritmo del tornillo", y es inherente al sistema de transporte. Ocurre incluso si no se desarrolla empuje en la sección de bombeo dado que la diferencia de presión se genera por arrastre.

La diferencia de presión a través del filete del tornillo se incrementa con la viscosidad, el diámetro, la velocidad del tornillo y el ángulo de la helicoide, y se reduce con la profundidad del canal. Cuando el ángulo de la helicoide aumenta de 17.5 a 20º, la diferencia de presión se duplica. Por lo tanto los tornillos con un ángulo grande mostrarán mayores fluctuaciones de presión con la frecuencia del tornillo que los de ángulo pequeño. Las fluctuaciones de presión de este tipo pueden ser reducidas poniendo una sección de varios filetes al final del tornillo, tal como las secciones de mezclado Saxton o CRD. Una sección de mezclado de varios filetes reduce la amplitud de la fluctuación de la presión pero incrementa su frecuencia tal como se muestra en la  Figura 3.

La fluctuación de presión a la frecuencia del tornillo es problemática cuando el valor de la diferencia de presión es grande en relación al valor que se registra en la cabeza del dado. Esto ocurre cuando la presión en este punto es baja, cuando la viscosidad del polímero es alta, cuando el diámetro del tornillo grande o su velocidad de rotación es alta, cuando el ángulo de la helicoide y paso del tornillo son grandes, o cuando el canal es poco profundo.


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4. Inestabilidades de baja frecuencia
Las inestabilidades de baja frecuencia han sido asociadas con la fragmentación de la cama sólida. Es más probable que este problema ocurra en tornillos con altas relaciones de compresión. Las fluctuaciones que ocurren por encima de 10 a 30 segundos pueden ser causadas por las fluctuaciones de temperatura a lo largo del barril de extrusión; éstas a su vez pueden ser advertidas desde los lectores térmicos, y pueden deberse a la baja respuesta de muchos sensores de temperatura y a que los sensores a menudo se localizan a una distancia considerable de la interfaz polímero/metal.

Sin embargo, si la temperatura real en la interfaz fluctúa, habrá una fluctuación correspondiente en la tasa de flujo. En un sistema de control de temperatura proporcional con el tiempo se adiciona o se retira potencia a intervalos cortos, típicamente entre 15 y 20 segundos. Estos impulsos de energía de calentamiento o enfriamiento causan cambios a corto plazo en la temperatura de la interfaz polímero/metal con variaciones correspondientes en la taza de entrega de material. La variación en la entrega de material puede ser incluso del 5 al 10%. Por lo tanto, desde un punto de vista de estabilidad, es mucho mejor el control de temperatura proporcional real que el control de temperatura proporcional en el tiempo.


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5. Fluctuaciones muy lentas
Las fluctuaciones muy lentas son asociadas a menudo con un control pobre de temperatura, cambios en las condiciones ambientales (temperatura ambiente, humedad relativa), variación en el voltaje de la planta, y causas similares. Una reducción constante y lenta en la entrega es causada a menudo por el acumulamiento de contaminantes en los tamices.

6. Fluctuaciones aleatorias
Las fluctuaciones aleatorias son causadas por una alimentación irregular. También pueden resultar de una combinación de fluctuaciones cíclicas. La  Figura 4 muestra el patrón de una variación sinusoidal regular.

La  Figura 5 muestra una combinación de tres variaciones sinusoidales con frecuencias y amplitudes diferentes. La variación parece ser aleatoria; sin embargo, está formada de tres componentes diferentes, cada uno de ellos siendo una variación sinusoidal muy regular. Esta situación ocurre frecuentemente en la extrusión debido a que en muchos casos el proceso se ve afectado por variaciones de diversas fuentes, que típicamente tienen diferentes frecuencias y amplitudes. Obviamente, entre más fuentes de variación actúen en el proceso más complicada y aleatoria tenderá a ser la información que genere.

El patrón de variación mostrado en la figura 5 a menudo se detecta midiendo la presión del fundido. Obviamente la respuesta en el tiempo debe ser lo suficientemente corta para capturar las variaciones de alta frecuencia que ocurren. Un análisis de Transformada Rápida de Fourier (TRF) puede usarse para analizar una señal compleja y descomponerla en sus frecuencias básicas. La TRF es una herramienta poderosa en la solución de problemas complejos de extrusión.


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