Programas simuladores de extrusión permiten encontrar problemas y oportunidades del proceso

Programas simuladores de extrusión permiten encontrar problemas y oportunidades del proceso

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En general, los programas de simulación han sido usados para predecir el comportamiento de los procesos, en términos de la cantidad de flujo generada y de la temperatura y la presión. Pero un uso más interesante puede ser el de predecir los problemas potenciales que llegan a presentarse durante la transformación.

La tarea de simular en el computador el desempeño de diversos tipos de procesos de extrusión todavía presenta una variedad de retos. Quizás una razón para ello sea el hecho de que, aunque en apariencia la extrusión es un proceso simple, en realidad contiene fenómenos fisicoquímicos complejos: el extrusor es una bomba que tiene la función de fundir una mezcla de resinas y aditivos, y entregarla al final de la máquina en un flujo constante y estable, con una presión y temperatura determinadas, y con propiedades homogéneas a través de toda la masa: composición, temperatura, viscosidad, presión, flujo local, etc. En este caso, al mencionarse el concepto de homogeneidad también se incluye la idea de uniformidad de las propiedades del extruido en el tiempo.

¿Cómo emplear un programa de simulación? 
Una etapa importante del diseño en extrusión es la determinación de las longitudes de alimentación, plastificación y dosificación de los tornillos, que puede lograrse a través de programas de simulación. En la zona de alimentación el material se transporta sólido, y la habilidad de generar presión está determinada por los factores de fricción; en las zonas de plastificación y dosificación se emplea un modelo de material fundido, en el cual la calidad está expresada en términos de la temperatura del material a la salida del extrusor y de la distancia requerida para fundir completamente la resina (hasta el final de la zona de plastificación). Estos valores son proporcionados por los programas de simulación de extrusión, y pueden ser empleados para diseñar nuevos extrusores, a partir del análisis de calibración en máquinas existentes.

La simulación del comportamiento del material desde el estado sólido hasta el estado líquido es la etapa que presenta mayores retos, según afirman Jiri Vlcek y John Perdikoulias, de Compuplast Internacional Inc. Pero otra dificultad puede presentarse cuando trata de aplicarse el programa de simulación a situaciones reales. "El primer paso al aplicar de manera apropiada una simulación de extrusión es calibrar el programa. La calibración es la etapa en la cual se relacionan los resultados de los cálculos de simulación con las cantidades medidas en el proceso real de producción. Durante el proceso de calibración, el usuario básicamente determina el valor de las predicciones numéricas y su significado frente a las lecturas del proceso real".

La dificultad radica en que aún existen grandes incertidumbres en la medición directa de parámetros de proceso, como los valores de la viscosidad del polímero, las temperaturas del material fundido, los factores de fricción, las temperaturas del barril, entre otros. "Si por ejemplo, la simulación predice que la temperatura de la masa fundida a la salida del extrusor es de 220°C pero las termocuplas del equipo leen 200°C, el usuario tiene la opción de aceptar que la simulación provee un 10% de error, o puede ajustar algunos parámetros del proceso dentro de la simulación (por ejemplo, elevando la temperatura del barril) para intentar tener una mejor correlación". De acuerdo con los autores, esta última opción puede ser la más aceptable, sobre todo si se tiene en cuenta que una limitación de los programas de simulación radica en la falta de conocimiento de los patrones de conducción de calor alrededor de la pared del barril, y a que las lecturas de los controladores de temperatura pueden no ser exactas. Se debe tener en cuenta que los factores de fricción dependen de la temperatura del barril.

Simulación en tornillo sencillo 
El programa FLOW 2000, de Compuplast Internacional Inc., puede correr en los computadores comunes y no necesita contar con requerimientos especiales. Se compone de módulos o cajas de herramientas que permiten analizar los procesos de extrusión, el desempeño de los dados y la reología de los materiales. El módulo de extrusión emplea un sistema de análisis numérico por diferencias finitas que se basa en el trabajo original de Agur y Vlachopoulos (Polymer Engineering and Science, 22, 1084, 1982).

La versión 5,0 cuenta con varias mejoras en la información de la reología de los materiales y sus parámetros de comportamiento térmico. Los tornillos pueden ser simulados empleando varios tipos de resinas para encontrar las condiciones de procesamiento más recomendables. Entre los módulos del programa se cuentan: Extruder, Flow 3D, Flow 2D, Profile Cooling, Flat Die Coex, Spiral Die, Multi-layer y Chill Roll. El módulo más reciente es el Flow 3D, y presenta herramientas que le permiten al usuario desarrollar estudios detallados de flujos con características complejas: puede ser empleado para analizar nuevos tornillos y dados de extrusión, y puede ser usado también para investigar y explicar ciertos fenómenos de flujo como la encapsulación de capas en sistemas de coextrusión con dado plano. Cuenta con un método de seguimiento de partículas que puede emplearse para determinar la distribución inicial de una estructura multicapas con el fin de optimizar las características de la distribución final; esto puede ayudar, por ejemplo, a reducir la cantidad de piel con resina virgen que debe usarse en la coextrusión de un perfil.

Otras características mejoradas en este módulo son la interfaz de diseño gráfico, la animación del flujo, el generador de soluciones rápidas y la calidad de las imágenes; adicionalmente puede leer archivos POLYCAD 3D v 3,0 y cuenta con una interfaz para interactuar con la base de datos que almacena las propiedades de los materiales. Compuplast también adicionó recientemente a su programa FLOW 2000 la posibilidad de balancear de manera automática el flujo en el módulo de simulación de los dados de extrusión.

Los diseñadores de programas para la simulación de procesos de moldeo por inyección están introduciendo módulos de simulación para el extrusor de la máquina. Así por ejemplo, CoreTech Systems de Taiwan adicionó a su programa Moldex 3D un módulo que simula la plastificación de la resina con base en el diseño del tornillo, la reología del material y las condiciones de operación. Esta herramienta fue desarrollada en conjunto con Compuplast Internacional, y también incluye un módulo que simula la inyección de poliuretano RIM.

El programa de simulación para extrusión Extrusim 2000 de Dual Spiral Systems, una empresa de Ontario, Canadá, está diseñado para predecir el comportamiento de los extrusores de tornillo simple. Entre los parámetros que puede predecir se encuentran el consumo de energía, la productividad y el torque. También es posible realizar estudios de comparación para determinar la mejor geometría de tornillo y la mejor resina para el proceso, enmarcados dentro de un análisis de costos. Dual Spiral Systems promete asistir al usuario más allá de las etapas de diseño y manufactura del equipo; también puede prestar ayuda para optimizar las nuevas operaciones de extrusión y para resolver problemas en equipos nuevos o ya existentes. De acuerdo con los representantes de esta compañía "Muchas líneas de extrusión son operadas bajo variables de proceso que no son las óptimas para lograr la máxima eficiencia. Nosotros ofrecemos un paquete que optimiza el proceso de extrusión, donde podemos entregarle una metodología de análisis profundo sobre la manera como puede mejorar la eficiencia de su planta. Esto puede involucrar también la determinación de las variables que limitan el proceso actual en términos de productividad y de generación de desperdicios y tiempos muertos". La empresa ofrece también programas diseñados a la medida de las necesidades de los usuarios y que pueden replicar cualquier sistema de extrusión. Tales ventajas permiten la solución de problemas como fractura del material fundido, inestabilidad interfacial, degradación del material, formación de geles, sistemas con presiones demasiado altas, compatibilidad de nuevos materiales con los equipos existentes, y otros más. La empresa ofrece el programa sin costo a sus compradores de equipos, quienes pueden visualizar el efecto del cambio de las variables sobre el desempeño de la línea de extrusión.

Adicionalmente, el programa puede realizar análisis de tornillos de barrera con geometría variada y diferentes tipos de resina. También tiene la posibilidad de simular el desempeño de los tornillos de dos etapas con varias formas, incluyendo el flujo de venteo. El programa opera en Windows 95/98 y NT/2000. El computador debe contar con un procesador Pentium de 90 MHz y 32 MB de memoria RAM. El disco duro debe tener una capacidad disponible de 12 MB, conexión MODEM de 28,8K, pantalla SVGA y tarjeta de sonido.

EXTRUD-2000 es una herramienta de simulación de extrusión desarrollada por Scientific Process & Research, de Pasadena, Estados Unidos. La empresa afirma haber empleado ya 30 años de desarrollo y trabajos de mejoramiento del programa para lograr su capacidad actual de resolver problemas de extrusión de alta complejidad. Con la herramienta logran la optimización de los perfiles de temperatura en el barril, y en lugar de emplear máquinas para hacer corridas de prueba, desarrollan experimentos virtuales que incluyen varios tipos de resinas y productos, lo cual permite seleccionar el tamaño adecuado y la configuración óptima de nuevos equipos. En un típico trabajo de simulación el usuario alimenta el programa con información básica sobre la resina (como viscosidad vs. velocidad de cizalladura, densidad, punto de fundición y propiedades térmicas), la cual se encuentra en una base de datos que contiene las propiedades de cerca de 5000 polímeros. También se introducen al programa las especificaciones físicas del barril y el tornillo, los parámetros de operación, etc. En total son cerca de 250 variables que pueden ser entregadas al programa y luego modificadas con facilidad y de manera rápida.

El programa muestra la lista de archivos de trabajos realizados con anticipación y permite combinar la información de tiempo real con aquella almacenada en los procesos de simulación. Los formatos de los archivos facilitan el almacenamiento y extracción de información con ayuda del ratón. Los resultados del estudio de simulación son presentados en forma gráfica y pueden ser comparados con estudios previos; entre los parámetros entregados en forma gráfica se tienen la temperatura de la resina fundida, su presión, viscosidad, flujo de calor, consumo de potencia, etc, que suman más 100 representaciones posibles. Por otro lado, las hojas de cálculo proveen al usuario con la información presentada en forma tabular y que también puede ser comparada con los resultados de estudios de simulación previos. Las hojas de cálculo son compatibles con Excel de Microsoft. La información pertinente al tornillo es visualizada como si el barril fuera transparente; tal representación ayuda a detectar problemas potenciales sobre la calidad del producto.

El programa de capacitación en procesos de extrusión ITX en su séptima versión presenta el programa de simulación ITXtrude con el cual los usuarios pueden determinar los parámetros más importantes del proceso de extrusión, como pueden ser la velocidad de cizalladura, la velocidad de transporte de sólidos, la tasa de fundición de la resina, el arrastre, el flujo de presión y otras curvas características. El programa se aplica en secuencia de tal manera que el usuario puede trasladar la información a equipos reales en la planta; entonces pueden realizarse cálculos sofisticados sin necesidad de manejar ecuaciones complejas. En el despliegue de las curvas características, por ejemplo de la de presión vs. productividad, el programa muestra una animación de la rotación del tornillo.

Simulación en doble tornillo 
The Japan Steel Works, JWS, de Tokyo, Japón, desarrolló el programa Tex-Fan (del inglés Flow Analysis Network) empleando el método de análisis de flujo por redes, para encontrar la distribución de la presión y la temperatura, el nivel de llenado, el tiempo de residencia y el perfil de fundición durante el flujo axial de un polímero en un extrusor de tornillos gemelos. La empresa afirma que el programa es muy efectivo para reducir el tiempo de nuevos desarrollos y ensayos, así como para optimizar la calidad de los productos.

La simulación parte de la información sobre la configuración del tornillo que entrega el programa Tex-Geo (así llamado por que se refiere a la geometría del tornillo). Este último programa administra la configuración de los tornillos para TEX en la línea de producción o en el laboratorio. Tex-Fan se opera después de definir las propiedades del polímero y las condiciones de extrusión de la máquina. Los requerimientos del computador se reducen a contar con un programa de Windows 2000 o XP, 128 m de memoria, 20m de memoria en el disco duro, pantalla SVGA y lector CD-ROM.

El programa se incluye en la venta de las máquinas y tiene la capacidad de predecir parámetros tan importantes como los perfiles de presión y temperatura de la resina, el llenado del extrusor, tiempo de residencia, razón de sólidos, además de simular la existencia de varios puntos de alimentación al extrusor (máximo once), hacer un seguimiento a las condiciones de operación y llevar un archivo de datos. Cuenta con datos de entrada opcionales como son las dimensiones del equipo, la configuración y velocidad del tornillo y las condiciones de operación. A su vez, el usuario introduce la información relacionada con la resina: velocidad de alimentación, viscosidad, densidad y calor específico; estos parámetros sirven para describir la calidad del extruido y por lo tanto permiten realizar trabajos de investigación y desarrollo de manera simulada. El programa Tex — Geo es el encargado de facilitar el arreglo de la geometría de los tornillos gemelos de las máquinas; está pensado para ayudar en el diseño de la configuración de los tornillos y permitir guardar la información en un archivo de memoria. Es posible realizar ediciones, salvar e imprimir dicha configuración en un formato computarizado.

El Instituto de Ingeniería de polímeros de la Universidad de Akron desarrolló un programa de simulación para extrusoras de tornillos gemelos corrotacionales, y es comercializado por la empresa Temarex Corporation. El programa también es denominado Akro-Co-Twin. Tiene la capacidad de simular la interacción de los componentes modulares del extrusor para determinar las características de mezclado de las resinas y sus aditivos; entre los fenómenos que pueden ser estudiados están los de mezclado, preparación de compuestos, devolatilización y procesamiento con reacción superimpuesta.

El programa fue lanzado originalmente en 1998 y ha sido mejorado para integrar el modelamiento del transporte de sólidos, la etapa de fundición y el transporte del material fundido usando en todos los casos configuraciones modulares de los tornillos. Entrega resultados numéricos y gráficos de variables tales como productividad, tiempo de residencia, torque, consumo de potencia, presión, temperatura y factores de llenado, entre otros. El usuario no tiene que especificar el punto en el cual se inicia la fundición del material pues éste es determinado automáticamente. La versión 3A del programa ofrece como características adicionales una mayor facilidad de operación debido a su estructura presentada en forma de menú, un sistema organizado por categorías, mayor facilidad para hacer modificaciones y re-simulaciones y posibilidad de abrir varias ventanas para visualizar el extrusor, tornillo, barril y las predicciones del desempeño.

Los cambios que se han dado en la industria de fabricación de equipos han dejado a los usuarios con una mezcla de máquinas de características variadas, lo que en ocasiones puede generar subutilización de los equipos; por otro lado, los nuevos equipos de alguna manera deben ser compatibles con los existentes, sin importar la marca o el modelo. En este sentido, el programa es una herramienta que permite acomodar la operación de la planta al dinamismo de este ambiente industrial: su base de datos cuenta con una gran variedad de especificaciones de máquinas de extrusión que ya existen en el mercado de las marcas Coperion Werner y Pfleiderer, Japan Steel Works, Berstorff, Clextral, Comacplast, Kobe Steel, Macross y Windsor. De acuerdo con los diseñadores de la herramienta, el usuario puede simular el proceso cambiando de máquina, sin importar su marca o modelo. El programa entrega respuestas rápidas que dan la posibilidad de hacer ajustes en la configuración de los tornillos en el menor tiempo posible.

PolyTech TXS ofrece su programa de simulación de procesos de extrusión con tornillos gemelos TXS Twin-Screw Extrusion Simulation. TXS es un paquete que analiza la producción de materiales compuestos, operando en el modo corrotacional con las aletas intercaladas. El programa simula todas las etapas del proceso y considera la posibilidad de contar con puntos múltiples de alimentación y de venteo; además, los tornillos pueden ser construidos de módulos virtuales. En su última versión, puede acomodar hasta tres tipos de rellenos sólidos y hasta tres tipos de aditivos líquidos, y la base de datos cuenta con las especificaciones de cerca de 50 máquinas comerciales. El fabricante anuncia que no es necesario pagar una licencia anual y que la compra del programa incluye una licencia permanente para un solo usuario; para usuarios adicionales es necesario comprar una licencia múltiple.

El procedimiento para usar TXS es simple, de acuerdo con informaciones de su fabricante. Inicialmente se selecciona una máquina de la base de datos y se ensamblan el tornillo y barril virtuales con una longitud determinada; se especifican también el tipo de dado y otros elementos de la máquina. Una base de datos separada contiene la información sobre los rellenos y aditivos, y el editor TXM le permite al usuario adicionar o modificar las propiedades de las resinas en grupos de familias. Al introducir al programa los materiales seleccionados se establecen automáticamente las condiciones iniciales de operación del equipo, las cuales pueden ser modificadas a conveniencia. Los cálculos de simulación se realizan usando las opciones sobre los modelos que representan varios fenómenos de transporte en el proceso. Los ajustes de la simulación con respecto a los datos experimentales se pueden realizar empleando la capacidad que da el programa TXS para reajustar los coeficientes de transporte. Los resultados se presentan por medio de tablas y gráficas.

Shell Global Solutions Secretariat Business Group, de Holanda, cuenta con un programa de simulación para el proceso de extrusión denominado Shell Twin Screw Software, STSS, que ayuda a definir la ventana de operación para las máquinas extrusoras de tornillos dobles. El programa se emplea para optimizar las condiciones de operación de los sistemas corrotacionales, buscando la mejor calidad de producto y un procesamiento más económico. Los datos que se entregan al programa comprenden la velocidad del tornillo, la presión al final del mismo, la productividad, la temperatura a la entrada del extrusor y las propiedades del material incluyendo sus características reológicas. STSS simula el perfil de presión a lo largo de la máquina, el nivel de llenado, el tiempo de residencia promedio, el consumo total de potencia y el perfil axial de temperatura de la resina.

El instituto IKV, localizado en Aachen, Alemania, ha desarrollado programas de simulación para resolver problemas específicos que requieren un conocimiento muy detallado de los procesos. Estas soluciones están disponibles para los usuarios de la industria: MOREX configura extrusores de tornillos gemelos corrotacionales intercalados de manera muy apretada; PROWEX, configura el comportamiento reológico de dados de extrusión; ERKON, simula el proceso de enfriamiento de partes moldeadas por soplado; HEIZEN, representa los procesos de calentamiento infrarrojo y enfriamiento de materiales plásticos; RHEOGRAF, evalúa las mediciones en reómetros capilares y determina los parámetros de los modelos representativos de la reología del material en particular; y SHEET COOL-AIX, simula el proceso de enfriamiento durante la extrusión de películas y láminas plásticas.

El programa MOREX proporciona apoyo a los usuarios interesados en simular procesos de extrusión convencional o con reacción incorporada, empleando tornillos de configuración modular; corre en computadores PC con DOS y acerca al usuario a una situación óptima de diseño del proceso. La información que entrega la simulación contiene el nivel de llenado, la temperatura de la resina fundida, la conversión de la reacción, la presión de la resina cuando hay llenado completo, la viscosidad, la potencia disipativa del motor, la capacidad calentamiento o enfriamiento a través de la pared del barril, además de la configuración del tornillo.

El programa SHEET COOL-AIX calcula las condiciones de enfriamiento de una película o lámina durante el proceso de extrusión. Los resultados incluyen la distribución de temperatura dentro del material a todo su largo como función también del espesor. Esta información ayuda a escoger las temperaturas de operación de las unidades de halado de la mejor manera posible.

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