Análisis sobre el termoformado y la extrusión de lámina para envases de pared delgada

Un nuevo sistema para producción de lámina de PET, presentado en conjunto por las empresas Davis Standard LLC y Gneuss Inc., permite procesar lámina de PET sin secado previo, y es capaz de procesar hasta 900 kg por hora. El sistema tiene en la mira reemplazar a las extrusoras de tornillo sencillo que se usan actualmente para procesar hojuelas PET post-consumo o industrial. Convencionalmente, la humedad y los volátiles se remueven a través de una etapa de secado, para evitar que degraden las cadenas de polímero en la fase de fusión. Y para ser secado, se requiere que el material se cristalice, de forma tal que soporte las altas temperaturas de procesamiento. Ambos procesos requieren tiempo, consumo de energía y equipos adicionales.

En la nueva tecnología, el material virgen y el reciclado se combinan en un mezclador, y la mezcla se transporta por vacío hacia la entrada de una extrusora diseñada por Gneuss, llamada Multi Rotation System. Este sistema de extrusora opera como la sección de venteo de una extrusora mono o doble-torillo, sólo que en este caso la sección es mucho más larga (25 veces más que en una extrusora doble tornillo y 50 veces más que en una mono tornillo). De esta forma se pueden remover los volátiles y la humedad del fundido de forma más eficiente.
El polímero fundido experimentaría menos esfuerzos térmicos y menos esfuerzos cortantes, y la subida de presión experimentada por el fundido dentro de la extrusora elmininaría la necesidad de usar una bomba de engranajes adicional. Las empresas afirman también que puede operarse con un sistema de vacío de menor potencia, lo que reduce costos.

El sistema fue diseñado de tal forma que la lámina terminada puede ser alimentada a un sistema de termoformación directamente. El sistema está en vía de ser aprobado por la FDA para contacto con alimentos.

Otra diferencia importante entre los dos métodos es el precio de mercado del tiempo de máquina o el retorno de la inversión. En la prensa especializada, veo regularmente el costo al cual el tiempo de las máquinas de inyección están disponibles en el mercado. Saltan a la mente cifras de menos de US$100 por hora para máquinas que cuestan cerca de US$1 millón. Ningún fabricante de extrusoras de lámina o de termoformadoras vendería a precios tan bajos o simplistas. Se piensa mucho más en términos de US$1000 por hora en una línea que cuesta más de US$1 millón, a lo que se deben sumar todavía los costos de operación de la máquina de termoformado. Esto se justifica parcialmente por la mayor habilidad que el proceso requiere.

Mientras que la extrusión de lámina y el termoformado eran inicialmente operaciones completamente separadas, donde los rollos se alimentaban a los termoformadores fríos, la mayor parte de las operaciones de alto volumen se hacen ahora en línea. La línea de lámina -sin los rodillos de enrollado- alimenta directamente a la termoformadora con una especie de ciclo de acumulación de láminas, para compensar automáticamente la diferencia entre la cantidad de lámina que llega continuamente y la demanda intermitente del ciclo de termoformado.

Idealmente, la máquina debería mantenerse suficientemente caliente para termoformar sin recalentar, para alcanzar la mejor economía energética. Esto ha sido posible en algunos casos con máquinas pequeñas, en los que el comienzo y el final de cada ciclo de operación no se encuentran muy lejos uno del otro.

Varias compañías europeas han sido exitosas con este tipo de configuración. Mi empresa hizo también muchos de estos sistemas para hacer millones de Solo-Cups multicolor con grandes máquinas de termoformado hechas en Estados Unidos. Se empleó un pequeño arreglo de tres rollos para reducir la temperatura de la lámina entrante, que era producida por cuatro sistemas de extrusión con una capacidad de cerca de 2.000 kg/hr, al nivel de termoformado, al que le seguía un ciclo de acumulación caliente y algunos sistemas de recalentamiento para nivelar las temperaturas de lámina entrantes y salientes. Esto funcionó muy bien y de forma eficiente para poliestireno, pero no fue suficientemente preciso para las críticas demandas de temperatura que aparecen al trabajar con polipropileno, un material semi-cristalino.

El moldeo de polipropileno en línea debe preferirse a cualquier nivel de capacidad, por la angosta ventana de procesamiento que tiene este material. El prolipropileno tiene un punto de fusión muy agudo cerca del rango de 157°C. Debido a la orientación resultante, alcanza las mejores propiedades de rigidez y claridad si se conforma apenas debajo de este punto de fusión. Si la lámina se enrolla, nunca se enfría perfectamente a temperatura ambiente antes del enrollado, y toma varios días de almacenaje estabilizarla en las direcciones longitudinal y transversal. Si se usa antes de que la uniformidad total se logre, el producto es variable e incontrolable. Por lo tanto, la operación en línea es la solución ideal, porque la línea existente de lámina siempre está a la misma temperatura. Esta temperatura puede ser hasta de 82°C, para conservar al menos parte de la energía contenida en la lámina y reducir así el consumo.

Economía
Es difícil calcular o justificar la economía relativa a cada uno de los dos procesos, debido a sus diferencias en escala. Las líneas de termoformado con capacidades entre 3.000 y 4.000 kg/hr se están convirtiendo en la norma para productos de alto volumen, tales como vasos y envases para artículos de consumo diario. No hay una máquina de inyección en este rango, de tal forma que el retorno de la inversión no puede compararse. De otro lado, el ahorro de 20% en costo por materia prima que se puede hacer debido al efecto de endurecimiento por estirado del polipropileno durante la termoformación hace toda la diferencia en el costo del producto y calidad (ver Tabla 1).

Es necesario admitir que el termoformado consume probablemente más energía en total que el proceso de inyección, debido a que aproximadamente 50% del material debe ser recuperado. Si consideramos los tres casos en la Tabla 1 y aplicamos un costo promedio de reprocesamiento de $0.30 por kg reprocesado, aún así se obtienen ganancias (ver Tabla 2).

Aunque en Estados Unidos aún nadie ha decidido termoformar las tapas para los contenedores que se describen en la Tabla 2, varios fabricantes europeos sí lo hacen. y aunque no hay un beneficio significativo por la orientación, el espesor se reduce fácilmente a la mitad sin ninguna desventaja. Esto significa que el peso se puede reducir, por ejemplo, de 6 a 3 g.

Además, las tapas pueden ser  conformadas en máquinas rotatorias de termoformado directamente combinadas, que conservan completamente toda la energía generada en la extrusora y reducen sustancialmente los costos de equipamiento, a la vez que incrementan la capacidad de producción hasta por cientos de miles de tapas por hora en una sola máquina de operación continua.

La economía indisputable de ahorro de material seguirá incrementando la popularidad de las líneas de extrusión y termoformación en línea en un futuro.