Extrusión inteligente y flexible de película soplada

La K 2016 fue la feria de la consolidación de avances tecnológicos en extrusión presentados desde una o dos ferias atrás. Esto no es un resultado menor, ya que dicha consolidación es un indicador de las tendencias industriales y de mercado que sirven para direccionar las decisiones de inversión en tecnologí­as para la diversificación, el incremento de la competitividad y la sostenibilidad de las empresas del sector.

Desarrollo del proceso de extrusión de pelí­cula soplada

La producción de empaques es el principal mercado del proceso de extrusión. En este campo se evidenció un notable aprovechamiento de tecnologí­as existentes para configurar equipos cada vez más eficientes, productivos y flexibles. Los equipos fabricados por empresas como Reifenhí¤user, Hosokawa-Alpine, Windmí¶ller & Hí¶lscher, Kuhne, Davis Standard, y Macchi, entre los principales, tuvieron en común los siguientes elementos:

• Lí­neas para coextrusión de 9, 11 y 13 capas. El incremento del número de capas busca una mayor flexibilidad en la producción, debido a que no se necesitan extrusoras ni canales de flujo en los cabezales especialmente diseñados para cada material; el espesor de todas las capas es muy similar, las extrusoras pueden ser del mismo tamaño y entregan aproximadamente el mismo flujo. Esto permite una completa libertad en el diseño de estructuras sin limitaciones generadas por el equipo de producción.
• Alta productividad que supera los 1.000 kg/h y niveles bajos de consumo especí­fico de energí­a (entre 0.30 kWh/kg y 0.36 kWh/kg).
• Pueden alcanzar velocidades de hasta 400 m/min con sistema MDO integ rado (sistema de orientación en sentido de máquina o “Machine Direction Orientation”). Con esta configuración es posible producir empaques con capas de barrera y/o adhesivo de hasta 2 micrómetros y estructuras multicapa con espesores totales desde 15 micrómetros, con propiedades mecánicas y ópticas mejoradas.
• La posibilidad de integrar sistemas ópticos de inspección de defectos de la pelí­cula en lí­nea. Estos sistemas permiten la detección de defectos con tamaños desde 50 micrómetros y ofrecen un completo reporte con coordenadas exactas XY, que permite la extracción de los tramos de pelí­cula defectuosos en procesos de rebobinado posteriores, para lograr un desempeño más eficiente de los procesos de conversión y mayor calidad de los productos finales.
• Sistemas de control de alta automatización, con diagnóstico e intervención de la lí­nea con acceso remoto.

Se destaca la combinación de algoritmos especiales en los sistemas de control, con el diseño de partes y componentes del equipo para la reducción del tiempo de residencia y sistemas automáticos de limpieza y cambio de materiales en las tolvas de alimentación, para ofrecer cambios rápidos en producción, tanto de formato como de estructuras.

Windmí¶ller & Hí¶lscher realizó demostración en vivo del sistema Turboclean en una coextrusora de 5 capas Varex II, en la cual se logró el cambio automático de materiales, espesor y ancho de la pelí­cula en 12 minutos (normalmente puede tomar 40 minutos el cambio), lo cual puede llevar a ahorros significativos en costos de producción en operaciones industriales que requieren cambios de referencia continuos. La velocidad se hace posible porque todos los pasos están automatizados y ocurren de manera simultánea.

Reifenhí¤user ofrece incluir en sus lí­neas el sistema Ultraflat. Se trata de una unidad que libera los esfuerzos residuales mientras realiza un control homogéneo de la tensión, lo que permite ofrecer pelí­culas perfectamente planas y evitar la aparición de bordes descolgados que afectan la productividad y calidad en procesos de conversión posteriores.

Adicionalmente, esta compañí­a presentó una lí­nea de extrusión de pelí­cula monocapa de polietileno de alta densidad y biopolí­meros. La novedad radica en la alta productividad de pelí­culas con espesores desde 5 micrómetros, para lo cual se requiere incluir un MDO en lí­nea.

Macchi presentó el sistema Recotrim, el cual toma los recortes del proceso de refilado de las pelí­culas, así­ como los no conformes generados, y los alimenta a través de un sistema patentado a una pequeña extrusora cónica doblehusillo que granula nuevamente el material en lí­nea y distribuye el recuperado a las capas deseadas para minimizar la utilización de este material en una sola capa, lo que habitualmente puede generar dificultades como la aparición de geles.

Brampton Engineering hizo una demostración de realidad virtual de su tecnologí­a AquaFrost para extrusión de pelí­cula soplada con enfriamiento a base de agua. En este proceso, la pelí­cula se extruye hacia abajo, y en lugar de utilizar un anillo de aire, la pelí­cula se enfrí­a usando un anillo de agua, el cual está en contacto directo con la burbuja. El uso de agua garantiza un enfriamiento inmediato, con lo cual las propiedades ópticas y mecánicas de la pelí­cula se elevan.

Cabezales para extrusión de pelí­cula multi-capa

Brampton Engineering presentó su tecnologí­a SCD 4.0, con la cual es posible configurar cabezales de manera flexible para producir pelí­cula soplada. Se trata de una configuración por “paneles”, en la cual cada capa extruida tiene un canal con un recorrido corto, con lo cual se logra el menor tiempo de residencia posible y la menor área húmeda en la industria, de acuerdo con el fabricante. Estas ventajas significan que existe una degradación mí­nima, que se requiere menos material para purga y que los cambios de trabajo son más rápidos.

La tecnologí­a de dado cilí­ndrico, en contraposición, incrementa geométricamente el volumen fundido y la superficie humedecida con cada capa adicional. De acuerdo con Brampton, se tiene hasta 3 veces más tiempo de degradación en un dado cilí­ndrico, y hasta 25 veces más en una estructura común PA-EVOH-PA.

Cada capa, formada por módulos, está separada fí­sicamente de la capa adyacente. Esto garantiza un perfecto control de temperatura en cada capa y al mismo tiempo permite variaciones de temperatura entre capas hasta de 40°C. De esta forma se pueden procesar en capas adyacentes resinas que requieren temperaturas de procesamiento diferentes, como EVOH (220°C) y Nylon (250°C) sin que exista riesgo de degradación.

Otra ventaja es que gracias a su diseño modular, es fácil agregar, reemplazar o sustituir capas sin tener que hacer cambios importantes a la lí­nea.

Extrusoras monohusillo de alta productividad

En la Feria K 2013, las extrusoras monohusillo de alta productividad irrumpieron como uno de las principales innovaciones, aunque su desarrollo se remonta a finales del quinquenio 2005-2010. En esta edición las principales empresas de extrusión presentaron propuestas basadas en alguna de las dos tecnologí­as desarrolladas: las extrusoras de cilindro ranurado tipo Helibar y las extrusoras rápidas o HSSSE (“High Speed Single Screw Extrusion”). Ambas unidades de plastificación, con husillos  de 75 mm de diámetro y longitudes que varí­an entre 36D y 40D, están en capacidad de producir entre 800 kg/h y 1.000 kg/h, usando poliolefinas. Como referencia, una extrusora convencional de las mismas caracterí­sticas y con el mismo material, produce entre 150 kg/h y 200 kg/h. Estas tecnologí­as fueron presentadas como parte de lí­neas de producción de tuberí­a, recubrimientos, láminas, pelí­culas, entre otros.

Extrusoras de cilindro ranurado tipo Helibar

Este tipo de extrusoras tiene un conjunto de ranuras helicoidales que abarca la zona de alimentación y la zona de plastificación del husillo. El diseño de las ranuras ayuda a lograr una plastificación mucho más rápida por el incremento del área de transferencia de calor y el cambio en el mecanismo de plastificación. En comparación con la extrusión convencional monohusillo, reivindican la posibilidad de operar a temperatura de masa fundida y consumo de energí­a especí­fico más bajo, el incremento significativo de la homogeneidad y el flujo másico especí­fico (kg/h por revolución o giro del husillo), así­ como la reducción del tiempo de residencia.

Los diámetros comerciales varí­an entre 50 mm y 130 mm aproximadamente y con las adecuadas consideraciones y cambios en el diseño, es posible procesar poliolefinas, polí­meros de ingenierí­a, TPO’s y TPE’s. Este tipo de unidades de plastificación también se han implementado en inyección de termoplásticos con éxito. Algunas de las empresas que optaron por incluir esta tecnologí­a dentro de su portafolio son Helix, Extrudex, Battenfeld-Cincinnati y Weber, entre otros.

Extrusoras de alta velocidad o HSSSE

Estas extrusoras disponen de unidades de plastificación con un diseño especial de los husillos, con la posibilidad de rotar a velocidades máximas cercanas a las 1000 rpm. En ellas no hay un incremento significativo del flujo másico especí­fico. El incremento de la productividad se debe al régimen más elevado de velocidades de rotación. Por esta caracterí­stica, este tipo de extrusoras puede montar motores con acople directo al husillo o cajas reductoras con relaciones de reducción entre 2 y 4. La velocidad tangencial del husillo, que para extrusión convencional está habitualmente limitada a 1 m/s, en este proceso puede alcanzar valores máximos entre 4 m/s y 6 m/s.

La temperatura de masa fundida es más alta debido a las altas velocidades de cizalladura y se requiere un torque más bajo a la misma velocidad de producción, ya que el proceso promueve una viscosidad más baja del polí­mero. También reivindican una buena homogeneidad del extruido, bajos tiempos de residencia y menor consumo especí­fico de energí­a. Son empleadas para la extrusión de PP, PE, PS y sus copolí­meros, así­ como algunos TPO’s y TPE’s. En la K 2016, las empresas que apostaron por esta tecnologí­a fueron Davis Standard, Reifenhí¤user, Periplas y Kí¼hne, entre otras.

Conclusión

La extrusión de pelí­cula soplada para la fabricación de empaques especializados de barrera ha evolucionado a sistemas de 9, 11 y 13 capas para hacer más flexible y productivo el proceso de extrusión, con lí­neas de producción que utilizan los conceptos de Industria 4.0 para la solución de problemas, el control de calidad en lí­nea y la reducción de los tiempos muertos por cambios de referencia. Es posible producir pelí­culas cada vez más delgadas con propiedades mecánicas y ópticas mejoradas para incrementar la competitividad y la sostenibilidad de la industria.

Las unidades de plastificación monohusillo de alta productividad se han integrado a las lí­neas de extrusión para la producción de todo tipo de productos ofreciendo adicionalmente ahorros significativos de espacio y energí­a. Se constituyen en una opción real para la actualización tecnológica de lí­neas de producción existentes en las compañí­as.

*Los autores agradecen a la Unidad de Gestrión Empresarial, administrada por Bancoldex (Colombia), por el apoyo estatal de cofinanciación que permitió la obtención de información requerida para la realización de este artículo.

Artí­culo proveniente de la revista impresa con el código TP3102-ExtrusiónK.