Lo que usted debe saber sobre diseño de tornillos

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En la industria plástica de hoy, de la misma forma en que ha ocurrido desde el inicio de la extrusión de plásticos, el usuario final ha dependido del proveedor de equipos y/o del fabricante de tornillos para aprovisionarse del diseño adecuado de tornillo para su proceso y material específicos. La mayoría de los procesadores ha aprendido a lo largo de los años algunos puntos críticos relacionados con el diseño de tornillos, pero nunca ha entendido completamente la razón por la cual sus proveedores le ha recomendado ciertos aspectos acerca de los tornillos que ha comprado.

El objetivo de este artículo es explicar algo del conocimiento básico requerido para que el usuario final haga una decisión adecuada al usar o comprar un tornillo sencillo para una aplicación de agujero liso.

Nomenclatura
Antes de empezar, necesitamos definir algunos de los componentes básicos del tornillo de hélice sencilla. Estos términos se presentan en la; figura 1 .

Relación L/D La definición del factor L/D (relación entre longitud y diámetro del tornillo) varía de un proveedor a otro. Algunos fabricantes lo definen como la porción "encerrada" del tornillo, o miden la longitud de la hélice desde el lado frontal del puerto de alimentación hasta el final del tornillo. Otros miden la longitud de la hélice desde el centro del puerto de alimentación, y otros miden la longitud "efectiva" (o toda la longitud de la hélice). La forma en la que se defina la relación L/D es una cosa, pero la porción de material que el fabricante de tornillo debe maquinar efectivamente se determina como se muestra en la; figura 1. Un ejemplo que indica cómo determinar el factor L/D para un tornillo de 2,5" sería como sigue:
 

Diámetro del tornillo = 2,5"
 
Longitud de la hélice = 63"

Entonces
L/D = 63/2,5 = 25,2

 


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MÁQUINAS DE EXTRUSIÓN DE NUESTROS PROVEEDORES: 


Un fabricante de equipo original clasificaría este equipo como una extrusora de L/D 24:1, pero el fabricante del tornillo la cotizaría como una de 25,2 L/D, porque esa es la cantidad real de maquinado que se requiere para fabricar el producto.

Las relaciones L/D típicas son 24:1 y 30 ó 32:1, pero hay aplicaciones especiales donde los extrusores son apenas de 10:1 L/D ó alcanzan 50:1 L/D. La relación adecuada se define por el proceso y aplicación que deba satisfacerse.

Sección de alimentación - Profundidades
Refiriéndose a la; figura 1, la sección de alimentación es el primer elemento del tornillo al que se le introduce polímero. Típicamente, en extrusores de agujero liso, ésta es la parte más profunda del tornillo. En los diámetros más pequeños (2,5" y menos) se debe prestar atención especial a esta sección para reducir el riesgo de falla por torsión debido a la sobrecarga de torque en el tornillo. Algunas veces es recomendable fabricar los tornillos pequeños en acero inoxidable 17-4 PH, o en otro material de alta resistencia a la cedencia, para reducir el riesgo de este tipo de falla.

Como regla de dedo, la sección de alimentación de un tornillo no debería ser superior a:

Fdmax 0,2(Diámetro del Tornillo) Ecuación 1

 

Esto es para tornillos que tengan un diámetro igual o inferior a 4,5". Por ejemplo, para un tornillo de 2,5", se tendría:
 

Fdmax 0,2(2,5") = 0,5" Ecuación 2

 

Si el diseño del tornillo requiriera una zona de alimentación superior a este valor de Fdmax, deben hacerse los cálculos de torque correspondientes. Entonces, si la resistencia a la cedencia del tornillo va a exceder el factor de seguridad de 2:1 del acero original con el que se va a fabricar, deberá escogerse un acero de mayor resistencia a la cedencia.

Sección de alimentación - longitud
La principal función de la sección de alimentación de un tornillo es transportar sólidos. La teoría básica de transporte de sólidos determina que "el plástico debe adherirse al barril y deslizar sobre el tornillo, de tal forma que el polímero se desplace hacia delante". Para que esto ocurra el coeficiente de fricción (COF) del polímero debe ser superior en la pared del barril que en la raíz del tornillo. De esta forma, algunos polímeros tienen inherentemente mejores COFs que otros, y para ellos no se requieren secciones de alimentación largas. Típicamente, para la mayor parte de resinas una sección de alimentación con una longitud de cuatro o cinco diámetros medidos desde la garganta de alimentación, hará posible alcanzar suficiente presión para transportar el material hacia delante.

En el caso de que las resinas sean pobremente alimentadas o de que los materiales tengan un COF bajo, la longitud de la sección de alimentación debe alcanzar de ocho a diez diámetros. Una de las razones para tener mayores secciones de alimentación es hacer que se introduzca más calor a la forma sólida de la resina, haciendo que se adhiera al barril y de esta forma ayude en el desarrollo de la presión requerida para tener un buen transporte de sólidos. En este punto también debería mencionarse que en el caso de materiales pobremente alimentados, también es benéfico el uso de enfriamiento interno en el tornillo, para mantener la raíz fría y mejorar el COF entre la resina y el acero en la raíz del tornillo.


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MÁQUINAS DE EXTRUSIÓN DE NUESTROS PROVEEDORES: 


Debería mencionarse que para encontrar una forma de mejorar el transporte de sólidos en resinas que tienen un COF deficiente, en Europa durante la primera etapa de la década de 1960 se creo la tecnología de alimentación ranurada; desde esa época su aceptación ha venido en crecimiento, a paso lento pero firme.

Sección de transición
La sección de compresión o transición en un tornillo convencional es donde tiene lugar la mayor parte de la fusión del polímero. Esta es la porción del tornillo que trasciende desde la profundidad de alimentación hasta la profundidad de dosificación, y es donde se efectúa trabajo sobre la resina, haciendo que se produzca la fusión. En esta sección del tornillo, la raíz se vuelve gradualmente menos profunda, forzando al material hacia delante de la pared del barril, donde la fusión se lleva a cabo.

Ejemplo1:

@
F =.006" / 1" = .006 pulg./pulg.

 

El factor más importante a considerar al diseñar la sección de transición, es que la pendiente de esta zona debería ajustarse tan cercanamente como sea posible a la tasa de fusión del material. Con el fin de maximizar el flujo másico a la salida del extrusor, y para reducir la cantidad de abrasión que se va a producir al barril y al tornillo, es crítico efectuar este cálculo correctamente.

Más adelante en el artículo se discutirá la relación de compresión, y se vinculará a esta sección.

Típicamente, para un tornillo de 24:1 L/D la sección de transición tendrá entre cinco y diez diámetros de longitud, dependiendo del tipo de polímero que sea procesado.

Sección de dosificación
La sección de dosificación o bombeo en el tornillo es donde se completa la fusión del polímero, y donde se genera presión para superar la restricción impuesta por el cabezal. Para calcular el flujo másico, puede hacerse un cálculo como el que sigue:
 

Tasa = 2.3*D2*hm*SG*N Ecuación 3

 

Tasa = flujo másico (lb/hr)
D = Diámetro del tornillo (pulgadas)
hm Profundidad de alimentación (pulgadas)
SG = Gravedad específica del polímero (gm/cc)
N = Velocidad de rotación (RPM)

Otra forma de obtener el flujo másico es hacer un cálculo basándose en la profundidad de la zona de dosificación. Esto es válido en principio sólo para aplicaciones de baja presión.

Relación de compresión La relación de compresión es probablemente el término más usado en la terminología de diseño de tornillos, aunque no por eso es el mejor aplicado ni el mejor comprendido. La mayoría de la gente acepta la definición de relación de compresión como se muestra en la; figura 2 .

Entonces:

@

 

Como ejemplo, considere que un tornillo de 2,5" tiene una profundidad de alimentación (hf) de 0,300", y una profundidad de dosificación (hm) de 0,100". La relación de compresión se determinaría como:

Ejemplo 2:

CR = .300" / .100" = 3:1;Ecuación 5

 

Pero, adicionalmente, podría tenerse un tornillo de 2,5" con una profundidad de alimentación (hf) de 0,450", y una profundidad de dosificación (hm) de 0,150". Entonces la relación de compresión sería equivalente a:

Ejemplo 3:

CR = .450" / .150" = 3:1;Ecuación 6

 

Ambos tornillos tienen una relación de compresión de 3:1, pero son totalmente diferentes. El primero tiene una tasa de corte mucho mayor, y entregará apenas 2/3 del flujo másico del segundo. El segundo tornillo, además de tener mayor capacidad de procesamiento, operará con menores tasas de corte y por tanto podrá procesar materiales sensibles a esfuerzos cortantes.

Adicionalmente, la pendiente de transición ni siquiera se ha considerado en este caso. Los dos tornillos podrían tener diferentes relaciones de compresión. Pero si la longitud de la sección de transición fuera diferente, aún así podrían tener las mismas tasas de fusión.

Lo que es importante es que al describir la geometría del tornillo todos los detalles sean examinados.

Pueden calcularse capacidades de bombeo precisas usando fórmulas más complejas, pero se requiere entonces que el diseñador del tornillo tenga un entendimiento más profundo sobre el comportamiento de flujo del polímero.

Relación de compresión para tornillos de barrera
Tal como se mencionó, la mayoría de los individuos considera que la "relación de compresión" es el cociente entre la profundidad de la sección de alimentación y la profundidad de la sección de dosificación. Esto es lo que normalmente se denomina "Relación de Compresión de Profundidades", pero hay un medio más preciso para calcular la verdadera relación de compresión, y se define como "Relación de Compresión Volumétrica". Se describe en la siguiente ecuación:
 

@

 

VCR = Relación de Compresión Volumétrica; hf= Profundidad de alimentación;
hm= Profundidad de dosificación;
Lf= Paso en la sección de alimentación;
Lm Paso en la sección de dosificación;
nf Número de vueltas en la sección de alimentación;
nm Número de vueltas en la sección de dosificación;
ef Ancho de la hélice principal en la sección de alimentación;
em Ancho de la hélice principal en la sección de dosificación;
D = Diámetro exterior del tornillo

Aunque más compleja, esta fórmula proporciona valores más exactos de la relación de compresión. La ecuación determina la cantidad de área transversal que hay en la sección de alimentación y la compara con el volumen de la sección transversal del tornillo en la zona de dosificación.

De la misma forma que en los tornillos de dosificación estándar, es importante evaluar la relación de compresión real en un tornillo de barrera. Para determinarla, es necesario comparar el área transversal de la sección de alimentación con el área transversal combinada en la final de la sección de barrera. Esto se muestra en la; figura 3.

La relación de compresión volumétrica de un tornillo de barrera puede presentarse matemáticamente como sigue:
 

@

 

VCR;= Relación volumétrica de compresión;
Wf Ancho del canal en la sección de alimentación;
hf Profundidad del canal en la sección de alimentación;
Wm Ancho del canal de fundido al final de la sección de barrera;
hm Profundidad del canal de fundido al final de la sección de barrera;
Ws Ancho del canal de sólidos al final de la sección de barrera;
hs Profundidad del canal de sólidos al final de la sección de barrera

Este método de comparar una sección con otra entregará una relación más exacta.

Debería notarse que, dependiendo de quién sea el diseñador, el flujo másico entregado por el tornillo puede estar determinado por la capacidad de la sección de barrera o por la capacidad de bombeo en la sección de dosificación. Esto depende totalmente de lo que el diseñador tenga en mente con respecto al desempeño del husillo.

Tornillos de dos etapas
Los tornillos de dos etapas son, básicamente, dos tornillos puestos uno al final del otro para llevar a cabo diferentes funciones. La; figura 4 ;muestra la nomenclatura típicamente usada en tornillos de dos etapas.

La razón principal por la que las extrusoras cuentan con venteo es por la devolatilización de humedad o gases. Hoy, la mayoría de los tornillos de dos etapas diseñados para devolatilizar tienen relaciones mínimas de L/D equivalentes a 30:1 ó 32:1. En la industria del caucho, de moldeo por inyección, y recientemente en la de extrusión, se empleaban tornillos con relaciones L/D menores. Pero la tecnología de extrusión moderna requiere el empleo de tornillos más largos. Normalmente, el flujo másico entregado por un tornillo con venteo es dos terceras partes del que entrega una extrusora de L/D similar sin venteo, debido a que cuando hay venteo debe desarrollarse 100% de fundido en el momento en que la resina alcanza la sección venteada del tornillo. Si en este punto la resina no está completamente fundida, es posible que queden atrapados humedad o gases dentro de los gránulos sin fundir, y por lo tanto, no escapen a través del puerto venteado del barril.

Hay casos en los que se requiere alcanzar una gran cantidad de devolatilización, y por tanto se hace necesario instalar un segundo puerto de venteo. En este caso se necesitará un tornillo de tres etapas. Este tipo de tornillos generalmente son de 36:1 L/D ó de longitudes mayores.

Como se mencionó anteriormente, el tornillo de dos etapas no es más que dos tornillos de una sola etapa en tándem. La relación de compresión de la primera etapa se determina en la misma forma que para un tornillo de una sola etapa. Debe mencionarse que en algunos casos pueden emplearse secciones de barrera en la primera de las dos etapas del tornillo.

La diferencia primaria en el diseño de la primera de dos etapas de un tornillo, es que la sección de dosificación no necesita estar concebida para superar ningún tipo de contrapresión. Dado que no hay dado ni restricción alguna aguas abajo, la primera sección de dosificación sólo debe completar el proceso de fusión y bombear la resina hacia la sección de venteo, con presión cero o negativa.

En algunas aplicaciones de venteo, cuando se procesan resinas altamente viscosas, es necesario instalar una bomba de vacío en el puerto de ventilación del barril para ayudar a la devolatilización de la resina.

Finalmente, el propósito primario de la segunda etapa es permitir que se genere un área de devolatilización, y bombear entonces la resina a través del dado.

En el pasado se ha determinado la "relación de bombeo" (PR) como una relación de amplificación de 1,5:1 o 1,6:1:

Ejemplo 4

@

 

Este método trabajará típicamente para aplicaciones donde se procesan resinas muy viscosas.

Un mejor método para diseñar la profundidad de alimentación en la segunda etapa es calcular el flujo neto en la segunda etapa contra el flujo neto en la primera, usando las ecuaciones de "Flujo de Arrastre - Flujo de Presión". La sección de dosificación o bombeo de la segunda etapa debe diseñarse de tal forma que pueda sobre-bombear la sección de dosificación de la primera etapa al menos en un 25%, y de esta manera evite que la resina se desborde a través del puerto de venteo.

El segundo método de diseño tendrá mucho éxito evitando el flujo de resina a través del puerto de venteo, siempre y cuando se usen modelos reológicos adecuados para prevenir en la ecuación de Flujo de Arrastre - Flujo de Presión.

Finalmente, para determinar la profundidad de la sección de venteo, normalmente una relación de 2:1 a 2.5:1 con respecto a la sección de dosificación de la segunda etapa es suficiente para evitar que la resina fluya a través del puerto del barril.

Conclusión
El propósito de este artículo no era presentar algo revolucionario; pretendía simplemente explicar algunos de los procesos que un diseñador usa para determinar cómo se va a aproximar al diseño de un tornillo.

Como siempre, es muy importante para el cliente equipar al diseñador de tornillos con suficiente información sobre el equipo, datos de la resina o reología, y datos de procesamiento del tornillo existente.

Finalmente, el principal propósito de esta presentación era ayudar a la audiencia a entender en mejor manera los mecanismos de funcionamiento detrás de cada una de las secciones del tornillo. Gracias a este mejor entendimiento, el ingeniero de proceso puede dar solución a un problema con mayor facilidad, o mejorar un diseño existente.


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