¿Puede hacerse uso del volumen libre de un extrusor sin sacrificar la calidad del producto?

El volumen libre es un término común que describe la cantidad de espacio disponible que tiene el extrusor para procesar un material. Depende de las características del tornillo y se define como el volumen de trabajo calculado como el área transversal libre entre el eje del tornillo y el barril, multiplicada por la longitud de la sección de tornillo que se quiere caracterizar. Se puede expresar en litros por metro. Como es de esperarse, a medida que el volumen libre aumenta también se incrementa la capacidad de procesar más producto. Pero esto es cierto únicamente si el extrusor está equipado con un motor y una caja de engranajes suficientemente potentes.

Esto nos lleva a su vez al concepto del torque de la máquina. El torque es básicamente la fuerza que se aplica para girar el tornillo, medida en pies-libra o en Newtons-metro (Nm). Los ingenieros usan una variedad de fórmulas para describir el torque:

Torque = potencia en hp x constante / rpm
Donde la constante es 5250 para un resultado en pies-libra o 9550 para un resultado en Nm. Se debe tener en cuenta que los motores con controladores de "campo debilitado" pueden desarrollar toda la potencia antes de alcanzar la máxima velocidad, por lo que pueden también generar puntualmente un torque mayor antes de llegar a la máxima velocidad.

El volumen libre y el torque están relacionados porque existe un compromiso entre la energía mecánica que se quiere transferir a la resina en el extrusor y la masa de esta resina contenida en el mismo. El mecanismo o medio de transmisión crítico es el eje del tornillo. Si la razón del área transversal del eje al volumen útil del tornillo es alta, entonces la máquina tiene la capacidad de transmitir una mayor cantidad de energía mecánica a la resina pero la productividad sería baja debido a que el volumen libre es reducido. La capacidad de transmitir una mayor cantidad de energía mecánica se explica en este caso por la mayor resistencia a la rotura del eje del tornillo. En consecuencia, éste es un problema de la resistencia del material con que se fabrica el tornillo. Si el volumen libre comparado con el diámetro del eje del tornillo es alto, entonces la máquina podría procesar una mayor cantidad de resina pero la cantidad de torque a aplicar estaría limitada por la resistencia a la rotura del eje del tornillo.

La tecnología de hoy permite fabricar motores y cajas de engranajes de gran capacidad. Sin embargo, el desarrollo de los materiales para la fabricación de ejes de tornillos es más limitada. El lector puede recordar que el eje de un tornillo en la mitad del extrusor debe soportar las contribuciones de requerimientos de torque correspondientes a la segunda mitad del tornillo. Siguiendo la misma idea, la sección del eje del tornillo ubicado en la garganta de alimentación del extrusor corre con las contribuciones de carga de todo el tornillo y, por lo tanto, se convierte en el punto más crítico.

Debido a que los tornillos simples se fabrican de una sola pieza de material, es posible pensar en tener un tornillo con una sección de alimentación con canales profundos y una sección de dosificación con canales correspondientemente profundos con el objeto de aliviar la exigencia mecánica sobre esta última sección del tornillo. Precisamente porque los tornillos simples pueden fabricarse de una sola pieza de material, ellos pueden ofrecer una mayor resistencia a la torsión por el refuerzo que aportan las aletas.

La situación es diferente en los extrusores de tornillos gemelos por cuanto en estos tornillos el eje tiene un diámetro uniforme y las aletas son accesorios que se insertan acoplados con las ranuras del tornillo. En los extrusores de tornillos gemelos más modernos, el diámetro externo (de los accesorios) dividido entre el interno (eje del tornillo), OD/ID, cae entre 1,43/1 y 1,65/1, para lograr un balance entre la resistencia mecánica del eje, torque aplicado y el volumen libre del tornillo. Debido que estos nuevos volúmenes libres son mayores que los tradicionales ha habido necesidad de contar con ejes ranurados de alta resistencia. Algunas veces estos ejes se fabrican por endurecimiento por estirado y martillado. Estos ejes ofrecen una resistencia torsión que supera en un 20% a la encontrada en los ejes fabricados por corte. Las limitaciones mencionadas se aplican tanto a los tornillos corotacionales como a los contrarrotacionales. En tales máquinas ya es posible operar con velocidades de rotación de 1000 rpm. Este desarrollo es significativo porque involucra el uso de un mayor volumen libre con un eje de diámetro más pequeño y que es capaz de soportar los requerimientos de torque impuestos por la resina. Los requerimientos de torque deben disminuir por efecto del aumento del volumen libre, pero aumentan con las rpm de operación.

En la literatura técnica se hace mención a reportes sobre la manera cómo los diferentes materiales responden al aumento tanto del volumen libre como de las rpm de los tornillos gemelos. Algunos tipos de nylon tienen un buen desempeño inclusive cuando la razón OD/ID se acerca al extremo inferior del rango mencionado anteriormente. Las poliolefinas con índices de viscosidad fraccionales y que no contienen ceras lubricantes deben ser procesadas en máquinas con OD/ID de mayor valor. El procesamiento de resinas con cargas y aditivos no es del todo incompatible con las altas velocidades de giro y los altos torques. Por otro lado, los materiales con densidades a granel reducidas si pueden presentar problemas en este tipo de extrusores. Entre ellos se encuentran las resinas rellenas con aserrín de madera o con talco de tamaño de partícula de menos de un micrón. Puesto que los materiales de baja densidad a granel presentan dificultades debido a la dimensión del volumen libre de la máquina y no tanto por el torque aplicado, se han lanzado al mercado máquinas de tornillos gemelos con razones OD/ID que se acercan a 1,8; lo que representa un incremento del 50% en el volumen libre disponible. En estas máquinas de mayor volumen libre se puede operar a altas velocidades, debido a que no existe una gran generación de cizalladura. Valores de 1800 rpm se han reportado para diámetros de 34 a 76 mm. Cuando el diámetro aumenta a valores entre 98 y 125 mm, la velocidad de giro debe disminuirse a 1500 rpm. Si el diámetro del tornillo supera 133 mm, la velocidad se reduce a 1000 rpm. Este resultado indica que también existe una dependencia con respecto al valor absoluto del diámetro nominal del tornillo en los equipos de tornillos gemelos.