Mezclado más rápido y a menor costo en procesos de extrusión

La fabricación de compuestos termoplásticos se ha basado tradicionalmente en el uso de extrusoras de doble tornillo o de tornillo simple, para obtener la mezcla de un polímero con un aditivo en proporciones que normalmente pueden ir desde 20 hasta 70%. Este es un proceso preliminar e indispensable para la transformación final de la gran mayoría de productos plásticos y, en algunos casos, determinante para garantizar el desempeño adecuado de una pieza plástica.

La tarea de incorporar un aditivo a un polímero está compuesta por una serie de etapas que pueden involucrar dosificación, premezcla, alimentación, mezclado intensivo, bombeo y peletizado o formación de perfiles. Desde su invención en 1938, la extrusora de doble tornillo ha tenido el rol principal del proceso. Sin embargo, los avances en la tecnología de mezcla dispersiva le han permitido al tornillo simple desplazar al doble tornillo en varios nichos del mercado, gracias a sus bajos costos de inversión y de funcionamiento. En la actualidad, el proceso de fabricación de compuestos no presenta cambios fundamentales desde el punto de vista comercial, pero se pueden observar una serie de innovaciones en los equipos industriales que buscan mayor productividad y simplificación del proceso.

Mezclado intensivo 
Como se reseñó en la edición de abril de 2005, Leistritz cuenta con una nueva tecnología en el sistema de acople de las secciones de mezcla a los ejes de rotación. Dicha tecnología fue denominada maXXshaft y se aplica en sus modelos ZSE MAXX y ZSE FLEXX. Este sistema, además de usar perfiles trapezoidales (no triangulares), tiene una mayor relación de diámetro exterior a diámetro interior, razón por la cual los ejes pueden soportar más torque y tienen un mayor volumen libre. Según información de Leistritz, dicho aumento en el volumen libre, combinado con un sistema de enfriamiento mejorado denominado maXXcooling, da como resultado incrementos en la productividad que pueden estar entre 25 y 35%.

CTE, de Japón, ofrece actualmente un modelo denominado HTM (mezclador doble horizontal). La primera sección de mezclado usa un mezclador tipo Banbury, el cual permite incorporar hasta 70% de cargas de hidróxido de magnesio para cables, 80% de harina de madera o talco, ó 70% de dióxido de titanio para masterbatch. El material pasa después a una sección de tornillo de barrera y a un venteo con bomba de vacío antes de llegar a la sección de tornillo simple de uno de los dos ejes co-rotantes que suben la presión antes de que el material llegue al dado. CTE ha reportado que este diseño previene el sobrecalentamiento de los materiales y los mantiene a temperaturas de proceso 10 ó 20ºC menores que las de los dobles tornillos convencionales. La sección de doble tornillo es de 28:1 y la del tornillo simple es 14:1, lo que da en total un barril de 42:1.

En el laboratorio de Tecnología y Materiales Plásticos Avanzados del Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Clemson, se desarrolló un sistema de mezcla innovador, denominado "Smartblender", el cual permite obtener morfologías de mezcla muy variables. Dicho sistema realiza la mezcla de los componentes mediante el doblado y estiramiento de las fases, en lugar de distribuir una dentro de la otra. El sistema usa un principio de dinámica de fluidos denominado "advección caótica", que se define como el movimiento caótico de partículas pasivas en un fluido. Un diagrama básico del proceso se observa en la figura 1.

El equipo consta de dos extrusoras simples que alimentan un cuerpo hueco de sección circular en la alimentación y en la salida, pero de sección ovalada en el medio. En el interior del cilindro hay dos ejes longitudinales desfasados del centro, los cuales, al girar a velocidades variables, permiten la acción de doblado. En la extrusión de láminas con este sistema se pueden lograr ventajosas propiedades anisotrópicas, como conductividad eléctrica en un sentido preferido, propiedades de barrera y propiedades mecánicas.

En mezclas con 70% de polipropileno y 30% de polietileno de baja densidad las mejoras en tenacidad al impacto han llegado a ser hasta del 96%.

Ahorro de tiempo y dinero Berstorff
 cuenta con una nueva serie de extrusoras de doble tonillo co-rotantes denominadas ZE Basic, las cuales pueden costar cerca de 20% menos que su serie de alto nivel ZE-UTX y ofrecen prácticamente el mismo desempeño. Berstorff dice que esto lo logró principalmente por el alto nivel de estandarización en las partes fabricadas para ensamble. Adicionalmente adoptó nuevas tecnologías, como el endurecimiento por inducción del interior del barril, el cual reduce los costos de fabricación y dice tener la misma resistencia al desgaste que los recubrimientos bimetálicos. La empresa ofrece también un nuevo sistema de cierre rápido del barril tipo abrazadera, el cual permite cambiar los segmentos de mezclado de los tornillos 70% más rápido que los cierres convencionales con pernos o barras de unión.

La compañía Coperion ofrece una nueva serie de extrusoras de doble tornillo co-rotantes. Las máquinas fueron diseñadas en Alemania y ensambladas en China, bajo la marca Coperion STS. Este nueva marca es por lo menos 30% más económica que los equipos de alto nivel Coperion Werner & Pfleiderer ZSK. Las máquinas STS utilizan cajas de engranajes construidas en Alemania, pero los cojinetes están diseñados con estándares intermedios de desempeño y resistencia al desgate.

C.A. Picard, de Alemania, ofrece un dispositivo denominado sistema FD, el cual desprende material que se ha congelado sobre los ejes de los tornillos. Este dispositivo es construido en China y puede ser instalado en ejes con diámetros que van desde 25 hasta 140mm.

En Alemania, Leistritz mostró la primera extrusora industrial para fabricación de compuestos capaz de cambiar automáticamente de barril. La idea es poder usar una misma fuente de potencia para barriles de diferentes relaciones L/D, por ejemplo un barril corto para masterbatch y un barril largo para compuestos con material de relleno. Los cambios de barril pueden tomar 15 minutos y la extrusora puede manejar barriles con relaciones L/D que van desde 32:1 hasta 52:1.

La compañía Coperion Waeschle cuenta con un nuevo modelo de mezclador estático para mezclar polvos que fluyen libremente en silos. Los bafles internos dividen el polvo en cuatro zonas con forma de pastel, alrededor de una pequeña zona central.

Farrel introdujo al mercado una nueva tecnología, que resultó de la compra de Francis Shaw en 1999. Con el fin de tener un equipo para mezcla de plásticos sensibles al calor, Farrel hizo una modificación del modelo Intermix de Shaw. Este equipo consta de un mezclador de doble rotor entrecruzado y tiene ahora cinco zonas de calentamiento en lugar de dos. Así mismo, tiene un rotor con nueva geometría.

Transmisión de potencia Farrel Corporation
 ha utilizado recientemente motores hidráulicos de pistón radial en sus extrusoras. Estos motores, además de ser más compactos que los hidráulicos de cigüeñal o los eléctricos de la misma potencia, suministran su torque máximo a lo largo de todo el rango de velocidades y generalmente prescinden de engranajes. Este tipo de motores son fabricados por diferentes compañías, pero Farrel usa los motores de Hagglunds Drives.

Una de las tendencias recientes en la transmisión de potencia en extrusoras ha sido la utilización de 4 motores en lugar de uno. Esta tecnología vista en compañías como Magme, fue implementada en extrusoras comerciales de doble tornillo por la compañía Henschel. El sistema, denominado por Henschel como TMG, le atribuye a un equipo mayor capacidad de producción con respecto a extrusoras del mismo tamaño con transmisiones convencionales. El sistema de transmisión fabricado actualmente por K. & A. Knoedler ha sido inicialmente implementado por Henschel en extrusoras contra-rotantes y posteriormente se ha trabajado su implementación en extrusoras co-rotantes.

Leistritz también ha desarrollado este tipo de tecnología mediante su aplicación en extrusoras de doble tornillo de laboratorio y ahora está trabajando en equipos de escala industrial.

Dados y peletizadoras  Black Clawson Converting Machinery
 tiene ahora un diseño de dado para peletizadoras de corte bajo agua, enfocado a materiales de baja viscosidad como los compuestos de gran contenido de EVA (hasta 40%). El peletizador tiene una placa de corte horizontal y canales de calentamiento más cercanos a la superficie para evitar el congelamiento en los agujeros. La superficie del dado está recubierta con material cerámico para aislarlo de la temperatura del agua. Adicionalmente, Black Clawson presta el servicio de recubrimiento de dados para peletizadoras con anillo de agua o de corte bajo agua (propios o de otras marcas) con su material cerámico.

Coperion Werner & Pfleiderer cuenta con un dado de fácil reemplazo, el cual se ajusta con dos mordazas y se retira con 6 tornillos de medio giro, en lugar de pernos totalmente roscados. Las mordazas son colgantes en el momento de retirar el dado.

Econ GMBH ofrece una peletizadora de corte bajo agua, provista por un dado recubierto con una capa de pocos milímetros de Ceconoid. Según la compañía austriaca, esta mezcla de resina y minerales es aparentemente más dura que el diamante. Los primeros ensayos realizados con materiales rellenos de vidrio mostraron que no hubo desgaste.

Por otra parte, CTE tiene ahora una peletizadora compacta, especialmente diseñada para compuestos de plástico y madera, que combina el corte en seco sobre el dado y el anillo de agua. Esta peletizadora usa agua, aire o una combinación de ambos para enfriar el material, dependiendo del contenido de madera. Las capacidades para este equipo están actualmente entre 440 y 1.760 lb/hr.

Mezcladores  Conair
 presentó este año un nuevo sistema de mezclado gravimétrico para gránulos llamado Trueblend, que ofrece mayor productividad y un sistema de control más preciso y fácil de usar. Una de las principales ventajas del Trueblend es que evita fugas de gránulos, lo cual es común en muchos otros equipos de mezclado del mercado actual. Esta eliminación de fugas se traduce en ahorro de material y en una mayor precisión en la dosificación de los ingredientes.

Conair también ofrece un nuevo diseño de válvulas de alimentación de deslizamiento vertical, el cual evita el atascamiento de material que normalmente presentan las de deslizamiento horizontal. Estas válvulas han sido diseñadas con doble accionamiento, por lo que no dependen de un resorte para su operación. El tamaño de la compuerta de las válvulas puede ser modificado para obtener diferentes diámetros de alimentación. Esto permite tener mayor precisión con ingredientes que se alimentan en muy bajo volumen.

El mezclador K4G, de K-Tron, es un paquete completo de mezclado para la industria de compuestos, y extiende ampliamente las tasas de alimentación y la flexibilidad en el rango de materiales que pueden usarse con un solo equipo. Tiene de uno a ocho módulos de alimentación y el usuario puede escoger entre seis sistemas de alimentación diferentes para incorporar a la mezcla, incluyendo los sistemas de alimentación BSP (bombeo de sólidos), que proveen una dosificación precisa y sin pulsaciones. El equipo emplea la tecnología de pesado SFT III, un marco de mezclado compacto con sistemas integrados de relleno por vacío, y cuenta con los sistemas de control Smart HiPo (KSHM) y Smart Stepper (KSSM) para la serie de alimentación de bombeo de sólidos BSP.

Maguire introdujo nuevas mejoras a su mezclador MicroBlender, para alcanzar un mejor desempeño y mayor durabilidad. La primera modificación consistió en el empleo de tolvas en acero inoxidable para evitar la corrosión y los daños causados a las superficies cuando el equipo se sometía a trabajos forzosos o se dejaba caer. El segundo cambio se dio en el sistema de dosificación, que gracias a una mejora en el diseño, evita que las válvulas neumáticas de dosificación vertical se atasquen fácilmente. El MicroBlender es un mezclador diseñado para usarse con máquinas de capacidad de procesamiento pequeña o mediana y puede alcanzar los 45 kg/h en tasa de procesamiento. El uso de válvulas dosificadoras neumáticas hace que el equipo logre una precisión dentro de +/- 0.1% para lotes de mezclado de hasta 400 gramos.

Sterling adicionó a su línea un mezclador de menor tamaño, el SGBD 150, capaz de procesar de dos a cuatro componentes a tasas que oscilan entre 4.6 y 68 kgs/hr. El sistema tiene tolvas removibles que permiten cambios rápidos de color, y cuenta con una interfaz de pantalla táctil y control por PLC, que permite almacenar recetas y dosificar con precisiones inferiores a 2%.