La historia de las máquinas de extrusión de plásticos

La extrusión de plásticos es un proceso de fabricación de gran volumen en el que el plástico en bruto se funde y se forma en un perfil continuo.La extrusión produce elementos tales como tuberías/tuberías, burletes, cercas, barandas de terrazas, marcos de ventanas, películas y láminas de plástico, recubrimientos termoplásticos y aislamiento de cables.
Este proceso comienza con la alimentación de material plástico (pellets, gránulos, escamas o polvos) desde una tolva al cilindro de la extrusora.El material se funde gradualmente por la energía mecánica generada por los tornillos giratorios y por los calentadores dispuestos a lo largo del barril.Luego, el polímero fundido se fuerza en una matriz, que le da al polímero una forma que se endurece durante el enfriamiento.

HISTORIA

Extrusión de tubería
Los primeros precursores de la extrusora moderna se desarrollaron a principios del siglo XIX.En 1820, Thomas Hancock inventó un “masticador” de goma diseñado para recuperar restos de goma procesada, y en 1836 Edwin Chaffee desarrolló una máquina de dos rodillos para mezclar aditivos en la goma.La primera extrusión termoplástica fue en 1935 por Paul Troester y su esposa Ashley Gershoff en Hamburgo, Alemania.Poco después, Roberto Colombo de LMP desarrolló las primeras extrusoras de doble husillo en Italia.

PROCESO
En la extrusión de plásticos, la materia prima compuesta comúnmente se presenta en forma de nurdles (pequeñas perlas, a menudo denominadas resina) que se alimentan por gravedad desde una tolva montada en la parte superior hacia el cilindro de la extrusora.A menudo se utilizan aditivos como colorantes e inhibidores UV (ya sea en forma de líquido o gránulos) y se pueden mezclar con la resina antes de que llegue a la tolva.El proceso tiene mucho en común con el moldeo por inyección de plástico desde el punto de vista de la tecnología del extrusor, aunque se diferencia en que suele ser un proceso continuo.Si bien la pultrusión puede ofrecer muchos perfiles similares en longitudes continuas, generalmente con un refuerzo adicional, esto se logra sacando el producto terminado de un troquel en lugar de extruir el polímero fundido a través de un troquel.

El material ingresa a través de la garganta de alimentación (una abertura cerca de la parte trasera del barril) y entra en contacto con el tornillo.El tornillo giratorio (que normalmente gira a, por ejemplo, 120 rpm) empuja las perlas de plástico hacia el cilindro calentado.La temperatura de extrusión deseada rara vez es igual a la temperatura establecida del barril debido al calentamiento viscoso y otros efectos.En la mayoría de los procesos, se establece un perfil de calentamiento para el cilindro en el que tres o más zonas de calentamiento independientes controladas por PID aumentan gradualmente la temperatura del cilindro desde la parte trasera (por donde entra el plástico) hacia el frente.Esto permite que las perlas de plástico se derritan gradualmente a medida que se empujan a través del barril y reduce el riesgo de sobrecalentamiento que puede provocar la degradación del polímero.

El calor adicional es aportado por la intensa presión y la fricción que tienen lugar dentro del barril.De hecho, si una línea de extrusión está procesando ciertos materiales lo suficientemente rápido, los calentadores se pueden apagar y la temperatura de fusión se puede mantener solo mediante la presión y la fricción dentro del barril.En la mayoría de las extrusoras, los ventiladores de enfriamiento están presentes para mantener la temperatura por debajo de un valor establecido si se genera demasiado calor.Si la refrigeración por aire forzado resulta insuficiente, se emplean camisas de refrigeración integradas.

Extrusor de plástico cortado por la mitad para mostrar los componentes
En la parte delantera del barril, el plástico fundido sale del tornillo y viaja a través de un filtro para eliminar cualquier contaminante del fundido.Las pantallas están reforzadas por una placa de ruptura (un disco de metal grueso con muchos agujeros perforados) ya que la presión en este punto puede exceder los 5000 psi (34 MPa).El ensamble del paquete de pantalla/placa rompedora también sirve para crear contrapresión en el cañón.Se requiere contrapresión para una fusión uniforme y una mezcla adecuada del polímero, y la cantidad de presión que se genera se puede "ajustar" variando la composición del paquete de mallas (la cantidad de mallas, el tamaño de su tejido de alambre y otros parámetros).Esta combinación de placa rompedora y paquete de pantalla también elimina la "memoria rotacional" del plástico fundido y crea, en cambio, "memoria longitudinal".
Después de pasar a través de la placa rompedora, el plástico fundido ingresa a la matriz.La matriz es lo que le da al producto final su perfil y debe diseñarse de modo que el plástico fundido fluya uniformemente desde un perfil cilíndrico hasta la forma del perfil del producto.El flujo desigual en esta etapa puede producir un producto con tensiones residuales no deseadas en ciertos puntos del perfil que pueden causar deformaciones al enfriarse.Se pueden crear una gran variedad de formas, restringidas a perfiles continuos.

El producto ahora debe enfriarse y esto generalmente se logra tirando del extruido a través de un baño de agua.Los plásticos son muy buenos aislantes térmicos y, por lo tanto, son difíciles de enfriar rápidamente.En comparación con el acero, el plástico disipa el calor 2000 veces más lentamente.En una línea de extrusión de tubos o cañerías, un vacío cuidadosamente controlado actúa sobre un baño de agua sellado para evitar que el tubo o cañería recién formado y aún fundido se colapse.Para productos como láminas de plástico, el enfriamiento se logra tirando de un conjunto de rodillos de enfriamiento.Para películas y láminas muy delgadas, el enfriamiento por aire puede ser eficaz como etapa de enfriamiento inicial, como en la extrusión de película soplada.
Las extrusoras de plástico también se utilizan ampliamente para reprocesar desechos plásticos reciclados u otras materias primas después de la limpieza, clasificación y/o mezcla.Este material se extruye comúnmente en filamentos adecuados para cortar en el material de gránulos o gránulos para usarlo como precursor para un procesamiento posterior.

DISEÑO DE TORNILLO
Hay cinco zonas posibles en un tornillo termoplástico.Dado que la terminología no está estandarizada en la industria, diferentes nombres pueden hacer referencia a estas zonas.Diferentes tipos de polímeros tendrán diferentes diseños de tornillos, algunos de los cuales no incorporarán todas las zonas posibles.

Un simple tornillo de extrusión de plástico

Tornillos extrusores de Boston Matthews
La mayoría de los tornillos tienen estas tres zonas:
● Zona de alimentación (también denominada zona de transporte de sólidos): esta zona alimenta la resina a la extrusora y la profundidad del canal suele ser la misma en toda la zona.
● Zona de fusión (también denominada zona de transición o de compresión): la mayor parte del polímero se funde en esta sección y la profundidad del canal se hace cada vez más pequeña.
● Zona de medición (también llamada zona de transporte de material fundido): esta zona funde las últimas partículas y las mezcla hasta lograr una temperatura y una composición uniformes.Al igual que la zona de alimentación, la profundidad del canal es constante en toda esta zona.
Además, un tornillo ventilado (de dos etapas) tiene:
● Zona de descompresión.En esta zona, aproximadamente a dos tercios del tornillo, el canal se vuelve más profundo de repente, lo que alivia la presión y permite que los gases atrapados (humedad, aire, solventes o reactivos) sean extraídos por vacío.
● Segunda zona de medida.Esta zona es similar a la primera zona de medición, pero con mayor profundidad de canal.Sirve para represurizar el fundido para hacerlo pasar por la resistencia de las mallas y la matriz.
A menudo, la longitud del tornillo se refiere a su diámetro como relación L:D.Por ejemplo, un tornillo de 6 pulgadas (150 mm) de diámetro en 24:1 tendrá 144 pulgadas (12 pies) de largo y en 32:1 tendrá 192 pulgadas (16 pies) de largo.Una relación L:D de 25:1 es común, pero algunas máquinas llegan hasta 40:1 para obtener más mezcla y más rendimiento con el mismo diámetro de tornillo.Los tornillos de dos etapas (ventilados) suelen ser 36:1 para tener en cuenta las dos zonas adicionales.
Cada zona está equipada con uno o más termopares o RTD en la pared del cilindro para controlar la temperatura.El "perfil de temperatura", es decir, la temperatura de cada zona es muy importante para la calidad y las características del extruido final.

MATERIALES DE EXTRUSIÓN TÍPICOS

Tubo de HDPE durante la extrusión.El material de HDPE proviene del calentador, entra en la matriz y luego en el tanque de enfriamiento.Esta tubería conduit Acu-Power está coextruida: interior negro con una delgada cubierta naranja, para designar los cables de alimentación.
Los materiales plásticos típicos que se utilizan en la extrusión incluyen, entre otros: polietileno (PE), polipropileno, acetal, acrílico, nailon (poliamidas), poliestireno, cloruro de polivinilo (PVC), acrilonitrilo butadieno estireno (ABS) y policarbonato.[4 ]

TIPOS DE MATRICES
Hay una variedad de troqueles utilizados en la extrusión de plásticos.Si bien puede haber diferencias significativas entre los tipos de troqueles y la complejidad, todos los troqueles permiten la extrusión continua de polímero fundido, a diferencia del procesamiento discontinuo, como el moldeo por inyección.
Extrusión de película soplada

Extrusión por soplado de film plástico

La fabricación de películas plásticas para productos como bolsas de compras y láminas continuas se logra utilizando una línea de película soplada.
Este proceso es el mismo que un proceso de extrusión normal hasta la matriz.Hay tres tipos principales de matrices utilizadas en este proceso: anular (o cruceta), araña y espiral.Los troqueles anulares son los más simples y dependen de que el polímero fundido se canalice alrededor de toda la sección transversal del troquel antes de salir del troquel;esto puede resultar en un flujo desigual.Los troqueles de araña consisten en un mandril central unido al anillo exterior del troquel a través de una serie de "patas";mientras que el flujo es más simétrico que en las matrices anulares, se producen varias líneas de soldadura que debilitan la película.Los troqueles en espiral eliminan el problema de las líneas de soldadura y el flujo asimétrico, pero son, con mucho, los más complejos.

El fundido se enfría un poco antes de salir de la matriz para producir un tubo semisólido débil.El diámetro de este tubo se expande rápidamente a través de la presión del aire, y el tubo se tira hacia arriba con rodillos, estirando el plástico en las direcciones transversal y de estiramiento.El estirado y el soplado hacen que la película sea más delgada que el tubo extruido y también alinea preferentemente las cadenas moleculares del polímero en la dirección que experimenta la mayor tensión plástica.Si la película se estira más de lo que se sopla (el diámetro final del tubo está cerca del diámetro extruido), las moléculas de polímero estarán muy alineadas con la dirección de estirado, formando una película fuerte en esa dirección, pero débil en la dirección transversal. .Una película que tenga un diámetro significativamente mayor que el diámetro extruido tendrá más resistencia en la dirección transversal, pero menos en la dirección de estirado.
En el caso del polietileno y otros polímeros semicristalinos, a medida que la película se enfría, cristaliza en lo que se conoce como línea de congelación.A medida que la película continúa enfriándose, pasa por varios juegos de rodillos de presión para aplanarla en un tubo plano, que luego se puede enrollar o cortar en dos o más rollos de láminas.

Extrusión de láminas/películas
La extrusión de láminas/películas se utiliza para extruir láminas o películas de plástico que son demasiado gruesas para ser sopladas.Se utilizan dos tipos de troqueles: en forma de T y de percha.El propósito de estos troqueles es reorientar y guiar el flujo de polímero fundido desde una sola salida redonda de la extrusora hasta un flujo plano plano y delgado.En ambos tipos de matriz, garantice un flujo constante y uniforme en toda el área de la sección transversal de la matriz.El enfriamiento generalmente se realiza tirando de un conjunto de rodillos de enfriamiento (rodillos de calandra o "enfriadores").En la extrusión de láminas, estos rodillos no solo brindan el enfriamiento necesario, sino que también determinan el espesor de la lámina y la textura de la superficie.[7]A menudo, la coextrusión se usa para aplicar una o más capas sobre un material base para obtener propiedades específicas como la absorción de rayos UV, la textura, la resistencia a la permeación de oxígeno o la reflexión de energía.
Un proceso común posterior a la extrusión para láminas de plástico es el termoformado, en el que la lámina se calienta hasta que se ablanda (plástico) y se le da una nueva forma a través de un molde.Cuando se usa vacío, esto a menudo se describe como formación al vacío.La orientación (es decir, la capacidad/densidad disponible de la lámina para estirarse hacia el molde que puede variar en profundidades de 1 a 36 pulgadas típicamente) es muy importante y afecta en gran medida los tiempos del ciclo de formación para la mayoría de los plásticos.

Extrusión de tubería
Los tubos extruidos, como los tubos de PVC, se fabrican utilizando troqueles muy similares a los que se utilizan en la extrusión de película soplada.Se puede aplicar presión positiva a las cavidades internas a través del pasador, o se puede aplicar presión negativa al diámetro exterior usando un calibrador de vacío para asegurar las dimensiones finales correctas.Se pueden introducir lúmenes u orificios adicionales agregando los mandriles internos apropiados al troquel.

Una línea de extrusión médica de Boston Matthews
Las aplicaciones de tubos multicapa también están presentes en la industria automotriz, la industria de plomería y calefacción y la industria del empaque.

Extrusión de revestimiento exterior
La extrusión de sobrecubierta permite la aplicación de una capa exterior de plástico sobre un alambre o cable existente.Este es el proceso típico para aislar cables.
Hay dos tipos diferentes de herramientas de matriz que se utilizan para recubrir un cable, tubería (o revestimiento) y presión.En el utillaje de encamisado, el polímero fundido no toca el alambre interior hasta inmediatamente antes de los labios del troquel.En el herramental a presión, el fundido entra en contacto con el alambre interior mucho antes de que llegue a los labios del troquel;esto se hace a alta presión para asegurar una buena adherencia de la masa fundida.Si se requiere contacto íntimo o adhesión entre la nueva capa y el cable existente, se utilizan herramientas de presión.Si no se desea/necesita la adhesión, se utilizan en su lugar herramientas de encamisado.

Coextrusión
La coextrusión es la extrusión de múltiples capas de material simultáneamente.Este tipo de extrusión utiliza dos o más extrusoras para fundir y entregar un rendimiento volumétrico constante de diferentes plásticos viscosos a un solo cabezal de extrusión (troquel) que extruirá los materiales en la forma deseada.Esta tecnología se utiliza en cualquiera de los procesos descritos anteriormente (película soplada, revestimiento, tubería, lámina).Los espesores de capa están controlados por las velocidades y tamaños relativos de las extrusoras individuales que entregan los materiales.

Coextrusión de 5:5 capas de tubo cosmético “squeeze”
En muchos escenarios del mundo real, un solo polímero no puede satisfacer todas las demandas de una aplicación.La extrusión compuesta permite extruir un material combinado, pero la coextrusión retiene los materiales separados como capas diferentes en el producto extruido, lo que permite la colocación adecuada de materiales con diferentes propiedades, como permeabilidad al oxígeno, resistencia, rigidez y resistencia al desgaste.
Recubrimiento por extrusión
El recubrimiento por extrusión utiliza un proceso de película soplada o fundida para recubrir una capa adicional sobre un material en rollo existente de papel, lámina o película.Por ejemplo, este proceso se puede utilizar para mejorar las características del papel recubriéndolo con polietileno para hacerlo más resistente al agua.La capa extruida también se puede utilizar como adhesivo para unir otros dos materiales.Tetrapak es un ejemplo comercial de este proceso.

EXTRUSIONES COMPUESTAS
La extrusión de compuestos es un proceso que mezcla uno o más polímeros con aditivos para dar compuestos plásticos.Los alimentos pueden ser gránulos, polvo y/o líquidos, pero el producto suele estar en forma de gránulos, para ser utilizado en otros procesos de formación de plástico, como la extrusión y el moldeo por inyección.Al igual que con la extrusión tradicional, existe una amplia gama de tamaños de máquinas según la aplicación y el rendimiento deseado.Si bien se pueden usar extrusoras de uno o dos tornillos en la extrusión tradicional, la necesidad de una mezcla adecuada en la extrusión compuesta hace que las extrusoras de doble tornillo sean prácticamente obligatorias.

TIPOS DE EXTRUSORA
Hay dos subtipos de extrusoras de doble tornillo: co-rotativas y contrarrotatorias.Esta nomenclatura se refiere a la dirección relativa en la que gira cada tornillo en comparación con el otro.En el modo de co-rotación, ambos tornillos giran en sentido horario o antihorario;en contrarrotación, un tornillo gira en el sentido de las agujas del reloj mientras que el otro gira en el sentido contrario a las agujas del reloj.Se ha demostrado que, para un área de sección transversal dada y un grado de superposición (engranaje), la velocidad axial y el grado de mezcla son mayores en las extrusoras gemelas co-rotativas.Sin embargo, la acumulación de presión es mayor en las extrusoras contrarrotatorias.El diseño del tornillo suele ser modular en el sentido de que varios elementos de transporte y mezcla están dispuestos en los ejes para permitir una reconfiguración rápida para un cambio de proceso o el reemplazo de componentes individuales debido al desgaste o daño corrosivo.Los tamaños de las máquinas varían desde 12 mm hasta 380 mm

VENTAJAS
Una gran ventaja de la extrusión es que los perfiles, como los tubos, se pueden fabricar en cualquier longitud.Si el material es lo suficientemente flexible, se pueden fabricar tubos de gran longitud incluso enrollados en un carrete.Otra ventaja es la extrusión de tuberías con acoplador integrado que incluye junta de goma.