Sistemas de plastificación
Son elementos clave en los más importantes procesos de moldeo
Desde los primitivos sistemas de émbolo de las primeras máquinas de inyección, los sistemas de plastificación han ido evolucionando hasta admitir cada día funciones más sofisticadas en el procesado de los termoplásticos, elastómeros o termoestables, e incluso de algunos complejos cerámicos en vehículo polimérico.
Cada material tiene requisitos específicos para la plastificación que es, en esencia, un trabajo mecánico de cizallamiento para obtener su homogeneización y el fundido de la granza. Al mismo tiempo la plastificación genera la presión necesaria para que surja por la hilera con el fin de producir un extruído de forma continua o mantenerla para el llenado intermitente de moldes de inyección.
Constando de uno o varios tornillos encerrados en una cámara, la forma de esta última es subsidiaria de la de los tornillos y su función principal es contribuir a la regulación térmica del fundido y soportar la abrasión que se genera durante el funcionamiento. Los tornillos, en cambio, tienen varias funciones y son de tipos adaptados a cada material y proceso.
Tipos y funciones de las extrusoras de tornillo único
La tecnología de la plastificación ha tenido un desarrollo más complejo en la extrusión puesto que el proceso depende de una forma casi absoluta de este mecanismo. Sin que sean idénticos, los tornillos empleados en la inyección presentan pocas variaciones con los anteriores y volveremos luego a sus características y funciones específicas.
Los parámetros más importantes son la velocidad angular y par del tornillo, el perfil de temperaturas a lo largo de su longitud y la tasa de producción. Se dispone comercialmente de tornillos con diámetros desde 25 a 200 mm, longitudes entre 20 y 40 veces el diámetro y movidos con potencias desde 5 a 500 kW. La cara frontal de la rosca conduce al fundido contra la pared de la cámara que, debido a la fricción de adhesión, está más caliente que el tornillo. La diferencia entre el "flujo de arrastre" del fundido y el "flujo de presión" de la hilera determinan la cantidad de producción.
Los tornillos rápidos (250-1000 min-1) convierten la energía mecánica en calor adiabático suficiente para plastificar de forma contínua el plástico sin calentamiento externo. Los tornillos rápidos cortos (D 25-80 mm, L/D 16) se usan en extrusiones uniformes a gran escala. La mayoría de la producciones usan con ventaja máquinas politrópicas (ni puramente isotermas ni adiabáticas) con velocidades variables entre 200 y 400 min-1. Para polímeros termosensitivos (PVC, fluorados) se suelen usar tornillos gemelos lentos con acción de conducción positiva y aportación externa de calor.
Figura 1 Cámaras para plastificadores de doble husillo verificadas y preparadas para expedición en Talleres Pena
Las tres zonas principales de un tornillo son la de alimentación, la de compresión y la de descarga. La relación de compresión es la del volumen del canal del primer giro completo del extremo de alimentación del tornillo respecto al volumen del último giro en el extremo de descarga. Esta variación se efectúa reduciendo la profundidad final de la rosca o reduciendo la anchura del canal con avance variable.
En una extrusora convencional, el desarrollo de la presión (relaciones 5:1 a 3:1) se debe a la fricción en la zona de entrega con rosca de poca profundidad o un torpedo suave con un estrecho espacio anular en la cabeza del tornillo, donde la presión llega a un máximo. Sin embargo, la capacidad de plastificación y homogeneización de este sistema es limitada y la producción no puede aumentarse más allá de una masa dada, en que fluctuaría por influencias externas.
Las extrusoras con zona de alimentación, fuertemente refrigerada, con ranuras axiales profundas en el tornillo ejercen una acción de conducción positiva con presión elevada (800-1300 bar) y las zonas siguientes usan la presión allí generada. Dada su baja relación de compresión (2:1) pueden incorporar elementos suplementarios de cizallamiento y mezcla de diversos diseños que contribuyen a un aumento significativo de la productividad sin apenas cizallamiento del material, por lo que afectan poco a los plásticos térmicamente sensitivos.
Tipos constructivos especiales y multi-tornillos
Las extrusoras ventiladas tienen varias secciones de compresión, entre las que hay zonas intermedias para desgasificar y secar el fundido bajo vacío. Las extrusoras con zonas de restricción de flujo se usan para añadir agentes espumantes u otros aditivos, sirviendo para el mismo objeto las extrusoras en cascada, que constan de varias unidades de plastificación consecutivas.
En el tornillo Maillefer, con dos roscas superpuestas, se separa el compuesto fundido del no fundido evitando que éste entre en la zona de entrega. Lo mismo se consigue con el tornillo SDS (solids draining screw) que lleva un conducto en el núcleo del tornillo que devuelve a la zona de alimentación el gránulo sin fundir.
En las extrusoras planetarias el fundido se plastifica en la zona de compresión en capa fina entre el tornillo central conducido y una serie de engranajes que giran planetariamente alrededor, incorporando la ventilación al inicio de la zona de entrega y pueden usarse para extrusión monotornillo de PVC-U.
La acción es distinta en las extrusoras de tornillos gemelos contra-rotantes que trabajan por flujo de arrastre y en las de tornillos gemelos co-rotantes que se utilizan para el compounding. Las primeras constituyen sistemas de bombeado con conducción forzada y son técnicamente preferibles a las monotornillo por su elevada productividad, tiempo de residencia corto, posibilidad de auto-limpieza de los tornillos y por la suave plastificación de los compuestos termo-sensitivos. Con una velocidad lenta (40-50 rpm), tornillos de 50 a 170 mm y canales de rosca profundos, L/D de 16 a 22 y potencias desde 7 a 200 kW, pueden producir de 80 a 150 kg/h de tubería de PVC y alrededor del 60% de esta producción en perfiles, plancha o película.
Plastificación en las máquinas de inyección
La diferencia principal es la carrera de alimentación del tornillo, que alimenta el fundido a una cámara que se crea entre la punta del tornillo y la boquilla y que tiene una longitud entre 2,5 y 4 D, desde donde se alimenta el molde mediante una traslación axial del tornillo.
La mayoría de los tornillos universales son de tres zonas, con una relación longitud/diámetro L/D de 22 a 25. Los de desgasificación, con mayor longitud, permiten eliminar la humedad y los residuos de monómero a la temperatura del fundido, a menudo con mayor eficiencia y limpieza que mediante una larga deshumidificación previa a temperaturas más bajas.
Hay máquinas con tornillos de baja compresión (0,9-1 a 1) para inyectar elastómeros y termoestables. En las máquinas mayores existe el peligro de que el polímero reticule mientras está en la cámara, adecuándose máquinas con tornillos cortos.
En 1989 se introdujeron las máquinas DIF (Direct Incorporation of continuous Fibers) que permiten incorporar directamente fibras más largas fuera del compounding, obteniendo una resistencia mecánica del producto final muy superior. Para ello se pre-secan mechas contínuas (rovings) o bobinas en un horno y se cortan e incorporan automáticamente.
Figura 2 Tornillos contra-rotantes de diámetro 88’9 mm tangenciales bajo DIN 17225 + col. Monoy-83 con cámaras encasquilladas strong+69 de Talleres Pena
Las cámaras y, eventualmente, las boquillas se calientan eléctricamente mediante bandas comandadas por sensores y procesadores para mantener la temperatura correcta.
En las máquinas para inyectar polímeros termosensitivos, la cabeza del tornillo acaba en una punta sin rosca en espiral con una holgura entre ésta y la cámara con la boquilla inserta para evitar daños y mantener la presión durante la fase de mantenimiento de la misma. Si se utiliza una válvula de no-retorno, no debe inyectarse mientras gira el tornillo; por contra, en el procedimiento de "intrusión" (flow casting) para moldes con paredes gruesas, el molde se llena mediante la rotación del tornillo.
Finalmente, la unidad de plastificación está sujeta a desgaste, especialmente considerable cuando se procesan materiales cerámicos en vehículo polimérico o plásticos cargados y/o reforzados con fibras. Para ello se usan cámaras bimetálicas con revestimiento interno de aleación de Cr-Ni-Co y tornillos nitrurados o laminados de gran dureza.
| Los tornillos rápidos convierten la energía mecánica en calor adiábatico suficiente para plastificar de forma continua el plástico sin calentamiento externo | Las extrusoras ventiladas tienen varias secciones de compresión, entre las que hay zonas intermedias para desgasificar y secar el fundido bajo vacío |
