El diseño optimizado del tornillo de extrusión maximiza el rendimiento y la calidad

Del Williams | 11 de octubre de 2021

En la industria del plástico, los tornillos gemelos son el núcleo del proceso de extrusión que transforma las materias primas en tubos o perfiles rígidos de PVC. Estos componentes de alta ingeniería son fundamentales para transportar, comprimir, mezclar, calentar, enfriar, cizallar y bombear una variedad de sustancias viscosas a través de matrices para obtener productos altamente estructurados. Como tal, los tornillos también son el factor principal en el rendimiento de la producción y la calidad final.

Dado el papel fundamental que desempeñan los tornillos en el proceso de extrusión, cuando inevitablemente llega el momento de reemplazarlos, muchos fabricantes de perfiles o tuberías de PVC rígido continúan subestimando el impacto de un diseño de tornillo optimizado. Dada la variabilidad en las materias primas, recetas, aditivos y rellenos utilizados, los tornillos no son piezas disponibles en el mercado que puedan simplemente “cambiarse” según la categoría del producto.

Un diseño optimizado, por otro lado, es un enfoque consultivo en el que se evalúa cada parámetro del proceso para crear una solución personalizada que se ajuste a la aplicación. Cuando se combina con un proveedor de tornillos de reemplazo con una amplia base de conocimientos de diseños y un profundo conocimiento de los procesos de extrusión, el reemplazo de tornillos pasa de ser una tarea a una oportunidad para que los extrusores de PVC rígido refinen su proceso, resuelvan problemas actuales de procesamiento y calidad del producto, e incluso Asegúrese de que el próximo reemplazo se realice en el futuro.

El PVC rígido se utiliza a menudo para crear extrusiones de tuberías, pero también perfiles para productos como suelos vinílicos clic. El procesamiento ideal de PVC rígido implica un diseño de tornillo que permite calentar el material de manera muy uniforme a una temperatura de aproximadamente 150 °C con todos los aditivos distribuidos uniformemente alrededor del grano de polvo. Luego, el material/polvo se corta y se calienta hasta una temperatura final que permite una gelificación y una homogeneidad óptimas en las propiedades. Las temperaturas finales del proceso son de 180°C a 200°C.

En este proceso, las extrusoras de doble tornillo tienen dos tornillos idénticos entrelazados encerrados en un cilindro a juego. El diseño puede ser paralelo o cónico. Durante la extrusión de doble tornillo, el PVC/cPVC (cloruro de polivinilo clorado) utilizado para fabricar tuberías se transporta, se comprime, se desgasifica, se plastifica, se corta, se amasa, se fusiona y se homogeneiza antes de ingresar al troquel.Tanto los tornillos paralelos como los cónicos también se utilizan para procesar uPVC (cloruro de polivinilo no plastificado) y cPVC, utilizados para puertas y ventanas.

Entre estos tipos de tornillos, el cónico tiene un área de alimentación grande y una caja de engranajes más simple, pero un rendimiento bajo a medio debido a las limitaciones en la longitud del tornillo. Por otra parte, los tornillos gemelos paralelos no están limitados en longitud. La diferencia se refleja en el parámetro clave conocido como longitud sobre diámetro (L/D), que es la relación entre la longitud del ala del tornillo y su diámetro exterior.

“Hace 30 años, los tornillos tenían alrededor de 20 L/D, y hace 15 años alrededor de 30 L/D. Hoy en día, muchos tornillos funcionan a 40 L/D”, dice Shayan Moin, quien tiene una maestría en ingeniería de polímeros y es presidente de UniSol, un comercializador técnico especializado en polímeros con sede en Ontario, Canadá, con experiencia en fabricación de tornillos y cilindros para líneas de extrusión de plástico.

Ya sea que el tornillo sea cónico o paralelo, la vida útil es un problema al extruir materiales difíciles. Con PVC rígido, las extrusoras generalmente requieren el reemplazo del tornillo en uno a cuatro años debido a los rellenos abrasivos o corrosivos. “El PVC contiene cargas como talco o carbonato de calcio que aceleran el desgaste de los tornillos. Por lo tanto, algunos tornillos necesitarán ser reemplazados en un año o un año y medio. Otros, con una buena formulación y funcionando con mucho cuidado, pueden durar cuatro años”, afirma Moin.

En la mayoría de los casos, la evidencia del desgaste de los tornillos es clara, aunque sutil. El desgaste de los tornillos puede afectar el procesamiento o la calidad del producto. Los síntomas incluyen un rendimiento reducido, un mayor uso de calor eléctrico, la necesidad de más aditivos o el olor a material quemado durante la producción. El desgaste abrasivo también puede causar atascos en el puerto de alimentación principal, en los alimentadores laterales y en la zona de presurización del troquel, todo lo cual reduce aún más la productividad.

No abordar el problema del desgaste de los tornillos puede resultar costoso para los extrusores.

"Mientras que el material de desecho para una aplicación de tubería rígida de PVC normalmente está en el rango del 1,5%, con tornillos desgastados la tasa de desperdicio puede llegar hasta el 10%", dice Moin.

Otro signo de desgaste es el tiempo que le toma a la extrusora iniciar la producción para nuevas dimensiones de tubería, que normalmente es de una a dos horas. "Cuando el tornillo está desgastado, se necesita de dos a cuatro veces más tiempo para cambiarlo y comenzar a instalar otra dimensión de tubería", añade.

Cuando el desgaste del tornillo produce material quemado, puede ser necesario un tiempo de inactividad sustancial en la producción para la limpieza.

“Si el material se quema, es posible que los extrusores deban detener la línea de producción cada pocos días para limpiar los tornillos. Normalmente nunca tienen que limpiarlo. Pero cuando los tornillos están muy desgastados se requiere más limpieza y eso cuesta más en mano de obra”, afirma Moin.

Sin embargo, los extrusores a menudo solucionan los problemas de rendimiento o de tornillo mediante el uso de aditivos adicionales. Dado que el 80% de los costos están en la formulación, reducir la cantidad y la cantidad de aditivos puede reducir los gastos operativos.

"La mayoría de las veces, el fabricante no necesita realmente más aditivos; sólo necesita optimizar el proceso con tornillos de repuesto bien diseñados", dice Moin.

Tradicionalmente, los fabricantes de tornillos abordan los problemas de desgaste mediante la selección de materiales de acero y la aplicación de recubrimientos resistentes al desgaste. Para tornillos gemelos paralelos, los cilindros bimetálicos y los tornillos con carburo de tungsteno en la superficie de rodadura pueden ayudar a aumentar la longevidad. Para tornillos cónicos, un enfoque similar puede resistir el desgaste junto con un revestimiento especial.

Sin embargo, mejorar la protección contra el desgaste va mucho más allá de aplicar recubrimientos. La mejor solución es reemplazar los tornillos desgastados con un diseño optimizado que pueda reducir el desgaste hasta en un 60%, según Moin.

“El desgaste es el resultado de aumentos repentinos de presión en la mayoría de los casos, lo que provoca algunas turbulencias en la masa fundida que dañan el tornillo”, explica Moin. "Las extrusoras pueden reducir el desgaste con un diseño adecuado que elimine estos aumentos repentinos de presión".

Para el diseño y fabricación de tornillos y cilindros, UniSol se asocia con GermanTwinscrewS (GTS), un fabricante alemán con décadas de experiencia en el campo de la extrusión de plástico. Después de haber fabricado y entregado decenas de miles de tornillos a clientes en más de 100 países, GTS ha acumulado una base de datos de materiales, formulaciones, parámetros y diseños OEM. Además, la empresa ha desarrollado un software de simulación patentado para optimizar el diseño de tornillos contrarrotativos en función de materias primas, compuestos, formulaciones, temperaturas y condiciones operativas específicas.

“En última instancia, la información de las simulaciones se utiliza para determinar la presión de fusión de los materiales en diferentes puntos a lo largo de los tornillos. La presión de fusión es clave para diseñar el tornillo para una protección superior contra el desgaste y para garantizar una fusión y combinación adecuadas de las materias primas”, dice Ernest Krüger, director ejecutivo y fundador de GermanTwinscrewS.

Alternativamente, GermanTwinscrewS a menudo puede determinar las tensiones específicas de una aplicación inspeccionando cuidadosamente los tornillos viejos y desgastados que se reemplazarán.

“Al realizar mediciones cuidadosas, podemos calcular la energía que tuvo que soportar el tornillo en áreas de alto o bajo desgaste. A partir de esto calculamos el diseño óptimo del husillo para que pueda soportar de forma fiable el desgaste esperado”, explica Krüger.

Además del diseño, también es de suma importancia el mecanizado del tornillo.

“La mayoría de los tornillos del mercado tienen un espacio de hasta una pulgada entre los diferentes diseños donde se acumula el material. El material que queda en el hueco puede aumentar la presión, provocando desgaste o incluso quemarse provocando problemas de calidad”, afirma Krüger.

Para prolongar la longevidad de los tornillos y mejorar la calidad del producto, GTS diseña tornillos con cambio continuo (prácticamente sin cortes libres) para evitar que el material se cuelgue.

“No hay cortes entre los cambios de diseño del tornillo, por lo que el material fluye directamente de un canal al siguiente en el nuevo diseño. No hay material colgado ni tiempo de espera, lo que evita el desgaste del tornillo y la descomposición del polímero”, afirma Krüger.

Además, para aumentar la salida en el área de presión para los últimos 100 a 250 mm del diseño del tornillo, GTS incluye el doble de “tramos” para lograr un interior de tubería más suave y reducir cualquier pulsación de presión de los tornillos.

Para los extrusores que buscan un diseño de tornillo optimizado, el aumento de la producción suele ser significativo. Esto se consigue frecuentemente aumentando la longitud de los tornillos y los cilindros.

Según Krüger, la producción normalmente se puede aumentar hasta un 25% ampliando los tornillos de 32 L/D a 34 o 35 L/D y garantizando que la caja de engranajes tenga suficiente densidad de energía. Este sencillo ajuste hace que los tornillos paralelos sean más económicos, en general, para la extrusión de PVC rígido.

Además, adaptar el diseño del tornillo a la aplicación también reduce sustancialmente el costo de una formulación de PVC rígido al aumentar el uso de rellenos y minimizar los aditivos necesarios.

Según Krüger, las formulaciones de PVC rígido varían entre fabricantes principalmente en las partes por cien (PPH) de estabilizador utilizado y en la variación del relleno de carbonito cálcico. Aumentar la cantidad de relleno utilizado reduce el costo porque el relleno es económico. Sin embargo, usar demasiado relleno es un problema ya que puede hacer que la tubería rígida de PVC se vuelva quebradiza.

Según Krüger, hay muchas aplicaciones en las que el porcentaje de relleno de carbonato de calcio alcanza 100 o incluso 150 PPH en aplicaciones de tuberías. Algunas aplicaciones, como los perfiles de pisos vinílicos tipo clic, pueden utilizar hasta 300 PPH de carbonato de calcio.

Señala que optimizar el diseño del tornillo puede resolver este problema. "Con tornillos optimizados, las extrusoras pueden utilizar un mayor porcentaje de relleno y aun así obtener una mejor homogeneidad y mantener la misma calidad general".

Además, señala que dado que los estabilizadores son la parte más cara de la formulación, reducir su uso y al mismo tiempo estabilizar el material de PVC rígido con el diseño de tornillo puede ser muy rentable.

"Con el diseño optimizado de los tornillos paralelos, las extrusoras de PVC rígido pueden tener formulaciones más simples con un porcentaje muy bajo de aditivos y un porcentaje mayor de relleno", dice Krüger. "Como resultado, las extrusoras de PVC rígido pueden reducir el costo de formulación y lograr resultados mucho mayores".

La regulación precisa de la temperatura también es un aspecto importante de la producción de PVC rígido que puede facilitar un mejor diseño de equipos. Durante muchos años, los fabricantes de extrusoras han utilizado controles externos de temperatura del aceite para mantener la temperatura de los tornillos. Sin embargo, la experiencia de GTS muestra que los controles de temperatura del agua en circuito cerrado son aún más efectivos.

Según Krüger, si hay demasiado calor al principio del proceso, este puede transportarse automáticamente a la zona de alimentación en un ciclo cerrado. Esto ahorra una cantidad considerable de energía de calefacción y reduce el coste operativo.

“El sistema de circuito cerrado facilita las aplicaciones de PVC rígido porque estas formulaciones son más sensibles. Además, hay muchos extrusores que no tienen la mejor formulación. Los tornillos tienen que funcionar con todas estas formulaciones, por lo que el sistema de circuito cerrado no requiere mantenimiento y es muy útil”, concluye.

Es posible que las extrusoras de PVC rígido hayan aceptado una vida útil y un rendimiento reducidos del tornillo como costo de hacer negocios y se hayan adaptado mediante el uso de más aditivos para controlar su proceso. Sin embargo, optimizar el diseño de reemplazo de tornillos puede ser una forma más rentable de lograr sus objetivos de rendimiento. En este sentido, trabajar con un experto en tornillos de repuesto para adaptar el diseño a la aplicación puede mejorar significativamente los resultados.

Para obtener más información, comuníquese con UniSol vía correo electrónico o llamando al teléfono 855/274-3004.

Sobre el Autor

Del Williams es un redactor técnico que vive en Torrance, CA. Escribe sobre temas de salud, negocios, tecnología y educación.

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