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Una extrusora de un solo husillo es la máquina estándar utilizada en la extrusión de polímeros para fundir y dar forma de manera continua a materiales termoplásticos . Un husillo helicoidal giratorio dentro de un cilindro calentado recoge gránulos o polvo de polímero crudo de una tolva, los funde progresivamente a lo largo del cilindro y fuerza el material fundido resultante a través de una boquilla con forma para producir un perfil de sección transversal fija. [ 1 ] [ 2 ]
Las extrusoras de un solo husillo se utilizan para fabricar tuberías, tubos, láminas, películas, aislamiento de cables y alambres, fibras y muchos otros perfiles de plástico. También proporcionan la etapa de plastificación en las líneas de extrusión de película soplada y moldeo por soplado , y constituyen la etapa final de conformado cuando la resina cruda se convierte en gránulos. [ 2 ]
Componentes de la máquina
Los componentes principales de una extrusora de un solo husillo son:
- Tolva
- Un depósito alimentado por gravedad o a presión que suministra gránulos sólidos o polvo a la entrada del cañón.
- Barril
- Un cilindro de acero de paredes gruesas rodea el tornillo y está equipado con bandas calefactoras de resistencia eléctrica y canales de refrigeración para mantener un perfil de temperatura constante a lo largo de su longitud.
- Tornillo
- Una hélice se enrolla alrededor de una raíz central, accionada por una caja de engranajes y un motor en la parte posterior de la máquina. La relación entre la longitud y el diámetro del tornillo (L/D) suele ser de 20:1 a 36:1 en las máquinas modernas. [ 2 ]
- Juego de placas rompedoras y filtros
- Un disco de acero perforado provisto de una malla de acero inoxidable en la punta del tornillo que filtra los contaminantes y convierte el flujo rotacional del metal fundido en flujo axial antes de la boquilla.
- Morir
- Una herramienta de acero mecanizada con precisión en la salida del cañón, cuya sección transversal del canal interno determina la forma del extruido.
El tornillo y sus zonas
El tornillo se divide convencionalmente en tres zonas funcionales a lo largo de su longitud: [ 1 ]
- Zona de alimentación
- Tiene un canal de vuelo profundo. Su función es simplemente arrastrar los gránulos fríos desde la boca de la tolva y transportarlos hacia adelante, al cañón.
- Zona de compresión (fusión)
- La profundidad del canal disminuye progresivamente. Los gránulos se presionan contra la pared caliente del cañón; se forma una fina película fundida en la pared que es raspada continuamente por el avance del proyectil hacia una piscina de material fundido en expansión. El lecho sólido no fundido se contrae hasta consumirse por completo. [ 3 ] [ 4 ]
- Zona de medición
- Un canal poco profundo de profundidad constante que conduce el material fundido, ahora uniforme, a un ritmo y presión constantes dentro de la matriz.
En las máquinas modernas, la mayor parte de la energía que funde el polímero se genera por disipación viscosa dentro del propio husillo, en lugar de ser conducida desde los calentadores del cilindro. Los calentadores estabilizan principalmente la temperatura de la pared y ayudan durante el arranque. [ 1 ]
Rendimiento y límites
La extrusora en sí rara vez constituye el cuello de botella en una línea de producción. El límite superior práctico del rendimiento suele estar determinado por la fractura de la masa fundida , una familia de inestabilidades viscoelásticas que surgen en la boquilla por encima de una tensión de cizallamiento crítica en la pared y provocan rugosidad superficial o una gran distorsión del extruido. [ 5 ] Otros factores limitantes, según la aplicación, incluyen el calentamiento viscoso excesivo, la degradación térmica del polímero y las presiones nominales de la placa de ruptura y la boquilla. [ 2 ]
Historia
La primera patente para una extrusora de tornillo, otorgada a Mathew Gray en Gran Bretaña en 1879, era para caucho y no para termoplásticos; las extrusoras de tornillo para caucho ya se utilizaban en fábricas de cables en la década de 1880. [ 6 ] La extrusión continua de termoplásticos comenzó en la década de 1930 con el poli(cloruro de vinilo) y los primeros polietilenos. [ 2 ]
La comprensión física del funcionamiento de las extrusoras de un solo husillo se estableció en gran medida en las décadas de 1950 y 1960. Los experimentos de congelación del husillo de Bruce Maddock (1959), en los que se detuvo una extrusora en funcionamiento, se enfrió rápidamente y se extrajo el husillo para poder seccionar y examinar el tapón de polímero parcialmente fundido, proporcionaron la primera imagen visual directa de cómo procede la fusión a lo largo del husillo. [ 4 ] El modelo analítico de Tadmor de 1966, que combina un balance de calor para la película fundida con un balance de masa para el lecho sólido, permitió predecir las tasas de fusión en función de la geometría del husillo y las condiciones de funcionamiento, y sigue siendo el punto de partida para prácticamente todas las simulaciones de un solo husillo en la actualidad. [ 3 ]
Véase también
Referencias
- 1 2 3 Tadmor, Z.; Gogos, CG (2006). Principios del procesamiento de polímeros (2.ª ed.). Hoboken: Wiley. ISBN 978-0-471-38770-1.
- ^ Rauwendaal , C. (2014 ) . Extrusión de polímeros (5ª ed.). Múnich: Hanser. ISBN 978-1-56990-516-6.
- 1 2 Tadmor, Z. (1966). "Fundamentos de la extrusión plastificante. I. Un modelo teórico para la fusión". Polymer Engineering and Science . 6 (3): 185– 190. Bibcode : 1966PESci...6..185T . doi : 10.1002/pen.760060303 .
- 1 2 Maddock, BH (1959). "Análisis visual del flujo y la mezcla en tornillos de extrusora". Society of Plastics Engineers Journal . 15 : 383–389 .
- ↑ Denn, MM ( 2001). "Inestabilidades de extrusión y deslizamiento de pared". Annual Review of Fluid Mechanics . 33 : 265–287 . Bibcode : 2001AnRFM..33..265D . doi : 10.1146/annurev.fluid.33.1.265 .
- ↑ Patente británica 5056 , Gray, M., "Mejoras en máquinas para la conformación de artículos de caucho natural y materiales similares"
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