Procesos de extrusión
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Procesos de extrusión
Ya sea que se trate de cien yardas de tubería , láminas de plástico o miles de Crazy Straws, la extrusión de polímeros es una técnica de fabricación popular en la industria del plástico porque está fácilmente disponible y es fácil trabajar con ella. La extrusión también alinea las moléculas del plástico para agregar fuerza a lo largo de la pieza. El proceso de extrusión de plástico consiste en derretir material plástico, forzarlo en un troquel para darle forma en un perfil continuo y luego cortarlo a la medida. El proceso es una buena opción para aplicaciones que requieren un producto final con una sección transversal constante. El bajo costo y las altas tasas de producción lo convierten en una opción de fabricación popular para productos como tuberías, láminas de plástico, burletes, aislamiento de cables y cinta adhesiva, por mencionar solo algunos de los productos extruidos de plástico comunes. La matriz da forma al polímero extruido en el artículo deseado. Existe una gran cantidad de procesos de extrusión, el más simple de los cuales es la composición. En una variación de la extrusión, la matriz tiene una serie de orificios y, a medida que el polímero exuda de estos orificios, se enfría y se corta en gránulos. En la extrusión de tubería, el extruido que sale de la boquilla se dimensiona al vacío y se enfría en una cubeta de agua. Los polímeros fundidos, al ser viscoelásticos, recuperan la energía elástica almacenada a medida que emergen de la matriz, un proceso conocido como dilatación de la matriz. En la extrusión de tuberías, se debe controlar el hinchamiento de la matriz para garantizar que las dimensiones de la tubería cumplan con los códigos estándar. La extrusión de perfil es similar a la extrusión de tubería. Sin embargo, a diferencia de las tuberías cuya forma es redonda, hueca y uniforme, las formas de los perfiles dependen del producto final, que suele ser la materia prima para el procesamiento posterior. En la extrusión de fibras se obtienen fibras de diversos calibres y longitudes. Estos pueden variar desde monofilamentos como líneas de pesca hasta cientos de filamentos continuos extruidos de la misma matriz y estirados hasta alcanzar el grosor del tamaño de un cabello. Los filamentos continuos se pueden rizar para añadir volumen o hacer grapas. Casi todo el aislamiento de cables y alambres eléctricos se realiza actualmente cubriendo los alambres o cables con una o más capas de aislamiento termoplástico. Estos adoptan diferentes formas: los hilos de alambre pueden cubrirse con varias capas mediante aislamientos sucesivos; se pueden cubrir varios alambres preaislados para formar un solo cable; o se pueden pasar varios alambres de ánima a través de la matriz simultáneamente y cubrir con aislamiento formando un cable plano. En la coextrusión, dos o más materiales diferentes o el mismo material con dos colores diferentes se extruyen a través de la misma matriz para que un material fluya y recubre el otro. La coextrusión se utiliza para lograr diferentes objetivos: se puede extruir una tapa sólida sobre un núcleo de espuma para reducir el peso general o para obtener aislamiento además de una superficie exterior útil; para materiales con superficies sensibles al color, se puede extruir un casquete virgen sobre rectificado, o se pueden coextruir varios materiales diferentes para que cada material aporte una propiedad derivada al producto final.
Máquina de extrusión de plástico
Antes de comenzar el proceso de extrusión de plástico , se debe obtener la maquinaria y los suministros adecuados, incluida la propia máquina de extrusión de plástico . Este dispositivo es una máquina bastante simple que facilita el proceso de extrusión de principio a fin. Los componentes principales de una máquina extrusora incluyen una tolva, un cilindro, un tornillo y un motor de tornillo. El segundo componente más importante es el material termoplástico bruto destinado a la extrusión. La mayoría de las operaciones de extrusión se basan en plástico de resina (pequeñas perlas sólidas) para permitir una carga simple y tiempos de fusión rápidos. Los materiales plásticos comunes utilizados en el proceso de la máquina de extrusión incluyen poliestireno de alto impacto (HIPS) , PVC , polietileno , polipropileno y ABS . El componente final necesario para la extrusión de plástico es la matriz. La matriz sirve como molde para el plástico: en la extrusión de plástico, las matrices permiten un flujo uniforme del plástico fundido. Por lo general, los troqueles deben fabricarse a medida y pueden requerir un tiempo de espera adicional antes de comenzar el proceso de fabricación.
Tipos de máquinas de extrusión de plástico
Existen tres tipos básicos de maquinaria de extrusión de plástico: extrusoras de un solo tornillo, de varios tornillos y de ariete. Las extrusoras de uno o varios tornillos son las más utilizadas, pero las extrusoras de ariete (que cuentan con un ariete o émbolo en lugar de un tornillo) también son útiles para plásticos que no se derriten bien con un tornillo, como PTFE y UHMW. Las extrusoras de un solo tornillo cuentan con un tornillo dentro de un cilindro apretado que gira para derretir el plástico mediante la fricción. Si bien hay calentadores cerca del comienzo del tornillo, existen para aumentar la fricción del plástico para que se derrita por sí solo. Los tornillos de barrera son una variación del tornillo único que separa el plástico líquido del sólido a medida que desciende por el cañón. Estos tornillos se usan para plásticos que no se derriten tan fácilmente; el plástico sólido se encuentra con una mayor fricción a medida que el líquido se drena en otras áreas, derritiéndolo más rápido.También existen tornillos mezcladores, que combinan múltiples materiales para ser extruidos a medida que se funden. Si bien en ocasiones estos son diseños de un solo tornillo, la mayoría de ellos son tornillos gemelos que giran uno contra el otro. Mientras que las extrusoras de un solo tornillo son más confiables, económicas y simples, las extrusoras de doble tornillo son mejores para mezclar ingredientes de manera homogénea. Aparte de los tipos que giran en sentidos opuestos o corrotatorios, las máquinas también están disponibles con engranajes que se engranan en una variedad de grados. Las extrusoras de doble husillo corrotante funcionan mejor para la extrusión a baja velocidad, mientras que las extrusoras de rotación contraria funcionan mejor para la extrusión de perfiles. Las extrusoras gemelas coaxiales que no se entrelazan se utilizan mejor para enviar materiales fundidos o sólidos hacia adelante o hacia atrás.
Tipos de materiales de extrusión de plástico
Si bien los termoestables se pueden extruir calentándolos, la mayoría de los plásticos extruidos son termoplásticos. Dentro de esa clasificación, existe una amplia gama de plásticos básicos, de alto rendimiento y grado de ingeniería para elegir, todos los cuales pueden incluir estructuras moleculares amorfas o cristalinas. Los plásticos de alto rendimiento son los tipos más raros y caros de extruir; estos plásticos están hechos para entornos hostiles y presentan propiedades térmicas y mecánicas especialmente buenas. Uno de esos plásticos es la polietercetona (PEK), que se usa en las industrias aeroespacial y automotriz porque es resistente a los productos químicos, las llamas y la contracción, además de permanecer fuerte en un rango de temperaturas. Un paso por debajo son los plásticos de ingeniería , que son plásticos especiales diseñados para incluir propiedades únicas sin ser tan costosos como los materiales de alto rendimiento. Estos incluyen TPE, ABS, nailon y policarbonato. Finalmente, los plásticos básicos son materiales de uso más general que constituyen la mayoría de las extrusiones. Estos plásticos, que incluyen polipropileno, polietileno y PVC, son los tipos de plástico menos costosos. Finalmente, cualquier plástico de estos tres grupos puede tener una estructura polimérica amorfa o cristalina, lo que le otorga ciertas propiedades. Las estructuras amorfas, como las que se encuentran en el PVC, el ABS y el policarbonato, tienen cadenas de polímero móviles desordenadas. Esto les confiere flexibilidad, elasticidad y resistencia al impacto y la contracción. Sin embargo, no son tan fuertes ni químicamente resistentes como los plásticos de estructura cristalina, como el HDPE o el polipropileno. Estos plásticos tienen estructuras rígidas que les otorgan resistencia al calor, fuerza y rigidez. Sin embargo, también tienden a encogerse y no tienen mucha resistencia al impacto.
Conceptos básicos del proceso de extrusión de plástico
El proceso de extrusión de plástico comienza con la colocación de resina cruda en la tolva de la extrusora. Si la resina carece de los aditivos necesarios para la aplicación particular (como inhibidores UV, antioxidantes o colorantes), entonces se agregan. Una vez en su lugar, la resina generalmente se alimenta por gravedad a través de la garganta de alimentación de la tolva hacia el cilindro de la extrusora. Dentro del barril hay un tornillo giratorio largo que alimenta la resina en el barril hacia el troquel. A medida que la resina se mueve dentro del barril, se somete a temperaturas extremadamente altas hasta que comienza a derretirse. Según el tipo de termoplástico, las temperaturas del cilindro pueden variar entre 400 y 530°F. La mayoría de las extrusoras tienen un barril que aumenta gradualmente el calor desde el extremo de carga hasta el tubo de alimentación para permitir la fusión gradual y minimizar la posibilidad de degradación del plástico. Una vez que el plástico fundido llega al final del barril, se fuerza a través de un paquete de pantalla y se introduce en la tubería de alimentación que conduce a la matriz. La pantalla, reforzada por una placa rompedora debido a las altas presiones en el cañón, sirve para eliminar los contaminantes que puedan estar presentes en el plástico fundido. La porosidad de la pantalla, el número de pantallas y otros factores se pueden manipular hasta que se produzca una fusión uniforme como resultado de la cantidad correcta de contrapresión. Una vez en la tubería de alimentación, el metal fundido se introduce en la cavidad de la matriz, donde se enfría y endurece. Para acelerar el proceso de enfriamiento, el plástico recién formado normalmente recibe un baño de agua sellado, en el que se tira a través de un baño de agua en el vacío para evitar que se colapse cualquier forma hueca. En el caso de las extrusiones de láminas de plástico, los rodillos de enfriamiento reemplazan el baño de agua. Entramos en más detalles sobre los tipos de equipos de refrigeración más abajo. Mantenimiento de temperatura Mantener el nivel de temperatura correcto y la velocidad de fusión de la resina es una consideración importante al crear extrusiones de plástico. La temperatura óptima maximiza la fluidez uniforme del plástico y minimiza la posibilidad de tensión y deformación del producto final. Variables como la presión y la fricción que se acumulan en el cilindro de la extrusora hacen que las temperaturas no se mantengan constantes. Los calentadores deben monitorearse, bajarse, subirse o apagarse según sea necesario para mantener el calor constante dentro de la extrusora; los ventiladores de enfriamiento y las camisas calentadoras integradas también pueden ayudar a mantener la temperatura de extrusión adecuada. Diseño de tornillo Dado que la velocidad de calentamiento, la velocidad de alimentación y otros factores integrales de extrusión dependen directamente de la única parte móvil de la extrusora de plástico, el tornillo, es necesario considerar cuidadosamente el tamaño y el diseño de este componente. El cálculo del diámetro y la longitud del tornillo se basa en la tasa de fusión, el tamaño de la resina, el tipo de plástico crudo y la cantidad de presión requerida para mantener la uniformidad. Para aplicaciones donde los materiales se combinan dentro del cilindro de la extrusora, se puede usar un diseño de doble tornillo para permitir una mezcla adecuada.
Procesos de extrusión de plásticos especiales
Muchas aplicaciones requieren procesos de extrusión especializados para obtener resultados adecuados o acelerar el proceso de producción. Los procesos de extrusión especiales comunes incluyen:
- Coextrusión : se extruyen varias capas de material al mismo tiempo. Dos o más extrusoras alimentan diferentes tipos de plástico en un solo cabezal de extrusión. También es posible crear materiales laminados mediante la extrusión de varias capas de diferentes materiales a través de uno o más troqueles.
- Recubrimiento : La extrusión se emplea para recubrir un artículo con una capa protectora de plástico. El revestimiento exterior de alambres y cables es la aplicación más común de revestimiento exterior.
- Extrusión de tubos : similar a la extrusión tradicional, excepto que el troquel incluye pasadores o mandriles interiores para facilitar la producción de materiales plásticos huecos. Se bombea aire al espacio vacío para evitar que la extrusión se colapse.
- Extrusión de película soplada : se utiliza para fabricar productos de película plástica, como bolsas de comestibles y de almacenamiento de alimentos. Los troqueles en este proceso cuentan con un diseño cilíndrico vertical que tira del plástico fundido hacia arriba a medida que se forma y se enfría. También se sopla aire y se evita que escape sellando continuamente el extremo del tubo. Soplar la película también reorienta las moléculas de plástico para alinearlas alrededor de la circunferencia del tubo, lo que agrega resistencia al material.
Equipo bajo agua
Una vez que el plástico sale de la matriz de extrusión, el producto aún requiere algún procesamiento para convertirlo en algo que pueda enviarse. El equipo aguas abajo enfría, corta y tuerce las extrusiones en una forma más manejable para el envío. El enfriamiento puede incluir enfriadores de aire, enfriadores de agua y dimensionamiento al vacío; algunos materiales requieren dimensionamiento a medida que se enfrían. Los enfriadores de aire son ineficientes y lentos, por lo que ya no se usan con tanta frecuencia. Sin embargo, siguen siendo útiles para tiradas cortas y se configuran rápidamente. En un enfriador de agua, una pieza extruida puede rociarse con agua por todos los lados (que es más eficiente pero requiere más mantenimiento del enfriador) o sumergirse completamente en una serie de tanques. Algunos enfriadores de agua de tanque hacen circular el agua y otros emplean intercambiadores de calor para garantizar que el agua se mantenga lo suficientemente fría como para solidificar la pieza. El dimensionamiento al vacío utiliza una presión de aire más baja para evitar que una extrusión se colapse; la cámara de vacío puede estar rodeada por uno o ambos lados con tanques de agua. También hay tablas de calibración de refrigeración por agua, que permiten al operador enfriar con agua, tamaño de vacío, Es necesario tirar de las extrusiones aún calientes que necesitan fuerza adicional para evitar que se amontonen al final de la extrusora. Los extractores de correa se utilizan para aplicaciones generales en las que solo se necesita una fuerza de tracción media o baja, mientras que los extractores con tacos utilizan mayores cantidades de fuerza para las formas de extrusión que se dañarían con una correa. Los extractores de ruedas también están disponibles y son máquinas relativamente simples y económicas. Sin embargo, a veces también experimentan deslizamiento. Las extrusiones pultruidas son los únicos tipos que no requieren un extractor; estos se empujan a través de toda la maquinaria aguas abajo. Finalmente, el equipo de corte, bobinado y despegue se utiliza para cortar, bobinar o procesar extrusiones enfriadas para que puedan enviarse a los clientes. Los cortadores vienen en versiones bajo demanda, que dependen de un sensor, temporizador u otro estímulo para saber cuándo cortar, y versiones continuas, que cortan a una velocidad continua. Los cortadores continuos, que pueden incluir múltiples cuchillas, generalmente se usan para cortes de alta velocidad o piezas cortas. Las sierras se usan para extrusiones más pesadas, incluidas las versiones de corte hacia arriba, corte hacia abajo (también conocido como corte) y corte transversal (que se usan para productos extra grandes que están más anchos de lo que podría manejar la hoja de una sierra de corte hacia arriba para permanecer dentro de la mesa ). Los cortadores planetarios también se utilizan para girar alrededor del producto y pueden incluir herramientas de corte como tornos, sierras y ruedas de separación (que cortan y dividen las piezas de plástico). Los cortadores planetarios, sin embargo, puede ser costoso y llevar mucho tiempo de mantenimiento. Una vez que se corta un producto, se puede usar una bobinadora o bobinadora para envolverlo en rollos o alrededor de carretes. Algunas bobinadoras y bobinadoras también cuentan con corte y envoltura automáticos.