EXTRUSIÓN

La extrusión es uno de los procesos fundamentales para dar forma a los metales y cerámicos, así como a los polímeros. La extrusión es un proceso de compresión en el que se fuerza al material a fluir a través de un orificio practicado en un troquel a fin de obtener un producto largo y continuo, cuya sección transversal adquiere la forma determinada por la del orificio.

Proceso y equipo

En la extrusión de polímeros, se alimenta material en forma de pellets o polvo hacia dentro de un barril de extrusión, donde se calienta y funde y se le fuerza para que fluya a través de la abertura de un troquel por medio de un tornillo rotatorio.

Componentes y características de un extrusor (de un solo tornillo) para plásticos y elastómeros.

En el extremo del barril opuesto al troquel se localiza una tolva que contiene el material que se alimenta. Los pellets se alimentan por gravedad al tornillo rotatorio, cuya rosca mueve al material a lo largo del barril. Se utilizan calentadores eléctricos para fundir al inicio los pellets sólidos; después, la mezcla y el trabajo mecánico del material generarán calor adicional, lo que mantiene fundido al material. En ciertos casos, se suministra calor suficiente a través de la mezcla y acción cortante de modo que no se requiere calor externo.

En realidad, en ciertos casos el barril debe enfriarse desde el exterior a fin de impedir el sobrecalentamiento del polímero.

El material se hace avanzar a lo largo del barril hacia la abertura del troquel, por medio de la acción del tornillo extrusor, que gira a unas 60 rev/min. El tornillo tiene varias funciones y se divide en secciones que son:

1) sección de alimentación, en la que el material se mueve del puerto de la tolva y recibe precalentamiento

2) sección de compresión, en la que el polímero se transforma para adquirir consistencia líquida, se extrae del fundido el aire atrapado entre los pellets y se comprime el material

3) sección de medición, en la que se homogeniza al fundido y se genera presión suficiente para bombearlo a través de la abertura del troquel.

Tan A = p/ π D

Donde p ancho del tornillo

El avance del polímero a lo largo del barril lo hace llegar en última instancia a la zona muerta. Antes de llegar al troquel, el fundido pasa a través del paquete de la pantalla, una serie de mallas de alambre sostenidas por una placa rígida (llamada placa rompedora) que contiene agujeros axiales pequeños. El paquete de la pantalla sirve para

1) filtrar los contaminantes y grumos duros del fundido

2) generar presión en la sección de medición

3) forzar al flujo del polímero fundido y borrar de su “memoria” el movimiento circular impuesto por el tornillo.

Lo que se ha descrito aquí es la máquina de extrusión de un solo tornillo. También debe mencionarse los extrusores de tornillos gemelos, ya que ocupan un lugar importante en la industria. En estas máquinas, los tornillos son paralelos y se encuentran lado a lado dentro del barril. Los extrusores de tornillos gemelos parecen adaptarse en especial al

PVC rígido, el cual es un polímero difícil de extruir, y a materiales que requieren una mezcla mayor.

Análisis de la extrusión

En esta sección se desarrollan modelos matemáticos para describir, en forma simplificada, varios aspectos de la extrusión de polímeros.

Flujo fundido en el extrusor Conforme el tornillo gira dentro del barril, el polímero fundido se ve forzado a moverse hacia delante, en dirección del troquel; el sistema opera en forma muy parecida a un tornillo de Arquímedes. El mecanismo principal de transporte es el flujo por arrastre, que resulta de la fricción entre el líquido viscoso y las dos superficies opuestas que se mueven una respecto de la otra; 1) el barril estacionario y 2) el canal del tornillo giratorio.

Qd = 0.5υ dw

υ = πDN cos A

d = dc

w = wc = (πDtan A −wf) cos A

wc = π Dtan A cos A = π D sen A

Qd = 0.5π 2D2Ndc sen A cos A

Qb = π Ddc 3 sen2A / 12η (dp / dl)

Qb = pπ Ddc 3 sen2A / 12ηL

Qx = Qd −Qb

Características del extrusor y del troquel

Si la contrapresión es igual a cero, de modo que el flujo fundido no tenga restricción en el extrusor, entonces el flujo sería igual al flujo por arrastre Qd dado por la ecuación. Dados los parámetros de diseño y operación

Gastos de extrusión

Qmáx = 0.5π 2D2N dc sen A cos A (13.14)

Qx = Qd −Qb = 0, por lo tanto, Qd = Qb

pmáx = 6πDNLη cot A dc

Qx = Ks p

ks = πDd4

Configuraciones del troquel y productos extruidos

La forma del orificio del troquel determina la forma de la sección transversal del extruido. Se puede enumerar los perfiles de troquel comunes y las formas extruidas correspondientes, como sigue:

1) perfiles sólidos

2) perfiles huecos, como tubos

3) recubrimientos de alambre y cable

4) hoja y película

5) filamentos

Perfiles sólidos

Éstos incluyen formas regulares: círculos, cuadrados y secciones transversales tales como formas estructurales, molduras para puertas y ventanas, y accesorios para automóviles y viviendas. La sección trasversal de la vista lateral de un troquel para estas formas sólidas. Justo más allá del extremo del tornillo y antes del troquel, el polímero fundido pasa a través del paquete de la pantalla y la placa rompedora para fortalecer las líneas de flujo. Después fluye hacia la entrada (por lo general) convergente del troquel; la forma está diseñada para mantener un flujo laminar y evitar puntos muertos en las esquinas que de otro modo estarían presentes cerca del orificio.

Perfiles huecos La extrusión de perfiles huecos, tales como tubos, tuberías, mangueras y otras secciones transversales que incluyen agujeros, requiere un mandril para obtener la forma hueca.

Recubrimiento de alambre y cable El recubrimiento de alambre y cable para aislarlos es uno de los procesos de extrusión de polímeros más importantes.

Fractura del fundido En la que las tensiones que actúan sobre el fundido inmediatamente antes y durante su paso a través del troquel son tan grandes que ocasionan una falla, que se manifiesta en forma de la superficie muy irregular del extruido.

Un defecto más común de la extrusión es la piel de tiburón, en la que la superficie del producto se arruga al salir del troquel. Conforme el fundido fluye a través de la abertura del troquel, la fricción en la interfaz ocasiona un perfil de velocidad a través de la sección transversa.

Los esfuerzos de tensión aparecen en la superficie al estirarse este material para estar a la par con el núcleo central que se mueve más rápido. Estos esfuerzos ocasionan rupturas menores que arrugan la superficie. Si el gradiente de velocidad se vuelve extremo, aparecen marcas prominentes en la superficie, lo que le da el aspecto de un tronco de bambú; de ahí el nombre de bambú para este defecto más severo.