Actualmente, se realizan investigaciones científicas para garantizar que las piezas de las máquinas cumplan su vida útil de forma óptima. Para evitar un aumento de costes, se busca prolongar al máximo esta vida útil. En las extrusoras que fabrican productos plásticos, el desgaste mecánico y los errores de fatiga en los sistemas de husillo y cilindro reducen su vida útil. Para prevenir estos daños y aumentar la vida útil de estas piezas, el objetivo principal de este estudio es recopilar diferentes diseños y sugerencias de soluciones presentadas en la literatura.
En las extrusoras donde se fabrican productos plásticos se observan reducciones en su vida útil debido al desgaste mecánico y fallas por fatiga en los sistemas de tornillo y barril.
Comportamiento de desgaste en los tornillos de la extrusora
Es fundamental monitorear el desgaste de los tornillos de la extrusora. Existen numerosas razones que pueden causar desgaste en los tornillos y sistemas de cilindros de la extrusora. Desde tiempos inmemoriales, los investigadores han realizado numerosos estudios científicos para garantizar que estas piezas cumplan su vida útil de forma óptima y, de ser posible, prolongarla.
Se sabe que al seleccionar un diseño de eje adecuado, así como lubricantes y técnicas de lubricación adecuados durante los procesos de ensamblaje, se pueden reducir las fallas por fatiga del material en los tornillos de las extrusoras y aumentar su vida útil. Además, es un hecho científico que los diferentes tipos y técnicas de recubrimiento aplicados a las superficies, así como los tratamientos térmicos, tienen efectos positivos en la vida útil de las piezas [1]. Este estudio recopila diferentes diseños y sugerencias de soluciones presentadas en la literatura para prevenir daños en el material y aumentar la vida útil de estas piezas en extrusoras de uno o dos tornillos.
Investigación sobre diseños de tornillos y barriles
En la tecnología de extrusión, especialmente en la fabricación de tubos y perfiles, se utilizan tornillos estándar a nivel mundial, y el consumo de energía por kg de producto fabricado se aproxima a un valor determinado. Sin embargo, es posible reducir el consumo energético aprovechando las propiedades reológicas adecuadas para la materia prima con diferentes geometrías de tornillo. Además, los tornillos existentes utilizan una sección transversal fija; existen zonas de alimentación, fusión y presurización. Se pueden obtener diferentes geometrías de tornillo modificando los pasos de los tornillos en estas regiones. Rauwendaal [2] ha realizado estudios sobre diseños de tornillos de barrera de nueva generación. Se sabe que las barreras clásicas presentan contrapresión en ciertos límites y la sensibilidad del evento de retroalimentación de la sección transversal del sólido en los tornillos. Debido a estas situaciones, la estabilidad del proceso se ve afectada. En este estudio, se analizó cómo lograr un diseño de barrera más preciso y óptimo, considerando las propiedades de fusión y solidificación. Se diseñó un tornillo de barrera con una formación de tornillo de dos filos a diferentes alturas, que empuja el sólido y arrastra el fluido fundido entre los dos tornillos. Además, se desarrolló la optimización del tornillo con ángulos muy pequeños y alas de diferentes alturas (Figura 1). Estas barreras pueden diseñarse con una estructura entallada y a diferentes alturas. Antes de la optimización, los valores de kWh/kg eran de 0.26, pero después de la optimización disminuyeron a 0.18-0.20 [2]. En los nuevos diseños desarrollados por Roos et al. para extrusoras de doble tornillo corrotantes, se incrementó el área de la sección transversal del tornillo y el volumen libre. El nuevo diseño del tornillo cuenta con una función de autolimpieza, y cada segmento del tornillo tiene un diseño diferente. Básicamente, se concibió una estrategia de salida de volumen libre, lo que aumentó la producción [3].
El sector del plástico se está desarrollando a un ritmo acelerado. Es uno de los sectores con mayor crecimiento en nuestro país. Según datos de 2023, el consumo de materias primas plásticas en Turquía superó los 10 millones de toneladas.
Análisis de geometrías de barril y tornillo
Los barriles se utilizan a menudo como un todo. Hay tipos que solo se abren por la mitad. Sin embargo, es posible crear barriles a partir de piezas modulares contiguas. De esta manera, es posible crear sistemas de tornillo y barril con diferentes secciones transversales y compuestos por varias piezas. Cada región puede tener diferentes geometrías. Naturalmente, el material obtenido de cada región y la naturaleza del proceso también serán diferentes. Los valores de flujo y presión, que son parámetros físicos que dependen de la compresión y el flujo en el barril, también cambiarán en consecuencia. Por lo tanto, las condiciones de operación de las extrusoras diseñadas para cada tipo de tornillo y barril serán diferentes. Por esta razón, debería ser posible desarrollar extrusoras y medir y monitorizar sus variables físicas. Gordon y otros han trabajado en un diseño óptimo de cabezal de matriz con modelado de "límite superior". Este modelado permite realizar análisis con éxito, especialmente en cabezales de doble sección. La definición y monitorización del flujo en el proceso de extrusión se puede realizar de forma más realista con este modelado. El método de elementos finitos se utilizó como método de solución del modelo [4]. Stasiek [5] optimizó una extrusora mezcladora de doble tornillo para la extrusión de PP. En el estudio, que incluyó diversos diseños, se desarrolló, por ejemplo, un sistema de extrusora de doble tornillo corrotante con sistema de desgasificación, con un diseño de tornillo modificado que consta de tres segmentos de desgasificación y dos de mezcla (Fig. 3). Los diseños actuales de extrusoras corrotantes pueden alterar la estructura del termoplástico debido a la alta tensión de cizallamiento. Esto conlleva la degradación del polímero. Las elevadas cargas térmicas y mecánicas presentes en la región de plasticidad también son la causa de esta situación [2].
Propiedades del proceso y reología en la extrusión
Huang et al. estudiaron el diseño del cabezal en el proceso de extrusión y realizaron sus análisis. El diseño del cabezal de salida que forma el perfil se realizó mediante dinámica de fluidos computacional. Se modeló el flujo de material fundido para una tubería y se determinaron los límites de flujo del material fundido. En estos procesos, existe la posibilidad de que el material no sea térmicamente estable debido a un diseño inadecuado del cabezal. La estabilización se puede lograr dirigiendo el flujo adecuadamente. Los principios de diseño que lo permiten se presentan en el estudio en tres dimensiones. Se modeló el cabezal de la tubería y la región de compresión. El comportamiento del flujo de material en todas las secciones transversales del cabezal y el solapamiento de las trayectorias de flujo se modelaron mediante el método de elementos finitos [6]. Además, las propiedades reológicas y otras características térmicas de la materia prima y los procesos por los que pasa el material también están relacionadas con las propiedades del producto. Es importante monitorear cómo cambian las materias primas utilizadas en diferentes geometrías de tornillo-cilindro. De esta manera, se pueden recopilar los datos necesarios para la selección de las relaciones material-proceso y el sistema tornillo-cilindro óptimo en consecuencia. En un estudio realizado por Kumar et al., se desarrolló un método para determinar la distribución del tiempo de resistencia en la extrusora de laboratorio durante el proceso de extrusión. En cuanto a los parámetros de color, la concentración de fases no fundidas en el material se determinó mediante procesamiento de imágenes en lugar de calorímetro. De esta manera, también se pudo determinar el efecto de la temperatura del cilindro y la velocidad del tornillo. Esta aplicación proporciona un sistema de control muy eficaz, especialmente para la separación de componentes biológicos y fases no mezcladas en la industria alimentaria [7]. Cabe destacar que la geometría y el diseño del tornillo deben presentar una estructura altamente resistente a la alta presión y la fricción en sus superficies. Dado que la dureza del núcleo y la superficie son fenómenos diferentes y que no todos los materiales poseen estas dos propiedades de tratamiento térmico simultáneamente, se requiere la selección de un material con alta tenacidad y un proceso de endurecimiento superficial. Mientras se endurece la superficie, se espera que el núcleo del tornillo alcance una determinada característica en términos de tenacidad y dureza. Para ello, es necesario examinar los cambios de dureza del núcleo y de la superficie de materiales con diferentes propiedades físicas y químicas sometiéndolos a diferentes curvas de temperatura-tiempo en diferentes entornos de mezclas de gases y ver los efectos de diferentes sistemas de control de atmósfera de horno y recetas de temperatura y crear una receta de recocido de material óptima adecuada para los fines.
resultados
Los husillos de extrusión son elementos de maquinaria que operan a altas temperaturas de proceso y bajo carga constante. El material arrastrado por los husillos somete a un esfuerzo especial al cuerpo principal del husillo. Es necesario ampliar la sección transversal para que el cuerpo del husillo pueda soportar las tensiones mecánicas que se generan. Sin embargo, la construcción no siempre lo permite. Por lo tanto, se necesita un diseño de husillo que pueda soportar las mayores tensiones posibles en las áreas de sección transversal más pequeñas posibles. Al crear cilindros a partir de piezas modulares, es posible crear sistemas de husillo y cilindro con secciones transversales variables y compuestos por varias partes. De esta manera, cada región puede constar de geometrías independientes. Naturalmente, las características del material y del proceso obtenidas de cada región también serán diferentes. Los parámetros físicos relacionados con el flujo dentro del sistema husillo-cilindro también cambiarán en consecuencia. Por lo tanto, las condiciones de funcionamiento de las extrusoras creadas serán diferentes para cada tipo de husillo y cilindro diseñado. Por esta razón, el desarrollo de extrusoras y la medición y monitorización de sus variables físicas son inevitables en términos de eficiencia del proceso y calidad del producto.
