Proceso de ExtrusiónAlberto Rosa + Francisco J González MadariagaInnovación Tecnológica para el DiseñoUniversidad de Guadalajara

ExtrusiónLa extrusión de polímeros es un proceso industrial, en donde se realiza una acción de prensado, moldeado del plástico, que por flujo continuo con presión y empuje, se lo hace pasar por un molde encargado de darle la forma deseada.

El polímero fundido es forzado a pasar a través de un dado también llamado boquilla, por medio del empuje generado por la acción giratoria de un husillo (tornillo sinfín) que gira concéntricamente en una cámara a temperaturas controladas llamada cañón, con una separación milimétrica entre ambos elementos.

El material polimérico es alimentado por medio de una tolva en un extremo de la máquina y debido a la acción de empuje se funde, fluye y mezcla en el cañón y se obtiene por el otro lado con un perfil geométrico preestablecido.

Razones importantes para su usoa) Una vez arrancado el proceso, la producción es continua; a diferencia de otras técnicas cíclicas, como la inyección.b) Permite obtener piezas difíciles o incosteables si se obtuvieran por otro proceso.c) Los costos de las herramientas suelen ser comparativamente más bajos que los de otros procesos.

Limitaciones del procesod) El costo de las máquinas extrusoras y del equipo auxiliar es usualmente elevado.e) Los productos obtenidos por extrusión son las más de las veces materiales que requieren de otra transformación para su uso final.

Capitulo II

UMSS – Facultad de Ciencias y Tecnología Ing. Mecánica – Tecnología Mecánica II

98

por compresión y transferencia, moldeo por soplado y moldeo rotacional, termoformado, procesamiento y

formado de espumas de polímeros,

2.3.2 EXTRUSIÓN

La extrusión es un proceso de compresión en el cual se fuerza al material a fluir a través del orificio

de un dado para generar un producto largo y continuo, cuya forma esta definida por la forma de la

sección transversal del orificio. Es un proceso de conformación para polímeros que se usa ampliamente

con termoplásticos y elastómeros (rara vez con termofijos) para producir masivamente artículos como

tubos, ductos, mangueras, perfiles estructurales (molduras de ventanas y puertas), láminas y películas,

filamentos continuos, recubrimientos de alambres y cables eléctricos. Para este tipo de productos, la

extrusión se lleva a cabo como un proceso continuo y se corta en las longitudes deseadas.

2.3.2.1 Procesos y Equipos

En la extrusión de polímeros el material en forma de pelets se alimenta a un cilindro de extrusión,

donde se calienta y se le hace fluir a través del orificio de un dado por medio de un tornillo giratorio

(gusano), como se ilustra en la figura 2.30. Los dos componentes principales del extrusor son el cilindro y

el tornillo. El dado no es un componente del extrusor, sino una herramienta especial que debe fabricarse

con el perfil particular a producir.

FIGURA 2.30 Componentes y características de un extrusor (de tornillo único) para

plásticos y elastómeros. La relación L/D está reducida para mayor claridad del dibujo.

El diámetro interno del cilindro extrusor fluctúa típicamente entre 25 a 150 mm. El cilindro es largo

con respecto a su diámetro con una relación L/D usualmente ente 10 y 30. Las relaciones más grandes

se usan para materiales termoplásticos, mientras que los valores más bajos de L/D son para elastómeros.

La tolva que contiene el material de alimentación se localiza en un extremo del cilindro. Los pelets se

alimentan por gravedad sobre el tornillo giratorio, que mueve el material a lo largo del cilindro. Se utilizan

Esquema de una extrusora

Las variables de control que intervienen en este proceso son: temperatura y velocidad de giro del husillo.....aunque existe una variable mas importante sobre la que no se tiene control: la fricción (shear heating)

DatasheetExtruderenBij het extruderen wordt een materiaal door verhitting in viskeuze toestand gebracht en vervolgens door een matrijs gedrukt. In het geval vankunststofextrusie is het een continu proces. Er kunnen dus grote lengtes van een product worden gemaakt. Het uitgangsmateriaal is granulaat ofpoeder dat door een schroefextruder (zie afbeelding) gesmolten wordt en op druk wordt gebracht. Het materiaal wordt door de extruder, door een malheen, naar buiten geperst. Het proces geeft redelijk veel vormvrijheid. Profielen met meerdere holtes zijn heel goed te realiseren. Omdat dit een redelijk goedkope techniek, ishet zeer geschikt voor het produceren van grote aantallen producten en/of halffabricaten. De nauwkeurigheid van het proces hangt af van meerdere factoren. Bij het extruderen zal het materiaal na het verlaten van de matrijs uitzetten. Ditkomt door het elastische gedrag van het materiaal. Gevolg hiervan is dat de vorm niet 100% behouden blijft, er kan bij producten met ongelijkewanddiktes een vervorming in het profiel optreden (vb kromtrekken). Om dit te voorkomen zal het materiaal zo snel mogelijk gekoeld moeten wordenna het verlaten van de matrijs. Voor het verkrijgen van grotere nauwkeurigheid is het mogelijk om een kalibreereenheid toe te voegen aan het proces.In de eenheid wordt het matriaal tegen de gaaf gepolijste wanden gedrukt, bij buisprofiel met bijvoorbeeld perslucht, waar het gedwongen wordt af tekoelen. Varianten in het extrusieproces zijn buisextrusie, draadmantelextrusie, plaatextrusie en coëxtrusie.

Materials:

extruder schroef

Datasheet Extruderen created by www.designerdata.nl

Flujo de extrusión

Los tipos de extrusoras son:

De husillo sencillo

De doble husillo

Co-extrusoras

Extrusoras de película

Extrusoras de placas

Extrusión doble husillo

Mejor mezcla (especialmente con cargas)Más torqueMayor efectode cizalla

Corto tiempo de residencia del fundido en la unidad de plastificación = mejor calidad de fundido. Auto limpieza de los elementos del tornillo debido al entrelazado.Desgasificado de materiales higroscópicos = no se necesita secador. Diseño compacto de maquina = se requiere menos espacioCilindro y tornillo en material especial y diseño modular alta flexibilidad, larga vidaMotor CA con enfriamiento por agua = menor carga térmica en el ambiente, bajo nivel de ruido, casi sin mantenimiento

!"#$%&'()#*$%&

!! !"#

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

##

#!"#$%&$($%$%&'()*#+(,+(%(-.*./01#2(#3*#%(55/C-#.+*-%0(+%*3#21-2(#%(#+(,+(%(-.*#3*#2/+(55/C-#2(#B/+1#2(#31%#:'%/331%6###

Línea de extrusión para mezclas

Granzeadora

Extrusión multicapa

67

El efecto combinado de estirado y enfriamiento rápido que sufreel filme o lámina con los rodillos, puede provocar que lascadenas de polímeros queden parcialmente orientadas en ladirección del flujo de fundido. El nivel de orientación quedesarrolla un filme obtenido por extrusión calandra vendrácondicionado por:

- La viscosidad del material.- La temperatura y velocidad de salida por la boquilla de la extrusora- La temperatura y velocidad de los rodillos

CoextrusiónLa coextrusión consiste en la extrusión simultánea de variospolímeros a través de una misma boquilla. Con esteprocedimiento es posible realizar filmes de múltiples capas,combinándolas para obtener un producto que combine laspropiedades de cada uno de los polímeros empleados

Algunas de las ventajas que tiene la coextrusión multicapa frentea la extrusión monocapa son:- Mejor reparto de espesores- Mejor comportamiento a fractura, ya que los defectos que sepudieran producir en el proceso de extrusión monocapa no setransmiten a la totalidad del material en la extrusión multicapa.- Ahorro en materias primas y aditivos al combinar laspropiedades de diferentes materiales.

Un ejemplo de sistemas multicapa son los filmes tricapa de altabarrera destinados al envasado, donde se mejoran laspropiedades a barrera al oxígeno, mediante una capa internade EVOH y dos externas de polietileno. [Brown, 1992] El sistemaasí formado, mantiene las propiedades mecánicas y laposibilidad de termosellado de las capas exteriores, a la vezque protegen de la humedad la capa central de EVOH, queaporta una alta impermeabilidad al oxígeno.

Figura 3.10 Funcionalidad de un sistema multicapa

Oxígeno

Olores

Solventes orgánicosVitaminas, aromas

CO2, N2

Extrusión multicapa

Diferentes efectos, de acuerdoa los tipos de plásticos usados

!"#$%&'() *+ ,+-./%-0 1%-#'/0,0!"#$%&'() *+ ,+-./%-0 1%-#'/0,0

! "#$%&'()#'

2 !"#$%&3$2 !"#$%&3$

4 43+"#$%&3$

5 43+"#$%&3$

*+ ,#-.$ &#'/0..#

26 73)3 #3$)'--3

89 49 5 43+"#$%&3$+&

127

Figura 4.23 Esquema representativo del frente de flujo tipo parábola que aparecedurante la coextrusión MABS+TPU

MD

Figura 4.22 Corte del cabezal de coextrusión mostrando el desplazamiento internodel TPU por efecto de la viscosidad del MABS.

MABS

TPU

Actualmente los mas avanzados filmes pueden incorporar hasta 7 capasMAP (Modified atmosphere packaging)

Problema Control de viscosidades diferentes

Oxígeno

AluminioPETEVOH Etilen-Vinil-Alcohol

PVDC Cloruro de polivinilideno

NylonEVALLDPE PE linear baja densidad

H20

AluminioPETLLDPEEVANylonPVDCEVOH

E X C E L E N T E T E R M O E N C O G I M I E N T O , M AY O R

C L A RID A D Y T R A NSPA R E N C I A

Mejor Memoria

Mayor brillo

Menor Opacidad!

Mejor apariencia en vida de anaquel

MAP (Modified atmosphere packaging)

!"#$%&'()#*$%&

!! !"#

$%# $&# '(!!# )*+,-# ./0# &/# 12$# &/3# %4%/5/6.2$37/3# ./&869085/3# 3$#

$%5/%7040:4%#7/74&6$%7$#8%;/&2504</3#$%#<8;$03/3#3$57/0$3-#$3.$584&6$%7$#

$%#6$<858%4-# 8%37026$%7458=%-# 6$<8/# 46>8$%7$-# .0/<2558=%# <$# $%$0?:4-#

4&86$%7458=%-# 7$5%/&/?:4# <$# &4# 8%@/06458=%-# 704%3./07$-# 8%@04$370257204#A#

3$?208<4<B#

#

!"#"#"# !$%&'%(%)*+!,-!(%.!/+/%0%$12-.3%.!1%(4$5&40%.!#

C/3# %4%/5/6.2$37/3# ./&869085/3# 3$# .2$<$%# 5&438@8540# $%# @2%58=%# <$# 32#

6/0@/&/?:4# $%# 4?&/6$04</3-# 8%7$054&4</3# A# $D@/&84</3-# 74&# 5/6/# 3$#

0$.0$3$%74#$%#&4#'67#!"#8B##

##

'67#! "#8## E08%58.4&$3# 78./3# <$# %4%/5/6.2$37/3B# F/64</# A# 4<4.74</# <$# &4#

0$@$0$%584#)G,B#

#

C/3#!"!#$#%&'()*#)+",-#%(."/#)#3$#@/064%#524%</#$&#./&:6$0/#$3#8%54.4H#

<$# 8%7$054&403$#$%70$# &43# &I68%43#<$# &4#4058&&4B#J$#$374# @/064#3$#/>78$%$%#

</3#@43$3#3$.404<43-#$%#</%<$#&43#&I68%43#.$064%$5$%#2%8<43#A#4&8%$4<43#

.404&$&46$%7$#$%70$#3:B#K$#$37864#12$#&43#.0/.8$<4<$3#<$#937/3#647$084&$3#

3$#$%52$%704%#2>854<43#<$%70/#<$&#/0<$%#<$#&/3#6850/5/6.2$37/3B##

!"#$%&'()# !

!! !"#$

%&'&()*$ )$ (+$ +,-.*/)0+$)12.*&+*'.12.$ .1$ (+-$ 1)1+3+'45.-2+-$6$'.73()-$

')-2.*,)238.-9$52&(&7)10+$ ()$)*3&(()$:;<=9$ (+-$1)1+3+'45.-2+-$>??@:;<=$

0.-)**+(()1$ 51$ 4&3+$ -.3510)*&+$ A&10.4.10&.12.'.12.$ 0.($ 3+12.1&0+$ 0.$

)*3&(()B$.1$)4*+C&')0)'.12.$D!$E$F$GH$>-2)$-.I)($*.4*.-.12)$J5.$4)*2.$0.$()$)*3&(()$:;<=$-.$.135.12*)$&12.*3)()0)$0.12*+$0.$()$')2*&7H$

$

K)$ !"#$% &$''$ '5.-2*)$ ()-$ '&3*+L*)MN)-$ O>P$ 3+**.-4+10&.12.-$ )$ (+-$

1)1+3+'45.-2+-$>??@:;<=H$

$$ $

$ $

)B$ $ $ $ $ $ ,B$

!"#$% &$''$%P&3*+L*)MN)-$ O>P$ 0.$ (+-$ 1)1+3+'45.-2+-Q$ )B$ >??@!:;<=$ 6$ ,B$ >??@

DH":;<=H$$

$

>-$ ./&0.12.$ J5.$ .($ 1R'.*+$ 0.$ 4)*2N35()-$ )L(+'.*)0)-$ )5'.12)$ 3+1$ .($

3+12.1&0+$0.$)*3&(()9$ (+$35)($-.$3+**.-4+10.$3+1$(+-$*.-5(2)0+-$+,2.1&0+-$

4+*$STU%H$T0.'V-9$ .-$ 4+-&,(.$ )4*.3&)*$ 51)$ .(./)0)$ +*&.12)3&W1$ 0.$ ()-$

4)*2N35()-$.1$)',+-$1)1+3+'45.-2+-H$

$

$

$

Uso de nano-arcillas para mejora de efecto barrera

EVOH

Pruebas de caracterización sobre films

Capitulo II

UMSS – Facultad de Ciencias y Tecnología Ing. Mecánica – Tecnología Mecánica II

101

Perfiles sólidos Los perfiles sólidos incluyen formas regulares, como secciones redondas,

cuadradas e irregulares, como los perfiles estructurales, molduras para puertas y ventanas, accesorios

automotrices y chapas domésticas. En la figura 2.32 se ilustra una vista lateral de la sección de un dado

para producir estas formas sólidas. Al final del tornillo y antes del dado, la fusión de polímero pasa a

través de un empaque cernidor y de una placa rompedora para enderezar las líneas de flujo. Luego fluye

hacia el interior de la entrada convergente del dado, forma diseñada generalmente para mantener el flujo

laminar y evitar los puntos muertos en las esquinas que podrían presentarse cerca del orificio. La fusión

fluye entonces a través de la abertura misma del dado.

FIGURA 2.32 (a) Vista lateral de la sección de un dado de extrusión para formas sólidas

regulares como material redondo; (b) vista frontal del dado con el perfil de la extrusión.

La dilatación en el dado es evidente en ambas vistas. Algunos detalles de la

construcción del dado están simplificados o se omiten para mayor claridad.

Cuando el material deja el dado todavía está suave. Los polímeros con alta viscosidad de fusión,

son los mejores candidatos para la extrusión, ya que durante el enfriado mantienen mejor la forma. El

enfriado se realiza por soplo de aire, por rociado con agua o pasando la extrusión en una cuba o depósito

de agua. Algunas veces se estira la extrusión para compensar la expansión de la dilatación en el dado.

FIGURA 2.33 (a) Sección transversal del dado mostrando el perfil requerido para obtener

(b) un perfil cuadrado de extrusión.

Capitulo II

UMSS – Facultad de Ciencias y Tecnología Ing. Mecánica – Tecnología Mecánica II

102

Para formas no redondas, la abertura del dado se diseña con una sección ligeramente diferente del

perfil deseado, así el efecto de la expansión en el dado provee la corrección de la forma. Esta corrección

se ilustra en la figura 2.33 para una sección cuadrada. La forma de la sección del dado depende del

material a extruir, ya que los diferentes polímeros exhiben diferentes grados de dilatación en el dado. Se

requiere considerable habilidad y juicio para diseñar un dado para secciones transversales complejas.

FIGURA 2.34 Vista lateral del corte de un dado de extrusión para formar secciones

huecas como ductos y tubos; la sección A-A es una vista frontal que muestra Cómo se

sujeta el mandril en su lugar; la sección B-B muestra la sección transversal tubular poco

antes de salir del dado; la dilatación en el dado causa una dimensión mayor en el

diámetro. (Algunos detalles de construcción están simplificados.)

Perfiles huecos La extrusión de perfiles huecos, como tubos, ductos, mangueras y otras

secciones similares, requiere un mandril para dar la forma hueca. Una configuración típica del dado se

ilustra en la figura 2.34. El mandril se mantiene en su lugar usando una araña, como se muestra en la

sección A-A de la figura. El polímero fundido fluye alrededor de las patas que soportan el mandril para

volver a reunirse, formando la pared monolítica del tubo. El mandril incluye frecuentemente un canal a

través del cual se sopla aire para mantener la forma hueca de la extrusión durante el endurecimiento. Los

tubos y ductos se enfrían usando cubas abiertas de agua o jalando la extrusión suave mediante tanques

llenos de agua con mangas calibradoras que limitan el diámetro exterior del tubo, mientras se mantiene la

presión de aire en el interior.

2.3.2.3 Defectos en la extrusión

Los productos de extrusión pueden sufrir numerosos defectos. Uno de los peores es la fractura de

fusión, en la cual los esfuerzos que actúan sobre la fusión inmediatamente antes y durante el flujo, a

través del dado, son tan altos que causan rupturas que originan una superficie altamente irregular. Como

se indica en figura 2.35, la fractura de fusión puede ser causada por una aguda reducción en la entrada

Capitulo II

UMSS – Facultad de Ciencias y Tecnología Ing. Mecánica – Tecnología Mecánica II

101

Perfiles sólidos Los perfiles sólidos incluyen formas regulares, como secciones redondas,

cuadradas e irregulares, como los perfiles estructurales, molduras para puertas y ventanas, accesorios

automotrices y chapas domésticas. En la figura 2.32 se ilustra una vista lateral de la sección de un dado

para producir estas formas sólidas. Al final del tornillo y antes del dado, la fusión de polímero pasa a

través de un empaque cernidor y de una placa rompedora para enderezar las líneas de flujo. Luego fluye

hacia el interior de la entrada convergente del dado, forma diseñada generalmente para mantener el flujo

laminar y evitar los puntos muertos en las esquinas que podrían presentarse cerca del orificio. La fusión

fluye entonces a través de la abertura misma del dado.

FIGURA 2.32 (a) Vista lateral de la sección de un dado de extrusión para formas sólidas

regulares como material redondo; (b) vista frontal del dado con el perfil de la extrusión.

La dilatación en el dado es evidente en ambas vistas. Algunos detalles de la

construcción del dado están simplificados o se omiten para mayor claridad.

Cuando el material deja el dado todavía está suave. Los polímeros con alta viscosidad de fusión,

son los mejores candidatos para la extrusión, ya que durante el enfriado mantienen mejor la forma. El

enfriado se realiza por soplo de aire, por rociado con agua o pasando la extrusión en una cuba o depósito

de agua. Algunas veces se estira la extrusión para compensar la expansión de la dilatación en el dado.

FIGURA 2.33 (a) Sección transversal del dado mostrando el perfil requerido para obtener

(b) un perfil cuadrado de extrusión.

Tipos de dados

Software simulación extrusión

Vel® ExtruderVirtual extrusion laboratory

Compuplast® Extrusion calculator

Compuplast.com

E X T RUSI O N: C AST- Laminaciones

Extrusión película orientada

Extrusión película bi-orientada

La orientación biaxial consiste en el estiramiento de la película de extruida en dos direcciones perpendiculares, la película es estirada longitudinalmente en la dirección de la máquina y es seguida por un estiramiento en la dirección transversal de la misma, lo cual le otorga una elevada orientación y excelentes propiedades tensiles en ambas direcciones.

Esquema extrusión película

Video “Así se hace” de Discovery Channel

Esquema extrusión soplo

Video máquina extrusión-soplo sencilla

Video máquina extrusión-soplo multiple

Software simulación extrusión soplo