Permítanme comenzar con algo que se me quedó grabado.
El año pasado visité unfabricación de perfilesPlanta en Dongguan. El supervisor del taller, el viejo Zhou, señaló una extrusora en funcionamiento y me dijo: "¿Ves esto? El principio es absolutamente simple. No es diferente de exprimir pasta de dientes de un tubo".
Pensé que estaba bromeando.
Resulta que, después de entrar en esta industria, no se equivocó-al menos no en cuanto al concepto central. El moldeo por extrusión, como su nombre indica, implica presionar una sustancia a través de una abertura para darle una forma. Al igual que cuando aprietas el extremo de un tubo de pasta de dientes, la pasta de dientes extruida tiene la forma de ese pequeño agujero redondo. El principio del moldeo por extrusión de plástico es similar, excepto que el dedo es reemplazado por un tornillo giratorio, la pasta de dientes se convierte en plástico fundido y la abertura del tubo se convierte en un molde mecanizado con precisión.
Pero "simple" significa algo muy diferente cuando se habla de producción industrial.
Entonces, ¿qué estamos extruyendo exactamente aquí?
La extrusión de perfiles es el proceso de creación de formas plásticas continuas mediante extrusión. No incluye productos en láminas ni film. Mucha gente confunde "extrusión" como concepto general con "extrusión de perfiles" específicamente. La extrusión de plástico es una gran familia-la película soplada, la película fundida y la extrusión de láminas, todas ellas cuentan. Pero la extrusión de perfiles se refiere específicamente a productos con una sección transversal consistente-. El marco de PVC alrededor de su ventana, el tubo intravenoso del hospital e incluso la pajita de su bebida de McDonald's-se cortan en cualquier parte de su longitud y la forma de la sección transversal-se mantiene igual. Ese es un perfil.
Los productos fabricados mediante extrusión de perfiles pueden ser macizos, como el revestimiento vinílico, o huecos, como las pajitas para beber.
¿Cómo se hacen los huecos? Hay que colocar un alfiler o mandril dentro del troquel y soplar aire por el centro para evitar que el producto colapse. La primera vez que escuché esto tuve que pensarlo por un segundo, pero luego tenía sentido-si estás haciendo algo hueco y no lo sostienes desde adentro, por supuesto que se derrumbará.
¿Qué puede hacer un tornillo?
El corazón de una extrusora es ese tornillo. Lo curioso es que, para una industria tan masiva, el componente más crítico parece un tornillo para madera de gran tamaño.
El tornillo gira a una velocidad controlada, normalmente hasta 120 rpm, empujando los gránulos de plástico hacia adelante a través del cañón. El barril se calienta a la temperatura de fusión requerida, que oscila entre 200 grados y 275 grados, dependiendo del polímero que esté utilizando.
Pero ese tornillo no sólo empuja el material hacia adelante. Es simultáneamente transportar, comprimir, fundir y homogeneizar. Cuando los gránulos de plástico caen desde la tolva, son sólidos. A medida que el tornillo los empuja hacia adelante, son calentados por calentadores externos en el cañón y al mismo tiempo se cortan entre los tramos del tornillo y la pared del cañón. Cuando llegan al frente, están completamente fundidos.
Aquí hay algo que a menudo se pasa por alto: la temperatura del barril es en gran medida el resultado del calentamiento por cizallamiento y, a veces, de hecho se necesita enfriamiento adicional para mantener el plástico dentro de su ventana de procesamiento.
La mayoría de la gente asume que la extrusora simplemente usa esos calentadores externos para derretir el plástico. En realidad, el calentamiento por cizalla representa una parte importante del aporte de energía. He visto a operadores experimentados ajustar máquinas bajando la potencia del calentador y dejando que el cizallamiento haga más trabajo.-ahorra electricidad, claro, pero lo más importante es que la fusión inducida por cizallamiento-tiende a ser más uniforme.
sobre ese morir
El dado es donde ocurre la verdadera magia de la ingeniería. No soy un fanático del lenguaje florido, pero es cierto-la matriz es el componente técnicamente más exigente de todo el sistema.
Piénselo. El plástico fundido es un fluido. Cuando sale del dado, se hincha (die swell, lo llaman). Cuando se enfría, se encoge. Diferentes piezas se enfrían a diferentes velocidades, por lo que la contracción ni siquiera es uniforme. Para obtener un producto final que coincida con las especificaciones de diseño, los canales de flujo del troquel deben tener en cuenta todo eso.
Y un troquel no es sólo un trozo de acero con un agujero. Un dado equilibrado es esencial para un buen control dimensional. "Equilibrado" significa hacer que la masa fundida fluya aproximadamente a la misma velocidad en toda la sección transversal-. Si el flujo es desigual, el perfil sale grueso por un lado y fino por el otro, o una parte se enfría antes que la otra, y entonces tienes problemas.
Conozco una fábrica que fabrica perfiles complejos. Pasaron tres meses sólo en los ensayos. La sección transversal-tenía siete u ocho ranuras irregulares, la pared más delgada tenía menos de 1 mm y la más gruesa casi 8 mm. Con ese tipo de variación, lograr el equilibrio del flujo es una pesadilla.
No se hace hasta que esté frío.
El plástico que sale del troquel aún está blando. Algo así como queso caliente. Necesitas fijar esa forma rápidamente.
El enfoque más común es la refrigeración por agua. El perfil pasa directamente del troquel a un depósito de agua. Dentro del tanque hay accesorios de dimensionamiento que mantienen en forma el perfil todavía-blando mientras se endurece. Para productos que necesitan tolerancias más estrictas, se agrega calibración de vacío.- el perfil blando pasa a través de un calibrador, se aplica vacío al exterior y pequeños orificios alrededor del perímetro succionan el plástico hacia afuera contra las paredes del calibrador. Es básicamente una formación de vacío continua.
El enfriamiento parece la parte aburrida del proceso, pero hay muchas formas de arruinarlo. Si se enfría demasiado rápido, el gradiente de temperatura entre el interior y el exterior crea tensión interna.-La deformación aparece más tarde. Enfríe demasiado lento y su tasa de salida se verá afectada, además el perfil aún está suave cuando el extractor lo agarra y usted se estira.
La temperatura del agua, el caudal, la longitud del calibrador, la velocidad-de salida-todo tiene que estar coordinado.
El arrastre-controla y coordina la velocidad a la que se extrae el perfil del troquel. Esa velocidad tiene que coincidir con la tasa de extrusión. Demasiado rápido y el perfil se estira. Demasiado lento y el material se acumula en la salida del troquel. Suena sencillo. Tunearlo son todos los detalles.
Algunas palabras sobre los materiales.
A la gente del sector de la extrusión le gusta bromear: "Extruimos plástico, pero lo que realmente perdemos es el cabello". Si se equivoca en la formulación, todo saldrá mal.
Los materiales típicos incluyen polietileno, polipropileno, poliacetal, acrílico, nailon, poliestireno, PVC, ABS y policarbonato. Entre otros.
Son muchos nombres, pero en la producción real se trata principalmente de unos pocos.
CLORURO DE POLIVINILOes el rey en el mundo del perfil. Ningún segundo cercano. Ventanas de construcción, tuberías de drenaje, conductos para cables-está en todas partes. El alto contenido de cloro hace que el PVC sea difícil de encender y limita la liberación de calor. Es auto-extinguible, lo que significa que deja de arder una vez que se retira la fuente de ignición. Para los materiales de construcción, esa resistencia al fuego es enorme. Además, el PVC es económico,-resistente a la corrosión y puedes hacerlo rígido o flexible agregando plastificantes. Por supuesto, también tiene desventajas:-ventana de procesamiento estrecha y estabilidad térmica deficiente. Tienes que cargar la formulación con estabilizadores o se degradará incluso antes de que salga del molde.
educación físicaEs principalmente para tuberías. Las líneas de gas utilizan polietileno porque resiste la corrosión tanto del gas como del ambiente subterráneo. La red de agua lo utiliza por la misma razón y ayuda a mantener el agua pura. Una buena flexibilidad significa que puede soportar el asentamiento del terreno. Las uniones fusionadas por calor- terminan siendo más fuertes que la propia tubería.
ABSTiene una excelente resistencia al impacto gracias al componente de butadieno, incluso a bajas temperaturas. Pero la exposición a los rayos UV provoca microfisuras, por lo que las aplicaciones en exteriores deben tener precaución.
asaEs un excelente material para uso exterior, para perfiles que estarán expuestos a la luz solar durante periodos prolongados. Mucha gente no conoce este. Básicamente es ABS con el butadieno reemplazado por éster de acrilato, lo que aumenta significativamente la resistencia a la intemperie.
En cuanto a todos los demás elementos que forman parte de una formulación: colorantes para la apariencia, estabilizadores UV para prevenir la fotodegradación, antioxidantes para retardar el envejecimiento, lubricantes para mejorar el flujo y reducir la fricción, retardantes de llama para reducir la inflamabilidad. También estabilizadores térmicos, rellenos, endurecedores, coadyuvantes de procesamiento... Una formulación madura puede tener una docena de componentes, cada uno de los cuales se selecciona mediante extensas pruebas y errores.
La co-extrusión merece su propia sección
La co-extrusión consiste en extruir simultáneamente varias capas de material. Se utilizan dos o más extrusoras que alimentan diferentes plásticos a velocidades controladas en un solo cabezal de troquel, que los combina en la forma deseada.
¿Por qué molestarse?
Porque en muchas aplicaciones del mundo real-ningún polímero puede cumplir todos los requisitos por sí solo. Supongamos que desea un perfil donde la capa exterior debe ser dura, -resistente al desgaste y atractiva-, mientras que la capa interior debe ser suave, elástica y capaz de formar un sello. Un material no puede hacer ambas cosas. La co-extrusión le permite procesar dos materiales a la vez, fusionarlos en el troquel y obtener una sola pieza integrada.
La co-extrusión de doble durómetro fusiona dos materiales con diferentes zonas de dureza a través del mismo troquel, lo que proporciona al producto rigidez estructural y flexibilidad. Sellos de puertas y ventanas, juntas de electrodomésticos y diversas aplicaciones de sellado industrial-ahí es donde esto aparece.
Las juntas de puertas de automóviles son un ejemplo clásico. La parte que se engancha a la chapa es rígida. La parte que hace contacto con el vidrio o el panel de la carrocería es blanda. Dos materiales, uno pasa por el troquel. Si los hiciera por separado y tratara de pegarlos, costaría más y la unión no sería tan confiable.
Se vuelve más complejo. La tri-extrusión procesa tres materiales compatibles diferentes a través de un troquel, que se utiliza a menudo para dispositivos médicos y catéteres. Los tubos médicos tienen requisitos exigentes-la capa interna debe ser biocompatible porque entra en contacto con la sangre o los medicamentos, la capa intermedia necesita fuerza y resistencia a las torceduras, la capa externa debe ser lubricante para su inserción. Tres funciones, tres materiales, un solo disparo.
La alineación en una planta de producción
Una línea completa de extrusión de perfiles, de principio a fin, se parece más o menos a esto:
Sistema de almacenamiento/secado de material → Extrusora → Cambiador de pantalla → Troquel → Calibración/tanque de enfriamiento → Arrastre-apagado → Cortador → Recolección/apilamiento
Ya cubrimos el extrusor. El cambiador de malla sirve para filtración-atrapa trozos no derretidos y contaminantes. El arrastre-es ese par de rodillos que tiran del perfil hacia adelante a velocidad constante. Las cortadoras vienen en diferentes tipos según el producto:-sierras, cizallas y cortadoras voladoras.
Los perfiles flexibles suelen enrollarse en máquinas bobinadoras específicas. Los perfiles rígidos se cortan o cortan a medida.
Algunos productos también necesitan procesamiento en línea-. El punzonado, taladrado y ranurado son operaciones típicas. La impresión por inyección de tinta permite marcar lotes y productos. En-el punzonado en línea es mucho más eficiente que fuera de línea porque el perfil todavía se mueve hacia abajo en la línea-el cabezal del punzón viaja con él, golpea y listo.
Nota rápida sobre la calidad
Muchas fábricas no prestan mucha atención a la configuración adecuada-siempre que el perfil parezca aceptable, asumen que el extrusor está configurado correctamente.
Eso da en el clavo. La mentalidad en muchas plantas es "si se envía, está bien", y una vez que la máquina alcanza un-estado-bueno, nadie la toca. Pero para el mismo producto, la optimización de los parámetros puede reducir el consumo de energía en un 20 % y mejorar significativamente la consistencia.
El control de la temperatura lo es todo. El control preciso de la temperatura produce un buen producto y minimiza los costos de energía. Los termopares necesitan controles periódicos. Cuando un dado previamente bien-equilibrado comienza a producir perfiles desiguales, a menudo se debe a que los termopares ya no controlan la temperatura del dado correctamente. Los termopares se desvían con el tiempo-la pantalla indica 180 grados, pero la lectura real puede ser 195 grados -y los problemas aparecen lentamente.
¿A dónde va todo?
Esta parte no necesita mucha elaboración porque los perfiles están en todas partes.
La extrusión de perfiles es uno de los procesos de mayor-volumen en la fabricación de plásticos y produce de todo, desde tuberías hasta ventanas y tubos médicos.
La construcción es la que más utiliza. Marcos de ventanas, marcos de puertas, revestimientos, zócalos, canales para cables-todos extruidos.
La medicina utiliza la mayor precisión. Los catéteres y tubos de goteo de sangre están compuestos de materiales plásticos y refuerzos que requieren esterilización posterior-a su fabricación.
La automoción utiliza la mayor variedad. Sellos, molduras, tubos, protección de mazos de cables-un solo automóvil puede tener docenas de perfiles extruidos diferentes.
Los bienes de consumo son evidentes. Pajitas, perchas, correas de embalaje, rieles para cortinas...
Pensamientos finales
La extrusión de perfiles es un proceso de fabricación de alto-volumen conocido por su mínimo desperdicio, bajo costo, entrega rápida y versatilidad con las materias primas. También puede lograr propiedades específicas como resistencia al fuego, durabilidad, resistencia química y resistencia al calor.
Todo es cierto en lo que respecta a los puntos de los libros de texto. Pero creo que lo que realmente da a este proceso su poder de permanencia es la continuidad. El moldeo por inyección funciona en ciclos-el molde se abre, el molde se cierra y hay tiempo muerto entre tomas. La extrusión sigue bombeando material. Puedes ejecutarlo las 24 horas seguidas si lo deseas. Esa ventaja de continuidad en términos de costos es casi aplastante cuando se habla de producción de alto volumen-.
Por supuesto que hay limitaciones. Solo puedes crear productos de sección transversal-constante. La precisión es menor que la del moldeo por inyección. Las geometrías 3D complejas están fuera de discusión. Pero en su timonera, nada se le acerca.
Los avances en tecnología y materiales siguen remodelando el panorama de la extrusión de perfiles. La integración de software avanzado de diseño y simulación y el desarrollo de polímeros de alto-rendimiento- amplían lo que es posible en términos de perfiles innovadores y multifuncionales.
Perfiles que no se podían crear hace diez años, ahora se pueden crear. Los parámetros que antes dependían exclusivamente de la intuición de los operadores veteranos ahora se pueden simular mediante software. La industria sigue avanzando. Los principios subyacentes no han cambiado mucho en un siglo, pero la variedad de lo que se puede lograr sigue creciendo.
Una cosa más, ¡Feliz Navidad!