Procesos de Extrusión
Tubos, mangueras, bolsas del súper, perfiles de ventana, las fibras de tu ropa: los productos plásticos largos y continuos que te rodean provienen, en su mayoría, de una misma familia de procesos: la extrusión. ¿Alguna vez te has preguntado cómo se puede fabricar algo por kilómetro?
En la página de Procesos de Moldeo vimos las fases por las que pasa una resina plástica para transformarse, y esas mismas fases aplican para la extrusión. La diferencia principal es que la extrusión es un proceso continuo (o semicontinuo) y, más que un molde, requiere de un dado que forma la sección transversal deseada: un tubo, un perfil, una lámina.
Aquí cubriremos los siguientes procesos:
- Extrusión (general)
- Diseño del Husillo de Extrusión
- Extrusión de Lámina y Película
- Termoformado
- Co-Extrusión
- Extrusión de Película Soplada
- Formación de Compuestos (Compounding)
- Calandrado
- Extrusión de Filamento e Hilado
- Para Extrusión Soplo (EBM), consulta la página de Procesos de Soplado.
Extrusión
La extrusión es un proceso usado para crear objetos con un perfil de sección transversal fija, en donde un material es empujado o jalado a través de un dado con la sección transversal deseada. Las dos ventajas principales de este proceso sobre otros métodos de fabricación son su capacidad de crear secciones transversales muy complejas y de trabajar con materiales frágiles (quebradizos), ya que el material sólo se somete a esfuerzos de compresión y de fricción. También forma partes con un excelente acabado superficial.
La extrusión puede ser continua (produciendo teóricamente una pieza indefinidamente larga) o semicontinua (produciendo muchas piezas). El proceso se puede realizar con el material caliente o frío.
La extrusión no es sólo para las resinas plásticas; otros materiales que comúnmente se extruyen son metales, cerámica, cemento, plastilina y productos alimenticios. Los productos de extrusión se conocen generalmente como «extruidos».
El tornillo —o los tornillos, en el caso de la extrusión de doble husillo— fuerza el paso de la resina a través del dado para que tome la forma deseada. El extruido se enfría y solidifica conforme es jalado a través del dado o en un baño de agua.
Se utiliza un jalador para proporcionar la tensión en la línea de extrusión, que es esencial para la calidad general del producto extruido. Los peletizadores también pueden crear esa tensión al jalar los filamentos extruidos para cortarlos.
El jalador debe proporcionar una tracción constante; de lo contrario, se tendrá variación en los cortes o un producto distorsionado. En algunos casos (como en los tubos reforzados con fibra) el extruido se jala a través de un dado muy largo, en un proceso llamado «poltrusión».
La extrusión se usa comúnmente para aplicar colorante al plástico fundido, creando así colores personalizados específicos.
No se pueden formar cavidades huecas al centro del extruido con un dado de extrusión simple o plano, porque no habría manera de apoyar la sección central dentro del dado. En su lugar, el dado toma la forma de un bloque con profundidad, comenzando con un perfil que soporta la sección central, como se muestra a continuación.
La forma del dado determina lo que se puede fabricar. Con dados planos se hacen películas y láminas; con dados de perfil sin mandril se producen piezas sólidas como barras y compuestos de resina en forma de gránulos (pellets); y con dados con mandril se crean formas huecas como mangueras y tubería. Esto hace de la extrusión un método eficiente para fabricar perfiles y productos semiacabados —también llamados formas— con grandes espesores de pared y en una amplia variedad de dimensiones y colores.
“La extrusión es un proceso usado para crear objetos con un perfil de sección transversal fija, en donde un material es empujado o jalado a través de un dado con la sección transversal deseada.”
Diseño del husillo de extrusión
Para entender de verdad la extrusión, conviene entender el herramental que trabaja dentro del equipo, y la pieza más importante es el husillo. Es el husillo el que transporta la resina, la funde, la mezcla y genera la presión que la fuerza a través del dado, así que su diseño determina en buena medida el desempeño de todo el proceso.
La longitud de un husillo se expresa en términos del rango entre diámetro y longitud (L/D).
Para las resinas plásticas cristalinas, un L/D de 24:1 es muy común.
La geometría de los husillos de extrusión puede variar. Los más ampliamente utilizados son los husillos de tres zonas y los husillos de barrera.
Las tres zonas son:
- Sección de alimentación
- Sección de compresión (transición)
- Sección de dosificación
Alimentación
La sección de alimentación es donde el polímero sin fundir entra al cañón. Al rotar el husillo, cualquier material que se encuentre entre la superficie del husillo y la pared del cañón es transportado a lo largo del cañón —dependiendo del sentido de rotación— y comienza a fundir conforme avanza.
Compresión
En la sección de compresión, el espacio entre el husillo y el cañón disminuye con cada rotación, por lo que los gránulos de resina funden principalmente por fricción y transporte. Conforme disminuye la profundidad del vuelo, los gases —el aire y los gases que emite la propia resina— y los volátiles como la humedad son empujados de regreso hacia la tolva.
La longitud de la sección de compresión depende del polímero a extruir. Un ejemplo extremo es el PVC (cloruro de polivinilo), que requiere que la sección de compresión cubra toda la longitud del husillo; en cambio, para las resinas cristalinas la sección de compresión necesaria puede ser de apenas un tercio de la longitud del husillo.
Dosificación
En la sección de dosificación, la profundidad del vuelo del husillo es la más corta pero se mantiene constante a lo largo de toda la sección, lo que homogeneiza la masa fundida y genera la presión necesaria para transportarla hacia el área de formado —como un bloque o un dado de película— donde se le dará forma. Esta presión depende de la longitud de la sección de dosificación.
El rango de compresión de un husillo se calcula dividiendo la profundidad del vuelo en la sección de alimentación entre la profundidad del vuelo en la sección de dosificación.
Mezclado
El efecto de mezclado de los extrusores monohusillo es limitado. Para una dispersión apropiada de aditivos como estabilizantes, agentes antibloqueo, lubricantes, etc., se requieren elementos especiales de mezclado. Existen varios tipos de secciones de mezclado, como las Maddock, Egan, piña, entre otras.
Configuraciones de Husillos de Extrusión
Un equipo de extrusión puede llevar de uno hasta cuatro tornillos, siendo las configuraciones monohusillo y doble husillo las más utilizadas.
La extrusión monohusillo es una de las operaciones principales en el procesamiento de polímeros y un componente clave en muchas otras operaciones de procesamiento. El objetivo principal de la extrusión monohusillo es generar presión en el polímero fundido para que pueda ser extruido a través del dado. La mayoría de las máquinas son plastificantes: se alimentan con polímero en forma de gránulos o polvo y lo funden mientras generan presión.
Por otro lado, la extrusión de doble husillo se utiliza ampliamente para mezclar, formar compuestos o hacer reaccionar materiales poliméricos. La flexibilidad de un extrusor de doble husillo permite diseñarlo para compuestos específicos, ya que los husillos pueden ser co-rotantes o contra-rotantes, interdentados o no interdentados. Además, las configuraciones de los propios husillos pueden variar, usando elementos de transporte, elementos de transporte inverso, bloques de amasado (kneading), zonas de mezclado y otros diseños para adaptarse al procesamiento adecuado del compuesto o resina que se vaya a procesar.
Husillos Interdentados
Los dos husillos pueden estar interdentados o no interdentados; los interdentados pueden rotar en el mismo sentido (co-rotantes) o en sentidos opuestos (contra-rotantes).
En los husillos interdentados, como su nombre lo dice, los dientes de un husillo se intercalan con los del otro, trabajando uno contra el otro.
Cuando los husillos son interdentados co-rotantes, un husillo limpia al otro sin generar mucha fricción contra las paredes del cañón. Los extrusores de doble husillo interdentados co-rotantes son los más comunes en la industria.
Cuando los husillos son interdentados co-rotantes, un husillo limpia al otro sin generar mucha fricción contra las paredes del cañón. Los extrusores de doble husillo interdentados co-rotantes son los más comunes en la industria.
Husillos de Barrera
Otra forma de mezclado eficiente son los husillos de barrera. Este tipo de husillo fuerza al polímero sobre los vuelos del husillo hacia un canal secundario.
Extrusión de Lámina y Película
Este proceso se utiliza para fabricar láminas de plástico o películas que son demasiado gruesas para soplarse. Se usan dos tipos de dados: en forma de T y de gancho. El propósito de estos dados es reorientar y guiar el flujo de masa fundida de polímero desde una sola salida circular del extrusor hacia un flujo liso y plano.
En ambos tipos de dados se debe asegurar un flujo constante y uniforme a través de toda el área de la sección transversal del dado. El enfriamiento normalmente se logra jalando la masa fundida a través de un conjunto de rodillos enfriadores (o una calandria). En la extrusión de lámina, estos rodillos no sólo proporcionan el enfriamiento necesario, sino que también determinan el espesor de la lámina y la textura de la superficie. A menudo se utiliza la co-extrusión para aplicar una o más capas sobre un material base y obtener propiedades específicas, como absorción de rayos UV, textura, barrera al oxígeno o reflexión de energía.
Termoformado
Un proceso común posterior a la extrusión para la lámina de plástico es el termoformado, en el que la hoja se calienta hasta reblandecerla y luego se le da forma por presión o vacío sobre un molde para obtener una nueva forma. Cuando se usa vacío, esto suele describirse como formación al vacío. La orientación —es decir, la capacidad/densidad disponible de hoja que puede jalarse hacia el molde, que puede variar en profundidades típicamente de 1 a 90 cm— es muy importante y afecta en gran medida los tiempos del ciclo de formado para la mayoría de los plásticos.
Co-Extrusión
En la práctica, muchas películas, láminas, tubos y otras formas se extruyen con varias capas; esto permite optimizar una amplia gama de propiedades, como la barrera al oxígeno, la resistencia mecánica, etc. Esto se logra mediante la co-extrusión, que consiste en hacer que dos o más extrusores alimenten un mismo dado que une las distintas capas extruidas.
La principal dificultad de la co-extrusión es unir las capas para que sus propiedades se combinen, lo cual se logra mediante capas adhesivas intermedias que unen dos resinas que de otro modo serían incompatibles; esto es crítico, de lo contrario la estructura se separaría.
Hay dos grandes tipos de dados para co-extrusión: sencillo y múltiple. Ambos tipos se basan en un extrusor separado para cada química de polímero. En los dados múltiples, cada capa se extruye por separado y sólo se combina justo antes de los labios del dado. Este tipo de dado es caro debido al herramental complejo que requiere, pero puede mitigar grandes diferencias en el comportamiento reológico entre las diversas capas. Los dados sencillos forman las múltiples capas en una sola, lo que permite el contacto entre las capas de polímero durante un periodo de tiempo más largo. Esto asegura una unión óptima, pero como consecuencia se necesita mayor compatibilidad entre los polímeros.
Durante la co-extrusión pueden ocurrir dos tipos de defectos de procesamiento. El primero es la inestabilidad de la interfaz, que causa formas de interfaz no deseadas. Esto puede provocar la «encapsulación» de la masa fundida de mayor viscosidad por la de menor viscosidad, lo que conduce a un bajo desempeño final de la pieza extruida. La gravedad de este defecto es proporcional a la diferencia de viscosidades entre las dos masas fundidas. El otro tipo de defecto genera oscilaciones en el flujo de la masa fundida, causando pequeños patrones en forma de onda en su superficie y reduciendo la transparencia óptica.
“La co-extrusión consiste en hacer que dos o más extrusores alimenten un mismo dado que une las distintas capas extruidas.”
Extrusión de Película Soplada
La fabricación de película plástica para productos como las bolsas del súper y láminas continuas se logra mediante una línea de película soplada.
Este proceso es igual a un proceso de extrusión normal, pero con un dado especial por el que se sopla aire. Hay tres tipos principales de dados en este proceso: anulares (o de cruceta), de araña y en espiral. Los dados anulares son los más sencillos y se basan en que la masa fundida del polímero fluya alrededor de toda la sección transversal del dado antes de salir; esto puede resultar en un flujo desigual. Los dados de araña consisten en un mandril central unido al anillo exterior a través de una serie de «patas» o ramas; y aunque el flujo es más simétrico que con los dados anulares, este tipo de dados forma una serie de líneas de unión que debilitan la película. Los dados en espiral eliminan el problema de las líneas de soldadura y el flujo asimétrico, pero son, por mucho, los más complejos.
La masa fundida se enfría un poco antes de salir del dado para producir un tubo semisólido. El jalado y el soplado hacen que la película del tubo extruido se adelgace, alineando las cadenas moleculares del polímero en la dirección de mayor tensión. Si la película tiene más tensión de jalado que de soplado (el diámetro final del tubo es cercano al diámetro extruido), las moléculas del polímero quedarán altamente alineadas en la dirección del jalado, haciéndola más fuerte en esa dirección y más débil en la dirección del soplado. Por el contrario, una película cuyo diámetro final sea significativamente mayor que el diámetro extruido tendrá más resistencia en la dirección transversal y menos en la dirección del jalado.
Se introduce aire a presión a través del dado de extrusión, de manera que, después de que la masa fundida sale del labio del dado, se expande en circunferencia. El tubo también se jala a lo largo más rápido de lo que se extruye. Esto lleva a un adelgazamiento de la película conforme se expande tanto en la dirección de la máquina como en la dirección transversal (o del aro). La relación entre el diámetro soplado y el diámetro extruido se conoce como la relación de soplado, y afecta las propiedades físicas resultantes de la película, como la rigidez y la resistencia. El espesor de la película y la relación de soplado se pueden variar ajustando la velocidad de los rodillos, la presión interna en la burbuja y la velocidad de extrusión de la masa fundida.
Conforme la película se estira hacia arriba, se enfría mediante un anillo de sopladores de aire, de modo que la masa fundida se convierte en un sólido viscoelástico amorfo y luego en un sólido semicristalino, en lo que se conoce como la línea de congelación. Tras la solidificación, el tubo de película soplada continúa enfriándose conforme es jalado hacia arriba por varios juegos de rodillos, desinflando la película para formar un tubo aplanado. La película plana se enrolla en un carrete antes de cualquier acabado posterior o envío. La altura de la línea de película suele ser 10 veces el diámetro de la burbuja o más; son posibles líneas de película que superan los 30 metros.
Una vez que el tubo de película se ha enfriado por completo, se toma mediante varios rodillos de presión. El ancho de la película plana doblada resultante es igual a la mitad de la circunferencia de la burbuja. La película se enrolla entonces, ya sea como un tubo aplanado o dividida de inmediato en dos piezas separadas. En este punto, la película está lista para su procesamiento posterior, como impresión o corte.
“La extrusión de película soplada es igual a un proceso de extrusión normal, pero con un dado especial por el que se sopla aire.”
Formación de Compuestos (Compounding)
La formación de compuestos por extrusión, o compounding (por su término en inglés), consiste en preparar formulaciones de plástico mezclando aditivos y/o cargas con uno o más polímeros. Estas mezclas se dosifican generalmente a través de alimentadores o tolvas hacia el extrusor, donde las resinas plásticas se funden, permitiendo que las cargas y los aditivos queden distribuidos a lo largo de sus redes moleculares para formar el compuesto.
Las amasadoras (kneaders) y los extrusores de doble husillo (co-rotantes y contra-rotantes) con zonas de mezclado interno son los más comunes para elaborar compuestos en la industria del plástico.
El extruido, que parece largas hebras de plástico, se enfría a la salida del dado en un baño de agua y posteriormente se corta en gránulos o se pulveriza.
Calandrado
El calandrado es, esencialmente, la extrusión de una masa de material entre pares sucesivos de rodillos co-rotantes. Se utiliza para fabricar película y lámina a partir de materiales sensibles al calor prolongado y al cizallamiento, como los que se encuentran en los procesos de extrusión. Los materiales más utilizados en este proceso son el cloruro de polivinilo (PVC), los copolímeros de etileno y acetato de vinilo (EVA), los polietilenos de alto peso molecular (PE) y los terpolímeros de acrilonitrilo-butadieno-estireno (ABS).
La mayoría de las calandrias de plástico consisten en cuatro rodillos calentados dispuestos en una configuración en «L» invertida. Otras configuraciones utilizan líneas verticales de dos, tres o cuatro rodillos, y otras alineaciones, todo dependiendo de lo que se esté procesando.
Una línea completa de proceso de calandrado incluye una unidad de mezcla y fundido, la calandria, los rodillos de desmontado, una sección de estampado, los rodillos enfriadores, el recorte del borde y, finalmente, el enrollado.
En ciertas líneas se puede aplicar cierto estiramiento transversal a la banda con rodillos divergentes que fuerzan los bordes de la banda hacia afuera para orientar la lámina o película. Esto mejora las propiedades ópticas y la resistencia mecánica.
En el típico calandrado de lámina rígida de PVC y de espumados de EVA, la resina se mezcla primero con diferentes aditivos: en el caso del PVC, ayudas de proceso, estabilizadores, pigmentos y lubricantes; en el caso del EVA, agentes espumantes, cargas y pigmentos. La mezcla se funde para dispersar los aditivos y masticar la resina hasta un estado viscoso. Esto puede hacerse en una mezcladora Banbury, un kneader, una extrusora planetaria o una extrusora de doble husillo. La resina fundida sale de estas unidades en forma de una tira continua o en pedazos. Mientras está caliente, la resina fundida se transporta a la línea de alimentación de la calandria.
La acción de los rodillos calientes hace que se forme un banco de laminación de resina. El calor y la presión de los rodillos trabajan el material del banco hasta una viscosidad y temperatura uniformes. El material se comprime a través del estrecho en una hoja más ancha y delgada, que es llevada por uno de los rodillos al siguiente estrecho, alcanzando finalmente la consistencia y viscosidad óptimas y dando a la hoja final una resistencia, calibre y calidad uniformes.
Para facilitar el flujo del material a través de la calandria, cada rodillo sucesivo es algo más caliente que el anterior. Como la resina tiende a adherirse a la superficie más caliente, esto hace que pase de rodillo a rodillo.
El calandrado se utiliza ampliamente para elaborar lámina rígida y flexible de PVC y espumados de EVA, como el famoso «foamy» para labores escolares, o espumados con más ingeniería como las suelas de calzado deportivo.
Extrusión de Filamento e Hilado
El hilado es un proceso de manufactura para elaborar fibras a partir de un polímero. Es una forma especializada de extrusión que utiliza una hiladora para formar múltiples filamentos continuos.
Existen muchas formas de hilado: en húmedo, en seco, seco con humectación a chorro, en fundido, por reacción y electrohilatura.
Hilado de Fibra
Este método se utiliza para elaborar fibras sintéticas para varias industrias. Existen tres tipos principales de hilado de fibra: por fundido, por solución y por reacción. En este tipo de hilado, un polímero líquido se extruye a través de un dado con varios pequeños orificios en una hiladora para formar filamentos delgados. Conforme avanzan, los filamentos se solidifican y luego se combinan con otros filamentos para formar hilos, o se estiran para orientar las cadenas del polímero y ofrecer mejores propiedades mecánicas.
Hilado en Fundido
Esta es la forma más común de hilado de fibra. En este proceso se utiliza polímero ya fundido, o se funde el polímero en forma de gránulos. A la salida del dado de extrusión, los filamentos se enfrían en agua, al aire o con rodillos enfriadores.
Los filamentos pueden juntarse o trenzarse para formar un hilo. Antes de enrollar el hilo en su bobina, por lo general se trata con agua o un agente humectante y un lubricante para facilitar su uso posterior.
Las placas de las hiladoras pueden llegar a tener hasta 80,000 orificios, espaciados a menos de un milímetro de distancia. Algunas otras hiladoras tienen capilaridades superfinas de 50 micrómetros de diámetro.
Los polímeros más utilizados en el hilado en fundido son el polietileno (PE), el polipropileno (PP) y el nylon o poliamida (PA).
Hilado en Solución
Este método se utiliza cuando el polímero deseado no forma una masa fundida estable. Estos polímeros se disuelven en una solución para volverlos líquidos en lugar de fundirlos. Las dos formas principales de hilado en solución son en seco y en húmedo.
En el hilado en solución en seco, el polímero se disuelve en un solvente volátil. Una vez disuelto, la solución de polímero se extruye a través de una hiladora rodeada por una torre de secado. La solución pasa por un proceso de secado en el que el solvente se evapora.
En el hilado en solución en húmedo, el polímero se disuelve en un solvente no volátil. La hiladora, colocada en un baño coagulante, provoca que la fibra se precipite.
El líquido del baño coagulante se selecciona de modo que el solvente sea soluble en él, pero el polímero no. Esto permite que el polímero se precipite y forme los filamentos sólidos requeridos. El solvente puede recuperarse al término del proceso. El arrastre del líquido coagulante sobre el filamento reduce significativamente la velocidad de producción, lo que lo hace un proceso más lento que el hilado en fundido o el hilado en solución en seco.
Hilado por Reacción
Este proceso implica la reticulación (unión cruzada) de monómeros o prepolímeros para crear un nuevo polímero mediante una reacción en cadena extendida.
Este proceso es similar al de solución en seco, pero con un paso adicional. Durante la polimerización, las cadenas más cortas del monómero reaccionan para formar cadenas más largas e interconectadas; esta reticulación es la que permite obtener fibras de polímero con buenas propiedades mecánicas.
Este es el proceso con el que se elaboran las fibras de elastano (Spandex). El hilado por reacción se usa para reticular un polímero flexible con uno rígido, obteniendo una fibra resistente, durable y elástica.
