Guía para el diseño de elementos de tornillo en extrusoras de doble tornillo

Conozca: Extrusoras de doble tornillo corrotantes con engrane

Los tornillos de estas extrusoras populares tienen algunas características clave que las hacen tan efectivas:

1. Rotación paralela y en la misma dirección: Los dos tornillos giran uno junto al otro en la misma dirección. Esto crea un corte constante entre las roscas del tornillo (paletas) y la pared del cilindro. La intensidad de este corte puede ajustarse con precisión seleccionando combinaciones específicas de elementos del tornillo y ajustando el espaciado.
2. Excelente acción de mezcla: Gracias a su diseño geométrico y movimiento corrotatorio, estos tornillos son excelentes para distribuir y mezclar materiales, ¡ideales para la preparación de compuestos! A medida que el material entra y se ablanda, los tornillos trabajan juntos de una manera única. En el punto de engrane, un tornillo atrae el material hacia el espacio mientras que el otro lo expulsa, provocando que el material se mueva entre los tornillos en un patrón de figura "∞". Esto genera altas velocidades relativas, ideales para una mezcla y homogeneización completas. Además, el espacio muy estrecho en la zona de engrane garantiza un alto cizallamiento, lo que resulta en una plastificación uniforme.
3. Potencia de procesamiento reactivo: Estas extrusoras no son simples mezcladoras; ¡pueden actuar como reactores químicos dinámicos! Una vez que los materiales se funden dentro del cilindro, pueden experimentar diversas reacciones químicas como la polimerización o el injerto. Esta capacidad, conocida como extrusión reactiva, se utiliza para crear nuevos polímeros, modificar los existentes (como las poliolefinas), funcionalizar polímeros para mejorar sus propiedades o compatibilidad, y mezclar diferentes materiales. También abarca modificaciones físicas como el relleno, la composición, el endurecimiento y el refuerzo de plásticos.
4. Diseño modular de “bloques de construcción”: Disponemos de una amplia variedad de elementos de tornillo: elementos transportadores, bloques de amasado (para cizallamiento), elementos de mezcla, elementos de rosca inversa (para generar presión o aumentar el tiempo de mezcla) y más. Como bloques de construcción de juguete, estos elementos pueden organizarse y combinarse en el eje del tornillo según las necesidades específicas del material y el proceso. Esta modularidad permite diseños de tornillo optimizados, adaptados a diversas formulaciones.

Conozca los bloques de construcción: tipos de elementos de doble tornillo

En general, según su estructura y función, los elementos de tornillo comunes se clasifican en las siguientes categorías principales: elementos de transporte, elementos de cizallamiento y elementos de mezcla/dispersión. Analicemos cada uno.

(1) Elementos transportadores: Los motores

Los elementos transportadores están diseñados principalmente para mover el material a lo largo del cilindro de la extrusora. Se presentan en dos tipos principales: transporte hacia adelante (moviendo el material hacia la salida del extrusor) y transporte inversoLos elementos de inversión empujan el material hacia atrás, actuando como una presa temporal. Esto aumenta el tiempo de residencia del material, mejora el llenado de los canales del tornillo (grado de llenado), genera presión y mejora significativamente la eficacia de la mezcla.

Las características clave del diseño de los elementos transportadores incluyen la profundidad del canal, el avance (la distancia que avanza la rosca del tornillo en una rotación), el espesor de la paleta y la holgura (espacio entre el tornillo y el cilindro), como se ilustra en la Figura 1. Su función principal es el transporte, por lo que el material suele pasar a través de ellos con relativa rapidez. dirigir Es posiblemente el factor más crítico. Una mayor ventaja implica un mayor rendimiento (más material extruido por hora) y un menor tiempo de residencia, pero potencialmente una mezcla menos completa.

Nota: D = diámetro exterior del tornillo, d = diámetro de la raíz del tornillo, P = paso, L = avance

A continuación se muestra cuándo se suelen utilizar distintos tamaños de cable:

• Elementos de plomo grandes: Se utiliza cuando la prioridad es el alto rendimiento, para materiales sensibles al calor que requieren un tiempo de barril mínimo (para evitar la degradación) y, a menudo, se coloca cerca de los puertos de ventilación (zonas de desgasificación) para maximizar el área de superficie del material para una mejor eliminación de volátiles.
• Elementos de plomo medianos: Se elige cuando se necesita un equilibrio entre el transporte y la mezcla. Se suele usar en secuencias donde la presión disminuye gradualmente para aumentarla gradualmente.
• Elementos de plomo pequeños: Se utiliza principalmente en la zona de fusión para generar presión, mejorar la eficiencia de fusión, aumentar la intensidad de la mezcla y mejorar la estabilidad general de la extrusión.

(2) Elementos de corte: Las amasadoras

Elementos de corte, comúnmente conocidos como bloques de amasadoSon los motores de la mezcla intensiva. Aplican altas fuerzas de cizallamiento y son excelentes tanto para distribuir (separar los componentes) como para dispersar (romper aglomerados) materiales. Los parámetros clave son el número de lóbulos o "cabezas", el espesor de cada bloque y el ángulo de escalonamiento entre bloques adyacentes (véase la Figura 2). Se suelen utilizar en grupos. El ángulo entre los bloques influye en el flujo del material a través de ellos. La estrecha interacción entre los bloques en los dos tornillos crea un efecto de "disco de molienda", lo que fuerza la mezcla y el intercambio de material. Al combinar varios bloques, pueden formar un ángulo espiral neto, lo que facilita el movimiento axial del material mientras se mezcla intensamente.

Veamos los parámetros:

• Ángulo de escalonamiento (α): Los ángulos comunes son 30°, 45°, 60° y 90°. En el caso de bloques escalonados hacia adelante (que facilitan el avance del material), un ángulo mayor generalmente implica una menor capacidad de transporte. Esto aumenta el tiempo de residencia y mejora la calidad de la mezcla. Los bloques escalonados en reversa dificultan el flujo hacia adelante, aumentando significativamente la presión y la intensidad de la mezcla.
• Espesor (t): Suele oscilar entre 7 y 19 mm, según la aplicación. El grosor influye en la intensidad del cizallamiento y el estilo de mezcla. Los bloques más gruesos generan mayor cizallamiento, pero su eficiencia de mezcla distributiva puede ser ligeramente inferior a la de los bloques más delgados, que suelen ofrecer una mejor mezcla distributiva.

Tanto los elementos de transporte como los de corte también varían según el número de cabezas (o lóbulos) – generalmente diseños de cabezal simple, doble o triple (Figura 3).

El número de cabezales influye en el rendimiento: en el caso de los elementos de acción directa, un mayor número de cabezales generalmente implica una menor capacidad de transporte, una menor generación de par por unidad de volumen y una posible menor mezcla distributiva, pero una mayor intensidad de cizallamiento. En el caso de los elementos de acción inversa, un mayor número de cabezales puede significar una *mayor* capacidad de transporte regresivo (una barrera más resistente) y una menor mezcla distributiva.

Elemento de tornillo de una sola cabeza

Ofrece la máxima eficiencia de transporte (por canal) y su paso más grueso minimiza las fugas de material (reflujo). Tiene un volumen abierto total menor en comparación con los diseños multicabezal.

Elemento de tornillo de doble cabeza

La opción estándar y versátil para elementos de doble tornillo corrotantes. Genera menos cizallamiento que los elementos de triple cabezal. Se utiliza comúnmente para la alimentación de sólidos, el transporte de material fundido y las zonas de desgasificación. Conocido por su calentamiento uniforme y sus buenas propiedades de autolimpieza.

Elemento de tornillo de triple cabeza

Proporciona mayor cizallamiento, lo que lo hace ideal para fusión, dispersión y mezcla intensiva. Permite un control más flexible de la distribución de presión y temperatura en el cilindro. Puede producir excelentes efectos de desgasificación, pero suele resultar en un menor rendimiento en comparación con los elementos de doble cabezal con el mismo plomo.

(3) Elementos de mezcla: Los homogeneizadores

Los elementos de mezcla a menudo se refieren a elementos dentados (que pueden tener dientes o ranuras rectas o helicoidales en las puntas de las hélices), como se muestra en la Figura 4. El propósito principal de estas ranuras es crear conexiones entre canales de hélice adyacentes, facilitando el intercambio de material entre ellos. Esto promueve la homogeneización de la masa fundida y mejora la mezcla longitudinal (a lo largo del eje del hélice). Debido a que las ranuras interrumpen las hélices, estos elementos tienen una capacidad de transporte y de generación de presión ligeramente reducida. Sin embargo, esto también aumenta el nivel de llenado dentro de los canales de hélice y prolonga el tiempo de residencia del material en esa sección.

El número, la forma y la disposición de los dientes (o ranuras) son parámetros clave de diseño. La forma de los dientes sirve principalmente para interrumpir el flujo de material, acelerando la homogeneización. Un mayor número de dientes generalmente produce un efecto de mezcla más pronunciado. Sin embargo, durante el diseño y la operación es crucial evitar un esfuerzo cortante excesivo que podría dañar las moléculas de polímero.

Uniéndolo todo: Combinando elementos de tornillo

Una configuración completa de tornillo de extrusión suele dividirse en secciones o zonas funcionales, cada una diseñada para una tarea específica. Un diseño común incluye cinco secciones principales (Figura 5):

1. Sección de transporte (Zona de alimentación)

Meta: Transporte de manera confiable material sólido (pellets o polvo) desde la tolva de alimentación hasta la extrusora y evite que el material se acumule en la abertura de alimentación.

Elementos típicos: Elementos transportadores de plomo de gran tamaño (a menudo de doble cabezal).

2. Sección de fusión (zona de transición)

Meta: Derretir el material sólido de manera completa y uniforme mediante la transferencia de calor del barril y el calor por fricción generado por el cizallamiento.

Elementos típicos: Pequeños elementos transportadores de plomo, a menudo combinados con bloques de amasado (elementos de cizallamiento) para introducir energía de manera eficiente.

3. Sección de mezcla

Meta: Asegúrese de mezclar y homogeneizar completamente uno o varios componentes (p. ej., polímero + aditivos, diferentes polímeros). Puede implicar mezcla distributiva (distribución uniforme de los componentes) y mezcla dispersiva (desintegración de aglomerados o gotitas).

Elementos típicos: Combinaciones de bloques de amasado (de diversos grosores y ángulos de escalonamiento) y elementos de mezcla especializados (como elementos dentados). En este caso, se pueden utilizar elementos de transporte inverso para aumentar el tiempo de residencia y la intensidad de la mezcla.

4. Sección de desgasificación (zona de ventilación)

Meta: Elimine la humedad, el aire atrapado, los monómeros, los oligómeros u otras impurezas volátiles de la masa fundida para mejorar la calidad del producto final. Requiere que los canales del tornillo se llenen solo parcialmente en esta zona.

Elementos típicos: Elementos transportadores de plomo de gran tamaño (a menudo con canales más profundos) para maximizar la exposición de la superficie al vacío. Suelen ir precedidos de un sello de fusión (p. ej., un elemento inverso o un elemento de plomo pequeño) para evitar fugas de vacío.

5. Sección de homogeneización y dosificación (zona de matriz)

Meta: Transportar la masa fundida completamente mezclada hacia la matriz, generar una presión suficiente y estable para la extrusión, homogeneizar aún más la temperatura de la masa fundida y garantizar una tasa de salida constante.

Elementos típicos: Pequeños elementos transportadores de plomo para generar presión de forma fiable. A veces incluye elementos de mezcla suave para homogeneizar la temperatura final.

En resumen