Comprender la deflexión de los rodillos en el procesamiento de láminas

Muchas de las pilas de láminas más antiguas que todavía se usan se hicieron para poliestireno u otros polímeros fácilmente deformables. En estas pilas, el rodillo superior tenía por lo general un diámetro más pequeño para facilitar un “encadenamiento” más fácil y seguro de la línea (Fig. 1). Dado que el tiempo de contacto del polímero con el rodillo superior es de solo unas pocas pulgadas, el rodillo más pequeño casi no causa enfriamiento.

Pero hoy, la conversión de muchos productos de láminas a polipropileno ha dado lugar a que muchas pilas de rodillos tengan una deflexión inaceptable del rodillo, lo que da lugar a que la lámina se corone. El polipropileno requiere una mayor fuerza de corte para la calandra debido a sus propiedades viscoelásticas, así como a su tendencia a aumentar la viscosidad bajo ciertos niveles de esfuerzo.

Agregar un rodillo superior de mayor diámetro a una pila de rodillos existente requiere modificaciones muy extensas de la máquina, y si el rodillo medio también se está desviando, aunque en menor grado, el rodillo superior más grande solo reduce, pero no elimina, el problema. En el siguiente cálculo se muestra una aproximación de la fuerza de separación que causa la deflexión de los rodillos en una pila de rodillos:

Libras de fuerza de separación en la abertura entre rodillos por pulgada de longitud: PLI = G[3μ(2πN)R2]/4H

G depende del tamaño de la bancada y del coeficiente de ley de potencia, pero para la aproximación puede usar solo el coeficiente de ley de potencia, ya que el banco varía de un día a otro, al igual que su viscosidad.

μ es la viscosidad de bajo cizallamiento a la temperatura de fusión.

N = rpm/s

R es el radio de rodillo

H es la separación de los rodillos

El PLI en la abertura es, por lo tanto, proporcional al coeficiente de ley de potencia del polímero. El coeficiente de la ley de potencia para PP es 0.38, mientras que HIPS es 0.28. Esto significa que se necesita un 35 % más de fuerza para mantener la posición de rodillo con PP que con HIPS. Observe que la fuerza de separación se divide por cuatro veces la altura de la punta, lo que significa que la deflexión aumenta con la disminución del grosor de la lámina.

Por lo tanto, el problema con la deflexión excesiva ocurre predominantemente con una lámina de PP más delgada. Con la mayoría de las láminas delgadas, las tasas de cizallamiento suelen ser bajas en la punta del rodillo, por lo que hay poco adelgazamiento por cizallamiento para considerar, excepto a velocidades de línea muy altas. El radio del rodillo se cuadra en el cálculo y por ello es fácil ver cómo el diámetro del rodillo resuelve los problemas de deflexión.

Si se toma la anchura de la bancada por la fuerza de separación por pulgada, se obtiene la fuerza total de separación. Esto se puede incluir en los cálculos estándar de haces para determinar la deflexión del rodillo. La mejor manera de determinar la fuerza de separación sigue siendo reducir la presión de cierre en los cilindros hasta que el rodillo superior “flote”, ya que eso tiene en cuenta todas las variables.

Una posible solución es utilizar un cilindro superior que se desvíe en la dirección opuesta. Aunque tanto el cilindro superior como el central se desvíen, el cilindro superior de flexión inversa puede tenerlo en cuenta para mantener una separación paralela entre los cilindros. En la Fig. 2 se muestra un esquema de este diseño. Durante varios años se fabricaron muchos de estos rodillos de deflexión inversa, que han estado en uso continuo desde 1996; sin embargo, New Castle Industries, empresa titular de la patente, abandonó el negocio de los rodillos y se fabricaron pocos, o ninguno, después de 2004. La patente original expiró en 2013.

En el diseño del rodillo de deflexión inversa se añaden una carcasa intermedia y un centro que soporta la superficie de enfriamiento del eje central para que se desvíe en la dirección opuesta. Si se conoce el diseño del rodillo opuesto (central), su deflexión puede ajustarse exactamente al rodillo opuesto cambiando el grosor de las carcasas. El enfriamiento puede diseñarse para “entrar por un extremo, salir por el otro” o entrar y salir por el mismo extremo. Al hacer que el eje central sea sólido se elimina casi toda la deflexión del eje.

Me acordé del diseño de flexión inversa cuando me contactó un procesador de láminas que lo ha usado durante unos veinte años y quería que se construyeran algunos para líneas de láminas adicionales. Pudo resolver sus problemas de deflexión de rodillo a un costo mucho menor que la conversión de su pila de láminas existente o la compra de una pila más grande.