¿Cuál es el husillo de barrera para su proceso de extrusión?

En la actualidad se utilizan diversas configuraciones de tornillos o husillos de barrera. Muchos piensan que todos funcionan de manera similar, pero en realidad hay diferencias sustanciales entre ellos. El diseño de la sección de barrera depende de las propiedades térmicas, reológicas y físicas del polímero. No existe un diseño "universal".

Hay dos tipos principales de tornillos de barrera: el de barrera de tipo transversal (o Maillefer) (Fig. 1) fue uno de los primeros diseños. Años después se introdujeron algunos diseños de barrera paralela (Fig. 2). Se les conoce a menudo como el "tornillo de Barr", por el diseñador del tornillo Robert Barr.

Ambos diseños son ampliamente utilizados y muchas veces para los mismos polímeros, con modificaciones que incluyen a menudo una combinación de cada diseño. Para polímeros con requisitos de fusión más altos, los de tipo paralelo funcionan generalmente mejor gracias a la mayor área de fusión en el canal de sólidos para secciones de la misma longitud axial.

Si se comparan dos tornillos de 3.5 pulgadas con paso estándar y filete de la barrera de 10 ø, el diseño paralelo normalmente tendría aproximadamente un tercio más de área en el canal de sólidos. Puesto que la capacidad de fusión es en gran medida proporcional a la superficie disponible para la fusión de sólidos, se espera que los diseños de barrera paralelos puedan alcanzar mayores rendimientos con una fusión de buena calidad para los polímeros que tienen un requisito de energía más alto. Esos serían polímeros con puntos de fusión más altos, calores específicos más altos, mayor tendencia al adelgazamiento de cizalla o una combinación de esas propiedades.

Por el contrario, las barreras transversales serían más convenientes para los polímeros con menor requisitos de energía. Estos serían polímeros con bajas temperaturas de procesamiento, calores específicos bajos y un adelgazamiento de cizalla bajo o una combinación de esas propiedades.

La barrera transversal no tiene ninguna restricción brusca del ancho del canal de sólidos al comienzo de la sección de barrera. Esto puede ser una ventaja para los polímeros duros y/o resbaladizos, ya que su cama sólida más frágil no cambia de forma tan fácilmente para dar cabida a un cambio en la sección transversal. Eso puede causar problemas de rendimiento, estabilidad y atrapamiento de aire, que puede ser compensado en los diseños paralelos mediante una ubicación y diseño adecuados del inicio de la barrera.

Para los tornillos de barrera paralela también se utilizan características tales como, una abertura en el canal de fusión para dar cabida a cualquier fusión temprana; una descompresión para compensar la pérdida de sección transversal; y la introducción muy gradual del canal de barrera para minimizar o eliminar el efecto del cambio de geometría, necesario al inicio de la barrera y del canal de la fusión.

Incluso hay un diseño originalmente patentado por DuPont que inicia la barrera retrasando el paso del filete principal para formar el canal de barrera al revés, y que demuestra que reduce la interrupción de la formación de lecho sólido cuando es realmente importante. El estilo de barrera transversal normalmente tiene más capacidad de generación de presión del cabezal por su canal de fusión más amplio y poco profundo, en comparación con el canal de fusión estrecho y profundo del tornillo de barrera de tipo paralelo.

Como resultado, el estilo de barrera paralelo requiere generalmente algún tramo de dosificación después de la sección de barrera si se debe superar una gran presión del cabezal.

Al incrementar la guía más allá del pase estándar del vuelo principal en la sección de barrera, es posible lograr alguna mejora en el área de fusión para las barreras de tipo paralelo y transversal. Un tornillo de 3.5 pulgadas, por ejemplo, aumenta la guía en la sección de barrera en un 25% a 4.375 pulgadas (un ángulo de hélice de 21.7 °) para el filete principal y usando la misma longitud axial, resulta en sólo 8 giros frente a 10 giros del filete de barrera.

El ángulo mayor de la hélice aumentará el área de fusión en menos de 10% para ambos tipos, como se muestra en las figuras 3 y 4, debido a la reducción de giros. Sin embargo, gran parte de esa pequeña ventaja se pierde cuando la disipación viscosa o la fusión por longitud de unidad se reduce con el mayor ángulo de hélice.

El mayor ángulo de hélice es entonces más apropiado para conseguir más volumen en la sección de la barrera para un mayor rendimiento, pero no se logra una mejora significativa en la capacidad de fusión, a menos que la longitud axial sea mayor. Los tornillos de barrera de este tipo se conocen como de "tipo de Dray/Lawrence", por el inventor Bob Dray. Incrementar la guía de la sección de barrera reduce problemas con el efecto de la introducción de la barrera-filete y el canal de fusión, debido a un canal de sólidos más amplio.

Finalmente, el extremo de salida del canal de sólidos para ambos tipos puede cerrarse o abrirse. Los canales finales cerrados requieren que la fusión esté casi terminada, o el canal puede obstruirse con sólidos, causando fluctuación de la presión, desgaste adicional del tornillo y falta de homogeneidad térmica. Por el contrario, los extremos abiertos del canal de sólidos requieren un diseño que complete la mayor parte a de la fusión, si no toda, antes del final del canal de sólidos, o debe hacerse algo más después de la sección de barrera para completar la fusión. En cualquier caso, se requieren algunos cálculos complejos para corregirla y proporcionar una ventana de procesamiento amplia.

Acerca del autor

Jim Frankland es un ingeniero mecánico que ha estado involucrado en varios tipos de procesos de extrusión durante más de 40 años.  Actualmente es presidente de Frankland Plastic Consulting, LLC. Contacto jim.frankland@comcast.net o (724) 651-9196