Husillos de barrera: no todos son iguales

Han existido muchos diseños de husillos de barrera a lo largo de los años para mejorar la plastificación. Pero si bien tienen algunas características de diseño comunes, no funcionan exactamente igual. He descubierto que las barreras paralelas (ver Fig. 1) tienen algunas ventajas sobre las barreras cruzadas.

Primero, y lo más importante para mí como diseñador, es mucho más fácil calcular el rendimiento de plastificación y bombeo de los husillos de barrera paralela, lo que reduce el tiempo de diseño. Aunque eso no es de beneficio general, las barreras cruzadas requieren muchos más cálculos para determinar con precisión la velocidad de fusión y capacidad. Esto se debe a que la profundidad y ancho de los canales de sólido y masa fundida cambian continuamente a medida que avanzan por el husillo. Esto conduce a posibles errores de diseño. El simple hecho de determinar los volúmenes del canal es un ejercicio matemático.

Desde el punto de vista del rendimiento, un diseño de barrera cruzada requiere más longitud para lograr la misma área de superficie en la pared del barril.

En husillos de menor L / D, esto puede requerir un diseño para bajos rendimientos o arriesgarse a una baja calidad de fundido. He evaluado varios diseños de barrera cruzada y paralela y descubrí que las barreras cruzadas generalmente tenían aproximadamente dos tercios del área en el canal de sólidos en comparación con las barreras paralelas, esto para secciones de barrera de igual longitud. Todos los diseños de barreras paralelas que estudié tenían una distribución aproximadamente de 66% de ancho de canal de sólidos y 33% de ancho de canal de fundido. Dado que los diseños de barrera están destinados a mejorar la uniformidad del fundido a capacidades más altas, se esperaría que los que tienen el área de fundido más grande, según lo determinado por el área de canal de sólidos más grande, tengan una clara ventaja.

Como segunda consideración, cuando la relación entre la profundidad y el ancho del canal (h / W) aumenta, hay una reducción en su flujo de arrastre. Esta relación se conoce como el factor de forma. El factor de forma afecta tanto al flujo de arrastre como al flujo de presión. La figura 2 muestra la magnitud de los efectos del factor de forma para el flujo de arrastre. Por ejemplo, cuando h / W alcanza 0.2, lo que corresponde a un canal de 3 pulgadas de ancho con 0.600 pulgadas de profundidad, el Fc (o factor para el flujo de arrastre) se ha reducido al 90% del flujo de arrastre calculado. Con una barrera cruzada, esto implica una disminución del flujo de arrastre a lo largo de todo el canal de sólidos; para un canal que comienza en 3 pulgadas y una profundidad constante de 0.600 pulgadas, sería una reducción del 72% en el medio y disminuye aún más a medida que avanza hasta el final.

Dado que el flujo de arrastre se reduce debido al factor de forma a medida que la barrera cruzada avanza, hay una parte del canal de sólidos muy estrecha que no elimina la masa fundida de manera efectiva, lo que bloquea la introducción de masa fundida a esta área. Este flujo de arrastre reducido ocurre aproximadamente en el tercio final de la longitud de la barrera, afectando aún más el área de fundido.

La magnitud del efecto h / W también depende de la viscosidad del polímero; los polímeros con un coeficiente bajo de ley de potencia (es decir, una mayor tendencia al adelgazamiento por cizalladura) se ven más afectados. Un artículo de de Mark Spalding de Dow Chemical Company y Greg Campbell de Castle Research Associates en la ANTEC SPE 2010, Un enfoque de ingeniería para la corrección de los cálculos de flujo rotacional para extrusoras mono husillo muestra el efecto del factor de forma para polímeros con diferentes coeficientes de ley de potencia (Fig. 3). La investigación de Spalding y Campbell indica que los husillos de barrera cruzados serían más adecuados para polímeros con coeficientes de ley de potencia más altos.

Esto significa que los polímeros como el policarbonato o el nylon 66 serían buenos candidatos para diseños de barrera cruzada. Curiosamente, los tornillos de PVC serían los más afectados por el Fc. Sin embargo, la mayoría de los husillos de barrera de PVC son del tipo cruzado.

Pero en un examen más detallado, eso tiene sentido porque los polímeros amorfos no se ven tan afectados por el área de fundido, debido a que esencialmente se ablandan con el aumento de la temperatura y nunca experimentan un punto de fusión definido.

Esto no quiere decir que maximizar el área de sólidos es el único criterio para un diseño superior de husillo de barrera, pero sin duda es uno de los elementos críticos. Otra consideración para elegir diseños de barrera paralela es la posible distorsión del lecho sólido durante la fusión. Esto ocurre comúnmente con una barrera cruzada debido al ancho constantemente cambiante (es decir, la forma) del canal de sólidos, que puede conducir a la ruptura del lecho sólido y a una velocidad y calidad de fundido más pobre. Esto indicaría que las barreras paralelas serían más apropiadas para los polímeros cristalinos que tienen un punto de fusión fijo, aunque no tan importantes para los polímeros amorfos.

Las barreras cruzadas también requieren un canal de sólidos más profundo para lograr un rendimiento igual a la de una barrera paralela debido a la limitación de bombeo mencionada anteriormente. Los canales más profundos reducen la transferencia de calor tanto desde el barril como desde la masa fundida hasta la masa no fundida. Cada una de estas limitaciones se puede superar si hay suficiente longitud del tornillo, como lo demuestran muchos husillos de barrera cruzadas en servicio, pero los diferentes requisitos de los polímeros cristalinos y amorfos deben considerarse en el diseño y no simplemente sustituirse geométricamente por el otro.