AP.T7.1-MPyC.Tema7.MetodosProcesado.Extrusion

ASIGNATURA: MATERIALES POLIMÉRICOS Y COMPUESTOS.
Tema 7.-MÉTODOS DE PROCESADO. EXTRUSIÓN.
0.- Introducción al procesado de polímeros.
La tecnología de la transformación o procesado de polímeros tiene como finalidad obtener objetos y
piezas de formas predeterminadas y estables, cuyo comportamiento sea adecuado a las aplicaciones a
las que están destinados.
Una de las características más destacadas de los materiales plásticos es la gran facilidad y economía con la
que pueden ser procesados a partir de unas materias primas convenientemente preparadas, a las que se
les han añadido los pigmentos, cargas y aditivos necesarios para cada aplicación. En algunos casos
pueden producirse artículos semiacabados como planchas y barras y posteriormente obtener la forma
deseada usando métodos convencionales tales como mecanizado mediante máquinas herramientas y
soldadura.
Sin embargo, en la mayoría de los casos el producto final, que puede ser bastante complejo en su forma, se
obtiene en una sola operación, con muy poco desperdicio de material, como por ejemplo la fabricación de
tubería por extrusión (proceso continuo) o la fabricación de teléfonos por moldeo por inyección (ciclo
repetitivo de etapas).
Los polímeros termoplásticos suelen trabajarse previamente fundidos o reblandecidos por efecto
simultáneo de la aplicación de calor, presión y esfuerzos de cizalla.
Las técnicas más utilizadas son la de extrusión y la de moldeo por inyección. Estas y otras técnicas
pueden verse en la figura 0.1.
Extrusión.
En la extrusión el material plastificado fluye por una boquilla que lo conforma y el enfriamiento se
efectúa a la salida de la misma, en contacto con el aire, agua o una superficie fría. El método es
continuo y proporciona perfiles macizos o huecos de sección transversal constante, que se cortan en
largos estandarizados.
La función de la máquina de extrusión (Figura 0.1.a), es fundir y mezclar la alimentación (pelets) y
bombearla o empujarla hacia fuera a través de una boquilla o dado a velocidad uniforme. El producto debe
ser enfriado tan rápidamente como sea posible, por lo general en un baño de agua.
Moldeo por inyección.
En el moldeo por inyección (Figura 0.1.b) el material fundido fluye a través de unas boquillas que
comunican con uno o varios moldes cerrados en los que el material se enfría y adquiere la forma
definitiva. El método es discontinuo por la necesidad de abrir los moldes y extraer las piezas.
Igualmemente un tornillo de extrusión es usado para fundir y mezclar la alimentación, que a continuación
se alimenta en un segundo cilindro. Cuando se tiene la cantidad de material requerida, el émbolo de
inyección empuje el materila hacia delante para que entre en el molde. La temperaturas de molde esta,
considerablemente, por debajo de la del fundido para asegurar un rápido enfriamiento del material.
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Moldeo por soplado.
En este proceso (Figura 0.1.c), un tubo obtenido por extrusión (parison) es encerrado en un molde abierto,
que a continuación se cierra y el parison es inflado para tomar la forma de la superficie de molde.
Alternativamente, el parison puede ser moldeado por inyección antes de su inflado. Como en el caso del
moldeo por inyección, el molde esta frío en relación con el polímero fundido, de modo que el producto
moldeado sea enfriado rápidamente. Este proceso es usado para producir componentes huecos como
botellas, contenedores grandes y depósitos de gasolina de automóviles.
Moldeo rotacional.
Los artículos huecos también pueden ser producidos por moldeo rotacional (Figura 0.1.d), que implica el
giro de un molde calentado, que contiene el polímero en polvo , de modo que el polímero fundido forma
una capa homogénea sobre la superficie del molde. El molde entonces se enfría mientras todavía está
girando. Aunque es un proceso más lento que el moldeo por soplado, esta técnica es capaz de producir
grandes componentes con un espesor muy uniforme de la pared, de hasta 10 mm.
Termoformado.
El termoconformado es una técnica muy antigua. Los antiguos egipcios observaron que se podían calentar
las astas de animales y los caparazones de las tortugas para moldear recipientes y figuras. Cuando se
empezó a disponer de plásticos sintéticos, el termoformado fue una de sus primeras aplicaciones.
Hoy en día estamos rodeados de este tipo de artículos: señales, accesorios de lámparas, cubiteras,
conductos, cajones, cuadros de instrumentos, porta-herramientas, vajillas, juguetes, paneles de refrigeradores,
cabinas transparentes de aviones, parabrisas de barcos, etc. La industria de envasados se basa en
el termoconformado. Galletas, pastillas y numerosos productos más se suelen envolver en cápsulas de
plástico, al igual que las tarrinas individuales de mantequilla, mermelada y otros alimentos. Las piezas de
recambio y los artículos de ferretería ofrecen otro ejemplo de este tipo de paquetes plastificados.
Precalentado láminas u hojas de termoplásticos, estas pueden ser conformadas entre moldes emparejados
vía presión diferencial (Conformado bajo presión o bajo vacío, Figura 0.1.e). Este proceso es muy popular
en la fabricación de materiales para embalaje y para productos moldeados de gran tamaño, como baños y
revestimientos refrigerantes.
Calandrado.
La película plástica y la hoja pueden ser producidas comprimiendo el polímero fundido entre rodillos
contra - rotativos, como se muestra en la figura 0.1.f. Este proceso se prefiere a la extrusión, cuando hay
que trabajar con materiales sensibles al calor, como es el caso del cloruro de polivinilo (PVC). Es capaz de
producir hojas con velocidades de hasta 2 m/s.
A través de este método se pueden producir películas y formas en lámina gofradas o texturizadas. Este
tipo de películas se emplea sobre todo en la industria textil. Las películas gofradas o con una textura
especial se emplean para fabricar prendas de vestir, bolsos, zapatos y maletas de imitación de piel.
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Figura 0.1.- Procesos de fabricación de polímeros termoplásticos
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Otros Procesos.
Existe un gran número de procesos alternativos, por lo general desarrollados para tipos de material
específicos.
El moldeo por compresión, que es uno de los procesos de moldeo más antiguos que se conocen, es
popular en el conformado de compuestos de poliéster empleándose compuestos de moldeo de volumen
termoendurecibles (abreviados comúnmente por BMC, siglas de bulk molding compounds). BMC es
una mezcla de cargas, resinas, agentes de endurecimiento y otros aditivos. Las preformas extruidas
calientes de este material se pueden cargar directamente en la cavidad fría o la chimenea de
alimentación (Figura 0.2).
Figura 0.2.- Moldeo por compresión, que muestra el paso a la cavidad de preformas en caliente.
Otros materiales de moldeo populares son los plásticos fenólicos, compuestos de urea-formaldehído y
melamina. Al igual que los BMC, normalmente se preconforman para facilitar la automatización y
elevar la velocidad. Se emplean compuestos de moldeo de lámina reforzada y muy cargada, que se
pueden colocar en capas alternas para conseguir propiedades más isótropas o en una sola dirección si se
desean propiedades anisótropas.
Tambien puede ser usado para el conformado de polvo de plástico , por ejemplo, de PTFE (Figura 0.3).
Este proceso también se usa para el moldeo de las superficies de rodadura de los neumáticos.
Los plásticos más duros y resistentes pueden ser procesados por mecanizado, de una manera similar a los
metales. Para formas complejas o para pequeños volúmenes de producción, el proceso de unión es, a
menudo, la ruta más práctica. Esto, por lo general, se logra, por soldadura o mediante adhesivos.
Figura 0.3.- Sinterización de piezas de plástico.
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Algunos materiales termoplásticos se degradan si permanecen mucho tiempo a temperaturas
relativamente altas, a las que hay que mantenerlos para que su viscosidad no dificulte su flujo a través
de boquillas o hileras de muy pequeña sección, como es el caso del hilado de ciertas fibras sintéticas.
Para evitar lo anterior, se recurre a disolver el polímero previamente a la extrusión, procediéndose a
evaporar el disolvente tan pronto sale el material de la hilera.
En otras ocasiones, cuando se quieren obtener láminas continuas de pequeño espesor de polímeros
plastificados (pieles), se recurre a un proceso similar al de laminación de los metales, mediante
calandrias de rodillos (calandrado), calientes primero y fríos al final. La fabricación de artículos de
muy pequeño espesor se consigue muy ventajosamente a partir de láminas de material termoplástico
previamente ablandadas por calentamiento, que son obligadas a adaptarse a moldes mediante
presión de aire, o aplicando vacío. Esta es la técnica de termoconformado.
Los materiales termoestables o duroplásticos se trabajan, en general, por compresión en moldes de
la forma adecuada, que se cargan con la cantidad exacta de resina, agente y/o catalizador de curado y
aditivos, y a los que se aplica calor para facilitar las reacciones de reticulación o curado. De la misma
manera se obtienen piezas de materiales elastómeros, que también admiten las técnicas de
transformación de los termoplásticos cuando la velocidad de las reacciones de vulcanización se
mantiene lo suficientemente lenta.
En todos los casos, cualquiera que sea la técnica de transformación utilizada, las piezas y objetos
fabricados deben enfriarse convenientemente para que su forma permanezca estable. La velocidad de
enfriamiento es casi siempre un parámetro crítico que puede influir en las propiedades y
comportamiento del material y, en consecuencia, de los objetos fabricados, sobre todo cuando en el
proceso de transformación han estado sometidos a importantes esfuerzos de tracción y/o de cizalla,
que proporcionan a las macromoléculas un deslizamiento y estirado en la misma dirección.
Al cesar estos esfuerzos el material comienza a relajarse (sus moléculas tienden a adoptar la posición
ovillada correspondiente al mínimo de energía, o a empaquetarse formando cristalitos) tanto más lentamente,
cuanto más próxima se encuentre la temperatura de transición vítrea. Si la masa se endurece
antes de que la relajación se complete, como ocurre en la mayoría de los casos, las tensiones quedan
congeladas y dan lugar a una cierta anisotropía. Algunas veces se provoca deliberadamente este efecto,
como en el caso de los filmes biorientados y en las fibras, en las que durante el enfriamiento (o
evaporación del disolvente, en las fibras acrílicas, por ejemplo), se procede a un estirado; pero en
general es indeseable.
La velocidad de enfriamiento afecta también al crecimiento de las estructuras cristalinas, que tanta
influencia tienen en las propiedades y comportamiento de los materiales termoplásticos. En los
duroplásticos y elastómeros un enfriamiento lento proporciona un mayor grado de reticulación, que
también afecta a la rigidez y demás características del producto final.
Las etapas principales en todos los procesos de elaboración de los materiales plásticos son:
(i).- Fusión
(ii).- Mezclado y homogenización
(iii).- Transporte del fundido.
Las tres etapas anteriores, usualmente, se logran por medio de un tornillo de Arquímedes que implica la
dispersión de estabilizantes, pigmentos y otros aditivos, exclusión del aire y los volatiles y transformación
de la alimentación en forma de polvo o gránulos en un fundido uniforme.
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(iv) .-Conformado primario
Este puede ser logrado, en dos dimensiones, por el flujo del fundido a través de un dado o boquilla y en tres
dimensiones por el flujo en un molde de varias partes o por prensado en un molde abierto. Algunos
termoestables son procesados, simplemente, por vertido en un molde abierto.
(v). - Conformado secundario
Este puede implicar el corte o el arrastre de una masa de polímero, como ocurres en la producción de
fibras, películas o el moldeo por soplado.
(vi).- Estabilización de la forma
Para los termoplásticos esto consiste en el proceso de enfriamiento (y de ahí la solidificación), mientras
que para los termoestables y elastómeros es el proceso de curado (Entrecruzado de las cadenas).
(vii).- Operaciones de acabado
Estas pueden incluir el templado, el mecanizado o el recubrimiento.
1.- Extrusión.
El proceso de extrusión es uno de los métodos más comunes e importantes para el procesado de los
plásticos. Sobre un 60 % de los plásticos se procesan por dicho método. El proceso de extrusión se utiliza,
además, para "compounding", es decir, para mezclar y formular compuestos de plástico y producir materia
prima, como, por ejemplo, gránulos de concentrado o de compuesto.
La operación o procedimiento de extrusión es la acción de forzar, por medio de presión, a pasar de forma
continua a través de un ―dado‖ o ―boquilla‖ un plástico o material fundido. A su salida el material ya
conformado es recogido por un sistema de arrastre, con velocidad regulable, que le proporciona las
dimensiones finales mientras se enfría y adquiere la necesaria consistencia.
El procedimiento se ha utilizado durante muchos años para metales, como el aluminio, que fluyen
plásticamente cuando se someten a una presión de deformación. En el procedimiento original para someter
los polímeros a extrusión, se utilizaron máquinas similares impulsadas por un ariete o empujador mecánico.
En el proceso moderno se usan tornillos para hacer fluir el polímero en el estado fundido o gomoso a lo
largo de la camisa de la máquina.
La extrusión es un proceso para la producción de forma continua de productos de sección transversal
constante. Productos típicos son: Tubos (1 - 1500 mm. de diámetro), film o película, láminas, planchas,
fibras, cintas, barras, varillas, revestimiento de alambres, perfiles, etc.
Los componentes esenciales de una línea de extrusión (Figura 1.1) son:
- Extrusor
- Dado o boquilla
- Aparatos secundarios de conformado (Conjunto de equipos que maneja el material extruido para asegurar
que enfría adecuadamente y con la forma deseada y con la orientación molecular requerida.
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Figura 1.1.- Principales características de un extrusor de tornillo simple.
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Las máquinas de extrusión constan de un cilindro o barril en cuyo interior se aloja un husillo o tornillo,
que al girar recoge el material de la tolva de alimentación, lo hace avanzar a lo largo del cilindro, le
somete a importantes esfuerzos de cizalla a la vez que lo comprime y lo dosifica a través de un plato
rompedor hasta la boquilla o dado que proporciona el perfil o la forma final deseada.
Una vez que sale del dado, el fluido debe ser enfriado rápidamente para mantener la forma que se obtiene en el
dado. Este dado puede considerarse como una resistencia al flujo. Entre más largo y pequeño sea el orificio de paso,
mayor será la resistencia y, a su vez, mayor será la potencia necesaria para empujar el material fundido a través del
dado.
Debido al movimiento relativo entre el tornillo y el cilindro, el material se mezcla íntimamente, se calienta
por efecto, no sólo del calor aplicado al cilindro, sino, sobre todo, por la energía disipada por los esfuerzos
cortantes.
Los materiales utilizados en el proceso de extrusión son, por lo general, termoplásticos. Estos materiales se
suavizan cuando se calientan y se transforman en fluidos, que posteriormente se endurecen cuando se enfrían y
se transforman en sólidos.
Los pelets o gránulos se almacenan en la tolva de alimentación de donde pasan por gravedad al extrusor
constituido por un tornillo de Arquímedes, que se ajusta con precisión dentro de una camisa cilíndrica,
apenas con el espacio suficiente para rotar, y que lo transporta a lo largo de la máquina, donde el polímero
se funde y homogeneiza. En los polímeros cristalinos se produce la fusión y en los amorfos su
reblandecimiento elevando la temperatura por encima de la temperatura de transición vítrea. El material
fundido fluye a través del dado y es recogido por el dispositivo de arrastre que lo saca ya perfilado.
El tipo de máquina que más se utiliza es la de tornillo simple cuyas principales características se muestran
en la figura 1.1. También se utilizan extrusores de tornillos gemelos cuando se necesita una mezcla o
transporte mejores, como es el caso del PVC.
2.- Características de un extrusor de tornillo simple.
La finalidad del conjunto tornillo-cilindro es:
(1).- Presurizar el material
(2).- Fundir o plastificar el polímero (calentar),
(3).- Asegurar una mezcla adecuada (homogeneización)
(4).- Actuar como medio de transporte del polímero fundido hacia el dado (Bombear).
Para hacer cada función más eficiente es práctica normal dividir esta parte del extrusor en tres zonas: alimentación,
compresión y dosificación. La zona de dosificación va seguida por el cabezal y el dado (Figura 2.1).
El tornillo de un extrusor tiene uno o dos ―hilos‖ en espiral a lo largo de su eje que configuran un canal
helicoidal de anchura constante. El diámetro medido hasta la parte externa del hilo es el mismo en toda la
longitud para permitir un ajuste preciso en la camisa cilíndrica, con una distancia entre ellas apenas
suficiente para dejarlo rotar.
La ―raíz‖ o núcleo es de diámetro variable, de manera que el canal en espiral varía en profundidad. En
general, la profundidad del canal disminuye desde el extremo de alimentación hasta el extremo del dado
(Figura 2.1) aunque existen modificaciones con fines especiales.
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Figura 2.1.- Zonas funcionales dentro del conjunto tornillo-cilindro.
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Una consecuencia de que disminuya la profundidad del canal es el incremento de la presión a lo largo del
extrusor (Figura 2.2) y ésta es la que impulsa el material fundido a pasar a través del dado. La relación
entre el volumen de la primera vuelta del canal del husillo (al lado de la tolva) y el volumen de la
última vuelta (al lado del dado) se conoce como relación de compresión. En máquinas comerciales dicho
valor varía, por lo general, desde 2:1 hasta 4:1.Una manera aproximada de medir la relación de
compresión es tomar la relación entre la profundidad del canal del husillo en la primera vuelta y la
profundidad del canal en la última vuelta.
El extrusor, usualmente, tendrá un diámetro que puede variar entre 25 y 150 mm., con una relación
(Longitud/Diámetro) de 25-30.
Los elementos de calefacción pueden ser resistencias eléctricas blindadas que se encuentran alojadas en
cada una de las zonas del cilindro. Otras veces se utiliza aceite caliente que se hace circular mediante una
bomba a través de ciertos taladros practicados en el cilindro. En cualquier caso, la regulación de la
temperatura debe hacerse independientemente por tramos, para conseguir el perfil más adecuado de
temperatura.
La superficie interna de los cilindros debe ser altamente resistente a la abrasión y corrosión (posibilidad de
formación de ácido clorhídrico con el PVC, por ejemplo), realizándose en aceros nitrurados o con camisas
de aceros con alto contenido de cromo.
Figura 2.2.- Zonas del tornillo. Variación de la presión a lo largo del tornillo.
En la figura 2.3 puede verse la geometría del tornillo, así como diversos tipos de tornillos.
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Figura 2.3.- Geometría del tornillo. Tornillos de extrusión.
En general, existen tres zonas claramente diferenciadas que cumplen tres misiones principales:
alimentación, compresión y dosificación. A veces existen algunas zonas complementarias (por
ejemplo, desgasificación). Las funciones de cada una de las zonas son como sigue:
(a).- Zona de alimentación.
La función de la zona de alimentación es recoger los gránulos de la tolva y transportarlos hacia adelante en el canal
del husillo. Al mismo tiempo, los gránulos empiezan a calentarse y a comprimirse a medida que avanzan por el canal
del husillo.La profundidad del tornillo es constante y la longitud de esta zona es tal que se produzca una
alimentación correcta, ni deficiente ni excesiva, hacia las zonas de delante del tornillo. Esta alimentación
varía un poco para los diferentes tipos de polímeros con el fin de obtener una eficiencia óptima.
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Es importante evitar la sobrealimentación o una alimentación deficiente en esta zona. La operación y
diseño óptimo de esta zona esta influenciada por la naturaleza y forma de la alimentación, por las
propiedades de fricción del tornillo y la camisa en relación con el material plástico y por la geometría del
tornillo. El comportamiento ante fricción de la alimentación tiene una considerable influencia en la
velocidad de fusión que puede lograrse.
Para un transporte (bombeo) eficiente, los gránulos deben adherirse a la pared del barril y mostrar un alto grado de
deslizamiento en la pared del canal del husillo. Para alcanzar un mayor transporte de gránulos en la zona de
alimentación se recomienda:
(i).- Canal profundo (en comparación con el resto del husillo).
(ii).- Bajo grado de fricción entre gránulos y husillo.
(iii).- Alto grado de fricción entre gránulos y barril.
(iv).- Optimo ángulo de la hélice. Muchos husillos tienen el paso igual a diámetro D. Esto da como resultado un
ángulo de la hélice igual a 17.7 grados.
(b).- Zona de compresión (o de transición).
Esta zona tiene una profundidad de canal decreciente y tiene diferentes funciones. Primeramente, se
expulsa el aire atrapado entre los gránulos originales (compactación) forzándola a ir hacia atrás (en
dirección a la tolva), en segundo lugar, se mejora la transferencia de calor desde las paredes de la camisa
calentada conforme disminuye el espesor de la capa de material y en tercer lugar, se da el cambio de
densidad que ocurre durante la fusión.
Para fundir los gránulos se genera calor internamente por fricción o se aplica calor del exterior por
medio de calentadores eléctricos (colocados alrededor del barril), que lo transmiten por conducción, a lo
que ayuda la reducción del espesor del material. Se necesita un buen control de la cantidad cíe calor que
se aplica, porque si el material se calienta demasiado se puede degradar o hacer demasiado fluido. Por
otro lado, si el material se enfría demasiado, la plastificación será insuficiente. Variaciones en
temperatura producen además variaciones en flujo de salida.
Para aumentar la eficiencia del conjunto cilindro-tornillo, en sus diversas funciones, es práctica normal
variar la temperatura a lo largo del barril. Es normal tener de dos a seis zonas de calentamiento a lo
largo del cilindro y el dado.
La fusión de los gránulos debe ocurrir en la zona de compresión para consolidar el plástico. Otra
posibilidad para incorporar una zona de compresión podría ser un husillo con una longitud de paso
decreciente
Nuevamente, hay una modificación del diseño ideal para cada tipo de polímero. Para un polímero que
funde poco a poco, como por ejemplo, el polietileno de baja densidad, es apropiado un tornillo como el que
se muestra en la figura 2.4.a, con la longitud total dividida en tres zonas iguales. Los tornillos de este tipo
se conocen a menudo como tornillos para polietileno.
Si el polímero funde en forma abrupta (Intervalo de fusión estrecho), el criterio general es que se requiere
una zona de compresión muy corta, por lo común, de una longitud de sólo una vuelta de la espiral o hélice
del tornillo. Un ejemplo de tal polímero son las poliamidas (nylons), de donde proviene el nombre común
tornillo para nylon para este diseño (la figura 2.4.d). Sin embargo, esta opinión tiene poca justificación
teórica y estos polímeros se comportan bien en tornillos de compresión continua. No obstante, los tornillos
de compresión rápida se utilizan mucho para el nylon y otros polímeros semicristalinos, como el
polipropileno y el acetal.
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El cloruro de polivinilo (PVC) es un polímero difícil de extruir, ya que funde aún más lentamente que el
polietileno. Realmente es un caucho termoplástico y tiene inusuales propiedades a la fricción. Con
frecuencia, se procesa mejor utilizando un tornillo que tenga una larga zona de compresión en toda su
longitud (Figura 2.4.c), algunas veces con la adición de una zona de dosificación o de bombeo. Las
configuraciones de tornillos anteriores y otras alternativas se muestran en la figura 2.4.
Figura 2.4.- Tipos de extrusor: (a).- Tradicional de tres zonas
(b).- De tres zonas con una sección de aireación
(c).- Tipo PVC para polímeros amorfos
(d).- Tipo Nylon para polímeros cristalinos con punto de fusión abrupto.
(c).- Zona de dosificación.
Una vez más se encuentra una profundidad de tornillo constante. Su función es la de homogeneizar el
material fundido (mezcla distributiva) y con ello suministrar a la región del dado un material de calidad
homogénea a temperatura y presión constantes. Así, la función de la zona de dosificación es hacer que la
masa de plástico fundido alcance la consistencia y presión requeridas para extrusión.
En la zona de dosificación se requiere de una presión relativamente alta para obtener un mejor mezclado
del material. Este incremento en la presión se obtiene al imponer restricciones al flujo del plástico
fundido, ya sea en la zona de dosificación del husillo o en el cabezal. Esto también se logra al aumentar la
viscosidad del plástico (por ejemplo al disminuir la temperatura en ese punto).
Algunas maneras de imponer restricciones para el flujo del plástico fundido en la zona de dosificación
serían:
(i).- Disminución de la profundidad del canal.
(ii).- Disminución del ancho del canal.
(iii).- Reemplazar la última parte del husillo por una cabeza restrictora, que pasa a formar parte
del husillo.
(iv).- Agua de enfriamiento para el husillo. El enfriamiento del husillo es efectivo por el hecho
de enfriar y solidificar la capa de plástico adyacente al husillo, reduciendo así la
profundidad efectiva del canal
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El tornillo debe tener la longitud y el diámetro suficientes para poder acomodar las zonas de
alimentación, compresión y dosificación, de modo que la masa de plástico fundido se encuentre en las
condiciones requeridas para su extrusión a través del dado. Sin embargo, otras dimensiones del
tornillo, tales como el ángulo de la hélice, la profundidad y el ancho del canal también son
importantes.
Zona del dado o boquilla.
La zona final de un extrusor es la zona del dado, que termina en el propio dado. Situado en esta región se
encuentra el portamallas (figura 2.5). Este consta, por lo común, de una placa de acero perforada conocida
corno placa rompedora y un juego de mallas de dos o tres capas de gasa de alambre situadas en el lado del
tornillo.
Figura 2.5.- Placa rompedora y juego de mallas.
El ensamble placa rompedora-juego de mallas tiene tres funciones:
1.- Evitar el paso de material extraño, por ejemplo, polímero no fundido, polvos, cuerpos extraños.
2.- Crear un frente de presión oponiendo una resistencia al bombeo de la zona anterior, regularizando así
el flujo del material
3.- Eliminar la ―memoria de giro‖ del material fundido, es decir transformar el flujo helicoidal del material
en flujo paralelo más regular
Una descripción más detallada de estas funciones es:
1.- El cribado ayuda a reducir los defectos del producto más adelante al eliminar partículas no deseadas. A
menudo quedan atrapadas en la malla partículas de metal o, inclusive, tuercas o tornillos pequeños así
como, por ejemplo, aglomerados de material de relleno que han escapado a la dispersión. Además de hacer
que el producto salga defectuoso, las partículas metálicas dañan el dado, lo cual es un grave problema, pues
los dados son caros y difíciles de reparar.
2.- La importancia de crear un frente de presión radica en que esta presión es la que proporciona la fuerza
impulsora para vencer la resistencia del dado.
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3.- En muchos casos, el polímero ―recuerda‖ su trayecto en giros a lo largo de la espiral del tornillo, aun
después de haber pasado por el dado y esto puede dar como resultado una deformación por torsión del
producto. Los polímeros, como se vio, están formados por moléculas de cadena larga, enrolladas y
enmarañadas incluso cuando están fundidos, ésta es la razón de su comportamiento viscoelástico. Los
materiales fundidos, aunque la mayoría son viscosos, tienen también propiedades elásticas importantes.
Cuando el material fundido se somete a un tratamiento mecánico prolongado, como el paso por un tornillo,
se produce un notable alineamiento de las cadenas. Esto se nota como una tendencia hacia recuperar
elásticamente este alineamiento como la configuración energética óptima. El paso a través del dado es
rápido, sin que haya tiempo de sustituir la configuración de espiral por una nueva. El resultado es una
tendencia del producto a torcerse una vez que escapa a la restricción del dado y antes de que endurezca.
Tornillos de características especiales (Figura 2.6).
La máquina simple que se describió anteriormente se usó mucho en la extrusión de perfiles y para procesos
que tienen extrusión como una etapa inicial, como por ejemplo, el moldeo por soplado y la producción de
películas sopladas. Sin embargo, otros usos exigieron otras demandas al extrusor por lo que se ha
modificado el diseño básico para adaptarse a ellas.
Cuando el extrusor se vaya a usar como mezclador primario, algunas veces se dejan zonas especiales con
hilo de tornillo de paso modificado o, incluso, invertido. El extrusor básico de tornillo simple es un
mezclador dispersivo bastante bueno, pero es un deficiente mezclador distributivo. Estas regiones de
diferente paso de tornillo se encuentran, por lo común, más allá de la zona de dosificación normal.
Su objetivo es inducir una especie de cuasi - turbulencia por medios mecánicos para mejorar la dispersión.
A continuación. se halla una segunda zona de dosificación que regulariza la presión y la temperatura antes
de la extrusión.
Figura 2.6.- Diseños típicos de la zona de mezclado del tornillo.
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Un dispositivo bastante simple consiste en tener un cabezal de mezcla después de la zona de dosificación.
En su definición más simple, éste es un‖ cabezal para embarrar‖ (figura 2.6). Algunas veces se mejora su
acción por medio de pernos, ranuras, costillas, etc. para provocar la mezcla.
Figura 2.7.- Tornillo con cabeza para embarrar
Una modificación reciente más compleja para mejorar la eficiencia de la mezcla de un extrusor es el
mezclador con cavidades de transferencia diseñado por la Rubber and Plastics Research Association,
RAPRA (Asociación para la investigación de cauchos y plásticos). En la figura 2.8 se muestran las
principales características de dicho mezclador. Este es un ejemplo de un dispositivo para mezcla estática
cuya eficiencia depende de las tensiones cortantes y de la redistribución del material fundido.
Consiste en un extremo cilíndrico, el rotor, que está unido al tornillo y que gira en una camisa cilíndrica
llamada el estator. El rotor y el estator tienen cavidades semiesféricas que no coinciden. Las cavidades se
llenan con polímero conforme el extrusor lo impulsa hacia adelante y la corriente se corta y se pliega
repetidamente conforme las cavidades intercambian material.
Figura 2.8.- Mezclador con cavidad de transferencia.
En algunos usos, es necesario tomar precauciones para tener buena ventilación de substancias volátiles
durante la extrusión. Los gases producidos durante la extrusión, provocan que los productos extruidos presenten
burbujas o porosidad. Estas máquinas están equipadas con una compuerta de ventilación en el cuerpo del
extrusor. Desde luego, es necesario descomprimir el material fundido en este punto para evitar que salga
expulsado por la compuerta. El tornillo tiene, por lo tanto, una región de descompresión, seguida por una
zona de recompresión y una zona posterior de bombeo (Figura 2.9).
Algunas veces se usa ventilación con ayuda de vacío. Si la materia volátil que se expulsa es agua, esto es
innecesario. A una temperatura de extrusión común de 250 0 C, el agua esta en forma vapor a,
aproximadamente, 4 MPa, que sale fácilmente expulsado a la presión atmosférica de 0.1 MPa.
Varían las decisiones respecto al uso de ventilación. Algunos trabajadores lo usan para materiales difíciles,
pero otros prefieren concentrarse en una completa desecación previa del polímero y en la selección
cuidadosa del diseño apropiado del tornillo y de las condiciones de manufactura. Esto genera una condición
extra de libertad en el proceso donde una planta debe ser versátil al tratar con diferentes polímeros cuando
necesariamente debe utilizarse un tornillo para alcanzar un objetivo general.
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Figura 2.9.- Tornillo con descompresión. Variación de la presión.
Otra modificación es la mejora del transporte de gránulos del polímero a la zona de alimentación por medio
de ranuras o aletas que están en una sección de prealimentación. Esto es especialmente necesario cuando se
tiene un cabezal de mezclado en el otro extremo, debido a que aquellas generan poca presión y la
alimentación auxiliada contrarresta este hecho al producir una presión positiva.
3.- Dado extrusor.
El dado tiene como función el obtener la forma final deseada del material extruido (aunque puede
realizarse un conformado posterior). El dado esta calentado externamente y debe asegurar que el flujo de
material fundido cambie de forma suavemente desde la configuración proveniente del tornillo hasta la
forma deseada del producto final. Por ejemplo, para la producción de barras se requiere un dado de forma
tronco-cónica (Figura 3.1).
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D D = Diámetro del orificio del dado
D B = Diámetro del barril
a = Angulo de entrada del dado
P = Longitud paralela del dado
Figura 3.1.- Diseño típico de un dado para extruir varilla sólida.
La presión a la entrada del dado (al final del husillo) es alta y la presión a la salida del dado es baja
(atmosférica). Es importante mantener una presión alta en el interior del dado para consolidar el plástico
fundido antes de que salga del dado. Esto se logra al diseñar restricciones al flujo en el interior del dado. Por
ejemplo, la relación D o /D B debe ser menor que 1, y en la práctica ésta siempre es menor que 1/2.
Una restricción mayor puede obtenerse al aumentar P, es decir, la longitud paralela del dado. Una
varilla puede obtenerse a partir de plásticos diferentes - incluyendo nylon, que tiene baja viscosidad, o
PVC, que tiene alta viscosidad. Entre más viscoso sea el plástico fundido menor será el ángulo de
entrada del dado () necesario para obtener un flujo suave y constante.
Las moléculas de un plástico cualquiera consisten de largas cadenas que tienden a tomar una
configuración al azar —en forma de ovillo—siempre que sea posible. Sin embargo, cuando estos
materiales fluyen a través de un canal, las moléculas tienden a orientarse, es decir, a quedar alineadas
en la dirección del flujo. Así, cuando el plástico fundido sale del dado, muchas de sus moléculas
habrán sido orientadas en la dirección del flujo.
A la salida, las moléculas tienden a tomar de nuevo una configuración al azar en forma de ovillo,
causando así una contracción en la dirección longitudinal paralela al flujo y una expansión en la
dirección radial, conocida como hinchamiento del extruido. Por esta razón, la sección transversal de
los extruidos será siempre mayor que la sección transversal del dado (a menos que la velocidad lineal
del jalado del extruido sea mayor que la velocidad de extrusión).
18

Bajo circunstancias normales, el hinchamiento del extruido puede reducirse de la siguiente forma:
(i).- Disminuyendo la velocidad de extrusión.
(ii).- Aumentando la temperatura del plástico fundido.
(iii).- Aumentando la longitud paralela del dado.
(iv).- Aumentando la velocidad de tirón de extruido.
Un dado típico para la producción de tubos se muestra en la figura 3.2. Dispone de un núcleo central
(torpedo), soportado por una serie de aletas. El material fluye a su alrededor en forma de corona
circular, hasta alcanzar la boquilla, que debe estar suficientemente alejada de las aletas para que el
flujo vuelva a ser uniforme, eliminándose la distorsión del mismo originada por éstas. En la boquilla
el material asoma al exterior, enfriándose uniformemente. Este extremo de la extrusora se denomina
cabezal.
Figura 3.1.- Dado para la producción de tubos
El principal problema que existe con el dado es que el material hincha a la salida, lo cual ocurre debido a
las propiedades elásticas del fundido. Conjuntamente con el arrastre del material, que es necesario para
asegurar un producto recto, la determinación de las dimensiones finales del producto se realiza,
usualmente, mediante ensayos causa - efecto. En algunos casos, es necesario un plato formador o plantilla
para definir la forma.
19

La velocidad de salida del dado de una máquina extrusora depende de la caída de presión que tiene lugar a
su través. Un aumento en la presión incrementa la salida, sin embargo, dicha presión puede actuar en
sentido contrario reduciendo el transporte de material a través de la zona de dosificación del tornillo. Es
necesario, por consiguiente, ajustar los diseños del tornillo y del dado para obtener una salida óptima para
cada tipo de material.
El enfriamiento del material extruido debe ser rápido con el fin de mantener la forma. Para ello suele usarse
un baño de agua. Con respecto a lo anterior sería más conveniente extruir a baja temperatura, sin embargo,
esto puede traer consigo una disminución de la producción y la necesidad de trabajar con presiones altas.
Patrones fundamentales de flujo.
El diseño óptimo de un dado de extrusión es complicado. Aunque algunos fundamentos están bien
definidos y el comportamiento de los materiales fundidos que se desplazan por canales estrechos se estudia
y entiende cada vez más, aún hay un factor de diseño y construcción que se basa en la experiencia.
El interés principal es el del comportamiento de los polímeros durante su fabricación. En la figura 3.2 se
muestran algunos patrones de dados, para un dado en el que se han de obtener varillas por extrusión.
Dichos patrones se pueden utilizar para examinar algunos de los fundamentos.
Figura 3.2 - Patrones de un dado para varilla.
¿Por qué razón un perfil de longitud cero, como el que se muestra en la parte (a) de la figura 3.2, no sirve, y
por qué los ahusamientos o convergencia del esquema (c) son necesarios, en contraposición con los
cambios abruptos de (a) y (b). Las respuestas se hallan en la necesidad de mantener un flujo laminar en el
material fundido. Si los cambios son abruptos como en (a) y en (b), se producen ―puntos muertos‖ en las
esquinas donde circula el material fundido como en un remanso y esto conduce a una pieza obtenida por
extrusión con temperatura y tensiones cortantes no uniformes.
20

Además, en cualquier flujo convergente, hay fuerzas de tracción y de corte. Las propiedades a la tracción
son importantes en diversos métodos de obtención de polímeros e influyen de manera significativa en el
comportamiento de los dados, lo que se ilustra de manera simple en la figura 3.3. En la disposición de
flujos paralelos, se ve que las líneas de corriente son paralelas: un elemento de fluido se mantiene intacto
conforme avanza a lo largo del canal. En el caso de flujos convergentes, las líneas de corriente convergen y
el elemento de fluido se distorsiona debido al esfuerzo de tracción que se lleva a cabo, o sea, el material
fundido se estira a la vez que se hace más estrecho, al dirigirse hacia la salida.
Figura 3.3.- Flujos paralelo y convergente.
La regla simple para decidir si habrá o no fuerzas de tracción así como de corte consiste en preguntarse si
las líneas de corriente son paralelas. Si lo son, se trata de un esfuerzo cortante simple, pero si no lo son, hay
una componente de tracción. ¿De qué manera afecta esto al diseño del perfil del dado?
Efectos de la entrada del dado.
Si los esfuerzos de tracción son grandes, como sucedería con los diseños correspondientes a las partes (a)
y (b) de la figura 3.2, y se sobrepasa la resistencia a la tracción del material fundido, la cual es, por lo
común, de alrededor de 10 6 N/m 2 = 1 MPa, las líneas de corriente se vuelven no sólo caóticas sino también
discontinuas, ya que la suavidad del flujo laminar deseable se pierde completamente.
El producto de extrusión que sale del dado será de forma irregular. En vez de una varilla biforme y lisa, se
obtendrá una tira dentada (figura 3.4). Este fenómeno se conoce como fractura del fundido. Esto pasaría si
se usara un dado como el de la parte (a) en la figura 3.2, el cual es simplemente un orificio con longitud
cero. La sección paralela extendida, que se conoce como salida del dado, en la figura 3.2 (b) no sirve para
remediar la situación, pues el daño ya se hizo en la entrada del dado.
Figura 3.4.- Fractura del fundido.
21

Para evitar la fractura del fundido sin necesidad de utilizar aditivos de procesado caros (Lubricantes de
PPA), se puede realizar un revestimiento del dado que facilite el deslizamiento del plástico fundido en la
superficie (Figura 3.5). Esto permite trabajar con velocidades altas de salida (Capacidades de producción
mayores).
Además es extremadamente duro, con lo que posee una resistencia al desgaste alta.
Figura 3.5.- Dado con revestimiento que promueve el deslizamiento en la superficie.
En la figura 3.2 (c) se ve el fundamento del punto de vista correcto. La salida del dado es convergente. Los
efectos de esto son:
(i).- Eliminar los puntos muertos de las esquinas y mantener con esto un recorrido térmico y una tensión
cortante estables.
(ii).- Reducir los esfuerzos de tracción y con ello, minimizar también la distorsión de las líneas de
corriente.
La salida alargada del dado es importante para estabilizar una disposición paralela de líneas de corriente
antes de la salida por el dado. También aumenta el tiempo de tratamiento y eso ayuda a eliminar la
memoria del proceso anterior, por ejemplo, la mayoría de giro del tornillo o de una construcción o cambio
de dirección de ruta de flujo. Tanto más suaves sean las líneas de corriente, tanto más rápido se llevará a
cabo la operación y el producto será mejor. Si no se previenen los efectos de la ―memoria‖, el resultado
será, probablemente, una pieza distorsionada.
La situación es compleja, debido a que la velocidad de deformación por corte y, en consecuencia, las
viscosidades aparentes varían para las diferentes etapas del proceso, las cuales tienen distintos tiempos de
duración. M. Reiner derivó una técnica, que consiste en encontrar el Número de Débora, N DEB .
Los intervalos de tiempo característicos para los cuales tiene memoria un material fundido se relacionan
con su tiempo de relajación. En general, el tiempo de relajación se encuentra a partir de la viscosidad y del
módulo elástico. Estos son los parámetros que reflejan su comportamiento viscoso y elástico ante un
esfuerzo que se les aplique, y su relación da el tiempo natural o de relajación para el material, es decir:
Tiempo de relajación
Vis cos idad N. s.
m
Modulo elasti co N.
m
2
2
Se necesita encontrar este tiempo natural para el material que se usa bajo las condiciones de fabricación.
Luego se compara con los intervalos del tiempo del proceso y el resultado será el número de Débora, N DEB :
N
DEB
Tiempos de relajacion el material en el proceso
Intervalos de tiempo del proceso
Si N DEB > 1, el proceso es principalmente elástico. Si N DEB < 1, el proceso es predominantemente viscoso.
22

F.N. Cogswell proporcionó un ejemplo conveniente. En la figura 3.6 se representa un material fundido que
fluye por un codo y, luego, a través de un dado estrecho. El intervalo de tiempo desde que el fundido pasa
por el codo hasta que pasa por el dado podría ser de unos 10 s. El flujo en esta región genera un esfuerzo
bajo, al producir una viscosidad alta, por ejemplo, de 10 5 N.s/m 2 . Al mismo tiempo, el módulo elástico se
incrementa cuando aumenta el esfuerzo. Ahora se usa el concepto del número de Débora para explicar lo
que sucede.
Figura 3.6.- Memoria del proceso y número de Débora.
Flujo del codo al dado.
Esfuerzo bajo: Tiempo de relajación =
Vis cosidad
Modulo.. elasti co
=
10 N. s.
m
10 Nm .
5 2
3 2
= 100 s,
Con lo que:
Flujo a través del dado.
Tiempo del proceso = 10 s
N DEB
=
100
10
= 10
Este proceso es principalmente elástico.
Esfuerzo alto: Tiempo de relajación =
Vis cosidad
Modulo.. elasti co
=
10 N. s.
m
10 Nm .
3 2
5 2
= 0.01 s,
Con lo que:
Tiempo del proceso = 0.1 s
N DEB
0.01
0.1
0.1
Este proceso es principalmente viscoso.
Ahora es necesario interpretar este resultado en términos del comportamiento físico del material sometido a
extrusión. El instinto probablemente conduce a suponer que el proceso viscoso y de alto corte ―haga
olvidar‖ todo lo anterior. Sin embargo, el instinto se equivoca y el material sometido a extrusión se
enroscará .
Esto sucede así debido a que el proceso que se lleva a cabo al dar la vuelta, aunque consume bastante
tiempo, es elástico, o sea, las cadenas no se realinean de manera permanente. La siguiente deformación en
un corto tiempo en el dado, aunque se lleva a cabo alto esfuerzo de corte, no elimina esta distorsión
elástica, la cual puede liberarse cuando el material sometido a extrusión deja la restricción del dado con el
resultado de que se enrosca.
23

En la práctica, es difícil saber, con frecuencia, exactamente la magnitud de las velocidades de corte, o dar
valores a la viscosidad y al módulo. Puede ser que no se conozca la contribución de la componente de tracción.
En consecuencia, el diseñador y fabricante de herramientas tienen que recurrir a la experiencia y a un
sentimiento instintivo sobre lo que es operable.
Se recurre por lo común a la práctica de prueba y error para usar los dados adecuados, especialmente en el
caso de extrusión de perfiles complicados, y sería difícil diseñar cuando se use el número de Débora. La
importancia de usar el número de Débora está en que ayuda a comprender el comportamiento de los
polímeros fundidos, algunas veces inesperado.
La fractura del fundido y la memoria del giro son ejemplos de fenómenos que suceden en la entrada del
dado y éste sólo remedia un poco esta situación. ¿Qué hay respecto a la salida del dado?
Inestabilidades en la salida del dado.
El defecto más común que se encuentra en la salida del dado se conoce como piel de tiburón. Consiste en
un arrugamiento de la superficie sometida a extrusión. Este es otro defecto que se debe a los esfuerzos de
tracción y se genera de la manera siguiente.
El material fundido, conforme avanza a lo largo del canal del dado, tiene un perfil de velocidad, con una
velocidad máxima en el centro y una velocidad cero en la pared. Conforme abandona los bordes del dado,
el material de la pared tiene que acelerarse hasta la velocidad a la cual el producto sale del dado. Esto
genera esfuerzos a la tracción y, si el esfuerzo excede la resistencia a la tracción, la superficie se rompe,
generando el defecto visual. Como es de esperar, los materiales de módulo bajo que tienen alto
alargamiento son los menos afectados. Los materiales estructurados, con alto contenido de materiales de
relleno y de baja elasticidad tienen más fácilmente el defecto de piel de tiburón.
Si se favorecen las condiciones que causan la piel de tiburón, es decir, si se vuelve excesiva la presión en el
extrusor o disminuye la temperatura del dado, el efecto provoca una apariencia de grano grueso, que por lo
común se conoce como cáscara de naranja. Poco a poco, la restitución de los esfuerzos de tracción se
exacerba y el material sometido a extrusión en su totalidad de pronto ―se retrae‖. El resultado es el
―abambuamiento‖, llamado así porque la pieza sometida a extrusión se asemeja en apariencia al bambú (
Figura 3.7).
Figura 3.7.- ―Abambuamiento‖ en un dado.
El calentamiento extra del dado ayuda con frecuencia a remediar estos defectos, al relajar térmicamente los
esfuerzos y disminuir la viscosidad.
24

Una idea errónea pero común es que la piel de tiburón es una especie de fractura de fundido suave, y es
cierto que la formación de la piel de tiburón, al incrementarse la velocidad del extrusor, puede estar seguida
por el rompimiento completo de la pieza sometida a extrusión que caracteriza a la fractura del fundido si
aumenta más todavía la velocidad. Sin embargo, los dos fenómenos tienen diferentes orígenes, de modo
que la acción que se tome para prevenir uno de ellos puede contrarrestar el otro.
Hinchamiento en el dado.
El hinchamiento en el dado es el efecto por el cual el polímero se hincha cuando sale del dado. El resultado
es una pieza que tiene dimensiones diferentes a las del orificio del dado. Así, una varilla sometida a
extrusión sería de mayor diámetro y una tubería sería de pared más gruesa, es decir se incrementa el
diámetro externo y disminuye el diámetro interno (Figura 3.8). El hinchamiento en el dado es otro
resultado de la componente elástica del comportamiento total que tiene el polímero fundido al someterse al
esfuerzo. Esto lo provoca la recuperación de la deformación elástica cuando el material sometido a
extrusión sale de la constricción del canal del dado y antes de que solidifique.
Figura 3.8.- Hinchamiento en el dado de: (a).- Una varilla (b).- Una tubería
4.- Arrastre y conformado secundario.
El arrastre depende de cada producto que va a ser procesado. Algunas líneas de extrusión típicas se
muestran en la figura 4.1. La producción de gránulos, extrusión de tubos y láminas, revestimiento de
alambres y láminas y producción de filamentos, son algunos de los más importantes procesos que usan la
extrusión.
El conformado secundario, usualmente, incluye el recalentamiento o e del material antes del enfriamiento
para producir formas tridimensionales más complejas, por ejemplo mediante el soplado de film y por
moldeo por soplado.
25

Figura 4.1.- Ejemplos de sistemas de arrastre hacia fuera.
5.- Principios del funcionamiento de las extrusoras de tornillo único. Mecanismos de flujo.
5.1.-Fusión.
Dos aspectos importantes del funcionamiento del extrusor se relacionan con el diseño de los tornillos
utilizados en estas máquinas. Estos factores son la eficiencia de la fusión y el flujo de salida del extrusor.
En la zona de alimentación, el material, en polvo o en granza, es transportado como en cualquier
tornillo de Arquímedes dispuesto horizontalmente. En estos tornillos el caudal se hace tanto mayor
cuanto mayor sea el coeficiente de rozamiento del sólido con la carcasa con respecto al del sólido con
el eje del tornillo. Por ello las carcasas de las extrusoras en esta sección suelen ranurarse según las
generatrices del cilindro. Debe de evitarse la plastificación del material, posibilitando de ese modo el
escape del aire atrapado entre los gránulos, por lo que puede ser necesario refrigerar la carcasa en los
tramos más próximos a la tolva de alimentación.
Conforme se transporta el polímero a lo largo del tornillo se llega a la zona de compresión en la que el
diámetro del eje del tornillo aumenta, haciéndolo también los esfuerzos radiales y de cizalla sobre el
material (Se incrementa la fricción) que, con ayuda de un calentamiento exterior, por la carcasa, comienza
a reblandecerse o fundir (plastificarse) formando una delgada película en la pared de la camisa, cuyo
espesor sobre el sólido permanece constante. El tornillo desprende la película fundida al girar.
El material fundido tiende a embolsarse junto a los filetes traseros, con respecto al sentido del movimiento,
mientras que el sólido pastoso se acumula junto a los filetes delanteros, hasta que la totalidad queda
fundido, según se representa esquemáticamente en las tres secciones de los canales helicoidales del tornillo de
la figura 5.1.1.
26

Figura 5.1.1.- Proceso de fusión.
El polímero fundido se mueve desde la cara frontal del hilo hacia el núcleo y luego barre de nuevo para
establecer un movimiento rotatorio enfrente del borde de conducción del hilo. Mientras, se barren otros
gránulos o partes sólidas de la masa compactada del polímero hacia el ―charco de fundido‖ en formación
(Figura 5.1.1). El proceso continúa lentamente hasta que se funde todo el polímero.
El proceso de fusión es eficaz al principio, pero conforme avanza, la proporción del canal ocupado por los
sólidos disminuye de modo que reduce el contacto entre los sólidos y la camisa caliente. La ―masa‖ de
sólidos se rompe y las partículas sólidas se funden gracias a la temperatura del material fundido que hay
alrededor. Esta es una fuente e heterogeneidades y, desde luego, una de las funciones de la zona de
dosificación es la de homogeneizarla.
Puede resumirse el efecto de las diferencias en las características del tornillo como sigue:
1.- Canal más profundo: transporta más material, pero tarda más tiempo en completar la fusión.
2.-Operación rápida: aumenta la producción, pero los sólidos persisten a lo largo del tornillo al terminar la
operación.
3.- Un canal menos profundo puede ayudar a una operación rápida para aumentar la producción debido a
una fusión más efectiva, pero el peligro está en que las mayores tensiones de corte que se originan
pueden conducir a un sobrecalentamiento.
Una de las modificaciones para optimizar la fusión es la del tornillo de hilo de barrera. Tiene un hilo extra,
separado del que contiene los gránulos del sólido. Su espacio libre dentro del barril es menor que el tamaño
del gránulo. Al iniciarse la fusión, el polímero fundido tiene la capacidad de moverse hacia el nuevo canal
y. de esa manera, quedan separados el sólido y el material fundido. Los hilos normales y de barrera tienen
diferentes ángulos de hélice.
El canal de sólidos empieza entonces ancho y luego se estrecha, ocurre lo contrario en el canal del material
fundido. De esa manera, la eficiencia inicial de la fusión se mantiene conforme el material fundido que se
produce se somete a esfuerzos y disminuye el volumen del canal para acomodar el volumen decreciente de
sólidos. El inventor del tornillo de hilo de barrera fue Maillefer y estos tornillos llevan generalmente su
nombre, aunque existen otros diseños y variantes. En la figura 5.1.2 se muestra el fundamento del tornillo
de Maillefer.
27

Figura 5.1.2.- Fundamento del tornillo de Maillefer.
Otro aspecto importante para mejorar la fusión es el uso de dispositivos de mezcla antes de la zona de
bombeo. La mezcla también mejora la fusión por la simple ―agitación‖ del material.
En la tabla 5.1.1 se compara el funcionamiento de varios diseños. En esta comparación se muestra cómo
mejora la producción al hacer una fusión más eficiente. También se puede ver que el diseño de
alimentación a alta presión consume más energía que su rival hilo de barrera. Esto se debe a la necesidad
de enfriar la sección ranurada de alta presión, se usa un 14 a 20% de la energía con este fin. La
compensación, sin embargo, se halla en la producción.
Tabla 5.1.1.- Comparacion entre diferentes diseños de tornillo sin fin en un extrusor de 90 mm de
diametro, para polietileno de alta densidad a una temperatura máxima de 220 ºC
Teniendo en cuenta que la variación del diámetro del eje del tornillo origina una diferencia de velocidad del
sólido, V S , con respecto a la del líquido V, puede establecerse un balance de energía, por unidad de
superficie, igualando el calor transmitido por conducción a través de la película de polímero plastificado junto
a la carcasa, más el generado por esfuerzos cortantes en dicha película, al calor necesario para llevar al sólido
a la temperatura de fusión, más el calor propio del cambio de estado:
2
k1
T
Tm
V
SV
S
cS Tm
TS
2
(5.1.1)
siendo:
T w , T m y T s = Temperaturas de la pared, del sólido fundido y del sólido a la entrada de la zona de fusión,
respectivamente
k 1 = Conductividad térmica del polímero fundido
c s = Calor específico del sólido
= C alor de cambio de estado.
28

La capacidad de plastificación del tornillo puede expresarse mediante el parámetro:
VX
k T T
c T T
1 1 m
2
S
m
S
V
2
(5.1.2)
que equivale a la relación existente entre la energía que se proporciona al polímero y la que éste
necesita para quedar fundido.
Para aumentar la capacidad de plastificación deberá aumentarse el valor de la energía suministrada,
bien aumentando la velocidad de giro del tornillo (lo que supone aumentar V X y V y, por tanto, la
relación de compresión), bien aumentando la temperatura de la carcasa T w .
Debe observarse que la relación entre los dos sumandos del numerador del parámetro Φ corresponde
al número adimensional de Brinkmann:
B
r
1
2
V
k T T
m
(5.1.3)
que adquiere valores elevados cuando la generación de calor viscoso es preponderante sobre la
transmisión del calor por conducción.
El perfil de temperatura en la capa límite de espesor ó de polímero fundido próximo a la pared de la
extrusora queda definido en la figura 5.1.3, en función del número de Brinkmann.
Mientras B r < 2 la temperatura en el polímero estará siempre por debajo de la de la carcasa, sin
ningún peligro de recalentamiento. Para números de Brinkmann superiores puede adquirir
temperaturas mucho mayores, con peligro de degradación. En tales casos debe reducirse la velocidad
de extrusión para que B r sea igual a 2, disponiendo en la carcasa una temperatura igual a la máxima
admisible por el polímero, T w . La velocidad máxima tangencial será:
V
MAX
1
2k T Tm
(5.1.4)
Figura 5.1.3.- Perfil de temperatura en la capa límite de espesor de polímero fundido próximo a la
pared de la extrusora, en función del número de Brinkmann.
En la práctica actual, todas las extrusoras se llevan al límite de la velocidad periférica compatible con
el plástico que se esté procesando (V = 50 m/min, para los termoplásticos más termorresistentes y de
10 a 20 m/min para los más termodegradables como el PVC, PMMA y ABS), por lo que el
calentamiento de la carcasa sólo sirve para compensar las pérdidas térmicas por radiación y convección,
aunque es muy importante para las paradas y puestas en marcha.
29

5.2.- Transporte.
Para comprender el mecanismo de transporte, consideremos dos extremos.
1.- El material se adhiere únicamente al tornillo y se desliza sobre la camisa. Bajo estas condiciones, el
tornillo y el material simplemente girarían como un cilindro sólido y no habría transporte.
2.-El material resiste la rotación en la camisa y se desliza sobre el tornillo. Ahora tiende a ser transportado
axialmente como un tornillo de Arquímedes normal de canal profundo que se usa para transportar sólidos.
Para ser transportado hacia adelante, el material no debe girar junto con el tornillo, o al menos debe girar a una
menor velocidad que el tornillo. La única fuerza que puede evitar que el material de vueltas junto con el tornillo y,
por tanto, hacer que el material avance a lo largo de la camisa es la fuerza de arrastre o fricción entre el material
y la superficie interna del barril. A mayor fricción menor rotación del material junto con el tornillo y, por lo
tanto, más movimiento hacia adelante.
Para aumentar la superficie de fricción se ha incrementado la longitud del barril. Así la relación L/D en
extrusores de tornillo simple es muy importante. Mayor L/D significa mayor superficie de fricción, que a su vez
significa mayor propulsión hacia adelante bajo las mismas condiciones de extrusión.
El material nunca se mueve a lo largo del barril en línea recta; siempre tendrá una cierta cantidad de rotación
alrededor del tornillo en combinación con un movimiento de traslación a lo largo del barril.
En la práctica, hay fricción tanto con el tornillo como con la camisa, y esto conduce al mecanismo de
transporte principal, el flujo por arrastre del material fundido a lo largo del tornillo como resultado de las
fuerzas de fricción, y es el equivalente al arrastre viscoso entre las placas estacionaria y móvil separadas
por un medio viscoso. Esto constituye la componente de transporte del extrusor.
Se le opone la componente del flujo de presión, producido por el gradiente de presión que hay a lo largo
del extrusor. Como se vio, hay presión alta en el extremo del dado y baja en el extremo de alimentación.
Este gradiente de presión se opone al flujo de arrastre. Es importante comprender que no hay flujo real
resultante debido a la presión, únicamente es una oposición.
El componente final en el modelo de flujo es el flujo de fuga. Hay un espacio finito entre el tornillo y la
camisa a través del cual se puede fugar el material. Este es también un flujo impulsado por el gradiente de
presión que, desde luego, también se opone al flujo de arrastre.
Por lo tanto, el flujo total es el balance de estos componentes
Flujo total = Flujo de arrastre - Flujo de presión - Flujo de fuga.
5.3.- Calentamiento y enfriamiento.
En las máquinas de alta velocidad, prácticamente todo el calentamiento proviene del esfuerzo de corte al
que se somete el material fundido viscoso. Por lo común, algo de calor se genera por esta fuente y algo por
los calentadores de la camisa del extrusor. Una relación común podría ser de (67/33), de
(Fricción/Conducción).
También hay enfriadores, por lo común abanicos, para disipar el exceso de calor. Todo el sistema se
controla por medio de termostato para tener un control preciso de la temperatura del material fundido. La
longitud de la máquina se divide en tres o cuatro secciones para favorecer la variación de la temperatura y
obtener un proceso óptimo.
30

Puede considerarse que la condición de operación práctica se halla entre los extremos de la operación
adiabática, en donde sólo habría calor proveniente de la disipación viscosa, y de la operación isotérmica, en
donde la temperatura sería la misma en todos los puntos, al generar el calor por medio de calentadores o al
disiparlo por medio de enfriadores para contrarrestar los cambios en la temperatura del material fundido.
Los extrusores reales no son de uno ni de otro tipo; incluso las máquinas conocidas como adiabáticas deben
tener pérdidas de calor y una máquina que se alimenta con materia prima fría no puede trabajar
isotérmicamente. Sin embargo, la zona de bombeo se aproxima a las condiciones isotérmicas.
6.- Análisis del flujo.
Se deducirán las expresiones estándar para la salida de un extrusor de tornillo simple. Se debe analizar el
flujo de arrastre, el flujo de presión y el flujo de fuga y sumarlos para obtener una expresión total de la
salida del extrusor. Se asumirá que la viscosidad del fundido será constante y que el flujo será isotérmico.
Estas condiciones serán la que se dan, de forma aproximada, en la zona de dosificación del tornillo.
6.1.- Flujo de arrastre.
En primer lugar, se debe tomar en cuenta el flujo que hay entre un par de placas paralelas y luego ver de
qué manera puede aplicarse esto a un canal de un extrusor. En la figura 6.1.1 se muestran dos placas
paralelas separadas por una distancia H y con un flujo viscoso entre ellas. La placa móvil tiene una
velocidad V d .
Figura 6.1.1.- Flujo de arrastre.
Imaginemos un pequeño elemento de fluido, ABCD, a una distancia y de la placa estacionaria. El cambio
de flujo volumétrico, dQ, para este elemento, está dado por
(6.1.1)
dQ
Vdxdy
Asumiendo que el gradiente de velocidad es lineal, entonces la velocidad del elemento de fluido ABCD
está dada por:
y
V V d H
Sustituyendo la expresión anterior en la expresión (6.1.1) se tiene:
y
dQ Vd
dxdy
H
31

e integrando a toda la sección para encontrar el flujo total de arrastre Q d :
HT
y
Qd
Vd
dxdy
H
00
de donde:
Q
d
1
THV
2
d
(6.1.2)
Ahora se aplica esta situación de placas paralelas al tornillo de un extrusor. Se puede imaginar al canal del
tornillo como un canal similar, excepto que la disposición es en espiral. En la figura 6.1.2 se muestran las
dimensiones apropiadas y el pequeño elemento de fluido.
La camisa simula la placa estacionaria, y el tornillo giratorio, la placa móvil. El elemento de material fluido
se halla entre la camisa y el tornillo giratorio. H es ahora la profundidad del canal, T es la distancia
perpendicular entre hilos y N es la velocidad del tornillo en revoluciones por segundo.
Se supondrá lo siguiente:
1.- El material se comporta como un fluido newtoniano.
2.- La viscosidad es la misma en todos los puntos del canal del tornillo.
3.- La velocidad del material en la pared de la camisa es
4.- La velocidad del material en la pared del tornillo es cero.
V
d
DN
cos
.
Hay que tener presente, sin embargo, que el material se comporta por lo general como un fluido no-newtoniano de
tipo pseudoplástico. Además, la viscosidad no es la misma en todos los puntos del canal, pues como en todo
material pseudoplástico, la viscosidad disminuye al aumentar la velocidad de corte. Así, la viscosidad será menor
cerca de la pared del barril, donde la velocidad de corte es mayor, y será mayor hacia el interior del canal, donde la
velocidad de corte es menor.
Finalmente, la velocidad del material en la pared del tornillo no es igual a cero. Si así fuera, esta capa de material en
la pared del tornillo permanecería indefinidamente en el interior del extrusor y se degradaría, y esto no sucede. Por
lo tanto, el material tiene que deslizarse en las superficies metálicas del tornillo y de la camisa. Este deslizamiento
depende de la fricción entre el material y la superficie del tornillo y de la camisa.
32

ev
v R, y como : 2 N, N resulta : v 2 NR ND
s
Figura 6.1.2.- Detalle de la zona de dosificación. Flujo de arrastre en un tornillo de extrusión.
El movimiento angular del elemento de material fundido y las dimensiones pueden expresarse como
funciones del ángulo del hilo ,
Vd
DN
cos
,
T Dtag ecos
sustituyendo estos valores en la expresión (6.1.2) se tiene :
Q 1 1 1
d
d
cos cos cos
2 THV
2 H Dtag e DN
2
HDN Dtag e
2
Como el valor de e es pequeño en comparación con el paso del tornillo, se tiene que:
1 2 1 2 2 2 1 2 2 1 2 2
Qd
HDN Dtagcos HD N tagcos D HNsen cos D HNsen2
2 2 2 4
es decir :
1 2 2 1 2 2
Qd
D HNsen cos D HNsen2
2 4
(6.1.3)
De la expresión (6.1.3) se deduce que el flujo de arrastre depende de:
• Diámetro del tornillo al cuadrado D 2
• Velocidad del tornillo N
• Profundidad del canal H
• Ángulo de hélice
o sea, fundamentalmente, (volumen del canal) x (velocidad), con un factor de corrección debido al ángulo
de hélice. El ángulo de hélice se fija de manera casi universal al ángulo ―cuadrado‖ de 17.66 º, o sea, una
vuelta por longitud del diámetro del tornillo.
33

6.2.- Flujo de presión.
El siguiente paso es el de encontrar una expresión para el flujo de presión. Nuevamente, se observa un
elemento finito de fluido en un canal entre placas paralelas y luego se aplica el resultado al canal de un
extrusor. En la figura 6.2.1 se muestra el elemento de fluido viscoso en un gradiente de presión. Se
supondrá que la anchura de las placas es grande en comparación con la separación entre ellas, de forma que
el flujo se puede considerar unidireccional y la velocidad no dependerá de la anchura x.
Figura 6.2.1.- Flujo de presión entre dos placas paralelas
Considerando el equilibrio de un elemento ABCDA’B’C’D’ .Las fuerzas que actúan sobre el son:
P
F1 P dz 2ydx
z
, F2 P2ydx
, 3
F
dzdx
donde P es la presión y es la tensión cortante que actúa sobre el elemento de fluido a la distancia y del
plano central.
En flujo estacionario, las fuerzas están en equilibrio, con lo que:
F F 2F
1 2 3
No existe fuerza cortante que se oponga al movimiento en los planos ABA’B’ y CDC’D’, ya que al no
variar la velocidad en la dirección x no hay desplazamiento relativo de láminas de fluido en esa dirección.
Sustituyendo los valores de las fuerzas se reduce a (supuesto que la presión varía en la dirección z
únicamente):
P
P dz 2ydx P2ydx 2
dzdx
z
de donde: dP dy
dz
(6.2.1)
Si se supone que es un fluido newtoniano, entonces:
Al substituir el valor de en la ecuación (6.2.1) se tiene:
dV
y
dy
dP
y dz
dV
, dy
dV 1 dP
y
dy dz , 1 dP
dV ydy
dz
,
34

Integrando para encontrar el valor de la velocidad V:
V
0
dV
1 dP
dz
y
H
2
ydy
de donde : V =
1 dP y H
dz 2 8
2 2
(6.2.2.)
La variación del flujo volumétrico dQ está dada por:
dQ = VTdy
y al sustituir la ecuación (6.2.2) en la ecuación anterior e integrar para obtener el flujo de presión , Q p ,
Q
p
2
2
H
0
2 2
1 dP y H
dz 2 8
Tdy
de donde:
Q
p
1 dP
TH
12
dz
3
(6.2.3)
Ahora se puede usar esta expresión en el canal de un tornillo de un extrusor, teniendo en cuenta las
siguientes expresiones:
T
Dtag cos
(Asumiendo que e es pequeño comparado con el paso del tornillo )
dL
sen
dz
de donde :
dP
dz
dP
sen
dL
al sustituir estas expresiones en la ecuación (6.2.3) resulta :
Q
p
3 2
DH sen dP
(6.2.4)
12
dL
De la expresión (6.2.4) se deduce que el flujo de presión depende de
• Las dimensiones del tornillo, al depender de la tercera potencia de la profundidad del canal
• El gradiente de presión
• La viscosidad del fluido.
El flujo longitudinal del polímero fundido (de tipo helicoidal) puede considerarse como la suma
de uno de cizallamiento puro entre dos planos paralelos (uno estático y otro móvil), que se ha
anilizado en el apartado 6.1 (Flujo de arrastre) y un flujo de Poiseuille entre dos planos paralelos
también, pero en sentido contrario, debido al gradiente de presiones (Flujo de presión) analizado en
este apartado. Existen, además, otros dos flujos secundarios; uno de fuga por la holgura entre los
filetes del tornillo y la carcasa, hacia atrás, debido también a la diferencia de presiones, que en los
tornillos nuevos puede ser despreciable, y un cuarto, originado por la componente de la velocidad
perpendicular al filete del tornillo v z que proporciona una homogeneización del material pero no
contribuye al caudal neto de salida de la extrusora.
En la figura 6.2.2 se muestran las distribuciones triangulares de avance y parabólica de retroceso entre
los dos planos paralelos.
Figura 6.2.2.- Distribuciones triangulares de avance y parabólica entre los dos planos paralelos.
35

6.3.- Flujo de fuga.
El flujo de fuga tiene lugar entre la parte superior de los rebordes del tornillo y la camisa como resultado de
la presión de retroceso.
Este tipo de flujo puede ser analizado como un flujo de presión entre planos paralelos con una separación
una longitud ecosΦ y una anchura (D/cosΦ). (Figura 6.1.2).
El flujo de fuga normalmente es pequeño en comparación con el flujo de arrastre y el flujo de presión y,
por tanto, para la mayoría de los casos prácticos reales puede despreciarse al calcular el flujo total. Únicamente
tiene significado práctico en máquinas desgastadas en las cuales se vuelve grande el espacio libre
que hay entre el tornillo y la camisa.
Puesto que se trata de un flujo de presión, la derivación de las fórmulas es similar a lo realizado en el
apartado 6.2. Así, realizando las siguientes sustituciones en la expresión (6.2.3):
h
, T =
T
D
cos
,
P
Gradiente de presión
e cos
(Figura 6.3.1)
se obtiene para el flujo de fuga, Q L ,
Q
L
1 P
D 3
12
e cos
cos
(6.3.1)
Es más conveniente expresar el gradiente de presión en términos del gradiente (dP/dL). Esto puede
realizarse considerando la vista desarrollada de los hilos del tornillo, tal y como se muestra en la figura
6.3.1.
Figura 6.3.1.- Desarrollo del tornillo.
36

El flujo de fuga ocurre debido a la presión diferencial, P, existente a través de una sección tal como la
CD. El incremento de presión desde A hasta B viene dado por:
dP
PAB
Dtag
dL
Si el incremento de presión es lineal, entonces la presión diferencial que actúa en C perpendicularmente
hacia A, a través de los rebordes será proporcional a la relación:
D
P AC AB BC
Dtagsen
cos
2
1
sen cos
2
P
AB AB
D
AB
cos
por tanto,
Sustituyendo el valor anterior en (6.3.1):
2 dP
P
Dtag cos
dL
Q
L
2 2 3
(6.3.2)
D dP
tag (6.3.3)
12
e dL
A menudo se requiere el uso de un factor en la ecuación anterior que tenga en cuenta la excentricidad del
tornillo dentro de la camisa. Normalmente, eso da lugar a un incremento del 20 % en el flujo de fuga.
6.4.- Flujo total.
Se puede encontrar fácilmente el flujo de salida total Q sumando las expresiones para el flujo de arrastre, el
flujo de presión y el flujo de fuga.
Q T = Q D + Q P - Q L
y sustituyendo las expresiones halladas:
3 2 2 2 3
1 2 2
DH sen dP D dP
QT
D HNsen cos tag (6.4.1)
2 12
dL 12e dL
Para muchos casos prácticos se obtiene suficiente exactitud despreciando el término debido al flujo de fuga
y además se puede considerar el gradiente de presión lineal, es decir
dP P
dL L
, con lo que la ecuación
(6.4.1) se transforma en:
Q
T
3 2
1 2 2
DH sen dP
D HNsen cos (6.4.2)
2 12
dL
Esta es una expresión un poco compleja, la cual se simplifica para fines prácticos. Para un extrusor dado, L,
D, H y son fijos, entonces se puede poner:
donde.
P P
QT
C1N C2 C4
(6.4.3)
C
3 2
1 2 2
DH sen
1
D Hsen cos , C2
y
2
12L
C
4
2 2 3
D
tag
12Le
37

Las variables prácticas para la operación del extrusor son:
• La velocidad del tornillo N
• La presión frontal P
• La viscosidad del material fundido.
Hay dos situaciones a considerar (Puntos extremos de operación):
1.- Descarga libre.
En esta situación no existe presión acumulada (P = 0) al final del extrusor (Por ejemplo, que no hubiera
placa rompedora o dado), con lo que la producción sería máxima:
1 2 2
Q QMAX
D HNsen cos C1N
2
(6.4.4.)
2.- Presión al final de la máquina de extrusión lo suficientemente grande como para que no exista salida de
material ( Q = 0).
Entonces igualando el flujo de arrastre al de presión se deduce:
2 2
1 D NHsencos
2
C1 N 6NDL
P PMAX
3 2
C
2
DH sen
2 H tag
12
L
(6.4.5)
La curva característica del extrusor en la zona de dosificación (Representación gráfica del flujo, Q, en
función de la presión, P) se muestra en la figura 6.4.1.
Figura 6.4.1.- Curva característica de un extrusor.
En ella se muestran los efectos de un incremento de la velocidad del tornillo, N, y de la viscosidad del
material a procesar. En ambos casos se produce un aumento de la salida (capacidad) del tornillo, para una
presión de operación dada.
Para una línea característica escarpada, el sistema es sensible a cambios de presión, un pequeño incremento
en la presión frontal disminuye abruptamente la producción. Para una línea característica plana, la
producción no se modifica de manera marcada si cambia la presión.
El punto de operación de una máquina de extrusión depende tanto de las características del tornillo como
del dado, las cuales son opuestas. Así, el tornillo tiene una capacidad (caudal de salida) alta si la presión a
la salida es baja, mientras que, la capacidad del dado aumenta al hacerlo la presión a su entrada, que se
corresponde con la de salida del tornillo.
38

6.5.- Análisis del dado.
Se requiere una presión para que trabaje el dado que se encuentra en el extremo de salida del extrusor, es
necesaria la presión simplemente para forzar el paso del material fundido a través del dado. La
característica del dado es, por lo tanto, opuesta en forma y la producción máxima se deberá a una presión
máxima.
La salida de dados individuales depende, obviamente, de sus formas. En general:
en donde K es el factor que depende de la forma. Para dados capilares cilíndricos
Q = KP (6.5.1)
Para un capilar simple (dado cilíndrico) y suponiendo el fluido newtoniano el caudal de salida del dado
depende de la presión, como sigue:
4 4
R dP
8
R P
Q
8
KP
dz L
D
( ya que
dP
dz
es negativo) (6.5.2)
donde
L D
es la longitud del dado y R su radio.
La expresión (6.5.2) puede escribirse en la forma:
Q
P
C3
(6.5.3)
Expresiones similares pueden deducirse para otras geometrías del dado. La tabla 6.5.1 presenta la ecuación
característica del dado, tanto para fluidos newtonianos como para fluidos de la ley de la potencia. Se
presentan los casos simples para los casos en que el dado tiene un conducto circular, un conducto rectangular
(rendija) y un conducto anular.
Tabla 6.5.1.- Ecuaciones características del dado.
39

6.6.- Punto de operación.
La ecuación (6.5.2) puede dibujarse en el mismo gráfico representativo de las características del tornillo,
obteniéndose la representación de la figura 6.6.1.
Figura 6.6.1.- Características del extrusor y del dado. Punto de operación.
La intersección de las dos líneas rectas representativas de las características del tornillo y del dado, nos da
el punto de operación de la máquina extrusora y es donde se hallan las condiciones óptimas de
funcionamiento del extrusor.
La presión en el punto de operación viene dada por:
de donde :
3 2
4
1 2 2
DH sen P R P
Q D Hsen cos (6.6.1)
2 12
L 8
LD
P
OP
2
2D NHsencos
4 3 2
R DH sen
2LD
2L
(6.6.2)
La gráfica de la figura 6.6.1 es muy útil, ya que nos permite analizar el efecto que producen los cambios de
los valores de los parámetros. Las posiciones de las líneas de la gráfica se modifican por cambios en las
condiciones de operación.
Un aumento en la viscosidad tiene un efecto opuesto sobre el caudal de salida del tornillo y del dado,
incrementa el del tornillo y disminuye el del dado. Lo mismo ocurre con la presión.
Un incremento en la velocidad del tornillo, N, moverá la línea característica del tornillo hacia arriba. Lo
mismo ocurre con la curva característica del dado al aumentar su radio (aumenta su pendiente). El ambos
casos la capacidad de producción de la máquina extrusora aumentará.
40

Las ecuaciones (6.4.3) y (6.5.2) conjuntamente con la figura 6.6.1 muestran como los parámetros del
tornillo y del dado afectan a las curvas características y, por consiguiente, a la capacidad de producción de
la máquina de extrusión.
En la práctica se usan diferentes acoplamientos de tornillo y dado (figura 6.6.2). Los puntos de intersección
muestran que al usar un dado abierto, se obtendrían los mejores resultados con un tornillo de canal profundo,
mientras que si se utiliza un dado restringido, lo mejor sería un canal de poca profundidad.
Figura 6.6.2.- Diferentes acoplamientos de líneas características de tornillo y dado.
En la figura 6.6.3 se muestran esquemáticamente algunas características de salida. Nótese que en el
ejemplo práctico de la figura 6.6.3, las líneas características del dado tienen curvatura. Este incremento en
la producción significa un incremento en la rapidez cortante y, por tanto, una disminución en la viscosidad
aparente.
Figura 6.6.3.- Características de salida para un extrusor de 60 mm , tornillo corto de compresión,
polietileno, índice de fluidez 0.5 y con tres características de dado.
41

6.7.- Eficiencia volumétrica del extrusor.
La salida ideal del tornillo se obtiene cuando el material plástico se mueve a lo largo del tornillo en la
dirección axial sin que exista rotación. En este caso, la velocidad axial, V a , del material es:
V ( Paso de la hélice)( Velocidad del tornillo)
DtagN
a
De la figura 6.1.2 se deduce que la componente de la velocidad paralela a los rebordes del tornillo, V d ,
viene dada por:
de tal manera que la salida ideal, Q IDEAL , es:
V
d
Va
DNtag
sen
sen
( )( ) DNtag
QIDEAL
Vd
Sección transversal del reborde del tornillo DHtag
sen
cos
y operando :
QIDEAL
2 2
D HNtag
(6.7.1)
La eficiencia volumétrica del tornillo puede expresarse como:
E
V
QMAX
1 cos
2
Q 2
IDEAL
(6.7.2)
Se observa que la eficiencia volumétrica solamente depende del ángulo de la hélice y para los casos más
normales de tornillos con el paso igual al diámetro, = 17 º 40´, la eficiencia volumétrica es del 45.4 %.
Si se hace 10º más escarpado, la eficiencia sube sólo a un 48.5%, y disminuye la capacidad de tener una
presión frontal útil en el dado. A valores más altos de Φ, la eficiencia cae drásticamente. La decisión
general fue la de adoptar un ángulo cuadrado intermedio (Figura 6.7.1).
Figura 6.7.1.- Angulo de hélice escarpado contra el de poca profundidad. El ángulo escarpado resiste al flujo
de presión de retroceso y el ángulo de poca profundidad proporciona una ruta menos tortuosa
al flujo de arrastre.
42

Sin embargo, Rauwendaal demostró que el ángulo de hélice óptimo para transportar material fundido
depende del índice de comportamiento del flujo para un fluido que sigue la ley potencial.
1 1
n
2
n
sen( opt
) w
2n
2 4n
(6.8.3)
donde w
es el ancho reducido del hilo, que viene dado por:
w
pw
D
siendo p el número de hilos, w es el ancho perpendicular del hilo y D es el diámetro exterior del tornillo.
Si se usa esta expresión para determinar el ángulo de hélice en uno o dos ejemplos, se hallan valores muy
diferentes del valor del ángulo cuadrado de 17.66º. En la tabla 6.7.1 se usan los valores de n para cierto
número de polímeros para encontrar Φ ópt . Se usan tres valores de
0.1 y 0.2.
w
= 0 (o sea, se ignora el ancho del hilo),
Esto ilustra la forma empírica en la cual se creó el diseño del procedimiento. Si se ignora el ancho del hilo,
muchos polímeros de marcado comportamiento no newtoniano se aproximan al valor del ángulo cuadrado
de casi 18º. La experiencia con los primeros polímeros reflejaría empíricamente este hecho.
Tabla 6.7.1.- Angulo de hélice óptimo e índice de comportamiento del flujo
Hay un nuevo tipo de tornillo para mejorar la producción del polietileno lineal de baja densidad que se
conoce, por lo común, como el ―tornillo LL‖. Tiene un ángulo de hélice en la sección de dosificación de
27.5º e hilo corto. Estos factores conducen a un ahorro de energía del 35 al 40 % para una producción
determinada.
Los datos de la tabla 6.7.1 sugieren que el ángulo de hélice del ―tornillo LL‖ debe ser más productivo con
otros polímeros también. Hay obstáculos importantes para que estas modificaciones de diseño se vuelvan
comunes, debido principalmente al alto valor del capital del equipo, pero parece poco probable que en el
futuro se tendrá un punto de vista más imaginativo sobre las características geométricas del tornillo,
especialmente con respecto al ángulo de hélice.
43

6.8.- Potencia requerida.
La potencia suministrada al tornillo se usa para transportar el material plástico a lo largo de la camisa y
para comprimirlo y torsionarlo. Puede ser estimada considerando la tensión cortante sobre el material
fundido en la pared de la camisa y el área de contacto. La potencia requerida viene dada por:
Potencia ( Velocidad periférica)( Fuerza periférica) VPF
P
De las figuras 6.1.2 y 6.3.1 se deduce:
pero como :
s
VP
ND
y
F ACdz Dsendz
DdL
F
P
Fs
cos
(6.8.1)
(6.8.2)
donde es la tensión de corte, que en el caso de fluidos newtonianos viene dada por
Teniendo en cuenta las ecuaciones (6.8.1) y (6.8.2) la potencia , dE , viene dada por :
donde
dV
dy
dV 2 2
dE D NdL
dy
dV
dy
.
(6.8.3)
es la velocidad de corte en la pared del camisa. La expresión (6.9.3) puede integrarse desde 0
a L para obtener la potencia total requerida, E, es decir :
6.9.- Influencia de las propiedades del polímero.
2 2 dV
E D N
dL
dy
L
0
(6.8.4)
La expresión que nos da el flujo total para la salida de un extrusor es una simplificación. Los dos factores
importantes que faltan son:
(a).-Las propiedades reológicas para los fluidos no newtonianos de la mayoría de los polímeros fundidos y
(b).- Sus propiedades de fricción.
El material no avanza a menos que haya fuerzas de fricción. La importancia del arrastre debido a la fricción
en la pared de la camisa puede valorarse al comparar con el apriete de un tornillo con una tuerca. La tuerca
debe mantenerse ajustada o el tornillo quedará flojo.
De la misma manera, el arrastre por fricción evita que el material fundido gire simplemente junto con el
tornillo. Sin embargo, a diferencia de la tuerca que sujeta firmemente, la fuerza de fricción es variable,
depende del tipo de polímero y de las condiciones.
Cuánta más fricción haya, menor será la tendencia a girar con el tornillo, de aquí la creación de tornillos
más largos en los últimos años. Estos tornillos tienen mayor área de superficie de la camisa y generan una
mayor fuerza de fricción total.
A continuación, consideremos un poco más detalladamente la expresión general para el flujo de arrastre
que se determinó anteriormente. Esta se basó en cierto número de suposiciones que la simplificaron
44

• El material fundido se comporta como un fluido newtoniano, por lo tanto, la viscosidad es la misma en
todos los puntos.
•Existe un gradiente de velocidad que va desde cero en el tornillo hasta un valor máximo en la pared de la
camisa.
Estas suposiciones conducen al factor (1/2) de la ecuación del flujo de arrastre:
Qd
1 2 2
D HNsen cos
2
(6.9.1)
Pero ahora se sabe que estos materiales son fluidos no newtonianos. Además, la velocidad no puede ser
cero en el tornillo ya que significaría la presencia de una capa estancada que se degradaría. El material
debe deslizarse sobre las superficies y las características de deslizamiento se representan mediante los
coeficientes principales de fricción. Estos varían en un amplio intervalo para diferentes polímeros. Además,
dependen mucho de la temperatura. La magnitud de esta variación se indica con unos valores ilustrativos
en la tabla 6.9.1.
Tabla 6.9.1.- Coeficientes de fricción de varios polímeros.
La condición de flujo de arrastre se representa mejor si se reemplaza el factor (1/2) por uno más general, F,
el cual incluye los comportamientos de fricción y viscoso del polímero, de tal modo que:
2 2
Q F
D HNsen cos (6.9.2)
d
donde F sería un factor que depende de los coeficientes de fricción entre el material y las superficies metálicas del
tornillo y de la camisa. El valor de F depende de la viscosidad y de la temperatura, y además se debe considerar que
el factor F es diferente para cada material (Figura 6.9.1).
En condiciones perfectas, este factor F será igual a (1/2), pero si por ejemplo la fricción entre el material y la
camisa es muy baja y la fricción entre el material y el tornillo es muy grande, y además la viscosidad es baja,
entonces este factor F puede llegar a ser igual a cero. Por lo tanto, el flujo de arrastre puede disminuir desde su valor
máximo hasta cero.
45

Bajo estas condiciones, el manejo eficiente del extrusor se hace muy difícil y para tener una producción
suficiente, aun con un valor bajo de F, el tornillo debe girar a alta velocidad y tener un diámetro grande. Sin
embargo, un tornillo de mayor diámetro girando a alta velocidad genera altas velocidades de corte, y en fluidos nonewtonianos
la viscosidad disminuye al aumentar la velocidad de corte (velocidad de flujo).
La ecuación del flujo de arrastre indica que se necesita un tornillo de diámetro grande (D alto) rotando a
alta velocidad, N (N alta) para maximizar la salida, pero esto tiende a incrementar la velocidad de corte:
DN
H
(6.9.3)
lo cual disminuye la viscosidad incluso después y, por lo tanto, disminuye F. Un problema posterior es que
el coeficiente de fricción depende de la temperatura, que es diferente para cada material y es un aspecto
importante para facilitar el manejo de un extrusor.
Por ejemplo, para el polietileno de baja densidad,
a 100 ºC 1, y a 250 0 C 0.055.
en consecuencia, se desliza bien contra la pared caliente del camisa. La fricción disminuye con la
temperatura, al proporcionar una autorregulación del calor que se genera debido a la fricción. Este material
se manufactura fácilmente en un extrusor de tornillos simple.
Este comportamiento contrasta con el del cloruro de polivinilo no plastificado, que tiene el opuesto. Para el
cloruro de polivinilo
a 100 ºC 0.06, y a 150 ºC 1.
Ahora la fricción necesaria para mantener la producción se excede fácilmente. Al elevarse la temperatura
para obtener un material con fundido óptimo, aumenta la respuesta a la fricción y se produce
sobrecalentamiento debido al calor generado por ésta y entonces se degrada fácilmente. El cloruro de
polivinilo es un polímero de notable inestabilidad térmica, requiere sistemas de estabilización térmica
bastante complejos como aditivos bajo buenas condiciones de manufactura. Por lo tanto, es un polímero
difícil de trabajar en un extrusor de tornillo simple y se somete a extrusión con mayor frecuencia en
máquinas de tornillos gemelos. En la figura 6.9.1 se comparan estos dos polímeros.
Figura 6.9.1.- Comparación de las propiedades a la fricción del polietileno y del cloruro de polivinilo.
Para disminuir el problema anterior se pueden utilizar algunos sistemas de enfriamiento en la camisa
del extrusor con la finalidad de remover el exceso de calor producido por fricción. Esto hace que se
mantenga la temperatura baja y la viscosidad relativamente alta, y esto alimenta a su vez el valor de F.
46

7.- Extrusores de tornillos gemelos.
El extrusor de tornillos simple posee deficiencias en ciertos usos. Entre las más importantes se halla la
dificultad de someter a extrusión polímeros sensibles al calor como por ejemplo el cloruro de polivinilo,
especialmente si las propiedades del polímero a la fricción agravan el problema. Para estos sectores de la
industria de extrusión, las máquinas de tornillos gemelos tienen un mejor comportamiento.
Uno de estos sectores, que tuvo un crecimiento espectacular en los últimos años, es el de la extrusión de
marcos de ventana y productos relacionados, por ejemplo, marcos para puertas de patio, puertas de casas,
etc., que se hacen con cloruro de polivinilo no plastificado o rígido. Estos perfiles se extruyen, usualmente,
de manera directa a partir de mezclas de polvos, las cuales son muy difíciles de trabajar en extrusión
común y el éxito de esta industria depende mucho del uso de máquinas de tornillos gemelos. Por otro lado,
el cloruro de polivinilo recompuesto y en esferas de material aglomerado se transforma fácilmente en
máquinas de tornillo simple.
Así, en los últimos años hay cierta tendencia a un mayor uso de las máquinas extrusoras que tienen dos
tornillos en el interior de la camisa. Estas máquinas permiten un rango de posibilidades más amplio en
cuanto a:
caudales de salida, eficiencia de mezclado, generación de calor, etc
en comparación con las de tornillo simple.
7.1.- Tipos de extrusores de tornillos gemelos.
Aunque se usa el término ― tornillos gemelos ― para las máquinas extrusoras que tienen dos tornillos , estos
no tienen porque ser idénticos. Los extrusores de tornillos gemelos se dividen en corrotatorios y
contrarrotatorios, como se puede ver en la figura 7.1, que muestra algunas de las posibilidades existentes.
Como sus nombres indican, la diferencia se halla en si los dos tornillos giran en el mismo sentido o en
opuesto, es decir ambos en el sentido horario o en el antihorario, o uno en cada sentido.
La siguiente división se determina tomando en cuenta si los dos tornillos se entretejen uno con otro, Se
describen como engranados o no engranados.
En los tornillos que no engranan las hélices de uno no penetran en los canales del otro, es decir, la
distancia entre los centros de los tornillos es igual a la suma de sus radios. Los tipos no engranados
consisten principalmente en dos tornillos simples colocados uno al lado del otro y trabajan de manera
similar a las máquinas de tornillo simple. No son verdaderos tornillos gemelos y se describen mejor como
―tornillos dobles‖.
En los tornillos que sí engranan, los tornillos están colocados uno al lado del otro, pero las hélices de uno sí
penetran en los canales del otro, es decir, la distancia entre los centros de los tornillos es menor que la suma
de sus radios
47

Figura 7.1.- Diferentes tipos de tornillos gemelos.
Considerando los extrusores con tornillos que sí engranan, la segunda subdivisión depende de la forma y
tamaño de las hélices y canales de los tornillos:
1.- Tornillos no conjugados, donde las hélices de un tornillo ajustan flojamente en los canales del otro y
dejan un amplio claro (Figura 7.2.a).
2.- Tornillos conjugados, donde las hélices de un tornillo ajustan perfectamente en los canales del otro y
dejan un mínimo de claro (Figura 7.2.b).
Considerando los extrusores con tornillos que sí engranan, la siguiente subdivisión depende de la dirección
de rotación de los tornillos [esta diferencia casi no afecta cuando se tienen tornillos que no engranan]:
1.- Tornillos corrotatorios, donde los dos tornillos giran en la misma dirección, ya sea ambos a favor o
ambos en contra de la dirección de las manecillas del reloj (Figura 7.3.a).
2.- Tornillos contrarrotatorios, donde los dos tornillos giran en dirección opuesta, uno a favor y otro en
contra de la dirección de las manecillas del reloj (Figura 7.3.b).
Dentro de los tipos engranados, hay una ulterior subdivisión en máquinas con tornillos conjugados y no
conjugados (figura 7.2), que depende de si los hilos engranados ocupan totalmente los canales del área
engranada. En una configuración del tornillo no conjugada los rebordes tienen una pérdida de ajuste, lo que
da lugar a que exista un amplio espacio para el material entre ellos.
48

Figura 7.2.- Tipos de máquinas extrusoras con tornillos que si engranan.
(a)
(b)
Figura 7.3.- Tipos de máquinas extrusoras con tornillos que no engranan.
En la tabla 7.1 se comparan las características de los tornillos simples con los tipos principales de tornillos
gemelos.
Tabla 7.1.- Comparación las características de los tornillos simples con los tornillos gemelos
49

7.2.- Principios de operación.
La acción de los extrusores de tornillos gemelos no está tan estudiada como en el caso de sus análogos de
tornillo simple.
Los extrusores con tornillos que no engranan operan de manera muy similar a los extrusores de tornillo simple,
y es el coeficiente de fricción entre el material y las superficies de metal el principal factor en el control del
proceso de extrusión. Si no hay fricción, no hay extrusión.
Los extrusores con tornillos que sí engranan operan de manera diferente. En éstos existe una verdadera
interacción de las hélices de un tornillo sobre el material contenido en el canal del otro tornillo, siendo dicha
acción lo que hace diferente a este tipo de extrusor de cualquier otro.
La sola presencia de las hélices del tornillo en el canal de otro limita el movimiento rotacional del material
alrededor del tornillo, de manera que se obtiene movimiento hacia adelante en mayor grado. Cuando además de
engranar los tornillos son conjugados, se impide totalmente el movimiento rotacional del material alrededor del
tornillo y el material es forzado a desplazarse hacia adelante a lo largo del barril. Esta acción de bombeo es
positiva (bombas de desplazamiento positivo) y no depende de las condiciones de operación, tales como tipo de
material, temperatura y presión, sino solamente de la geometría de la máquina y de la velocidad de
rotación de los tornillos. [En este caso (tornillos conjugados) la relación L/D no es de importancia
significativa para la propulsión del material hacia delante y, por eso, no hay una zona de
dosificacióbn larga.]
La longitud debe ser suficiente para una fusión apropiada del polímero. También debido a la acción de
bombeo positivo, la velocidad de alimentación no es importante para mantener una presión de salida.
Los extrusores de tornillos gemelos actúan como bombas de desplazamiento positivo que dependen poco
de la fricción, y ésta es la razón principal de que fueran seleccionados para trabajar con materiales sensibles
al calor. El transporte no es por flujo de arrastre; esto permite un buen control de la velocidad de corte y. en
consecuencia, de la temperatura, lo cual es especialmente importante con polímeros como el cloruro de
polivinilo.
Sin embargo, como los extrusores de doble tornillo son por lo general alimentados por mecanismos
dosificadores, entonces el flujo de salida estará limitado por el flujo de alimentación más que por la
velocidad de rotación de los tornillos.
Como la velocidad de flujo es también independiente de la fricción, las variaciones en temperatura -
aunque afectan el coeficiente de fricción- no influyen en la velocidad de flujo del extrusor de doble
tornillo.
El punto más importante de un extrusor de doble tornillo es aquel donde los tornillos engranan.
Consideremos dos tornillos que engranan completamente, como se muestra en la figura 7.2.1, donde el
diámetro externo de cada tornillo es D y el diámetro de la raíz de cada tornillo es D i . Los ejes de los
tornillos están separados por una distancia 1, ligeramente mayor que D/2. La profundidad de engranaje
es en este caso igual a h, es decir, igual a la profundidad de los canales.
50

Figura 7.2.1.- Tornillos que engranan completamente.
En el caso de tornillos contrarrotatorios que sí engranan, las hélices de uno deben pasar libremente dentro
de los canales del otro. Al girar la hélice de un tornillo, ésta deberá permanecer siempre centrada en el
canal del otro tornillo, y esta hélice podrá ser tan delgada como sea mecánicamente posible o tan
gruesa como el mismo ancho del canal.
Cuando las hélices son tan gruesas como el ancho del canal, es decir, cuando los tornillos son
perfectamente conjugados, el material permanece encerrado en cámaras en forma de "C" alrededor de
cada tornillo, aumentando así la acción de bombeo, pero disminuyendo drásticamente el mezclado. A
medida que los tornillos giran, el material es empujado hacia adelante sin mezclarse con el material
contenido en las otras cámaras del canal.
Sin embargo, dentro de cada cámara en forma de "C" el material es arrastrado circunferencialmente por
la rotación de los tornillos hacia el punto donde engranan los mismos tornillos. En este punto el
material es forzado a pasar entre los claros que existen en la región de engrane, pasando de la parte
superior a la parte inferior de los tornillos (o de la parte inferior a la parte superior, dependiendo del sentido
de rotación de cada tornillo), creando en este punto una zona de alta presión y alto esfuerzo. [Uno
de los efectos de esa alta presión es tratar de separar los tornillos, presionando cada uno hacia la
correspondiente pared lateral, con el consiguiente desgaste de las hélices de los tornillos y de la pared
lateral interna de la camisa.]
Cuando las hélices son más delgadas que el ancho del canal (tornillos no conjugados o parcialmente
conjugados), las hélices de un tornillo perturban minimamente el material que se encuentra en el canal
del otro y se da el movimiento rotacional del material, disminuyendo al mismo tiempo la acción de
bombeo positivo.
Así, en la selección de un extrusor doble tornillo se hace un balance entre una conjugación perfecta,
claros muy pequeños, acción de bombeo positiva, mínima acción de mezclado y alto esfuerzo de corte
por un lado, contra una conjugación menor, claros mayores, menor acción de bombeo positiva, mayor
acción de mezclado y menor esfuerzo de corte, por el otro lado.
En el caso de tornillos corrotatorios que sí engranan, la situación es muy diferente. El material que
fluye por el canal del tornillo 1 es barrido por la hélice del tornillo 2 y transportado hacia el(los)
canal(es) adyacente(s) del tornillo 2. La transferencia de material desde un tornillo hacia el otro crea un
movimiento rotatorio alrededor de los dos tornillos. Igualmente, entre más conjugado sea el perfil de los
dos husilllos, mayor será la acción de propulsión hacia adelante.
Los extrusores doble tornillo corrotatorios no tienden a acumular material en ningíut punto alrededor de
los tornillos, y la presión es la misma en toda su superficie, no existiendo presión que empuje los
tornillos hacia las paredes del barril. Por esta razón se pueden mantener tolerancias menores entre los
51

tornillos y el barril, y entre los mismos tornillos. Esto significa que los extrusores doble tornillo
corrotatorios pueden ser perfectamente conjugados sin temor a desgaste de los tornillos y el barril. Esto a
su vez significa que las hélices de un tornillo barren y limpian el canal del otro tornillo, dando así una
acción de autolimpieza.
7.3.- Acción de los tornillos contrarrotatorios.
Cuando los tornillos giran, los puntos que se hallan próximos uno a otro sobre los dos tornillos se
mantienen así al moverse por la región engranada. El plano sobre el cual se mueven tiene una inclinación
con respecto al tornillo igual al ángulo de paso, pero cada punto de cada tornillo se mueve sobre un plano
que tiene la misma inclinación, así que no se produce interferencia. Esto significa que puede utilizarse
cualquier diseño del hilo.
Cuando los hilos de sección rectangular se hacen tan gruesos como sea posible, llenan el canal opuesto
donde se engranan y, en ese caso, no dejan espacio entre los tornillos, o sea, están totalmente acoplados en
el plano de los ejes de los tornillos. El polímero se encierra entonces en cámaras en forma de C que rodean
cada tornillo, lo cual genera un bombeo positivo pero limita la mezcla El bombeo mueve el material hacia
el extremo de salida como una tuerca sobre un tornillo.
Aunque el arrastre no es importante para la salida, ocurre de todas maneras; el material se arrastra en la
cámara en C hacia el punto de engranaje, en donde se produce una acción como de molienda. Esto causa un
gran aumento en la presión conforme el material pasa exprimiéndose hacia los claros mecánicos al
someterse a un esfuerzo de corte alto. Un efecto adverso de esta presión es que tiende a separar los tornillos
y provoca el desgaste del tornillo y de la camisa.
Los hilos pueden hacerse más delgados, de modo que sólo impiden parcialmente el comportamiento
individual del tornillo, y aunque esto reduce el problema de la presión, también anula el efecto de tornillos
gemelos, ya que no hay acoplamiento. Por eso, las secciones rectangulares del hilo no son muy
satisfactorias.
Los hilos de sección trapezoidal (Figura 7.3.1) son mejores. Permiten el acoplamiento en el plano de los
ejes a la vez que dejan espacio para que el material se mueva entre los canales. Los hilos y los canales que
tienen este diseño permiten la formación de la mezcla, tornillo a tornillo, pero en el plano de acoplamiento
sigue el problema de la presión y alto esfuerzo de corte.
Figura 7.3.1.- Perfil del canal e hilo trapezoidal.
Los extrusores de este tipo común se conocen a menudo como contrarrotatorios de engranaje cerrado. En la
práctica, tienen que establecerse condiciones entre el acoplamiento exacto con sus pequeños espacios libres
y autolimpieza, y alguna reducción en este acoplamiento con mayores espacios libres para que disminuya
el esfuerzo cortante y la presión. Estos factores sirven para calcular el volumen de producción de estas
máquinas.
52

7.4.- Funcionamiento de los tornillos corrotatorios .
El funcionamiento de los tornillos corrotatorios es muy diferente al de las máquinas contrarrotatorias.
Ahora, dos puntos de referencia adyacentes se separan al girar los tornillos, debido a que un hilo va
adelante y el otro atrás. Es imposible usar los hilos rectangulares. Los más simples son el triangular y el
trapezoidal (figura 7.4.1).
Figura 7.4.1.- Tornillos corrotatorios trapezoidales engranados.
Esta disposición tiene huecos que permiten la circulación del polímero entre los tornillos siguiendo un
patrón en forma de ocho. Luego, cuando el material fundido llega al acoplamiento, no se muele. En este
punto ambos tornillos se mueven en el mismo sentido, y resulta que puede transferirse el material hacia el
tornillo opuesto en la trayectoria en forma de ocho. Esto reduce la eficiencia del bombeo positivo.
Sin embargo, la fracción de material que interviene en el intercambio es bastante pequeña, con dos
consecuencias importantes:
a) la acción de bombeo positiva es muy buena, aunque menos efectiva que en el caso de los extrusores
contrarrotatorios de engranaje cerrado
b) hay un problema con la presión de separación entre los tornillos. Estas máquinas se conocen como
extrusores corrotatorios de engranaje cerrado.
Un diseño que se usa más es la configuración ―de autolimpieza‖, que es el extrusor corrotatorio cerrado con
autolimpieza. En este caso, el perfil del hilo es sinusoidal, como la rosca de un tornillo (figura 7.4.2). Esta
configuración se caracteriza por tener segmentos en forma de ocho muy grandes para permitir intercambio
tornillo a tornillo. La mezcla aquí es bastante efectiva y prácticamente se elimina la presión entre los
tornillos, lo cual permite altas velocidades de rotación. Sin embargo, la eficiencia de bombeo disminuye y
estas máquinas no son muy adecuadas para la extrusión de perfiles. Se usan más como mezcladores.
Figura 7.4.2.- Tornillos de autolimpieza sinusoidales.
53

7.5.- Geometría.
En el caso de extrusores de tornillo simple, es común utilizar el diámetro del tornillo para
clasificarlos. Sin embargo, en el caso de extrusores de doble tornillo el diámetro del tornillo no es un
factor importante para caracterizar el extrusor.
El parámetro más importante es el intereje, o sea, la distancia de centro a centro de los tornillos
(Figura 7.5.1).
D = Diámetro externo del tornillo.
D i = Diámetro de la raíz del tornillo.
I = Intereje o distancia centro a centro de los tornillos.
h = Profundidad del canal de los tornillos.
Figura 7.5.1.- Parámetros geométricos de los tornillos gemelos.
Una relación básica de un extrusor de doble tornillo es:
D D
I i
, 2I D Di
(7.5.1)
2 2
De la ecuación anterior se deduce:
D i
D
h D I
(7.5.2)
2 2
donde h representa la profundidad del canal del tornillo.
El conocimiento en particular del intereje I da buena idea de las dimensiones características básicas
de un extrusor de doble tornillo. Por ejemplo, un extrusor con un intereje de 7.5 cm debe tener unos
tornillos cuyo diámetro externo más diámetro de la raíz suman 15 cm (ecuación 7.5.1). Así, el
diámetro externo D debe ser de alrededor de 10 cm y el diámetro de raíz D de alrededor de 5 cm. La
profundidad del canal debe ser entonces de alrededor de 2.5 cm (ecuación 7.5.2). Pero la sola
distancia del intereje no es suficiente.
Otro parámetro importante es el ángulo de las hélices del tornillo. Este es el ángulo que forma la
hélice del tornillo con el plano perpendicular al eje del tornillo. Este ángulo determina la longitud
de campo, esto es, la distancia (medida en dirección paralela al eje del tornillo), entre el principio de
una cresta y el principio de la siguiente cresta de la hélice del tornillo.
Los tornillos de los extrusores de doble tornillo tienen una longitud de campo P de alrededor de 1/2 del
diámetro del tornillo. Así, el ángulo es de alrededor de 10° para la mayoría de los extrusores
debdoble tornillo.
54

En los extrusores de doble tornillo contrarrotatorios el material es transportado hacia adelante en
cámaras cerradas en forma de "C". El volumen de estas cámaras de material en forma de " C " se calcula
de la siguiente manera (Figura 7.5.2):
Figura 7.5.2.- Cálculos geométricos
El ángulo de engranaje está dado por:
I
cos 2
D
2
I
D
(7.5.3)
Además, la longitud de una cámara en forma de ―C‖ viene dada por:
C D 2a
(7.5.4)
La distancia a se calcula a partir del segundo triángulo de la figura 7.5.2, obteniéndose:
y como:
a
2 a
sen
2 D D
2
,
2
2
a
sen
2 D
2
(7.5.5)
2
1
sen 1cos
2 2
resulta:
y considerando que:
se obtiene:
2 2
1 a
D
1 cos
2
: 1 cos
2 D
2
de donde a
I
cos y h D I
D
(7.5.6)
Dh
a o bien : 2a 2Dh
(7.5.7)
2
55

Combinando las ecuaciones (7.5.4) y (7.5.7) se tiene:
C D 2Dh
(7.5.8)
La figura 7.5.3 representa esquemáticamente lo que pudiera considerarse como el volumen de una
cámara en forma de "C ".
Figura 7.5.3.- Esquema del volumen de una cámara en forma de "C ".
El área A será resultado de multiplicar el ancho del canal w por la profundidad del canal h. En este
caso, para que los tornillos sean conjugados el canal debe tener el mismo tamaño y la misma forma
que la hélice. La figura 7.5.4 muestra una representación geométrica de un tornillo (desenrollado) en
un plano de dos dimensiones.
Figura 7.5.4.- Representación geométrica de un tornillo (desenrollado) en un plano.
56

De la figura 7.5.4 se tiene que:
P
tag
D
y por otro lado, cuando los tornillos son conjungados, es decir, cuando
e
(7.5.9)
, se tiene:
e 2
cos
(7.5.10)
P P
Combinando las expresions (7.5.9) y (7.5.10) se tiene:
1
2 Dsen
Así, el volumen de una cámara en forma de "C" se obtiene al multiplicando
1
V hDsen D 2Dh
2
hC
(7.5.11)
, es decir:
(7.5.12)
En extrusores de doble tornillo corrotatorios el material es transportado hacia adelante en cámaras que se
asemejan un número ocho acostado. La longitud o perímetro de esta cámara, que no es más que dos
cámaras en forma de "C" unidas frente a frente, es dos veces la longitud de una cámara en forma de "C", es
decir:
L 2 D 2Dh
(7.5.13)
Igualmente, el volumen de la cámara en forma de ocho acostado se obtiene al multiplicar
.
V
hDsen D 2Dh
hL
(7.5.14)
, es decir:
Otro parámetro importante es el espesor de la hélice "e". E n el cago de t o r n i l l o s
c o n t r a r r o t a t o r i o s , la forma de la hélice puede variar; sin embargo, se puede mantener una perfecta
conjugación siempre y cuando la hélice y el canal tengan la misma forma.
Mientras se mantenga la conjugación no se cambia básicamente la forma de flujo del material a lo largo
del extrusor. Sin embargo, una reducción en el espesor de la hélice sin el cambio correspondiente en el
ancho del canal hace que se pierda conjugación y cambie el flujo del material. El material puede pasar
ahora desde una cámara en forma de " C " hasta otra cámara adyacente en forma de "C " en el otro tornillo,
aumentando grandemente la acción de mezclado, pero reduciendo a la vez la acción de bombeo hacia
adelante. Esta disminución en el espesor de la hélice, con la consiguiente pérdida de conjugación, se
encuentra comúnmente en la sección de mezclado de tornillos contrarrotatorios. En otras secciones del
tornillo se mantiene una conjugación casi perfecta.
El caso es muy similar cuando se trata de tornillos corrotatorios. Con tornillos perfectamente conjugados
la acción de bombeo es excelente, pero la acción de mezclado es casi nula. Por el contrario, a medida que
se pierde conjugación disminuye la acción de bombeo y se incrementa la acción de mezclado. [En
cualquier extrusor doble tornillo se cuenta con una menor conjugación en las zonas de alimentación y de
mezclado, y con una mayor conjugación en la zona de bombeo o dosificación.]
57

Una diferencia importante entre tornillos corrotatorios y contrarrotatorios se da en la homogeneidad del
extruido. En tornillos contrarrotatorios existen puntos de alto esfuerzo de corte en la zona de engrane entre
los dos tornillos; sin embargo, sólo una pequeña parte del material pasa por esos puntos. Esto produce
heterogeneidad en los procesos de plastificación y dispersión. Esto no sucede con los tornillos
corrotatorios, y en consecuencia, éstos producen extruidos más homogéneos que los tornillos
contrarrotatorios.
7.6.- Producción en los extrusores de tornillos gemelos.
El funcionamiento mecánico de los extrusores de tornillos gemelos es principalmente el de bombeo positivo.
El flujo de arrastre, que depende de la viscosidad y del comportamiento del polímero al someterse a fricción,
es sólo de menor importancia. Las ecuaciones que expresan su producción se obtienen, por tanto, de sus
características geométricas, y no se encuentran términos de viscosidad, fricción o presión.
En el caso de tornillos contrarrotatorios conjugados el material se mantiene encerrado en cámaras en
forma de "C", y a medida que giran los tornillos el material es bombeado hacia adelante. Así, el máximo
flujo posible en este tipo de extrusores será igual al producto de dos veces el volumen de una cámara en
forma de "C" multiplicado por el número de canales diferentes de cada tornillo y por el número de
revoluciones por unidad de tiempo del tornillo.
Martelli obtuvo las expresiones para la producción y, principalmente, dependen de encontrar, para tornillos
contrarrotatorios, el volumen de las cámaras en forma de C, y para los tornillos corrotatorios, el de los pasos
en forma de ocho que hay entre los tornillos.
Lo que resulta es:
Para tornillos contrarrotatorios,
Q
hDsen D 2Dh N
CON
(7.6.1)
Sin embargo, el flujo real será menor que el flujo calculado por esta ecuación, pues siempre existirá un flujo
de pérdida a través de los claros entre la hélice y la camisa, similar al que ocurre en extrusores de tornillo
simple.
Experimentalmente se ha encontrado que la eficiencia de flujo en extrusores contrarrotatorios conjugados
varía del 65 al 7 0 %, es decir, el flujo real será del 65 al 70 % del flujo calculado , o dicho
de otra forma, el flujo de pérdida
Q L
Q REAL
varía del 30 al 35 % del flujo calculado.
Q CON
El flujo
Q CON
bastante reducido.
aumenta al aumentar N, sin embargo, también aumenta
Q L
. Así, el aumento de
Q REAL
es
En el caso de tornillos corrotatorios conjugados, se hará uso del concepto de "tornillo equivalente". Este
es un tornillo cuyo perímetro o circunferencia es de una longitud igual a la de la figura en forma de ocho
acostado (dos "C") que forman las cámaras de flujo de los tornillos corrotatorios.
Este perímetro es igual a:
2 D
2Dh
y es también igual a
equivalente. Así, igualando estos dos términos se obtiene:
De
, donde D e es el diámetro del tornillo
2
De
D 2Dh
(7.6.2)
58

Si los tornillos corrotatorios giran a N rpm, el tornillo equivalente tendrá que girar a
alcanzar la misma velocidad circunferencial, es decir,
DN
tendrá que ser igual a
D N
e
e
N e
. Así:
rpm para
N
e
DN
2 D 2Dh
(7.6.3)
El máximo flujo posible en este tipo de extrusores es igual al producto del área de paso del canal de los
tornillos:
1
2 Dsen
multiplicada por h,
multiplicada por el perímetro o longitud del canal en forma de ocho acostado
L 2 D 2Dh
por cos y multiplicada finalmente por el número de revoluciones del tornillo equivalente (
N e
dividida
), es decir:
QCOC
1 2 2
D hNtag
2
(7.6.4)
En tornillos corrotatorios existe también un flujo de pérdida. Experimentalmente se ha encontrado que la
eficiencia de flujo en extrusores corrotatorios conjugados varía del 85 al 90 %, es decir, el flujo de
pérdida Q L varía solamente del 10 al 15% del flujo calculado.
Las expresiones (7.6.1) y (7.6.4) alcanzan el máximo a θ = 90. Dependen sólo de las dimensiones del tornillo
y de N, su velocidad. Así, se pueden simplificar para compararlas con la expresión sencilla para máquinas de
tornillos simples como sigue:
Para una máquina de tornillo simple, Q = N - P
Para una máquina de tornillos gemelos, Q c = N (contrarrotatorios)
Q c = N (corrotatorios)
en donde , , y son constantes de la máquina.
En su forma más simple, la producción de una máquina de tornillos gemelos depende sólo de su velocidad.
Pero estas expresiones simples necesitan una modificación para tomar en cuenta las ineficiencias. Como se
vio en la descripción de la acción de tornillos gemelos conjugados, se debe permitir algunas ineficiencias en
las condiciones de bombeo máximo y los problemas de presión lateral sobre los tornillos. También hay
ineficiencias que se deben a los espacios libres normales de la máquina. Para considerar las ineficiencias de
fuga puede substraerse una cantidad q:
Q max = Q c – q
Donde q es una fracción de Q c . Martelli cita los siguientes valores para q :
Para tornillos contrarrotatorios,
Para tornillos corrotatorios,
q = 0.65 – 0.5 Q c
q = 0.15 – 0.1 Q c
59

Esto significa mayor eficiencia de bombeo para los tornillos contrarrotatorios. Sin embargo, y como se vio,
los extrusores de tornillos corrotatorios con autolimpieza tienen bajas eficiencias de bombeo y los valores de
Martelli parecerían aplicarse al tipo de hilo con sección trapezoidal que siguen el patrón de las máquinas
corrotatorias de engranaje cerrado.
Una consideración posterior es que, en el caso de tornillos gemelos, normalmente se trabaja con los tornillos
parcialmente llenos. Q max se refiere a la condición de tornillos llenos, que se alimentan según la demanda. La
alimentación controlada permite trabajar sin que los tornillos estén completamente llenos, lo cual es preferible
ya que sólo depende del funcionamiento del bombeo del extrusor, con una mínima dependencia del esfuerzo
de corte sobre el material fundido.
Esta es la ventaja principal de estas máquinas para fabricar polímeros sensibles al calor. Bajo estas
condiciones de operación, la producción real es Q y la relación
Q
Q
max
es la relación de llenado de la máquina.
La máquina realizará el trabajo en la medida en que Q max exceda la producción necesaria. Cuando N (la
velocidad de la máquina) se incrementa, Q c, se incrementa también, pero lo mismo sucede con q. Por tanto, Q
se incrementa con la velocidad, aunque no linealmente.
A partir de esta relación se concluye que los extrusores de tornillos gemelos son de acción compleja. Existen
opiniones divergentes respecto a las ventajas respectivas de los diseños corrotatorio y contrarrotatorio y las
diversas modificaciones de diseño que hicieron varios fabricantes. La mayoría de los fabricantes de perfiles
para ventana de cloruro de polivinilo rígido y de tubería del mismo material usan extrusores contrarrotatorios,
pero algunos prefieren los diseños corrotatorios. En teoría, la disposición corrotatoria es mejor en muchos
aspectos, ya que evita la molienda en el acoplamiento y bien puede ser que en el futuro se prefiera esta
disposición.
Un punto importante es la diferencia en la velocidad de operación de los extrusores contrarrotatorios y
corrotatorios. Los tornillos contrarrotatorios no pueden girar a alta velocidad por la tendencia de los
tornillos a separarse uno del otro y presionar así contra la camisa, con el consiguiente desgaste. Así, al
predecir la capacidad de flujo Q r en condiciones de operación, se debe considerar que los tornillos
corrotatorios pueden operar a velocidades mayores que los tornillos contrarrotatorios.
Por otro lado, se ha encontrado experimentalmente que la fusión se lleva a cabo más rápidamente en
tornillos contrarrotatorios que en tornillos corrotatorios. Así, por ejemplo, si se requiere de una longitud
de 15 cm de tornillos corrotatorios para alcanzar la fusión, bastará con 5 cm de tornillos contrarrotatorios
para alcanzar el mismo grado de fusión (figura 7.6.1)
Figura 7.6.1.- Fracción de material fundido en función de la longitud del tornillo.
60

8.- Comportamiento elástico de polímeros fundidos. Hinchamiento del dado.
Del mismo modo, que los polímeros sólidos exhiben un comportamiento viscoelástico, es decir recuperación
elástica y flujo viscoso, los polímeros fundidos poseen propiedades elásticas que acompañan al
comportamiento viscoso. Durante el flujo cuando el fundido esta sujeto a tensiones de corte y tracción tienen
la capacidad de almacenar energía de deformación y cuando se liberan las tensiones, dicha deformación se
recupera.
El grado de la deformación recuperable depende del nivel de tensión y de las propiedades elásticas del
fundido, según las relaciones:
Deformación recuperable de corte: = G
Deformación recuperable de tensión: =
Los valores de las propiedades elásticas, modulo de corte, G, y modulo de elasticidad, E, usualmente se
incluyen dentro de los datos de flujo suministrados por los fabricantes de polímeros.
Un buen ejemplo de recuperación elástica es el hinchamiento que tiene lugar después de la extrusión. Así, las
dimensiones del producto extruido son más grandes que las del dado, lo cual puede presentar problemas si
tales dimensiones son críticas. En estas circunstancias es necesario tener conocimiento de la cantidad de
hinchamiento que se va a producir, con el objeto de diseñar el dado.
Si el dado es de sección transversal no uniforme, por ejemplo convergente, entonces habrá deformación
recuperable, tanto de corte como de tensión. Pero si el dado es de sección transversal uniforme y es largo en
relación con sus dimensiones transversales, entonces solamente la tensión de corte contribuye al hinchamiento
del producto a la salida del dado, ya que cualquier tensión de tracción desarrollada a la entrada del dado tiene
el tiempo suficiente para relajarse. Lo contrario ocurre cuando la longitud del dado es muy pequeña.
Para analizar el fenómeno del hinchamiento después de la extrusión se define la relación de hinchamiento, B,
como sigue:
Dimensiones del extrusionado
B
Dimensiones del dado
E
61

8.1.- Relación de hinchamiento debido a la tensión de corte.
(a).- Capilar largo.
En la figura 8.1.1 se muestra un elemento anular ABCD de fluido de radio r y espesor dr sometido a tensión
de corte dentro del capilar. Cuando el elemento de fluido emerge del dado se recuperará y tomará la forma
A’B’C’D’.
Figura 8.1.1.- Hinchamiento en el dado debido a la tensión cortante. Polímero emergiendo de un dado largo.
Si la deformación por corte a la distancia r del eje del capilar es
además:
r
, entonces:
1 1
2 2 2 2 2
ED
r
tag
AE
Area.. del.. extruido 2 rdr ' AD AE ED ED
1 1
Area.. inicial.. del.. anillo 2
rdr AE AE
AE
De la definición de relación de hinchamiento y usando los subíndices S y R para representar hinchamiento por
corte y dirección radial respectivamente, entonces:
B
Area.. del.. anillo..
hinchado
Area.. del..
capilar
2 0
SR
R
1
r
0
2 2
1 2rdr
R
2
rdr
Asumiendo que la deformación por corte, r , varia linealmente con la distancia r, entonces : r R
donde R es la deformación por corte en la pared.
e integrando:
B
2
SR
R
0
2
r 2
1
2
2 R
rdr
R
2
R
1
2 2
r
r
R
62

1
2
3 2
2 2 3
( 1 )
3 R R R
B SR
(8.1.1)
(b).- Canal rectangular largo.
Cuando un polímero fundido emerge de un dado de sección rectangular (Anchura T y altura H) existirá un
hinchamiento tanto en anchura como en altura. Haciendo un análisis similar al del apartado anterior se pueden
deducir las expresiones para la relación de hinchamiento en ambas direcciones. Las ecuaciones que resultan
son:
B
ST
1
2
2
1 2
1
2
1
Ln
1
R
2
R
R
R
1
2
1
3
(8.1.2)
B
SH
B
2
ST
(8.1.3)
Las ecuaciones (8.1.1, (8.1.2) y (8.1.3) son engorrosas de manejar, por lo que las relaciones entre la relación
de hinchamiento y la deformación cortante recuperable se han representado gráficamente como se muestra en
la figura 8.1.2.
Figura 8.1.2.- Variación de la relación de hinchamiento con la deformación cortante recuperable para
capilares y dados
63

8.2.- Relación de hinchamiento debido a la tensión de tracción.
(a).- Capilar corto.
En la figura 8.2.1 se muestra un elemento anular ABCD de fluido de radio r y espesor dr sometido a
esfuerzos de tensión dentro del capilar. Cuando el elemento de fluido emerge del dado se recuperará y
tomará la forma A’B’C’D’.
La deformación verdadera a tensión, R , en el elemento anterior viene dada por :
R = Ln(1 + )
donde es la deformación nominal (Extensión / Longitud original).
Figura 8.2.1.- Hinchamiento en el dado debido a la tracción Fundido de polímero emergiendo de un dado
corto.
Entonces:
de donde:
dr
' dr
R = Ln 1
dr o bien:
R
( e 1) dr dr dr '
dr ' dr
R
e 1
dr
Por otra parte:
Area del extruido 2 rdr ' dr ' ( e 1)
dr dr
e
Area del anillo original 2
rdr dr dr
R
R
64

De la definición de relación de hinchamiento y usando el subíndice E para representar hinchamiento por
tensión, entonces:
luego:
B
Area del extrusionado hinchado
Area del capilar
2 0
ER
R
BER
R
1
( e ) 2
R
2
re
0
R
2
rdr
dr
(8.2.1)
(b).- Canal rectangular corto.
Mediante un análisis se puede mostrar que para una abertura estrecha y corta las relaciones de hinchamiento
en las direcciones de la anchura (T) y del espesor (H) vienen dadas por:
BET
BEH
R
1
( e ) 4
R
1
( e ) 2
(8.2.2)
(8.2.3)
Aunque las expresiones anteriores para el caso de esfuerzos de tensión son menos complicadas de usar que las
de los esfuerzos de corte, también es conveniente expresar las relaciones gráficamente como se muestra en la
figura 8.2.2.
Figura 8.2.2.- Variación de la relación de hinchamiento con respecto a la deformación recuperable por
tensión para capilares y dados cortos.
65

9.- Tiempos de residencia y de relajación.
(a).- Tiempo de residencia.
El tiempo de residencia se refiere al tiempo que tarda el polímero en pasar a través del dado o sección del
canal. Matemáticamente viene dado por la relación:
Tiempo de residencia (t R ) = Volumen del canal/Caudal volumétrico.
Para los casos analizados anteriormente los tiempos de residencia son:
Fluido newtoniano:
Sección transversal circular: t R =
2
8
L
2
PR
Fluido no newtoniano (Ley potencial):
(b).- Tiempo de relajación (o natural).
12
L
Sección transversal rectangular: t R =
2
PH
Sección transversal circular: t R =
Sección transversal rectangular: t R =
3n1
L
n1
V
0
3n1
L
n1
V
Este tiempo definido cuando se estudio la viscoelasticidad y que es el cociente entre la viscosidad y el modulo
elástico, es decir:
E
se usa para darnos una indicación de si es predominante la respuesta elástica o viscosa durante el flujo de un
polímero fundido.
10.- Defectos de extrusión.
Quebradura de superficie
Cuando hay grietas en la superficie de extrusión. Esto se debe a la temperatura de extrusión, fricción, o
velocidad muy alta. Esto puede pasar también a bajas temperaturas, si el producto temporalmente se
pega al troquel.
Defecto de tubo
Se crea una estructura de flujo que arrastra los óxidos de la superficie y las impurezas al centro del
producto. Tales patrones que son frecuentemente causados por altas fricciones o enfriamiento de la
parte externa de la barra.
0
2
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El agrietamiento interior o defecto Chevron
Se produce cuando el centro de la expulsión desarrolla grietas o vacíos. Estas grietas son atribuidas
fuerzas de tensión hidrostática en la línea central en la zona de deformación en el troquel. Aumenta al
aumentar el ángulo de la matriz y la concentración de impurezas, y disminuye al aumentar la relación
de extrusión y la fricción.
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