Tornillos

TORNILLOS Lo que usted debe saber sobre diseno de tornillos POR TIMOTHY W. WOMER* XALOY, INC. Comprenda que parametros geometricos son importantes en el diseno de un tornillo de extrusion, y como se relacionan con su desempeno. E n la industria plastica de hoy, de la misma forma en que ha ocurrido desde el inicio de la extrusion de plasticos, el usuario final ha dependido del proveedor de equipos y/o del fabricante de tornillos para aprovisionarse del diseno adecuado de tornillo para su proceso y material especificos.

La mayoria de los procesadores ha aprendido a lo largo de los anos algunos puntos criticos relacionados con el diseno de tornillos, pero nunca ha entendido completamente la razon por la cual sus proveedores le ha recomendado ciertos aspectos acerca de los tornillos que ha comprado. El objetivo de este articulo es explicar algo del conocimiento basico requerido para que el usuario final haga una decision adecuada al usar o comprar un tornillo sencillo para una aplicacion de agujero liso. Nomenclatura omo la porcion “encerrada” del tornillo, o miden la longitud de la helice desde el lado frontal del puerto de alimentacion hasta el final del tornillo. Otros miden la longitud de la helice desde

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el centro del puerto de alimentacion, y otros miden la longitud “efectiva” (o toda la longitud de la helice). La forma en la que se defina la relacion L/D es una cosa, pero la porcion de material que el fabricante de tornillo debe maquinar efectivamente se determina como se muestra en la figura 1.

Un ejemplo que indica como determinar el factor L/D para un tornillo de 2,5” seria como sigue: Diametro del tornillo = 2,5” Longitud de la helice = 63” Entonces L/D = 63/2,5 = 25,2 Antes de empezar, necesitamos definir algunos de los componentes basicos del tornillo de helice sencilla. Estos terminos se presentan en la figura 1. Relacion L/D La definicion del factor L/D (relacion entre longitud y diametro del tornillo) varia de un proveedor a otro. Algunos fabricantes lo definen

Un fabricante de equipo original clasificaria este equipo como una extrusora de L/D 24:1, pero el fabricante del tornillo la cotizaria como una de 25,2 L/D, porque esa es la cantidad real de maquinado que se requiere para fabricar el producto. Las relaciones L/D tipicas son 24:1 y 30 o 32:1, pero hay aplicaciones especiales donde los extrusores son apenas de 10:1 L/D o alcanzan ??????????????????????? Marque 28 en la Tarjeta 30 Edicion 3 – Vol. 20 – Abril – 2005 www. plastico. com TORNILLOS 50:1 L/D.

La relacion adecuada se define por el proceso y aplicacion que deba satisfacerse. Seccion de alimentacion – Profundidades dientes. Entonces, si la resistencia a la cedencia del tornillo va a exceder el factor de seguridad de 2:1 del acero original con el que se va a fabricar, debera escogerse un acero de mayor resistencia a la cedencia. Seccion de alimentacion – longitud Refiriendose a la figura 1, la seccion de alimentacion es el primer elemento del tornillo al que se le introduce polimero. Tipicamente, en extrusores de agujero liso, esta es la parte mas profunda del tornillo.

En los diametros mas pequenos (2,5” y menos) se debe prestar atencion especial a esta seccion para reducir el riesgo de falla por torsion debido a la sobrecarga de torque en el tornillo. Algunas veces es recomendable fabricar los tornillos pequenos en acero inoxidable 17-4 PH, o en otro material de alta resistencia a la cedencia, para reducir el riesgo de este tipo de falla. Como regla de dedo, la seccion de alimentacion de un tornillo no deberia ser superior a: Fdmax = 0,2(Diametro del Tornillo) Ecuacion 1 Esto es para tornillos que tengan un diametro igual o inferior a 4,5”.

Por ejemplo, para un tornillo de 2,5”, se tendria: Fdmax = 0,2(2,5”) = 0,5” Ecuacion 2 Si el diseno del tornillo requiriera una zona de alimentacion superior a este valor de Fdmax, deben hacerse los calculos de torque correspon- La principal funcion de la seccion de alimentacion de un tornillo es transportar solidos. La teoria basica de transporte de solidos determina que “el plastico debe adherirse al barril y deslizar sobre el tornillo, de tal forma que el polimero se desplace hacia delante”. Para que esto ocurra el coeficiente de friccion (COF) del polimero debe ser superior en la pared del barril que en la raiz del tornillo.

De esta forma, algunos polimeros tienen inherentemente mejores COFs que otros, y para ellos no se requieren secciones de alimentacion largas. Tipicamente, para la mayor parte de resinas una seccion de alimentacion con una longitud de cuatro o cinco diametros medidos desde la garganta de alimentacion, hara posible alcanzar suficiente presion para transportar el material hacia delante. En el caso de que las resinas sean pobremente alimentadas o de que los materiales tengan un COF bajo, la longitud de la seccion de alimentacion debe alcanzar de ocho a diez diametros.

Una de las razones para tener mayores secciones de alimentacion es hacer que se introduzca mas calor a la forma solida de la resina, haciendo que se adhiera al barril y de esta forma ayude en el desarrollo de la presion requerida para tener un buen transporte de solidos. En este punto tambien deberia mencionarse que en el caso de materiales pobremente ?????????????????????????????????? ??????????????????????????????????????????? ???????? ??????????????????? ??????????????????? ???????????????? ??????????????????? ?????????????????????????????????????????????????????? ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? www. plastico. com Edicion 3 – Vol. 20 – Abril – 2005 31 Marque 29 en la Tarjeta ???????????? ???????????????? ????????????? ????????????? ????????? ?????????? ??????????? ????????? ????????????? ??????????????? Figura 1. Figura 2. TORNILLOS alimentados, tambien es benefico el uso de enfriamiento interno en el tornillo, para mantener la raiz fria y mejorar el COF entre la resina y el acero en la raiz del tornillo. Deberia mencionarse que para encontrar una forma de mejorar el transporte de solidos en resinas que tienen un COF deficiente, en

Europa durante la primera etapa de la decada de 1960 se creo la tecnologia de alimentacion ranurada; desde esa epoca su aceptacion ha venido en crecimiento, a paso lento pero firme. Seccion de transicion La seccion de compresion o transicion en un tornillo convencional es donde tiene lugar la mayor parte de la fusion del polimero. Esta es la porcion del tornillo que trasciende desde la profundidad de alimentacion hasta la profundidad de dosificacion, y es donde se efectua trabajo sobre la resina, haciendo que se produzca la fusion.

En esta seccion del tornillo, la raiz se vuelve gradualmente menos profunda, forzando al material hacia delante de la pared del barril, donde la fusion se lleva a cabo. Ejemplo 1: 1” F =. 006” / 1” = . 006 pulg. /pulg. .0006” cercanamente como sea posible a la tasa de fusion del material. Con el fin de maximizar el flujo masico a la salida del extrusor, y para reducir la cantidad de abrasion que se va a producir al barril y al tornillo, es critico efectuar este calculo correctamente.

Mas adelante en el articulo se discutira la relacion de compresion, y se vinculara a esta seccion. Tipicamente, para un tornillo de 24:1 L/D la seccion de transicion tendra entre cinco y diez diametros de longitud, dependiendo del tipo de polimero que sea procesado. Seccion de dosificacion La seccion de dosificacion o bombeo en el tornillo es donde se completa la fusion del polimero, y donde se genera presion para superar la restriccion impuesta por el cabezal. Para calcular el flujo masico, puede hacerse un calculo como el que sigue: Tasa = 2. *D2*hm*SG*N Ecuacion 3 El factor mas importante a considerar al disenar la seccion de transicion, es que la pendiente de esta zona deberia ajustarse tan Tasa = flujo masico (lb/hr) D = Diametro del tornillo (pulgadas) hm = Profundidad de alimentacion (pulgadas) SG = Gravedad especifica del polimero (gm/cc) N = Velocidad de rotacion (RPM) Otra forma de obtener el flujo masico es hacer un calculo basandose en la profundidad de la zona de dosificacion. Esto es valido en principio solo para aplicaciones de baja presion. Relacion de compresion ?????????????? ??????????????????????????? ???????????????? ??????? La relacion de compresion es probablemente el termino mas usado en la terminologia de diseno de tornillos, aunque no por eso es el mejor aplicado ni el mejor comprendido. La mayoria de la gente acepta la definicion de relacion de compresion como se muestra en la figura 2. Entonces: Relacion de compresion = Ecuacion 4 Como ejemplo, considere que un tornillo de 2,5” tiene una profundidad de alimentacion (hf ) de 0,300”, y una profundidad de dosificacion (h m) de 0,100”.

La relacion de compresion se determinaria como: Ejemplo 2: CR = . 300” / . 100” = 3:1 Ecuacion 5 Pero, adicionalmente, podria tenerse un tornillo de 2,5” con una profundidad de alimentacion (hf ) de 0,450”, y una profundidad de dosificacion (hm) de 0,150”. Entonces la relacion de compresion seria equivalente a: Ejemplo 3: CR = . 450” / . 150” = 3:1 Ecuacion 6 Ambos tornillos tienen una relacion de compresion de 3:1, pero son totalmente diferentes. El primero tiene una tasa de corte mucho mayor, y entregara apenas 2/3 del flujo masico del segundo.

El segundo tornillo, ademas de tener mayor capacidad de procesamiento, operara con menores tasas de corte y por tanto podra procesar materiales sensibles a esfuerzos cortantes. www. plastico. com Marque 30 en la Tarjeta ?????????????????????????? ??????????????? ????????????????????? ??????????????????? ???????????????? ???????????????????????? ???????????????? ??????????????????? ????????????????????????????????? ?????????????????????????????????????????? ??????????????????????????????????????? ????????????????????????????????????????? 32 Edicion 3 – Vol. 20 – Abril – 2005 TORNILLOS

Adicionalmente, la pendiente de transicion ni siquiera se ha considerado en Figura 3. este caso. Los dos tornillos podrian tener diferentes relaciones de compresion. Pero si la longitud de la seccion de transicion fuera diferente, aun asi podrian tener las mismas tasas de fusion. Lo que es importante es que al describir la geometria del tornillo todos los detalles sean examinados. Pueden calcularse capacidades de bombeo precisas usando formulas mas complejas, pero se requiere entonces que el disenador del tornillo tenga un entendimiento mas profundo sobre el comportamiento de flujo del polimero.

Relacion de compresion para tornillos de barrera VCR = Relacion de Compresion Volumetrica hf = Profundidad de alimentacion hm = Profundidad de dosificacion Lf = Paso en la seccion de alimentacion Lm = Paso en la seccion de dosificacion nf = Numero de vueltas en la seccion de alimentacion nm = Numero de vueltas en la seccion de dosificacion ef = Ancho de la helice principal en la seccion de alimentacion em = Ancho de la helice principal en la seccion de dosificacion D = Diametro exterior del tornillo Aunque mas compleja, esta formula proporciona valores mas exactos de la relacion de compresion.

La ecuacion determina la cantidad de area transversal que hay en la seccion de alimentacion y la compara con el volumen de la seccion transversal del tornillo en la zona de dosificacion. De la misma forma que en los tornillos de dosificacion estandar, es importante evaluar la relacion de compresion real en un tornillo de barrera. Para determinarla, es necesario comparar el area transversal de la seccion de alimentacion con el area transversal combinada en la final de la seccion de barrera. Esto se muestra en la figura 3.

La relacion de compresion volumetrica de un tornillo de barrera puede presentarse matematicamente como sigue: Ecuacion 8 Tal como se menciono, la mayoria de los individuos considera que la “relacion de compresion” es el cociente entre la profundidad de la seccion de alimentacion y la profundidad de la seccion de dosificacion. Esto es lo que normalmente se denomina “Relacion de Compresion de Profundidades”, pero hay un medio mas preciso para calcular la verdadera relacion de compresion, y se define como “Relacion de Compresion Volumetrica”. Se describe en la siguiente ecuacion: Ecuacion 7 www. lastico. com Edicion 3 – Vol. 20 – Abril – 2005 33 Marque 31 en la Tarjeta TORNILLOS VCR = Relacion volumetrica de compresion Wf = Ancho del canal en la seccion de alimentacion hf = Profundidad del canal en la seccion de alimentacion Wm = Ancho del canal de fundido al final de la seccion de barrera hm = Profundidad del canal de fundido al final de la seccion de barrera Figura 4. Ws = Ancho del canal de solidos al final de la seccion de barrera hs = Profundidad del canal de solidos al final de la seccion de barrera Este metodo de comparar una seccion con otra entregara una relacion mas exacta.

Deberia notarse que, dependiendo de quien sea el disenador, el flujo masico entregado por el tornillo puede estar determinado por la capacidad de la seccion de barrera o por la capacidad de bombeo en la seccion de dosificacion. Esto depende totalmente de lo que el disenador tenga en mente con respecto al desempeno del husillo. Tornillos de dos etapas Los tornillos de dos etapas son, basicamente, dos tornillos puestos uno al final del otro para llevar a cabo diferentes funciones. La figura 4 muestra la nomenclatura tipicamente usada en tornillos de dos etapas.

La razon principal por la que las extrusoras cuentan con venteo es por la devolatilizacion de humedad o gases. Hoy, la mayoria de los tornillos de dos etapas disenados para devolatilizar tienen relaciones minimas de L/D equivalentes a 30:1 o 32:1. Normalmente, el flujo masico entregado por un tornillo con venteo es dos terceras partes del que entrega una extrusora de L/D similar sin venteo, debido a que cuando hay venteo debe desarrollarse 100% de fundido en el momento en que la resina alcanza la seccion venteada del tornillo.

Si en este punto la resina no esta completamente fundida, es posible que queden atrapados humedad o gases dentro de los granulos sin fundir, y por lo tanto, no escapen a traves del puerto venteado del barril. Hay casos en los que se requiere alcanzar una gran cantidad de devolatilizacion, y por tanto se hace necesario instalar un segundo puerto de venteo. En este caso se necesitara un tornillo de tres etapas. Este tipo de tornillos generalmente son de 36:1 L/D o de longitudes mayores. Como se menciono anteriormente, el tornillo de dos etapas no es mas que dos tornillos de una sola etapa en tandem.

La relacion de compresion de la primera etapa se determina en la misma forma que para un tornillo de una sola etapa. Debe mencionarse que en algunos casos pueden emplearse secciones de barrera en la primera de las dos etapas del tornillo. La diferencia primaria en el diseno de la primera de dos etapas de un tornillo, es que la seccion de dosificacion no necesita estar concebida para superar ningun tipo de contrapresion. Dado que no hay dado ni restriccion alguna aguas abajo, la primera seccion de dosificacion solo debe completar el proceso de fusion y bombear la resina hacia la seccion de venteo, con presion cero o negativa.

Conclusion Finalmente, el principal proposito de esta presentacion era ayudar a la audiencia a entender en mejor manera los mecanismos de funcionamiento detras de cada una de las secciones del tornillo. Gracias a este mejor entendimiento, el ingeniero de proceso puede dar solucion a un problema con mayor facilidad, o mejorar un diseno existente. TP REFERENCIAS : (1) Chung, “Extrusion of Polymers – Theory and Practice”, Hanser Gardner Publishing, Inc. , Cincinnati, Ohio. (2) Bernhardt, “Processing of Thermoplastic Materials”, Robert E.

Krieger Publishing Company. (3) Rauwendaal, “Polymer Extrusion”, Hanser Publishers. (4) Tadmor and Gogos, “Principles of Polymer Processing”, John Wiley and Sons, New York. (5) Spirex Corporation, “Plasticating Components Technology”, ©1992 Youngstown, Ohio. *Acerca del autor: Tim Womer es una reconocida autoridad en el area de tecnologia para plasticos. Siendo ingeniero mecanico de la Universidad Estatal de Youngstown, ha disenado mas de 8. 000 tornillos para todas las areas de plastificacion mono-husillo, y sus desarrollos han dado vida a varias patentes.

Ha trabajado para Xaloy desde 2003, y previamente hizo parte de Spirex Corporation, Conair, Inc. y NRM Corporation. Miembro del comite directivo de la Division de Extrusion de SPE, la Sociedad de Ingenieros Plasticos, ha sido cuatro veces conferencista en la conferencia anual ANTEC, y ha estado vinculado con la Sociedad de la Industria Plastica de Estados Unidos, SPI. Una version mas amplia de este articulo e informacion adicional sobre tornillos de dos etapas en www. plastico. com En Busqueda Global digite: tp0405tornillos Marque 30 en la Tarjeta 34 Edicion 3 – Vol. 20 – Abril – 2005 www. plastico. com