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Plásticos y la Inyección
¿En que pensamos cuando decimos o escuchamos la
palabra plástico?
Hace cien años, al mencionar el término plástico, éste se podía
entender como algo relativo a la reproducción de formas o las artes
plásticas, la pintura, la escultura, el moldeado. En la actualidad,
esta palabra se utiliza con mayor frecuencia y tiene un significado
que implica no sólo arte, sino también tecnología y ciencia.
PLASTICOS es una palabra que deriva del griego "Plastikos" que
significa "Capaz de ser Moldeado", sin embargo, esta definición no
es suficiente para describir de forma clara a la gran variedad de
materiales que así se denominan.
Técnicamente los plásticos son sustancias de origen orgánico
formadas por largas cadenas macromoleculares que contienen en su
estructura carbono e hidrógeno principalmente. Se obtienen mediante
reacciones químicas entre diferentes materias primas de origen
sintético o natural. Es posible moldearlos mediante procesos de
transformación aplicando calor y presión.
Los plásticos son parte de la gran familia de los Polímeros.
Polímeros es una palabra de origen latín que significa Poli = muchas
y meros = partes, de los cuales se derivan también otros productos
como los adhesivos, recubrimientos y pinturas.
En la época actual resultaría difícil imaginar que alguno de los
sectores de nuestra vida diaria, de la economía o de la técnica,
pudiera prescindir de los plásticos. Sólo basta con observar a
nuestro alrededor y analizar cuántos objetos son de plástico para
visualizar la importancia económica que tienen estos materiales.
Dicha importancia se refleja en los índices de crecimiento que,
mantenidos a lo largo de algunos años desde principios de siglo,
superan a casi todas las demás actividades industriales y grupos de
materiales. En 1990 la producción mundial de plásticos alcanzó los
100 millones de tonelada y para el año 2,000 llegará a 160 millones
de toneladas.
Como se observa en la Figura 1.1, el consumo de plásticos sólo se
encuentra por abajo del consumo del hierro y acero, pero debe
tomarse en cuenta que estos tienen una densidad entre seis y sietes
veces mayor a la de los plásticos. Por esta razón, el volumen
producido de plásticos fue mayor al del acero.
Los plásticos seguirán creciendo en consumo pues abarcando mercado
del vidrio, papel y metales debido a sus buenas propiedades y su
relación costo-beneficio.
Con base en los datos, México debe cambiar para ya no ser sólo un
exportador de petróleo. Aunque este recurso es un buen negocio en el
presente, si se agrega valor, se convierte en un negocio más
interesante.
Actualmente, México es el cuarto productor mundial de petróleo, con
alrededor de un millón de barriles diarios. Esta producción podría
alcanzar mayores utilidades convirtiéndose en productos
petroquímicos y plásticos. Es decir, al invertir un millón de Pesos
en la extracción de petróleo se obtienen 800 mil Pesos de Utilidad.
Invertir esa misma cantidad en Petroquímicos genera 1.2 millones de
Pesos y al hacerlo en la transformación de plásticos se obtienen 15
millones de Pesos.
Esta es una de las razones del porqué los países industrializados, a
pesar de no contar con petróleo tiene altos ingresos de divisas.
Además, dentro de los petroquímicos, la fibras y las resinas
representan el mayor valor económico en México, comparado con el
volumen de fertilizantes, donde su costo de producción es muy alto y
su utilidad muy baja.
La denominación de los plásticos se basa en los
monómeros que se utilizaron en su fabricación, es decir, en sus
materias primas.
En los homopolímeros termoplásticos se antepone el prefijo "poli"
por ejemplo:
Monómero Inicial --> Metil Metacrilato
Nombre de Polímero -->Polimetil Metacrilato
Como se puede observar, los nombres químicos de los polímeros con
frecuencia son muy largo y difíciles de utilizar. Para aligerar este
problemas se introdujeron las "siglas" o acrónimos. Para ejemplo
citado, su acrónimo es:
Nombre del Polímero --> Polimetil Metacrilato
Acrónimo --> PMMA.
A la par del descubrimiento y síntesis de los
materiales plásticos, la creatividad del hombre ha ideado formas
para moldearlos con el objeto de satisfacer sus necesidades. Por
ejemplo: la sustitución de los materiales tradicionales como el
vidrio, metal, madera o cerámica, por otros nuevos que permiten
obtener una mejoría de propiedades, facilidad de obtención y, por
las necesidades del presente siglo, la posibilidad de implementar
producciones masivas de artículos de alto consumo a bajo costo.
El nacimiento de los procesos de moldeo de materiales plásticos, se
remota a épocas bíblicas con el uso del bitúmen, para la confección
de la canasta en la que se puso al patriarca hebreo Moisés en el río
Nilo y en el uso de este material en vez de cemento para edificar
Babilonia. Al seguir el curso de la historia, se detectan otros uso
de resinas naturales como el ámbar en joyería en la antigua roma, la
laca como recubrimiento en la India, pelotas de hule natural para
juegos rituales en América Central, y otras. En 1839, Charles
Goodyear descubrió el proceso de vulcanización del hule con azufre,
pero aún no se puede hablar de procesos de moldeo comerciales o
industriales.
En 1868 Parkes,, en Londres, idea el moldeo de nitrato de celulosa
utilizando rodillo, una pequeña cantidad de solvente y calor para
plastificar el compuesto. Los intento para el desarrollo de
productos y proceso para moldear continuaron, y en 1872 se patenta
la primer máquina de inyección, para moldear nitrato de celulosa,
pero debido a la flamabilidad de este material y peligrosidad de
trabajar, el proceso no se desarrolló.
Al término del siglo XIX, los únicos materiales plásticos disponible
para usos prácticos eran el Shellac (laca), la Gutta Percha, la
Ebonita y el Celuloide, el ámbar y el bitúmen, moldeados en formas
artesanales.
En 1926, la expansión de materiales poliméricos y las experiencias
en el diseño de máquinas para procesarlos, estimulan la creación de
máquinas con aplicación industrial, en la construcción y fabricación
en serie de inyectores de émbolo impulsada por la Síntesis del
Poliestireno (PS) y Acrílico (PMMA).
En 1935 Paul Toroester, en Alemania, construye una máquina extrusora
de termoplásticos, basada en diseños anteriores para el
procesamiento de hules. A Partir de estas fechas inicia el uso de
electricidad para el calentamiento, que sustituye al vapor. En
Italia se genera el concepto del uso de husillos gemelos. En 1938,
se concibe la idea industrial de termoformado, y en 1940 el moldeo
por soplado. A la fecha, se cuenta con la existencia de cientos de
polímeros patentados; de ellos aproximadamente 30 son
imprescindibles. Los productos manufacturados con plásticos, son
obtenidos por más de 20 procesos de moldeo distintos aproximadamente
10 gobiernan la mayor parte del volumen de plásticos transformados.
Clasificación
Para facilitar el estudio de los proceso de Transformación se
clasifican en:
Procesos para Termoplásticos:
Extrusión
Inyección
Soplado
termoformado
Calandreo
Sinterizado
Recubrimiento por Cuchilla
Inmersión
Procesos para Termofijo
Laminado
Transferencia
Embobinado de filamiento continuo
Pultrusión
Procesos para Termoplásticos y Termofijos:
Vaciado
Rotomoldeo
Compresión
Espreado
RIM
Aunque existe un número mayor de procesos de moldeo de plásticos,
los anteriores se pueden encontrar con más frecuencia.
Otra clasificación de los procesos de transformación se basa en los
cambios del estado que sufre el plásticos dentro de la maquinaria.
Así, podemos encontrar las siguiente división:
Procesos Primarios
Procesos Secundarios
En primer caso, el plástico es moldeado a través de un proceso
térmico donde el material para por el estado líquido y finalmente se
solidifica, mientras que en los procesos secundarios se utilizan
medios mecánicos o neumáticos para formar el artículo final sin
pasar por la fusión del plástico.
Con base en estos criterios, los procesos de transformación
principales se clasificacm como:
Procesos primarios:
Extrusión
Inyección
Soplado
Calandreo
Inmersión
Rotomoldeo
Compresión
Procesos Secundarios
Termoformado
Doblado
Corte
Torneado
Barrenado
Extrusión
Definición
Es un proceso continuo, en que la resina es fundida por la acción de
temperatura y fricción, es forzada a pasar por un dado que el
proporciona una forma definida, y enfriada finalmente para evitar
deformaciones permanentes. Se fabrican por este proceso: tubos,
perfiles, películas, manguera, láminas, filamentos y pellets.
Ventajas y restricciones
Presenta alta productividad y es el proceso más importantes de
obtención de formas plásticas en volumen de producción. Su operación
es de las más sencillas, ya que una vez establecidas las condiciones
de operación es de las más sencillas, ya que una vez establecidas
las condiciones de operación, la producción continúa sin problemas
siempre y cuando no exista una disturbio mayor. El costo de la
maquinaria de extrusión es moderado, en comparación con otros
procesos como inyección, soplado o Calandreo, y con una buena
flexibilidad para cambios de productos sin necesidad de hacer
inversiones mayores.
La restricción principal es que los productos obtenidos por
extracción deben tener una sección transversal constante en
cualquier punto de su longitud (tubo, lámina) o periódica (tubería
corrugada); quedan excluidos todos aquellos con formas irregulares o
no uniformes. La mayor parte de los productos obtenidos de una
líneas de extrusión requieren de procesos posteriores con el fin de
habilitar adecuadamente el artículo, como en el caso del sellado y
cortado, para la obtención de bolsas a partir de película tubular o
la formación de la unión o socket en el caso de tubería.
Aplicaciones Actuales
A continuación, se enlistan productos que encuentran en el mercado,
transformados por el proceso de extrusión:
Película tubular
Bolsa (comercial, supermercado)
Película plástica para uso diverso
Película para arropado de cultivos
Bolsa para envase de alimentos y productos de alto consumos
Tubería
Tubería para condición de agua y drenaje
Manguea para jardín
Maguera para uso médico
Popotes
Recubrimiento
Alambre para uso eléctrico y telefónico
Perfil
Hojas para persiana
Ventanería
Canales de flujo de Agua
Lámina y Película Plana
Raffia
Manteles para mesa e individuales
Cinta Adhesiva
Flejes para embalaje
Monofilamento
Filamentos
Alfombra (Filamento de las alfombras)
Importancia En El Mercado
En México, el proceso de extrusión es el más importante tomando en
cuenta el volumen de plástico transformado. En 1995, más del 50% de
todo el plástico moldeado se obtuvo por este proceso, son considerar
que los procesos de soplado y termoformado involucran una fase de
extrusión.
Descripción Del Proceso
Dentro del proceso de extrusión, varias partes debe identificarse
con el fin de aprender sus funciones principales, saber sus
características en el caso de elegir un equipo y detectar en donde
se puede generar un problema en el momento de la operación.
La extrusión, por su versatilidad y amplia aplicación, suele
dividirse en varios tipos, dependiendo de la forma del dado y del
productos extruído.
Así la extrusión puede ser:
De tubo y perfil
De película tubular
De lámina y película plana
Recubrimiento de cable
De Monofilamento
Para pelletización y fabricación de compuestos
Independientemente del tipo de extrusión quiera analizar, todos
guardan similitud hasta llegar al dado extrusor. Básicamente, una de
extrusión consta de un eje metálico central con álabes helicoidales
llamado husillo o tordillo, instalado dentro de un cilindro metálico
revestido con una camisa de resistencias eléctricas.
En un extremo del cilindro se encuentra un orificio de entrada para
la materia prima, donde se instala una tolva para la materia prima,
donde se instala una tolva de alimentación, generalmente de forma
cónica; en ese mismo extremo se encuentra el sistema de
accionamiento del husillo, compuesto por un motor y un sistema de
reducción de velocidad.
En la punta del tornillo, se ubica la salida del material y el dado
que forma finalmente plástico.
Descripción del equipo
Tolva
La tolva es el depósito de materia prima en donde se colocan los
pellets de material plástico para la alimentación continua del
extrusor.
Debe tener dimensiones adecuadas para ser completamente funcional;
los diseños mal planeados, principalmente en los ángulos de bajada
de material, pueden provocar estancamientos de material y paros en
la producción.
En materiales que se compactan fácilmente, una tolva con sistema
vibratorio puede resolver el problema, rompiendo los puentes de
material formados y permitiendo la caída del material a la garganta
de alimentación.
Si el material a procesar es problemático aún con la tolva con
sistema vibratorio puede resolver el problema, rompiendo puentes de
material formados y permitiendo la caída del material a la garganta
de alimentación.
Si el material a procesar es problemático aún con la tolva en
vibración, la tolva tipo cramer es la única que puede formar el
material a fluir, empleando un tornillo para lograr la alimentación.
Las tolvas de secado son usadas para eliminar la humedad del
material que está siendo procesado, sustituyen a equipos de secado
independientes de la máquina. En sistemas de extrusión con mayor
grado de automatización, se cuenta con sistemas de transporte de
material desde contenedores hasta la tolva, por medios neumáticos o
mecánicos. Otros equipos auxiliares on los dosificadores de aditivos
a la tolva y los imanes o magnetos para la obstrucción del paso de
materiales ferrosos, que puedan dañar el husillo y otras partes
internas del extrusor.
Barril O Cañón
Es un cilindro metálico que aloja al husillo y constituye el cuerpo
principal de una máquina de extrusión. El barril debe tener una
compatibilidad y resistencia al material que esté procesando, es
decir, ser de un metal con la dureza necesaria para reducir al
mínimo cualquier desgaste.
La dureza del cañón se consigue utilizando aceros de diferentes
tipos y cuando es necesario se aplican métodos de endurecimiento
superficial de las paredes internas del cañón, que son las que están
expuestas a los efectos de la abrasión y la corrosión durante la
operación del equipo.
El cañón cuenta con resistencias eléctricas que proporcionan una
parte de la energía térmica que el material requiere para ser
fundido. El sistema de resistencias, en algunos casos va
complementado con un sistema de enfriamiento que puede ser flujo de
líquido o por ventiladores de aire. Todo el sistema de calentamiento
es controlado desde un tablero, donde las temperatura de proceso se
establecen en función del tipo de material y del producto deseado.
Para la mejor conservación de la temperatura a lo largo del cañón y
prevenir cambios en la calidad de la producción por variaciones en
la temperatura ambiente, se acostumbra aislar el cuerpo del cañón
con algún material de baja conductividad térmica como la fibra de
vidrio o el fieltro.
Husillo
Gracias a los intensos estudios del comportamiento del flujo de los
polímeros, el husillo ha evolucionado ampliamente desde el auge de
la industrial plástica hasta el grado de convertirse en la parte que
contiene la mayor tecnología dentro de una máquina de extrusión.
Por esto, es la pieza que en el alto grado determina el éxito de una
operación de extrusión. Con base al diagrama, se describen a
continuación las dimensiones fundamentales para un husillo y que, en
los diferente diseños, varían en función de la propiedades de flujo
de polímero fundido que se espera de la extrusora. Todas la
dimensiones que a continuación se detallarán son muy importante de
considerar cuando se analice la compra de una equipo nuevo.
alabes o Filetes
Los álabes o filetes, que recorren el husillo de un extremo al otro,
son los verdaderos impulsores del material a través del extrusor.
Las dimensiones y formas que éstos tengan, determinará el tipo de
material que se pueda procesar y la calidad de mezclado de la masa
al salir del equipo.
Profundidad del Filete en la Zona de Alimentación
Es la distancia entre el extremo del filete y la parte central o
raíz del husillo. En esta parte, los filetes son muy pronunciados
con el objeto de transportar una gran cantidad de material al
interior del extrusor, aceptado el material sin fundir y aire que
está atrapado entre el material sólido.
Profundidad del Filete en la zona de Descarga o Dosificación
En la mayoría de los casos, es muchos menor a la profundidad de
filete en la alimentación. Ellos tienen como consecuencia la
reducción del volumen en que el material es transportado, ejerciendo
una compresión sobre el material plástico. Esta compresión es útil
para mejorar el mezclado del material y para la expulsión del aire
que entra junto con la materia prima alimentada.
Relación de Compresión
Como la profundidades de los álabes no son constantes, las
diferencias que diseñan dependiendo del tipo de material a procesar,
ya que los plásticos tienen comportamiento distintos al fluir.
La relación entre la profundidad del filete en la alimentación y la
profundidad del filete en la descarga, se denomina relación de
compresión. El resultado de este cociente es siempre mayor a uno y
puede llegar incluso hasta 4.5 en cierto materiales.
Longitud
Tienen una importancia especial; influye en el desempeño productivo
de la máquina y en el costo de ésta. Funcionalmente, al aumentar la
longitud del husillo y consecuentemente la del extrusor, también
aumenta la capacidad de plastificación y la productividad de la
máquina. Esto significa que operando dos extrusores en las mismas
condiciones de R.P.M. y temperatura que sólo se distingan en
longitud no tenga capacidad de fundir o plastificar el material
después de recorrer todo el extrusor, mientras que el extrusor de
mayor longitud ocupará la longitud adicional para continuar la
plastificación y dosificará el material perfectamente fundido, en
condiciones de fluir por el dado.
Otro aspecto que se mejora al incrementar la longitud es la calidad
de mezclado y homogeneización del material. De esta forma, en un
extrusor pequeño la longitud es suficiente para fundir el material
al llegar al final del mismo y el plástico se dosifica mal mezclado.
En las mismas condiciones, un extrusor mayor fundirá el material
antes de llegar al final y en el espacio sobrante seguirá mezclando
hasta entregarlo homogéneo. Esto es importante cuando se procesan
materiales pigmentado o con lotes maestros (master batch), de cargas
o aditivos que requieran incorporarse perfectamente en el producto.
Diámetro
Es la dimensión que influye directamente en la capacidad de
producción de la máquina generalmente crece en proporción con la
longitud del equipo. A diámetros mayores, la capacidad en kg/hr es
presumiblemente superior. Al incrementar esta dimensión debe hacerlo
también la longitud de husillo, ya que el aumento de la
productividad debe ser apoyada por una mejor capacidad de
plastificación.
Como consecuencia de la importancia que tienen la longitud y el
diámetro del equipo, y con base en la estrecha relación que guardan
entre sí, se acostumbre especificar las dimensiones principales del
husillo como una relación longitud / diámetro (L/D). Comercialmente
las relaciones L / D más comunes van desde fuera de este rango
también está disponible.
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