Diseño y Calculo de Extrusora de Madera Plastica

CAPÍTULO I

GENERALIDADES

1.1.- INTRODUCCION El presente proyecto es para desarrollar un material compuesto con PET de post consumo y  polvo de madera madera para obtener obtener con su reprocesado reprocesado una madera madera plástica. El reúso de las botellas de plástico y el polvo de madera permite elaborar un material compuesto, partiendo de la mezcla de estos dos materiales distintos sin que ocurra alguna reacción química entre ellos. La combinación adecuada de ellos origina materiales con mejores propiedades que las partes que lo componen por separado. Los plásticos se pueden encontrar en diversas aplicaciones en la vida moderna, son versátiles, fáciles de fabricar y muy mu y económicos. El uso del plástico es cada día más común debido a que se puede remplazar a muchos materiales como madera, metal, papel, caucho, cerámica, vidrio, etc. Es difícil mirar hacia un lado y no encontrar objetos fabricados con materiales plásticos, los cuales se han convertido en elementos de uso cotidiano en el mundo moderno. El polietileno tereftalato, mejor conocido como PET, es uno de los materiales más utilizados en la industria embotelladora. Por la resistencia y liviandad del material, 1

favorecen el manejo y distribución de productos, lo que ha impulsado el desarrollo de la industria al diversificar su producción. Sin embargo, derivado del alto nivel de consumo de  productos embotellados, embotellados, se tienen tienen también, grandes cantidades de residuos de PET. Por otra parte la elaboración y trabajo en madera incluye: aserrado, descortezado y despulpe, en estos procesos se producen determinados desechos desechos o subproductos como: aserrín, astillas, virutas y polvo de madera. A lo largo de los años, muchos aserraderos han considerado los residuos de madera como subproducto engorroso engorroso de la operación de aserrío, con su consiguiente eliminación, para relleno de terrenos o incinerándolos en quemadores wigwam, o algo parecido. Sin embargo, estos dos destinos se han convertido últimamente en problemas ambientales contenciosos y, y, todo ello combinado con el el aumento de los costos energéticos, energéticos, han hecho que los dueños de aserraderos se hayan visto obligados a pensar seriamente en las ventajas de emplear los residuos como fuente alternativa de combustible, esta ha coincidido también con el aumento de la demanda de residuos como material para la fabricación f abricación de  pasta-papel y tableros, dado el el aumento del costo costo de la madera madera sólida y su mayor mayor competitividad.

1.1.1.- PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Un problema latente en estos tiempos, t iempos, es el crecimiento continuo de residuos sólidos en todo el planeta, debido a diversos factores como el crecimiento poblacional, la sociedad de consumo y el diseño de productos sin pensar en su disposición final. Esto ha llevado a las sociedades sociedades a buscar soluciones como el reciclaje, que contribuye con la auto-sostenibilidad y al buen uso de sus recursos y desechos. Día a día conseguir productos de madera natural se hace más complicado, debido a los altos precios de esta, convirtiéndose en un lujo el uso de la madera natural. La deforestación y la contaminación con materiales de post consumo, causa un impacto ambiental que perjudica al ecosistema.

1.1.2.- ESTUDIO DEL RECICLAJE DE MATERIALES PLASTICOS El reciclaje es el proceso mediante el cual se aprovechan y transforman los residuos sólidos recuperados y se devuelve a los materiales su potencialidad de reincorporación r eincorporación como materia prima para la fabricación de nuevos productos.

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favorecen el manejo y distribución de productos, lo que ha impulsado el desarrollo de la industria al diversificar su producción. Sin embargo, derivado del alto nivel de consumo de  productos embotellados, embotellados, se tienen tienen también, grandes cantidades de residuos de PET. Por otra parte la elaboración y trabajo en madera incluye: aserrado, descortezado y despulpe, en estos procesos se producen determinados desechos desechos o subproductos como: aserrín, astillas, virutas y polvo de madera. A lo largo de los años, muchos aserraderos han considerado los residuos de madera como subproducto engorroso engorroso de la operación de aserrío, con su consiguiente eliminación, para relleno de terrenos o incinerándolos en quemadores wigwam, o algo parecido. Sin embargo, estos dos destinos se han convertido últimamente en problemas ambientales contenciosos y, y, todo ello combinado con el el aumento de los costos energéticos, energéticos, han hecho que los dueños de aserraderos se hayan visto obligados a pensar seriamente en las ventajas de emplear los residuos como fuente alternativa de combustible, esta ha coincidido también con el aumento de la demanda de residuos como material para la fabricación f abricación de  pasta-papel y tableros, dado el el aumento del costo costo de la madera madera sólida y su mayor mayor competitividad.

1.1.1.- PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Un problema latente en estos tiempos, t iempos, es el crecimiento continuo de residuos sólidos en todo el planeta, debido a diversos factores como el crecimiento poblacional, la sociedad de consumo y el diseño de productos sin pensar en su disposición final. Esto ha llevado a las sociedades sociedades a buscar soluciones como el reciclaje, que contribuye con la auto-sostenibilidad y al buen uso de sus recursos y desechos. Día a día conseguir productos de madera natural se hace más complicado, debido a los altos precios de esta, convirtiéndose en un lujo el uso de la madera natural. La deforestación y la contaminación con materiales de post consumo, causa un impacto ambiental que perjudica al ecosistema.

1.1.2.- ESTUDIO DEL RECICLAJE DE MATERIALES PLASTICOS El reciclaje es el proceso mediante el cual se aprovechan y transforman los residuos sólidos recuperados y se devuelve a los materiales su potencialidad de reincorporación r eincorporación como materia prima para la fabricación de nuevos productos.

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En el 2003 el plástico tenía una participación en la composición de residuos del 7% al 17% en Europa y los principales países de Sudamérica, proveniente de dos grandes fuentes: a).- Los residuos plásticos domiciliarios (post-consumo), son los que integran la corriente de residuos sólidos urbanos bajo la forma de bolsas de leche, botellas de gaseosas, gaseosas, agua mineral, envases de alimentos sólidos, botellas de productos de limpieza del hogar, etc.  b).- Los residuos residuos industriales denominados denominados scrap, provenientes provenientes del del proceso de producción producción de la materia prima o del sector transformador. El scrap, en general, es más fácil de reciclar r eciclar  porque está limpio y es homogéneo homogéneo en su composición, composición, ya que no está mezclado mezclado con otros tipos de plásticos.

1.1.3.- MADERA PLASTICA, UNA OPCION DE RECICLAJE Una opción para reciclar los plásticos y los desperdicios de la madera, es la madera  plástica, que es es un producto que que día tras día adquiere adquiere un mejor posicionamiento en el campo de la construcción de muebles y artefactos rústicos que estarán sometidos a los factores climáticos asociados al estar expuestos al aire libre. li bre. Presenta grandes atractivos tanto para los constructores o fabricantes, como para los ambientalistas. En la actualidad, existen dos tipos de madera plástica: una es la que se obtiene a partir de la mezcla de aserrín de madera natural con algunos plásticos, y la otra, es la que se elabora a  partir de residuos netamente netamente plásticos, plásticos, que por lo general general se tratan de polipropileno o  polietileno de alta o baja densidad. densidad. La madera plástica es elaborada a partir de plástico reciclado, el cual se obtiene del proceso de reciclaje mecánico al recuperar los residuos plásticos limpios, tales como botellas de gaseosas, jugos y agua mineral que son llevados a centros de acopio, y que una vez seleccionados seleccionados y separados, son triturados hasta obtener un pellet, material aglutinado y molido, que es con lo que se parte para el estudio del proyecto. Las tablas de madera plástica tienen una gran cantidad de usos y aplicaciones. Se presentan como el principal insumo de una gran variedad de productos, casi en todos en los l os que se utiliza madera natural. Alguno de ellos son: muebles tales como bancas, sillas y mesas,  basureros, maceteros, maceteros, cercas, cercas, barandas, cerramientos, cerramientos, puentes, puentes, senderos, avisos, avisos, cajones, comederos y casa para animales, parques infantiles y muebles para la industria entre muchos otros.

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Dentro de los mayores beneficios que se pueden obtener con el uso de tablas de madera  plástica, como ya se mencionó con anterioridad, es posible encontrar: la gran contribución que se hace al reducir el impacto ambiental y que se pueden diseñar con mezclas y geometrías que presenten unas mayores propiedades mecánicas que una tabla de madera natural. Otras ventajas con respecto a las tablas tradicionales es que no presentan porosidad  por lo que no presentan daños a la intemperie ni al contacto con el agua, flotan, no absorben bacterias, no presentan corrosión ni tampoco sufren el ataque de animales e insectos sin tener la necesidad de pintarlas, barnizarlas o aplicarles impermeabilizantes. Adicionalmente se pueden fabricar de color y tamaño que se desee y se trabajan y manipulan de manera similar a la madera natural: pueden cortarse con sierra, serrucho, segueta o sierra eléctrica, además que pueden ser torneadas, cepilladas o perforadas.

1.1.4.- USOS Una de las principales aplicaciones de este tipo de materiales se encuentra en el recubrimiento de superficies que se encuentran a la intemperie, siendo ampliamente utilizados en muelles, terrazas, y otras superficies cerca de piscinas o en centros de recreación. Las ventajas inherentes para estas aplicaciones radican en una mayor resistencia a la humedad y a los insectos, unido a un bajo nivel de mantenimiento. Empresas como Louisiana Pacific Polymers y Trex en Estados Unidos son líderes en este tipo de aplicaciones, ofreciendo variedad de referencias con diferentes colores, acabados y  propiedades físicas.

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Otro uso común de los plásticos reforzados con madera es en la fabricación de perfiles extruidos. Estos perfiles se pueden utilizar para la fabricación de perfiles para puertas y ventanas, juegos para niños, sillas, o para reemplazar los durmientes de las vías férreas. En el caso de la fabricación de perfiles, se ha comenzado a explorar la posibilidad de hacer  perfiles espumados en el interior. Aunque ya algunos fabricantes han implementado este  proceso por las ventajas que presenta en el ahorro de costos de materia prima y disminución en peso, todavía es necesario profundizar más en el entendimiento del proceso de manufactura. Por otra parte, los materiales reforzados con madera han ingresado en el campo de la fabricación de automóviles, desplazando a los plásticos reforzados con fibra de vidrio en la  producción de algunas piezas. Esta tendencia comenzó en Europa, donde dichos materiales son usados para fabricar paneles interiores de puertas, espaldares de asientos, apoya cabezas, guardafangos y bandejas para guardar objetos. La tendencia ha llegado a Estados Unidos, y el impacto ha sido tal, que grandes fabricantes de materiales reforzados con fibra de vidrio como Owens Corning han comenzado a experimentar con fibras naturales. Los compuestos de plástico-madera también son ampliamente utilizados en la fabricación de pallets, plataformas y tacos para calzado, artículos náuticos, etc.

1.2.- ANTECEDENTES La bakelita inventada en 1909 por Leo H. Baekeland, es uno de los primeros compuestos de madera-plástico al estar formada por finas partículas de madera a las que se añaden resinas de fenol y formaldehido. La gran mayoría de los productos de madera-plástico que se fabrican actualmente incorporan los mismos productos: por un lado materiales plásticos, en este caso termoplásticos, como ser polietilenos de alta densidad (HDPE) y cloruros de  polivinilo (PVC) y por otro, madera en forma de polvo. Esta combinación que no parecía muy prometedora, ya que por un lado las fibras de madera son muy cortas, absorben mucha humedad y son menos resistentes que las fibras de vidrio o de carbono; y por otro

lado los materiales termoplásticos son más débiles que los termo-endurecibles (reblandecen con el calor y se deforman ante los esfuerzos). Sin embargo, los resultados de la combinación han sido sorprendentes. Estos compuestos, pese a que utilizan materias  primas muy baratas y su proceso de fabricación es de bajo nivel tecnológico, tienen un  precio final en el mercado superior al de la madera tratada con productos químicos (sin

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considerar el ciclo de vida, y su durabilidad mayor). El producto se empezó a usar para terrazas exteriores, pero se ha ido abriendo paso en vallas, barandillas, pasamanos y elementos de fachadas. Los compuestos de madera y plástico se vieron por primera vez en Estados Unidos durante los años 1960, principalmente en aplicaciones de marcos de ventanas y puertas. La industria de las ventanas y puertas, que tiene experiencia con materiales de madera,  plástico y aluminio, buscó la forma de utilizar materiales más económicos, de allí que el aserrín parecía un material tanto ligero como barato. El país con mayor producción de este material es Estados Unidos de América, aunque en Europa su investigación y desarrollo ha aumentado en los últimos años, debido a que el uso de este tipo de materiales puede disminuir costos ya que se aprovecha todo el desperdicio de madera y plástico reciclado. La densidad del material se puede controlar por medio de espumantes o por el tipo de proceso. El principal problema de estos compuestos es la temperatura de proceso que, en general, no debe sobrepasar los 190°C. Otro problema es la humedad de la madera, la cual no es compatible con la mayoría de polímeros y en algunos casos puede originar degradación y  pérdida de propiedades físicas por despolimerización. Los equipos utilizados para extruir este material están comúnmente equipados con husillos dobles para extrusión. Para inyección generalmente la tecnología tiene pocos desarrollos aunque existen procesos altamente tecnificados de extrusión-inyección (Injeccion molding composite) capaces de combinar la etapa de extrusión e inyección en un solo proceso. Otros procesos son compresión y termo-formado. El color de la pieza final depende en gran medida del color de la madera y del polímero. El color del compuesto se puede modificar después del proceso con una laca o durante el procesamiento con un concentrado de color que, si es bien diseñado, puede presentar líneas de flujo que asemejan las vetas normales de la madera. El uso de materiales reciclados, así como de materias primas renovables que no dependen del petróleo, le augura a este tipo de compuestos un importante potencial de crecimiento. Y, por supuesto, las ventajas de durabilidad, menores requerimientos de mantenimiento, reciclabilidad y resistencia a la intemperie harán que sigan ganándole terreno a la madera en aplicaciones de construcción. 6

En Bolivia existen ya algunas empresas que se dedican a la elaboración de la madera  plástica, entre ellas esta MADEC una empresa cruceña que combina fibras orgánicas y  plástico reciclado para obtener un producto semejante a la madera natural, en apariencia, resistencia y funcionalidad. El material que utilizan, es un compuesto de aserrín, chala de arroz, cascarilla de girasol y  plástico, que además de tener una textura y consistencia similar a la de la madera, es una alternativa para el rubro de la construcción. Por su versatilidad, este material puede ser empleado en muebles, pisos, portones, cielo falso y herramientas. No obstante, la empresa MADEC se distingue por la elaboración de  puertas con marco, machimbre alivianado y peatonal, láminas alivianadas, pallets, varillas  para banquetas, pilares, vigas y zócalos. Actualmente la capacidad de producción de esta empresa es de 300 toneladas al mes, suficientes para satisfacer la demanda en Santa Cruz, y algunos pedidos puntuales de La Paz y Cochabamba, pero no para llegar al mercado extranjero, a pesar de tener pedidos recurrentes de Chile, Brasil, Ecuador, Perú y Argentina.

1.3.- JUSTIFICACION La madera plástica es un producto que día tras día adquiere un mejor posicionamiento en el campo de la construcción de muebles y artefactos rústicos que estarán sometidos a los factores climáticos asociados al estar expuestos al aire libre. Presentan grandes atractivos tanto para los constructores o fabricantes, como para los ambientalistas puesto que, para los primeros, se convierte en una oferta novedosa y más resistente que la madera natural; y  para los segundos, contribuye a la disminución de la tala de bosques. Con el diseño de una extrusora de madera plástica se mejorara la producción gracias al cambio de las boquillas, que permitirá obtener diferentes tipos de perfiles para diferentes usos. Si bien lo más común en la producción de la madera plástica es formar tablas de dimensiones considerables (1000*1000mm) con espesores variables para posteriormente  poder trabajar en la carpintería de igual manera que se hace con la madera natural. El cambio de boquillas permitirá obtener perfiles para construcción más específicos, aprovechando de mejor manera el uso del material y evitando la pérdida de tiempo que llevaría trabajarla en la carpintería.

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1.4.- OBJETIVOS 1.4.1.- OBJETIVOS GENERALES 

Diseño y cálculo de una extrusora para la obtención de madera plástica, reusando  botellas PET y el polvo de madera.

1.4.2.- OBJETIVOS ESPECIFICOS 

Diseñar un extrusor de madera plástica, el cual permita alcanzar las temperaturas necesarias para fundir las botellas PET, mezclar adecuadamente el PET fundido con el polvo de madera y a través de una boquilla de salida, extruir la madera plástica de acuerdo al modelo que se requiera.



El diseño de la extrusora debe permitir el cambio de las boquillas de extrusión para diferentes tipos de perfiles que se quiera extruir.



Ofrecer un sistema muy versátil capaz de adecuarse a las necesidades del cliente.

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CAPÍ TULO I I

 MARCO TE ORI CO

2.1.- PROCESOS DE RECICLAJE DE LOS PLASTICOS Existen distintos procesos de reciclaje en función de los que se quiere obtener con los diversos plásticos.

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Sin embargo, los plásticos a diferencia de otros materiales tienen la propiedad de ser reutilizables, por lo tanto pueden ser reinsertados nuevamente al mercado como recursos  por medio de los siguientes métodos de reciclado.

a).- RECICLADO QUIMICO: Implica despolimerizar los plásticos y reducirlos hasta sustancias químicas sencillas. El objetivo es recuperar esos componentes químicos individuales para reusarlos como químicos o producir nuevos plásticos con las mismas características y propiedades de los materiales vírgenes. Hay distintos procesos desarrollados y en permanente optimización: metanolisis, glicolisis, hidrolisis, pirolisis, crackeo térmico.

b).- RECUPERACION DE ENERGIA: Implica aprovechar el alto poder calorífico de los  plásticos recuperando su energía a través de la incineración en hornos especialmente diseñados a tal fin con la máxima tecnología y regulación internacional. Este proceso no implica mayor contaminación ya que se obtienen como residuos gaseosos exclusivamente dióxido de carbono y vapor de agua, tratándose además los residuos líquidos en plantas de tratamiento de efluentes.

c).- RECICLADO MECANICO: El reciclado mecánico es un proceso físico-mecánico mediante el cual el plástico de post-consumo o el industrial (scrap) es recuperado,  permitiendo su posterior utilización. Para lograr este objetivo se requiere seguir los siguientes pasos: 

Recolección de los residuos plásticos.



Separación por tipos de plásticos individuales.



Limpieza para retirar etiquetas, suciedad y residuos.



Reducción de tamaño por medio de molido o picado.



Aglutinación o densificación del material en forma de gránulos o escamas.



Extrusión del material aglutinado en forma de pellets.



Manufactura del producto final.

2.2.- PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE EXTRUSORA La palabra “extrusión” viene de dos vocablos latinos “éx” y “trudere” que significan, respectivamente, “fuerza” y “empuje”. Se puede definir la extr usión como el proceso de

obtención de longitudes ilimitadas con una sección trasversal constante, conformando el

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material al obligarlo a pasar a través de una boquilla bajo condiciones controladas de temperatura y presión. En la actualidad es frecuente conseguir máquinas de extrusión en líneas para el  procesamiento y transformación de poliolefinas, así se pueden mencionar líneas para la fabricación de: Película tubular y plana, envases soplado, tuberías, perfiles, cables, laminas, etc., incluso en la transformación de plásticos donde se utilizan técnicas de moldeo por inyección, suele emplear máquinas de extrusión en los sistemas de alimentación. En esta técnica de procesamiento, la resina, generalmente en estado sólido (polvo, granos), es alimentada a través de una tolva y posteriormente transportada a lo largo de un tornillo donde lentamente resulta compactada, fundida, mezclada y homogenizada para luego ser dosificada a través de una boquilla conformadora responsable de proporcionarle, de manera continua, el perfil y/o la forma deseada en el producto final.

2.2.1.- TIPOS DE EXTRUSORAS. Se puede clasificar las máquinas extrusoras de la siguiente manera: Extrusora de rodillos.

Extrusoras de fricción viscosa.

Extrusora de tambor rotatorio.

Extrusora de husillos.

- Un solo husillo. - Doble husillo. - Multiples husillos.

El presente proyecto está inmerso dentro las extrusoras de fricción viscosa, más concretamente la “extrusora de un solo tornillo”.

2.2.1.1.- EXTRUSORAS DE FRICCION VISCOSA. En este tipo de extrusoras la acción de transporte se consigue aprovechando las características físicas del polímero y la fricción de este contra las paredes metálicas de los elementos transportadores de la máquina. Estas extrusoras, además de la acción de 11

transporte, se produce un trabajo mecánico sobre el polímero debido a los esfuerzos de cizalla que se provocan en el material pastoso y de elevada viscosidad; este trabajo mecánico se transforma en calor por fricción en el seno del propio polímero, el calor así originado es una parte muy importante de la cantidad total de calor aportado en la máquina  para la fusión y calentamiento del polímero.

2.2.1.2.- EXTRUSORAS DE TORNILLO. Las extrusoras de tornillo son prácticamente las más adecuadas para la extrusión de termoplásticos y, desde luego empleadas en proporción abrumadora respecto al número total de máquinas en la actualidad. Estas máquinas se construyen con uno, dos, o más tornillos; con tornillos cilíndricos o cónicos, todos ellos con una gran variedad de diseños. La extrusora de tornillo simple es probablemente la máquina que más ha contribuido al conocimiento teórico y práctico de la extrusión de los polímeros. En lo que sigue las extrusoras de tornillo, en particular las de un solo tornillo serán las únicas que se estudiara con detenimiento y a las que se dedicara un enfoque como base fundamental para los propósitos de diseño.

2.2.1.3.- EXTRUSORAS DE UN SOLO TORNILLO. Las máquinas de extrusión de un solo tornillo se construyen utilizando tornillos cuyos diámetros oscilanentre 18 mm., (tamaño laboratorio), 20 cm. para la extrusión de perfiles y el recubrimiento de cables, y 60 cm. para la preparación de compuestos. La relación longitud a diámetro (generalmente expresada como el cociente L/D), es la longitud efectiva del tornillo dentro del cilindro dividida por el diámetro nominal del tornillo; varía de acuerdo con el uso a que se destina el tornillo. Hay una marcada tendencia a emplear máquinas más grandes con relaciones de L/D de por lo menos 20:1, 24:1 e incluso 30:1; con lo cual es posible procesar hasta 10 ton/hr de polímero.

2.3.- CARACTERISTICAS GENERALES DE LA EXTRUSORA. Fundamentalmente, una máquina para la extrusión de material seco en caliente consiste en un motor de CA; un mecanismo de transmisión de engranajes que permite hacer girar el tornillo en una zona adecuada de velocidades; un conjunto de cojinetes de aguante para absorber el empuje del tornillo hacia atrás; y un tornillo que gira dentro de un cilindro convenientemente equipado para calentar y enfriar el material plástico a la temperatura

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deseada, hasta que se obtenga una consistencia uniforme, y le obliga a pasar a través del orificio de la boquilla. En la figura se muestra el esquema general de una extrusora de plásticos de tornillo sencillo.

Esquema de una extrusora mono-tornillo.

2.4.- ELEMENTOS CONSTITUYENTES DE LA EXTRUSORA. Una máquina de extrusión puede ser considerada como constituida de cinco partes  principales: El tornillo; el cilindro o cuerpo de la máquina, en el que va alojado el tornillo y que da origen a trabajo de fricción en el material; un mecanismo motor para comunicar al tornillo un movimiento de rotación; una tolva de alimentación de material situada al otro extremo del cilindro; y , finalmente la boquilla o matriz, situada al otro extremo del cilindro y que es la pieza que da forma al material extruido.

2.4.1.-LA TOLVA DE ALIMENTACION. Es el reservorio encargado de la alimentación de la resina a la extrusora. Aunque muy sencillo su diseño, este resulta de suma importancia; la tolva es el componente de la línea de extrusión de mayor simpleza pero no por esto su diseño debe menospreciarse. Generalmente, el volumen de la tolva debe ser proporcional a la capacidad de producción de la extrusora garantizando en todo momento una alimentación constante.

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2.4.2.- EL TORNILLO DE EXTRUSION. El tornillo tiene como misión transportar, fundir, levantar presión y homogenizar la masa fundida. Es decir, es el encargado de entregar el polímero fundido al cabezal con la presión necesaria para lograr que este fluya a través de él. Hay una serie de condiciones que deben cumplir todos los husillos, y por ende todas las extrusoras: 

Permitir un transporte constante sin grandes pulsaciones.



Producir una masa fundida térmica y mecánicamente homogénea.



Permitir la transformación del material por debajo de su límite de degradación térmica, química y mecánica.

La homogenización de la masa fundida en extrusión se debe entender como la dispersión de aglomerados, es decir, fusión final de las partículas de sólido, distribución y mezcla homogénea de los componentes tales como, pigmentos aditivos, etc., y la unificación de la temperatura del extruido.

El husillo comprende las siguientes zonas:

Esquema de un tornillo simple de extrusión.

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2.4.2.1.- REQUERIMIENTOS DE LA ZONA DE TRANSPORTE. Buscando maximizar la alimentación de resina a la extrusora y con ello su productividad, el diseño de los tornillos de extrusión presenta en la zona de transporte la mayor  profundidad de canal (mayor volumen). Uno de los requerimientos más importantes que debe satisfacer todo tornillo en la zona de alimentación o transporte es tener una superficie sumamente lisa e incluso pulida de ser necesario, pues de esta manera se favorece la adhesión de la resina a la superficie del barril o cilindro de la extrusora y no al tornillo, permitiendo así un transporte de resina más eficiente.

2.4.2.2 REQUERIMIENTOS DE LA ZONA DE FUSION. El inicio de la fusión evidencia el paso de la resina a la segunda zona del tornillo de extrusión (zona de fusión). Debido a que durante la fusión del material se produce un incremento de su densidad aparente, (producto de la reducción de los intersticios entre  partículas sólidas presentes), en la zona de fusión el tornillo presenta una progresiva reducción del canal (menor volumen), ver (figura 2.2). Generalmente el inicio de la fusión ocurre a poca distancia de la tolva y se extiende hasta aproximadamente el 50-60% de la longitud de la extrusora. El proceso de fusión de resina no está totalmente entendido; existen varias teorías que tratan de explicar su evolución. La teoría más aceptada es el “modelo plastificante de Tadmor”.

En forma muy resumida, el modelo de Tadmor explica el proceso de fusión del polímero en una extrusora del modo siguiente: Dado que la mayor generación de calor en el proceso se origina en la interfaces barril-lecho de polímero sólido, las primeras trazas de fundido tienden aparecer en la cercanía del barril. Producto de su mayor movilidad, este material fundido, busca llenar los intersticios presentes en la resina sólida, solidificándose nuevamente en su trayectoria. La migración de material fundido hacia los intersticios hace que el material sólido constantemente se encuentre expuesto a la pared del barril,  propiciando así la formación de un ciclo: Sólido-fundido-sólido. Este no logra mantenerse en equilibrio durante un largo tiempo por causa del aumento de temperatura generada por la fricción, ello hace que finalmente se origine una pequeña película de fundido que queda, de modo permanente en la parte superior del canal, cubriendo la interface barril-lecho sólido. Esta película de fundido crece en espesor y, una vez alcanzada una altura mayor 15

que la claridad entre el filete y el barril, comienza la formación de un depósito de fundido ubicado entre el lecho sólido y el flanco activo del filete. Esta situación se muestra en la figura.

Modelo plastificante de Tadmor. Resulta difícil establecer con precisión donde se inicia la fusión, ya que rara vez coincide con el sitio donde se alcanza la temperatura de fusión del polímero en el barril. A medida que el polímero avanza dentro del tornillo, el lecho sólido se reduce hasta finalmente  perder su integridad desapareciendo en el lecho de fundido. En una extrusora bien operada, se desea que la zona de fusión sea lo más corta posible. Ello reducirá el consumo de energía, permitirá un buen mezclado, y evitara la presencia de sólidos en la boquilla, entre otros beneficios. La longitud de plastificación depende de tres factores: El diseño geométrico del tornillo, las propiedades del material y las condiciones de operación. Una vez que la masa del polímero se encuentra 100% en estado líquido o fundido, pasa a la zona de dosificación o bombeo.

2.4.2.3.- REQUERIMIENTOS DE LA ZONA DE DOSIFICACION. El diseño del tornillo en la zona de bombeo debe garantizar además de un buen mezclado, la generación de la presión necesaria para que la masa líquida de polímero pueda atravesar las restricciones del cabezal y la boquilla, a una velocidad constante. Generalmente la zona de dosificación o bombeo tiene un volumen de canal constante.

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El conocimiento en detalle de las características geométricas del tornillo utilizado, hace  posible un mayor dominio de la técnica logrando con ello efectividad en el proceso; por tal razón resulta importante conocer los principales parámetros empleados en la caracterización geométrica de cualquier tornillo de extrusión.

Parámetros empleados para la descripción general de la geometría de un tornillo de extrusión. D: Diámetro. L: Longitud del tornillo. P: Paso o ancho de canal. e: Ancho del filete. He: Altura del canal en la zona de transporte. Ha: Altura del canal en la zona de dosificación. Otro parámetro geométrico de suma importancia es la tolerancia entre el tornillo y el cilindro de la extrusora. En el procedimiento de termoplásticos, es usual conseguir tolerancias tornillo-cilindro comprendidas entre

0.10 a 0.30 mm  de radio. Tolerancias

inferiores a este límite (0.10) podrían producir un elevado consumo eléctrico por parte del motor, mientras que tolerancias mayores a este límite (0.30) podrían originar mayor tiempo de residencia de la resina y con ello causar su degradación.

2.4.3.- CAUDAL DE EXTRUSION. De forma simplificada el caudal extruido por el equipo es el resultante de la adición de tres términos: QTOTAL



QARRASTRE



QPRESION



QPERDIDA

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El caudal de arrastre (Q  arrastre) es el resultante del movimiento relativo de la superficie del tornillo con respecto a la del cilindro de la extrusora. El término del flujo por arrastre es dependiente de la velocidad de giro del tornillo, su geometría y los coeficientes de fricción: Polímero-tornillo, polímero-polímero y polímero-cilindro.

Esquema simplificado de los perfiles de flujo por arrastre y presión. 1. Estado de flujo inicial. 2. Flujo por arrastre. 3. Flujo por presión. 4. Flujo por arrastre y presión. 5. Flujo de retroceso. Una de las manifestaciones más evidentes del efecto caudal de arrastre se presenta en la zona de alimentación del tornillo.

El flujo por presión (Q  presión) es el caudal teórico de retorno, o pérdida, originado por la  presencia de restricciones que se oponen al flujo, existentes en el tornillo: El cabezal y  boquilla, dadas por geometría y la viscosidad de la masa polimérica.

El flujo de retroceso (Q  retroceso) es el resultante de la “perdida” de la eficiencia de bombeo de la extrusora por la tolerancia entre el filete del tornillo y la pared del cilindro. El término de flujo en retroceso depende de la magnitud de la tolerancia entre el tornillo y el cilindro, de la caída de presión en la extrusora y de la viscosidad del polímero. Aunque el termino de flujo en retroceso disminuye el caudal extruido, mermando la  productividad de la línea, contribuye con el mezclado tanto distributivo (homogenización) como el dispersivo (reducción de tamaño de partícula de sustancias poliméricas y no  poliméricas). Tal compromiso resulta controlado a través del tamaño de la tolerancia entre el tornillo y el cilindro.

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2.4.4.- CILINDRO O CAMARA DE EXTRUSION. El barril o exterior de la extrusora es un cilindro metálico que conforma, junto con el tornillo de extrusión, la cámara de fusión y de bombeo de la extrusora. En pocas palabras es la carcasa que envuelve al tornillo. El cilindro proporciona una de las superficies necesarias para friccionar el material plástico y al mismo tiempo, la superficie a través de la cual se transmite al polímero el calor suministrado por los elementos de calefacción externos. Actualmente se construyen los cilindros de las máquinas de extrusión con una relación de longitud a diámetro L/D entre 20 y 24; para relaciones mayores de 24 se presentan problemas ingenieriles de construcción, debido a la torsión del tornillo cuando funciona a un gran número de revoluciones (rpm). La longitud del cilindro se considera desde el plato rompedor hasta la parte posterior de la garganta de alimentación, y el diámetro considerado es el diámetro interno del cilindro. Tanto el tornillo como el cilindro requieren estar construidos con materiales de gran duración, es decir, en el diseño de todo cilindro de extrusión se busca: 

Máxima durabilidad al desgaste.



Alta resistencia de calor.



Mínimo cambio dimensional con la temperatura.



Buena resistencia frente a la abrasión causada por fibras y cargas minerales que  pueden estar presentes con el material termoplástico.

En la fabricación de cilindros de extrusión tales exigencias logran ser cubiertas utilizando materiales tales como: Xaloy 101 (para extrusoras de propósito general, procesamiento de PEAD y PEBD), Xaloy 800 (para el procesamiento de PELBD), ó Xaloy 306 (para  productos corrosivos, como los polímeros ácidos). Por todas estas razones cada vez es más frecuente encamisar los cilindros con aleaciones “bimetálicas”.

2.4.5.- SISTEMA DE CALEFACCION El cilindro por lo general posee sistemas de transferencia de calor. El calentamiento del cilindro se realiza casi y exclusivamente por resistencias eléctricas, las mismas que pueden ser circulares localizadas en toda la longitud como se muestra en la figura, y también

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aunque menos usual, mediante radiación o encamisado con fluidos refrigerantes o calefactores.

El cilindro suele dividirse en varias zonas de calefacción, al menos tres, con control independiente de cada una de ellas, lo que permite conseguir una gradiente de temperatura razonable desde la tolva hasta la boquilla. El cilindro debe refrigerarse por generación interna de calor originada por la cizalladora que se somete al plástico ya que Rabasa la temperatura nominal del proceso (lo que ocurre normalmente). El enfriamiento en la menor parte de las ocasiones se hace por medio de un líquido, ya que aunque tenga una mayor capacidad para eliminar el calor que el aire, la temperatura es más difícil de controlar. Los ventiladores entran en operación cuando la temperatura de la zona supera el punto prefijado. Hay que tener en cuenta que los sensores de control de temperatura quedan situados en el cilindro, por lo que la temperatura del material será siempre superior a la que indican los controles, por efecto de: 

La transferencia excesiva de calor por parte de la resistencia (por ejemplo: durante el arranque de la maquina)



La generación excesiva de calor por parte de los elementos de mezclado presentes en el husillo de la extrusora.

La temperatura de extrusión solo puede ser controlada de manera precisa mediante la acción combinada de las bandas de calefacción eléctrica y los ventiladores de cada zona. Tiene mucha importancia en el trabajo de una extrusora la medida de la holgura entre la cresta y el filete del husillo y la superficie interior del cilindro. Cuando la holgura es grande, el material se mezcla con mayor efectividad, pero disminuye el avance del mismo  por aumentar el flujo inverso del material. Generalmente suele emplearse husillos de diámetro constante, manteniendo una holgura entre el husillo y el cilindro de 0.002D

20

2.4.6.- VENTILADORES CENTRIFUGOS. Los ventiladores centrífugos son los principales constituyentes del sistema de enfriamiento;  por las presiones que se manejan se clasifican en ventiladores de baja presión (hasta una  presión efectiva de 200 mmH 2O), mediana presión (de 200 a 800 mmH 2O) y alta presión (800 a 2500 mmH2O).

2.4.7.- EL CABEZAL DE LA EXTRUSION. El cabezal de la extrusora es la pieza situada entre el cilindro y la boquilla conformadora. El cabezal se puede quitar y poner en la máquina con gran facilidad, lo que permite la sustitución o reparación del plato rompedor. Para esto el cabezal se une directamente al cilindro bien por medio de tornillos y tuercas, bien con pernos, charnelas, etc. En la figura se presenta un montaje con mordazas y dos  pernos de sujeción:

 Fijación del cabezal con mordazas.

2.4.8.- PLATO ROMPEDOR Y FILTROS. El plato rompedor es el primer elemento del cabezal destinado a romper con el patrón de flujo en espiral que el tornillo imparte; mientras que la función de los filtros es la de eliminar del material extruido, partículas y/o grumos provenientes de impurezas, carbonización, pigmentos y/o aditivos, etc. El plato rompedor está construido por un robusto anillo de acero que rodea un plato grueso del mismo material, cuyo plato va taladrado por una serie de orificios equidistantes entre sí; el diámetro de estos orificios varía de 3 a5 mm, según el tamaño de la máquina, y sus extremos suelen estar abocardados  para facilitar al máximo el flujo de material fundido a través de dichos orificios.

21

Colocación del plato rompedor.

Por otro lado, las mallas deben ser fabricadas con acero inoxidable, ya que las compuestas con cobre o bronce tienen un efecto catalítico sobre las reacciones termoxidativas.

2.4.9.-EL TORPEDO. Algunos cabezales de extrusión suelen presentar en el ducto de acople entre la extrusora y el cabezal, un elemento que contribuye con la función del plato rompedor (modificar el patrón de flujo en

espiral a unolongitudinal) . Por su geometría, a este dispositivo se le suele denominar torpedo.

 Esquema del torpedo de un cabezal de extrusión.

2.4.10.- LA BOQUILLA O DADO DE EXTRUSION. La boquilla de extrusión es el componente del cabezal encargado de la conformación final del extruido. Se debe velar por el que el polímero fluya, con volumen y velocidad de flujo uniforme, alrededor de toda la circunferencia de la boquilla, de manera de lograr espesores uniformes.

22

Los diseños actuales de boquillas presentan dos secciones claramente definidas. La primera de estas secciones es conocida como: cámara de relajación; mientras que la segunda puede ser llamada cámara de salida. La cámara de relajación de la boquilla tiene como propósito producir la desaceleración del material e incrementar el tiempo de residencia en la boquilla de manera tal que el polímero relaje los esfuerzos impartidos por el paso a través de los paquetes de filtros y el plato rompedor. La cámara de descarga  produce el formado del perfil deseado con las dimensiones requeridas.

Sección de una boquilla anular.

Los parámetros básicos para la especificación de una boquilla son. El diámetro y la abertura de la salida.

2.4.11.-ELEMENTOS DE CONTROL. Puesto que el proceso de extrusión es un tratamiento térmico y mecánico a que se somete el material, se necesita por lo menos dos instrumentos para el control del funcionamiento de la extrusora; uno  para medir y controlar la temperatura y otro para controlar las revoluciones del tornillo. Además se  precisara un amperímetro para medir la potencia consumida por el motor y un manómetro para medir la presión del polímero fundido en el cabezal. Hay, pues, cuatro instrumentos básicos, que permiten conocer el estado del material que sale por la boquilla, que en definitiva es lo que se trata de controlar; estos cuatro instrumentos son: a. Un pirómetro para medir la temperatura del polímero fundido que entra a la boquilla.  b. Un amperímetro situado en el circuito del motor. c. Un manómetro situado en la boquilla o más próximo posible a ésta. d. Un tacómetro para medir las revoluciones del tornillo. 23

La lectura de estos instrumentos y su adecuada interpretación pueden dar una visión muy aproximada de cómo está funcionando la extrusora.

2.4.12.-OTROS ELEMENTOS MECANICOS DE LA EXTRUSORA . La extrusora de tornillo está constituida por otros elementos mecánicos necesarios para hacer girar el tornillo. Estos componentes mecánicos importantes en la extrusora son: El sistema y cojinetes de apoyo que soportan el empuje axial del tornillo hacia detrás y el sistema motriz constituido por el motor, la transmisión y el reductor de velocidad.

2.4.13.-EL MOTOR DE ACCIONAMIENTO. El motor de accionamiento de la extrusora es el componente del equipo responsable de suministrar la energía necesaria para producir la alimentación de la resina, su transporte y el bombeo a través del cabezal y la boquilla. Los motores incorporados en las líneas de extrusión son eléctricos y operan con voltajes de 380 y 440 V. Se recomienda que la potencia de diseño sea de 1 HP por cada 10 a 15 lb/h. La velocidad alcanzada por los motores resulta más elevada que la requerida por el tornillo, es necesario emplear un reductor de velocidades.

2.4.14.-REDUCTOR DE VELOCIDAD.  Normalmente, en las extrusoras de un solo tornillo, éste gira a velocidades entre 10 y 120 r.p.m. La misión del reductor es transmitir al tornillo la potencia del motor y disminuir la velocidad de rotación. La potencia se debe transmitir uniforme y eficazmente para que el tornillo gire suavemente y se utilice la máxima potencia posible. El tipo de reductor utilizado depende del tamaño del extrusor y de la potencia que debe transmitirse. Hay varios tipos de reductores en uso: 1. De engranajes en cola de pescado. 2. De engranajes helicoidales. 3. De tornillo sin fin. 4. De engranajes con dientes rectos. Los engranajes helicoidales se pueden encontrar en extrusoras de 60 hasta 120 mm., pero las extrusoras de mayor tamaño llevan normalmente reductores con engranajes de cola de pescado.

24

Generalmente el reductor de velocidad tiene un coeficiente de trabajo de 1.25, esto significa que el reductor puede soportar hasta 125% de la potencia total proporcionada por el motor a una velocidad determinada. No es normal usar mayores coeficientes de trabajo porque esto significa elementos de mayor tamaño y, desde luego, de mayor coste. Otros factores que determinan la elección de un reductor de velocidad son el espacio disponible, el coste inicial, la facilidad de mantenimiento, el nivel de ruidos que produce y su facilidad de reposición.

2.4.15.-VELOCIDAD DE ROTACION DEL HUSILLO . La velocidad de rotación del husillo y el correspondiente par motriz, determinan la capacidad de  plastificación de la máquina (en kg/h), pero pueden influir también la homogeneidad y la uniformidad de la temperatura del material fundido contenido en el cilindro. El aumento de la velocidad de rotación (r.p.m) del husillo (y por lo tanto su velocidad periférica) hace incrementar la cantidad de calor generado por la fricción. En la actualidad es más significativo y exacto considerar la velocidad periférica del husillo (expresada en metros por segundo), por esta es una función del diámetro y del número de revoluciones por minuto. Los datos siguientes corresponden a velocidades periféricas del husillo para la plastificación de varios materiales, sujetos a las variaciones que la experiencia determine. 

Materiales muy fluidos. 0.6 a 1.2 m/s.



Materiales con fluidez media: 0.3 a 0.6 m/s.



Materiales termofijos o elastómeros: 0.1 a 0.3 m/s.

25

CAPÍTULO I I I

I NGENI E RI A DE L PROYECTO

3.1.- MADERA PLASTICA Los materiales de madera y plástico (WPC: del inglés Wood Plastic Composite) son materiales formados básicamente de dos fases, una plástica continua denominada matriz (incluye PE, PP, PVC, PET, etc.) y otra de refuerzo o relleno constituida de fibra o polvo de madera. Además de fibras de madera y plástico, el WPC también puede contener otros materiales de relleno (ligno-celulosico y/o inorgánico). Los WPC son un subconjunto de una categoría más amplia de materiales llamados compuestos plásticos de fibras naturales, que  pueden contener también rellenos a base de fibras, tales como fibras de celulosas, cascara de maní, bambú, paja, chala de arroz, cascara de café, etc.

3.1.1.- COMPOSICIÓN Las fibras de madera se distribuyen de forma aleatoria dentro de la matriz de materiales  plásticos. El porcentaje de fibras de madera varía en función del producto, desde un 70% e incluso porcentaje mayores, hasta llegar a los productos de plástico reciclados que no contienen fibras de madera.

26

 Materiales plásticos: Se pueden utilizar

los termoplásticos (que se reblandecen cuando se

les aplica calor) o los termo-endurecibles (que no se reblandecen con calor una vez que han fraguado). Dentro del grupo de los termoplásticos se encuentran los polietilenos y polipropilenos que se utilizan en multitud de aplicaciones no estructurales, como botellas o contenedores; y en

el grupo de los termo-endurecibles las resinas estructurales de poliéster y epoxi. Los residuos plásticos se pueden reforzar o aumentar de tamaño con fibras naturales, fibras de vidrio y otros materiales como el caucho.  Madera: El porcentaje de madera, tanto en forma de polvo como de fibras cortas

(inferiores a 5 mm), varía normalmente desde el 50 hasta el 80 %. La harina de madera se utiliza para dar cuerpo al producto, pero tiene una misión diferente al de las cargas que se utilizan en los adhesivos ya que en este caso su misión es de armado. Se desaconseja la utilización de polvo de madera o de otros materiales por el riesgo de explosión. Aditivos: Los aditivos más frecuentes son los lubricantes, retardadores del fuego,  productos que mejoran a unión madera plástico, estabilizadores de rayos ultravioleta,  pigmentos, etc. La mezcla de materias primas se realiza por lotes o por procesos continuos y se fuerza su  paso por una laminadora o por una extrusora o para inyectarse en los moldes correspondientes. La gran mayoría de los productos de madera y plástico son perfiles extruidos, macizos o huecos.

3.1.2.- PROPIEDADES Y CARACTERISTICAS Las propiedades a evaluar dependen de su uso en exterior o en interior, pero todavía no existe norma de especificaciones, aunque hay un primer borrador de las normas de ensayo  para comprobar las siguientes propiedades: Físicas: densidad, contenido de humedad, etc. Mecánicas: resistencia al impacto, tracción, etc. Durabilidad: envejecimiento artificial, hinchazón y absorción, etc. Térmicas: dilatación lineal, conductividad térmica, acción del calor. Fuego: límite de oxígeno, reacción al fuego.

27

3.1.2.1.- PROPIEDADES MECÁNICAS Los productos de madera-plástico son menos rígidos que la madera, su resistencia también es menor, se deforman cuando están sometidos a cargas, se reblandecen bajo la acción del calor y son quebradizos a bajas temperaturas. Sus resistencias a la tracción y a la compresión son similares a la de la madera de coníferas, pero en la mayoría de las aplicaciones estas propiedades no son relevantes. En aquellas aplicaciones que requieran unas mayores rigideces, como por ejemplo en los suelos de terrazas exteriores, la solución es aumentar su sección transversal o su espesor o reducir la distancia entre apoyos.

3.1.2.2.- ESTABILIDAD DIMENSIONAL Aunque no se producen alabeos y la absorción de humedad es inferior a la de la madera maciza, en cualquier caso es necesario dejar juntas para absorber los cambios dimensionales originados por sus mayores coeficientes de dilatación (parecidos a los del aluminio).

3.1.2.3.- DURABILIDAD Y ENVEJECIMIENTO La acción del sol tiende a oscurecerla motivo por el cual suele ser de color gris claro. Tiene elevadas resistencias frente al ataque de hongos, insectos xilófagos de ciclo larvario, termitas y xilófagos marinos. Algunos productos incorporan protectores para prevenir la aparición de mohos y el crecimiento de hongos aunque en los primeros prototipos para suelos se producían pudriciones cubicas, pudriciones blandas, fendas, deshilachados y meteorizaciones. Posteriormente se perfeccionaron los productos en este sentido.

3.1.2.4.- OTRAS PROPIEDADES 

Su resistencia al deslizamiento es mayor que la de la madera natural.



En ocasiones se pueden producir descargas de electricidad estática.



Se pueden reciclar.



Están considerados como productos compuestos ecológicos.



Son más caros que la madera natural y tratada, pero al considerar su ciclo de vida y su ausencia de mantenimiento su coste final saldría mejorado.

28

3.1.3.- PRODUCCIÓN Los WPC son producidos mezclando completamente partículas de madera y de resina termoplástica calentada. El método más común de producción es extruir el material en la forma deseada, aunque también se utiliza moldeo por inyección. El WPC puede ser  producido a partir de termoplásticos vírgenes o reciclados, incluyendo HDPE, LDPE, PVC, PP, ABS, PS y PLA. El WPC a base de polietileno es, por mucho, el más común. Aditivos tales como colorantes, agentes de acoplamiento, estabilizadores de UV, agentes de soplado, agentes espumantes, y lubricantes ayudan a adaptar el producto final al objetivo de aplicación. Los WPC extruidos se pueden formar en perfiles macizos y huecos. Una gran variedad de piezas moldeadas por inyección también se producen, desde paneles de puerta de automóvil hasta cubiertas del teléfono celular. En algunas instalaciones de fabricación, los componentes se combinan y se procesan en una extrusora de peletización, que produce gránulos del material. Los pellets se vuelven a fundir y se conforman en la forma final.

3.1.3.1.- EXTRUSIÓN La extrusión de estos compuestos es la técnica más utilizada para fabricar perfiles de este material, pero también es utilizada para realizar el compuesto, esto sucede por medio de una mezcla física, que en combinación con agentes de acoplamiento puede formar algunos enlaces químicos o formar emulsiones de forma que el material sea estable y  posteriormente pueda ser inyectado o moldeado por compresión. La extrusión de los compuestos de madera y plástico presenta algunos desafíos tecnológicos respecto de la extrusión tradicional. El primer problema presente es la alimentación del material en la tolva, el polvo de madera y gránulos de material plástico son alimentados en la tolva, sin embargo el polvo fino de madera tiende a conglomerarse en la boca de la tolva, que por acción del calor y de la humedad se pega y no entra al cañón y no tiene contacto con el husillo. La extrusión puede ocurrir en un equipo de: Doble husillo y Husillo sencillo El material debe ser secado previamente a la inyección y preferentemente dosificado por robots, para asegurar la homogeneidad durante la extrusión.

29

La rapidez con que el husillo gira determina la tasa de material extruido por minuto, sin embargo debe tomarse en cuenta que esta tasa puede tener un máximo y una rapidez mayor solo consumiría más energía sin proveer beneficios en la cantidad de material por unidad de tiempo. La tasa de material extruido por minuto puede incrementarse con agentes de flujo, agentes de acoplamiento y espumantes.

3.1.3.2.- INYECCIÓN La inyección de compuestos de madera y plástico obedece en general la misma técnica utilizada en el moldeo por inyección, sin embargo es necesario tomar en cuenta algunos  puntos técnicos importantes como lo es la temperatura de degradación del compuesto, pues temperaturas mayores de 205°C pueden causar problemas de degradación y temperaturas demasiado bajas impedirían una mezcla adecuada de los materiales. La temperatura del molde puede mantenerse un poco más elevada que en la inyección tradicional debido a que la madera en el compuesto permite una estabilidad dimensional mejor que el polímero solo, por ello un enfriamiento menos intensivo resulta en un ahorro de tiempo y costos. El flujo del compuesto en la cavidad del molde ocurre con mayor rapidez cuando la temperatura del molde es alta.

3.1.3.3.- MOLDEO POR COMPRESIÓN El moldeo por compresión es el método más difundido para la producción de compuestos de madera y plástico, múltiples piezas automotrices internas (piezas que no están expuestas a la vista tanto en interiores como exteriores del automóvil) son hechas de este compuesto y moldeadas por compresión, en esta técnica son utilizadas comúnmente fibras naturales (como jute o henequén) además de la harina de madera.

3.1.4.- MECANIZADO Se pueden emplear las mismas maquinas que se utilizan para trabajar la madera. No  presenta problemas en el clavado y atornillado. Los productos que contienen pocas fibras  pueden soldarse entre sí. Algunos tipos de productos pueden pintarse, barnizarse o sellarse

30

con silicona o productos acrílicos. Los perfiles extruidos se obtienen en una sola operación y no requieren ni pueden hacérseles mecanizaciones posteriores.

3.1.5.- VENTAJAS Y DESVENTAJAS Los WPC no se corroen y son muy resistentes a la putrefacción, decaimiento, y el ataque del agua salada de mar, a pesar de que absorben el agua en las fibras de madera incrustadas en el material. Presentan facilidad en el mecanizado y puede ser formado usando herramientas convencionales de carpintería. Los WPC se consideran a menudo un material sostenible, ya que se pueden hacer usando  plásticos reciclados y los productos de desecho de la industria de la madera. Aunque estos materiales continúan la vida útil de los materiales utilizados y desechados, y tienen su  propia vida media considerable, los compuestos de madera-plástico son difíciles de reciclar de nuevo después de su uso. Una ventaja más sobre la madera es la capacidad del material para ser moldeado para satisfacer casi cualquier forma deseada. Otro punto de ventaja importante de estos materiales es su falta de necesidad de pintura. Se fabrican en una variedad de colores. A pesar de tener hasta 70 % de contenido de celulosa (aunque 50/50 es más común), el comportamiento mecánico del WPC es más similar a  polímeros puros. Esto significa que tienen una menor resistencia y rigidez que la madera, y que experimentan un comportamiento dependiente del tiempo y de la temperatura. Las  partículas de madera son susceptibles al ataque de hongos, aunque no tanto como la madera maciza, y el componente de polímero es vulnerable a los la degradación UV. Es  posible que la resistencia y la rigidez se puedan reducir por la absorción de humedad y ciclos de congelación descongelación, aunque las pruebas se siguen llevando a cabo en este aspecto. Algunas formulaciones de WPC son también sensibles a las manchas de una variedad de agentes.

31

3.2- CAPACIDAD PROYECTADA DE LA MÁQUINA Para empezar con el diseño, cabe dimensionar la capacidad de producción para la máquina, se parte de la idea de construir una maquina destinada hacia una empresa pequeña, se  puede asumir que la capacidad óptima para la extrusora será de 640 kg/día (por una  jornada de trabajo de 8 horas día). Con tal capacidad se llega a utilizar +16 Tm/mes de PET, cantidad que existe para reciclar en las principales ciudades del país e incluso en mayores cantidades, según el diagnóstico del funcionamiento de la actividad de segregación y plan de agrupación de residuos sólidos reciclables en la ciudad del alto.

3.3.- PRINCIPALES PROPIEDADES DE LA MADERA Y DISEÑO DE EXPERIMENTOS Las propiedades físicas y mecánicas de la madera plástica son de acuerdo al fabricante que controla la síntesis y procesamiento para cumplir las características requeridas, que pueden variar en función de los tipos de los compuestos empleados y al grado de degradación de los mismos. Se puede obtener madera plástica con diferentes características fiscas como, superficies lisas, regulares y de diferentes que pueden ser clavados, atornillados, taladrados, grapados,  pegados o soldados. Se podrían fabricar en diferentes colores, como se pueden pintar o lacar en tonos distintos. La resistencia sin duda es una de las principales ventajas, por ello los elementos fabricados a partir del plástico reciclado tienen grandes cualidades que le permiten reemplazar a la madera, por ser estéril, imperecedero, aislante, insensible al agua y a la humedad, a los agentes químicos, rayos UV, organismos vivos como las bacterias o los insectos, además, resulta muy fácil de lavar y desinfectar.

Propiedades físicas de la madera plástica Peso específico: 0.90 a 0.96 g/cm³

Propiedades térmicas de la madera plástica Máxima temperatura de servicio: 75ºC Punto de reblandecimiento: 130ºC Máxima resistencia a baja temperatura: -75ºC 32

Propiedades mecánicas de la madera plástica Dureza: shore D 63; rockwell 49 Esfuerzo a tensión: 232.013 kgf/cm² Elongación para ruptura: 800% Módulo de flexión: 8788.36 kgf/cm²

EXPERIMENTOS: Primeramente, el planteamiento del diseño se hizo con base a: 1. Tipo de matriz polimérica a utilizarse a lo largo del diseño (Polietileno-tereftalato PET). 2. Porcentajes de aserrín, con base a la bibliografía, en cada una de las corridas. 3. La posible presencia de otro tipo de resinas poliméricas como son el polietileno de alta densidad (HDPE) y el polipropileno (PP) Por otro lado, se realizó un total de 18 mezclas, en donde se fue variando la cantidad de aserrín en el compósito, en donde se empezó con la corrida con puro PET post consumo, después se le fue agregando cantidades diferentes de aserrín, al 5%, 10%, 30% y 40%. Después se hizo las mezclas de PET con el resto de las resinas presentes en un envase de  plástico post consumo, donde las resinas poliméricas fueron el polipropileno (PP) y el  polietileno de alta densidad (HDPE). La forma en la cual se agregaron dichos plásticos fue con base al porcentaje que existe en una botella de plástico de refresco, donde normalmente la tapadera está hecha a base de polipropileno, y la etiqueta, o en dado caso el envase, está hecho de polietileno de alta densidad. Por otro lado, las cantidades específicas de alrededor de 900 gramos de material, fue con  base a la alimentación y procesado de la máquina de mezclado (extrusor de doble tornillo).

33

Tabla 3.1: Especificación de experimentos propuestos  Nro. de muestra

1

PET + otros plásticos (%)

Aserrín (%)

Peso total

1

95% (1140 g)

5% (6g)

1200 g

2

95% (570 g)

5% (30g)

600 g

3

95% (1140 g) + HDPE

5% (6g)

1200 g

4

60% (375 g)

40% (250g)

625 g

5

70% (584 g)

30% (250g)

834 g

6

70% (560 g) + HDPE

30% (240g)

800 g

7

80% (640 g) + HPDE

20% (160g)

800 g

8

90% (720 g) + HPDE

10% (80g)

800 g

9

50% (400 g) + HDPE

50% (400g)

800 g

10

100% (800 g)

0%

800 g

11

PET 90% + HPDE 10%

0%

800 g

0%

800 g

(720 g) + (80g) 12

PET 90% + PP 10% (720 g) + (80g)

1Fuente:

13

95% (760g) + PP

5% (40g)

800 g

14

90% (720 g) + PP

10% (80g)

800 g

15

80% (640 g) + PP

20% (160g)

800 g

16

70% (5660 g) + PP

30% (240g)

800 g

17

60% (480 g) + PP

40% (320g)

800 g

18

50% (400 g) + PP

50% (400g)

800 g

Compósitos de Madera Plástica1; Luis Cervantes, Alberto Ortega, Rolando Garza; 5 de diciembre

de 2006. 34

3.3.1- PRUEBAS MECANICAS 3.3.1.1.- Elongación antes de ruptura Tabla 3.2: Datos de la elongación antes de la ruptura

2

Figura3.1: Grafico de elongación antes de la ruptura

2Fuente:

Compósitos de Madera Plástica1; Luis Cervantes, Alberto Ortega, Rolando Garza; 5 de diciembre

de 2006. 35

Se puede concluir con seguridad que las propiedades mecánicas de los compositos no siguen una tendencia lineal, respecto de la concentración de aserrín. Sin embargo, es apreciable que a determinados porcentajes, hay un notorio repunte de dicha propiedad.

3.3.1.2.- Módulo de tensión Tabla 3.3: Datos de obtención de módulo de tensión

3

Figura 3.2: Grafico de módulo de tensión

3Fuente:

Compósitos de Madera Plástica1; Luis Cervantes, Alberto Ortega, Rolando Garza; 5 de diciembre

de 2006. 36

Se puede apreciar que a concentraciones de aserrín intermedias, las propiedades de resistencia de las maderas plásticas no difieren tanto de los compositos puramente  plásticos. Habrá que tomar a consideración que estos materiales no fueron lavados, ni  purificados, en ningún momento; lo que deja a especular que es muy posible que las  propiedades de los materiales se vean mejoradas una vez que algún proceso de lavado del PET sea implementado.

3.4.- ANALISIS DE LAS ALTERNATIVAS En vista de que en nuestro medio no existen maquinas extrusoras de este tipo, ya que recientemente se está implementando la madera plástica en Bolivia, es muy poca la información, pero basándose en estudios y experimentos realizados en otros países, se  parte de los pocos modelos que se encuentran, basándose más que todo en las extrusoras de termoplásticos ya que existe un gran parecido entre este tipo de máquinas. Al proyectar extrusores plastificadores, el objetivo usual es determinar las dimensiones necesarias del extrusor para conseguir un procesamiento, logrando un máximo caudal, que  permita la obtención de un producto de alta calidad y cumpliendo con las normas internacionales, es en tal sentido que las extrusoras de un solo tornillo son las más utilizadas y mejor estudiadas.

3.5.- DIMENSIONES GENERALES Las dimensiones generales se proyectan de acuerdo a la capacidad de producción y el modo de operación que tiene la máquina, de acuerdo a estas dos particularidades se desarrolla los cálculos para verificar las dimensiones necesarias de los elementos de máquina, teniendo en cuenta siempre la ergonomía para facilitar y mejorar el trabajo del operario.

37

Figura3.3: Esquema general de extrusora mono-tornillo 1.- Tolva de alimentación

2.- Tornillo de extrusión

3.- Barril o cilindro

4.- Colectores de calefacción

5.- Ventiladores

6.- Colectores de refrigeración

7.- Motor

8.- Sistema de transmisión

9.- Cabezal de extrusión 3.6.- DISEÑO DETALLADO En vista de que la maquina extrusora tiene una serie de elementos que la componen, nos vemos en la necesidad de conjuntar piezas para designar a la maquina extrusora una serie de sistemas, como se detalla a continuación: Designación de conjuntos de piezas 

AL –  Sistema de alimentación



EX –  Sistema de plastificación (zona de transporte, fusión y dosificación)



PO –  Sistema de potencia o accionamiento



TR –  Sistema de transmisión



CA –  Sistema de calentamiento



CO –  Sistema de conformado



OP –  Sistema de operaciones



ES –  Estructura de soporte

38

3.7.- DISEÑO DEL SISTEMA DE ALIMENTACION La tolva de carga del material, tiene por finalidad el de contener una cierta cantidad de material, para que la extrusión sea lo más continua posible, tomando en cuenta siempre la capacidad máxima de extrusión. Donde la alimentación del material o materia prima, se realiza por efecto de gravedad de la tolva sobre la cámara del tornillo.

3.7.1.- LA TOLVA DE ALIMENTACION Aunque es muy sencillo su diseño, resulta de suma importancia, la tolva es el componente de la línea de extrusión de mayor simpleza pero no por esto su diseño debe menos preciarse. La fase de alimentación inapropiada puede ocasionar mermas en la  productividad de la línea, generadas por inestabilidad en el flujo. Generalmente el volumen de la tolva debe ser proporcional a la capacidad de producción de la extrusora garantizando en todo momento una alimentación fluida y constante.

3.7.2.- PARAMETROS DE DISEÑO La tolva es el punto de partida donde se inicia el proceso, es el elemento mecánico que recibe la materia prima y la almacena, para a su vez ser empleada en otra etapa del  proceso. Es vital dar comienzo al diseño ingenieril por el punto de partida inicial del proceso, ya que esto le puede asegurar el control y conocimiento de variables que van a ser esenciales en el diseño de elementos posteriores; en este caso, el estudio y diseño de la tolva da como resultado el cálculo de presiones, esfuerzos y momentos, causados por el peso del material y la geometría de la tolva, esto con el fin de determinar el material de construcción para la tolva, las dimensiones y espesor para su elaboración.

3.7.3.- DIMENSIONES DE LA TOLVA La tolva cumple con la necesidad de almacenar el material de una densidad aparente de 1340 kg/m³. Además el volumen que tendrá este elemento mecánico para la producción continua, será el necesario para almacenar en promedio 80kg de material. La tolva cumplirá con las condiciones de fácil montaje, económica y resistente. La densidad aparente del material es γ = 1340Kg/m³, y se sabe que el

volumen se describe

de la siguiente ecuación:

39

 γ =  ;→=  = 134080⁄ ; =0.0597  (3.1)4

Entonces:

Este es el volumen necesario para almacenar 80 kg del material.

Se escoge una geometría en forma piramidal truncada invertida, porque dados los requerimientos se ajusta más a las peticiones mencionadas, si es cierto que las tolvas cilíndricas son más eficientes que los tipos prismáticos en cuanto su flujo, estos son más frágiles, su elaboración más engorrosa y su costo más elevado, en comparación a uno  prismático para estos volúmenes. Para una pirámide truncada invertida, la ecuación de volumen almacenado esta descrita  por:

=  ∗      ∗

(3.2)5

Existe una regla practica que dice que la salida de la tolva debe tener el ancho equivalente del diámetro del tornillo y un largo de 1.5 a 2.0 veces del diámetro del tornillo. Partiendo de las dimensiones inferiores de la tolva, procedemos a asumir dimensiones  pensando que se dé un fácil traslado y montaje, pero que satisfaga el volumen requerido.

4 Fuente: 5 Fuente:

Robert L. Mott.; Mecánica de fluidos aplicada 4ta edición Áreas, perímetros y volúmenes de figuras y formas geométricas; http://ingemecanica.com/tutoriales/areas.html

40

Figura3.4: Tolva

Fuente: propia del autor Con las dimensiones establecidas de la tolva, se verifica si el volumen de almacenamiento almacenamiento es el requerido para la máquina. Si bien la tolva tiene la forma f orma una pirámide truncada invertida, hay que adicionar al volumen total, el volumen del paralelepípedo superior.

 =  ∗  ∗   = 0.250 ∗ 0.250∗0 ∗0.0.150  = 0.00937 093755  (3.3)6

Para encontrar el volumen de la pirámide truncada, es necesario primero determinar las áreas requeridas.

6Fuente:

Áreas, perímetros y volúmenes de figuras y formas geométricas; http://ingemecanica.com/tutoriales/areas.html

41

  =  ∗  ;  = 0.0.250 250∗∗ 0.0.250 250   =0.0625²   =  ∗  ;  =0.08∗0.12   =0.0096²  = ℎ3 ∗        ∗   = 0.325 ∗0.06250.0096√  096 √ 0.0.0625∗0.0096  =0.0080496³   =    ;  = 0.0.0093 00937575   0.0080496 080496³³  =0.0174246³

Como se observa con estas dimensiones asumidas, se está por debajo del volumen requerido, almacenara almacenara la ¼ parte de la producción que tiene la maquina en 1 hora, lo cual está dentro de un rango aceptable para que el operador solo cargue 4 veces en 1 hora para conseguir el máximo de producción de la máquina, m áquina, se adopta las dimensiones asumidas como óptimas para la tolva de la máquina.

3.7.4.- CALCULO DE PRESIONES EN LA TOLVA Para el cálculo de estas presiones se utiliza util iza como referencia los datos del material usados  para la elaboración elaboración de madera plástica, para este este diseño ya que que el mayor porcentaje porcentaje está constituido por el PET, se considera las propiedades mecánicas de este material.

42

Tabla 3.4: Propiedades Propiedades mecánicas

7

Tabla 3.5: Propiedades térmicas 8

Conociendo las propiedades del material, se procede a determinar la constante de Janssen



( ), para poder determinar los esfuerzos en las paredes de la tolva. Angulo de rozamiento

∅

: (27º - 38º)

∅ −∅   = +∅ tan∅ n 30 1si n 30  = 1si t a n 27 ;  =  1sin30 1sin30 tan38  =0.1698 ;  =0.2604

Angulo de rozamiento interno

: 30º

(3.4)9

7 Fuente:

Polymer Recycling, Recycling of PET. http://tecnologiadelosplasticos.blogspot.com/2011/05/proceso-dereciclaje-del-pet.html 8 Fuente: Polymer Recycling, Recycling of PET. http://tecnologiadelosplasticos.blogspot.com/2011/05/proceso-dereciclaje-del-pet.html 9 Fuente:

Sistemas Estructurales, (ITEA), instituto técnico de la estructura del acero, Tomo 19. 43

Presiones verticales:

∗ −∗ ∗ ∗    = ∗∗ ∗1  

(3.5)10

Conversión:

=1340  →13.14 ⁄³ .  ∗.  13. 1 4∗0. 2 025 −.  ∗.  ∗ ] .    = 1.8∗0.2∗0.2604 ∗[1  =6.38 ⁄²  = ∗  =0.2604∗6.38 ⁄²  =1.66 ⁄²

Presiones horizontales:

(3.6)11

Presiones normales:

En este caso la tolva tiene una sección rectangular, se toma las paredes de mayor área para efectos de cálculos.

10 Fuente: 11 Fuente:

Sistemas Estructurales, (ITEA), instituto técnico de la estructura del acero, Tomo 19. Sistemas Estructurales, (ITEA), instituto técnico de la estructura del acero, Tomo 19. 44

Figura3.5: Dimensiones de la Tolva

Fuente: propia del autor

 =       = 1.2 1.5 tan= 125 56° 250 ; →=26.  = 6.38∗1.226.56 1.526.56  =8.04 ⁄  =1. 2 ∗ ∗cos   =1.2∗6.38∗cos26.56  =6.12 ⁄ (3.7)12

(3.8)13

(3.9)14

12Fuente:

Sistemas Estructurales, (ITEA), instituto técnico de la estructura del acero, Tomo 19. Sistemas Estructurales, (ITEA), instituto técnico de la estructura del acero, Tomo 19. 14Fuente: Sistemas Estructurales, (ITEA), instituto técnico de la estructura del acero, Tomo 19. 13Fuente:

45

 =3∗ ∗∗∗√  1 4∗0. 2 604  =3∗ 0.2025∗13. 1.8∗ √ 0.2  =2.58 ⁄  =     ℎ  = 2.586.128.046.12 0.0.124080  = 13.68 ⁄ (3.10)15

3.7.5.- MATERIAL DE LA TOLVA

El material para la construcción de la tolva debe ser un material resistente, económico, accesible para dar fiabilidad en el proceso. El material seleccionado es una lámina HR (hotrolled)  –  ASTM –  A36 (Anexo 1), que consta con las cualidades de acuerdo a los esfuerzos últimos, resistencias y composición en general.

3.7.6.- ESPESOR DE LAS PAREDES DE LA TOLVA Para el cálculo del espesor de la lámina se hallan los momentos generados por el peso del material sobre las paredes, y junto a las características del acero seleccionado se calcula un espesor mínimo necesario para soportar dichas fuerzas.

Momento flector máximo; es necesario conocer el momento flector máximo al cual se ven sometidas las placas de la tolva, en este caso la placa mayor dimensión en donde se  presentara el mayor momento; el momento flector máximo está dado por la siguiente expresión:

15Fuente:

 =∗∗ ∗

(3.11)16

Sistemas Estructurales, (ITEA), instituto técnico de la estructura del acero, Tomo 19. Sistemas Estructurales, (ITEA), instituto técnico de la estructura del acero, Tomo 19.

16 Fuente:

46

Donde:

: 

 Son las dimensiones más corta y más larga de la pared de la tolva

respectivamente. P es a presión normal media Φ es la relación de lados tabulados experimentalmente

La expresión planteada anteriormente para la solución del momento flector máximo, está  basada en la aproximación idealizada de la lámina de la tolva en forma trapezoidal que la conforma, de esta manera se plantea una idealización rectangular de esta lámina.

Tabla 3.6: Presión normal media en las paredes de la tolva x; entre (0m:0,28m)

0,028 0,056 0,084 0,112 0,14 0,168 0,196 0,224 0,252 0,28

 presión normal KN/m²

16,134 15,52 14,91 14,3 13,68 13,07 12,46 11,85 11,23 10,62

 presión normal promedio 13,378

Fuente: propia del autor Figura3.6: Idealización de paredes trapezoidales.

Fuente: Sistemas Estructurales, (ITEA), instituto técnico de la estructura del acero, Tomo 19.

47

 = ++   =ℎ +−   2∗0. 4 5 2 ∗0. 1 52∗0. 4 5  = 30.150.45 ;  =0.6 .450.4515  ;  =0.5125  =0.55 0.4650.1050. (3.12)17

(3.13)18

Entonces:

Relación de los lados de las paredes de la tolva con bordes fijos.

Tabla 3.7: coeficiente de dimensiones de la chapa

19

Fuente: Sistemas Estructurales, (ITEA), instituto técnico de la estructura del acero, Tomo 19.

 =0.85        .  =0.0513∗13.37  ∗ 0.6 ∗0.5125  =0.1266 ∗

Se halla el momento:

Calculo del espesor; el cálculo del espesor de las láminas de la tolva estará dado por la lámina de mayor dimensión como ya se había mencionado, dado que los esfuerzos están condicionados por el área en que se aplica la fuerza, ahora de los datos anteriores conocemos el momento ejercido sobre las láminas del acero escogido para su construcción.

17Fuente:

Sistemas Estructurales, (ITEA), instituto técnico de la estructura del acero, Tomo 19. Sistemas Estructurales, (ITEA), instituto técnico de la estructura del acero, Tomo 19. 19Fuente: Sistemas Estructurales, (ITEA), instituto técnico de la estructura del acero, Tomo 19. 18Fuente:

48

El espesor está dado por la siguiente fórmula:

 = ∗

(3.14)20

Donde: e: es el espesor a calcular



 : Resistencia a la flexión del material.

Esta última resulta de la multiplicación de la resistencia a la tracción



(Anexo 1),

multiplicada por el factor de seguridad según considere el diseño. El factor de seguridad empleado para este análisis será de 1.5, debido a que el análisis está basado en el diseño descrito y trabajado por el ITAE, adicionalmente el análisis se elaboró con sistemas aproximado a las condiciones reales.

 =  ∗1.5  = 4080  ∗1.5 → 6120  6∗0.126∗ =  600166. 96 ⁄ 0.001122=1.122 (3.15)21

A este espesor se debe afectar el desgaste por abrasión, que se determina mediante un el siguiente gráfico.

20Fuente:

Tesis, Diseño y construcción de una ensacadora de cemento para bolsa valvulada; Carlos F. Tirado Duarte 21Fuente: Tesis, Diseño y construcción de una ensacadora de cemento para bolsa valvulada; Carlos F. Tirado Duarte

49

Figura3.6: Desgaste por fricción.

Se calculara el desgaste que se producirá a lo largo de los 20 años de vida, para poder contrarrestar la fricción que produce el material contra la pared de la tolva. Con la dureza brinell 200 HB y el recorrido del material en la chapa, se ve según la gráfica un desgaste aproximado.

´=0.70 

Para el espesor necesario de la chapa de la tolva se suma el espesor calculado por las  presiones del material, más el desgaste que se producirá por la fricción del material.

=´=1.822 

3.7.7.- SALIDA PRISMATICA O TRANSICION DE LA TOLVA Esta salida además de conformar una extensión de la tolva de almacenamiento, es la transición entre el almacenamiento y el transporte del material hacia la boquilla de salida. Este mecanismo se construirá con el mismo material de la tolva de almacenamiento, ya que sus dimensiones son pequeñas en comparación del anterior, y no sufrirá sobrepresiones. La construcción de esta, se con el fin de acopar una boquilla de dosificación para el ingreso al tornillo.

50

Figura3.7: Salida Prismática de la tolva

Fuente: propia del autor 3.8.- DISEÑO DEL SISTEMA DE PLASTIFICACION Para visualizar y comprender mejor el funcionamiento de un extrusor plastificador,  podemos considerar el siguiente esquema:

El comportamiento global de la maquina depende desde luego de como realiza estas funciones individuales y en principio puede determinarse analizando el comportamiento de estas tres zonas y conjuntando los resultados obtenidos.

51

3.8.1.- EL TORNILLO DE EXTRUSION Es el elemento mecánico responsable de las operaciones de: transporte, fusión y bombeo o dosificación de la resina. El tornillo de extrusión puede seccionarse de siguiente manera:

Figura3.8: Esquema de las zonas de un tornillo simple 3.8.1.1.- REQUERIMIENTOS DE LA ZONA DE TRANSPORTE Buscando maximizar la alimentación de resina a la extrusora y con ello su productividad, el diseño de los tornillos de extrusión presenta en la zona de transporte la mayor  profundidad de canal (mayor volumen).

Uno de los requerimientos más importantes que debe satisfacer todo tornillo en la zona de alimentación o transporte es tener una superficie sumamente lisa e incluso pulida de ser 52

necesario, pues de esta manera se favorece la adhesión de la resina a la superficie del barril o cilindro de la extrusora y no al tornillo, permitiendo así un transporte de resina más eficiente. Generalmente la zona de transporte tiene un volumen de canal constante.

3.8.1.2.- REQUERIMIENTOS DE LA ZONA DE FUSION El inicio de la fusión evidencia el paso de la resina a la segunda zona del tornillo de extrusión. Debía a q durante la fusión del material se produce un incremento de su densidad aparente (η), (producto de la reducción de los intersticios entre partículas sólidas

 presentes), en la zona de fusión el tornillo presenta una progresiva reducción del canal (menor volumen).

En una extrusora bien operada, se desea que la zona de fusión sea lo más corta posible. Ello reducirá el consumo de energía, permitirá un buen mezclado y evitara la presencia de sólidos en la boquilla, entre otros beneficios. La longitud de plastificación depende de tres factores: el diseño geométrico del tornillo, las propiedades del material y las condiciones de operación.

3.8.1.3.- REQUERIMIENTOS DE LA ZONA DE DOSIFICACION El diseño del tornillo en la zona de bombeo debe garantizar además de un buen mezclado, la generación de presión necesaria para que la masa líquida del polímero pueda atravesar las resistencias del cabezal y la boquilla, a una velocidad constante.

53

Generalmente la zona de dosificación o bombeo tiene un volumen de canal constante.

3.8.2.- CARACTERISTICAS GEOMETRICAS DEL TORNILLO El conocimiento en detalle de las características geométricas del tornillo utilizado, hace  posible un mayor dominio de la técnica logrando con ello efectividad en el proceso; por tal razón resulta importante conocer los principales parámetros empleados en la caracterización geométrica del tornillo de extrusión.

Figura3.9: Características geométricas de un tornillo extrusor

54

Tabla 3.8: Detalles de la geometría del husillo

22

DESCRIPCION

UNIDAD

NOMENCLATURA

VALOR

cm

Diámetro del tornillo

mm

D

80

8

Longitud total del tornillo

mm

20 a 30 D

1600

160

Paso del tornillo

mm

0,8 a 1,2 D

80

8

Angulo de hélice

grados

Φ

17,65

17,65

Ancho de filete

mm

0,06 a 0,1 D

6,4

0,64

mm

L / senoϕ

5277,017

527,7017

mm

0,12 a 0,16 D

9,6

0,96

mm

ℎ =0.5    4∗ℎ   ℎ

2,170911

0,217091

-

50

50

Longitud helicoidal del canal Profundidad del canal (z. alimentación) Profundidad del canal (z. dosificación) Velocidad de rotación, N

rpm

Holgura del filete, δ

mm

0,002 D

0,16

0,016

densidad

g/cm³

-

1,34

0,00134

Longitud de la zona de alimentación

cm

8D

64

Longitud de la zona de transición

cm

7D

56

Longitud de la zona de dosificación

cm

5D

40

Fuente: propia del autor Otro parámetro importante geométrico de suma importancia, es la tolerancia entre el tornillo y el cilindro de la extrusora. En el procedimiento de termoplásticos, es usual conseguir tolerancias tornillo-cilindro comprendidas entre 0.1 a 0.30mm, tolerancias inferiores entre este límite (≈0.1) podrían producir un elevado consumo eléctrico por parte del motor; mientras que las tolerancias mayores (≈0.30) podrían originar mayor tiempo de

residencia de la resina y con ello causar su degradación del material del plástico.

22Fuente:

Elaboración propia del autor y V. K, Savgorodny, transformación de plásticos, Editorial Gustavo

Gili, S.A. 55

3.8.3.- CALCULO DEL CAUDAL DE PRODUCCION El cálculo de caudal de producción de una extrusora suele ser complejo, en este se encuentran involucrados una serie de parámetros, algunos de los cuales son, actualmente indeterminables experimentalmente. En una extrusora simple de husillo el termoplástico atraviesa tres estados físicos: solido, conglomeración del material solido con la masa caliente y finalmente se transforma en masa fundida. En los husillos dosificadores, provistos de zona de alimentación, compresión y dosificación (extrusión), resulta más sencillo analizar la zona de dosificación puesto que, al flujo de material plastificado de esta zona se le puede aplicar las leyes hidrodinámicas para líquidos viscosos. Generalmente esta zona es la que se determina la producción de una extrusora de husillo. En la zona de dosificación existen tres flujos: el directo y el inverso, a lo largo del canal helicoidal del husillo, y el correspondiente a las fugas de la masa, que tienen lugar a través de los huelgos radiales existentes entre las crestas o vértices de los filetes del husillo y la superficie interior del cilindro. Este último flujo, comparado con los otros dos, resulta tan insignificante que en la mayoría de los casos se suele prescindir de él, al efectuar los cálculos de producción. La producción o caudal de la zona dosificadora es igual a la diferencia entre el flujo directo e inverso, sumando a este ultimo las fugas. El flujo directo comúnmente se denomina flujo forzado y el inverso flujo de presión. El  primero constituye un movimiento de arrastre, originado por el desplazamiento relativo del husillo respecto al cilindro. El material acumulado en el espacio anular formado por el núcleo del husillo y la superficie inferior del cilindro, es sometido a deformaciones de cizallamiento que las paredes del canal helicoidal transforman en movimiento de avance, es decir, flujo directo. El consumo o caudal volumétrico del flujo directo viene determinado fundamentalmente  por la profundidad y anchura del canal, diámetro del husillo y su velocidad de giro. El flujo inverso surge como resultado de la presión sobrante acumulada ante la cabeza extorsionadora, que obliga fluir a la masa en dirección contraria. Sin embargo, como el flujo directo es considerablemente mayor se observa solo la reducción de este en una

56

magnitud correspondiente al flujo inverso sin evidenciarse como es lógico, la corriente de material en sentido contrario. La magnitud de flujo inverso depende de la profundidad del canal helicoidal, diámetro del husillo, longitud de la zona de extrusión, presión ejercida por la masa sobre la cabeza extorsionadora y de la viscosidad de la masa.

Figura3.10: Comportamiento de los sentidos de flujo dentro del tornillo

23Fuente:

23

V. K, Savgorodny, transformación de plásticos, Editorial Gustavo Gili, S.A. 57

Figura3.11: Diferentes tipos de husillos

24

En la figura 8b se muestra un husillo universal de tres zonas exactamente definidas, cuyas longitudes corresponden a: alimentación 8D, compresión 7D y extrusión 5D.

24Fuente:

V. K, Savgorodny, transformación de plásticos, Editorial Gustavo Gili, S.A. 58

3.8.3.1.- CONSTANTE TOTAL DEL CABEZAL K Para determinar la constante K (coeficiente de la forma geométrica) el cabezal se divide convencionalmente en sucesivas zonas de diferente configuración, estableciendo para cada uno de estas zonas la constante K. 

Para malla filtrante

 = ∗∗∗

Donde:

(3.16)25

n: cantidad de orificios



 : Diámetro de los orificios de la malla

 b: espesor de la malla

Tabla 3.9: Detalles de constante de malla filtrante diámetro de orificios en la m.

5

mm

0,5

cm

número de orificios en la m.

74

-

74

-

espesor de la malla

20

mm

2

cm

malla filtrante

56,75728915

mm³

0,056757

cm³

Fuente: Propia del autor 

Para canal de rendija con sección rectangular y trapecial

 = ∗∗

Donde:

(3.17)26

 b: longitud de la rendija h: ancho de la rendija

25Fuente:

V. K, Savgorodny, transformación de plásticos, Editorial Gustavo Gili, S.A. V. K, Savgorodny, transformación de plásticos, Editorial Gustavo Gili, S.A.

26 Fuente:

59

Tabla 3.10: Detalles de constante de sección rectangular Longitud de la rendija rectg.

50

mm

5

cm

Anchura de la rendija rectg.

80

mm

8

cm

longitud del canal

100

mm

10

cm

21333,33333

mm³

21,33333

cm³

sección rectangular trapezoidal

Fuente: Propia del autor

 = ∗+∗

Donde:

ℎ ℎ

(3.18)27

 : Ancho de la rendija en la entrada  : Ancho de la rendija en la salida

Tabla 3.11: Detalles de constante de sección trapecial Longitud de la rendija trapzl.

120

mm

10

cm

ancho de entrada a la rendija .trapzl

100

mm

12

cm

ancho de salida a la rendija .trapzl

50

mm

5

cm

longitud del canal

100

mm

10

cm

sección rectangular trapezoidal

33333,33333

mm³

35,29412

cm³

Fuente: Propia del autor La constante común de la cabeza perfiladora se puede determinar como la suma de las resistencias experimentales en las diferentes zonas.

= ∑+∑+⋯+∑

constante del cabezal ( k )

27Fuente: 28Fuente:

(3.19)28 5,65E-02 cm³

V. K, Savgorodny, transformación de plásticos, Editorial Gustavo Gili, S.A. V. K, Savgorodny, transformación de plásticos, Editorial Gustavo Gili, S.A. 60

Por lo tanto, con este tipo de husillos, siendo K la constante de la cabeza perfiladora, la  producción de extrusora será:

++] ∗  [ = +[++]       =   ; = ∗

(3.20)29

2 64 1256 40 15791. 3 7∗cot 1 7. 6 5      0. 9 6∗0. 2 2 0. 9 6 0. 2 2 = 5.62.52 094 csc 17.65[0.6496  561.2∗0.1920.60.2225  0.4022] Tabla 3.12: Detalles del caudal de extrusión CALCULO DEL CAUDAL 1141,457974

cm³/min

91,77322109

kg/h

Fuente: Propia del autor 3.8.4.- PRESIONES DE LA MAQUINA DE EXTRUSION PARA PELETIZADO La presión en la máquina de extrusión se genera en la parte delantera del husillo cumpliendo un papel importante en el proceso y en el acabado del material, de igual manera es importante porque de ella se derivan diferentes cálculos para el diseño de la máquina. 

Presión máxima

Por el efecto de cálculos se toma Q=0, es decir que no hay flujo de arrastre.

 = ∗∗∗∗∗ ∗

(3.21)30

29Fuente:

V. K, Savgorodny, transformación de plásticos, Editorial Gustavo Gili, S.A.

30Fuente:

Norton –  Jones, procesamiento de plásticos, Limusa S.A. 61

Donde: D: diámetro del husillo L: longitud del husillo  N: rpm de husillo μ: viscosidad efectiva

La viscosidad efectiva se determina en función de la velocidad de cortadura por medio de diagramas, preparados para los diferentes materiales, en función de las temperaturas, ya que la viscosidad de los termoplásticos depende de este factor y del peso molecular, decreciendo al calentar el material y al disminuir su peso molecular.

Figura3.12: Intervalos de velocidad de cortadura

31

La velocidad de cortadura que se utiliza para el PET con relación a los parámetros de las rpm del husillo, y está dada por la siguiente fórmula:

= ∗∗ = ∗80∗50 2.117 = 96.51 ⁄ (3.22)32

31Fuente: 32Fuente:

V. K, Savgorodny, transformación de plásticos, Editorial Gustavo Gili, S.A. Tesis, diseño y construcción de una maquina elaboradora de hilo pet; Naranjo Izuerieta Christian

Eduardo 62

Conocida la velocidad de cortadura, se procede al cálculo de la viscosidad efectiva:

Figura3.13: Velocidad de cortadura vs Viscosidad efectiva a 270ºC

33

De la gráfica de la velocidad de cortadura vs viscosidad efectiva, a una temperatura de 270ºC se tiene que la viscosidad efectiva es i gual a μ=150Pa*s Conocidos estos datos se calcula la presión máxima que se generara en la parte delantera del husillo.

Tabla 3.13: Detalles de presión en la parte delantera del tornillo Diámetro del husillo

0,08

m

Longitud del husillo

0,4

m

Revoluciones del husillo

0,833333333

rps

Viscosidad efectiva

150

Pa*s

Profundidad de dosificación

0,00217

m

Angulo de hélice

17,65

grados

 N/m²

MN/m²

 presión máxima

50323350,25 50,32335

Fuente: Propia del autor 33Fuente:

MonchaiTajan; Characterisation and Rheological Behavior of Recycled PET Modified by Chain Extending 63

3.8.5.- CALCULO DE LA FUERZA DEL HUSILLO La misión fundamental de un cálculo de resistencia consiste en comprobar las dimensiones  previamente determinadas del husillo y determinar la flecha máxima admisible. Sobre el husillo actúa una fuerza axial  P , el momento de giro  Mg  y la carga uniformemente repartida q, originada por el propio peso del husillo. La fuerza  P  y q provocan la flecha  f  del husillo como se representa en la figura.

Figura3.14: Diagrama de fuerzas en el husillo

34

Como paso inicial para calcular las fuerzas en el husillo se calcula el torque que indica la fuerza aplicada en una palanca para lograr la rotación de un elemento sobre un eje determinado. Al aplicar fuerza en el extremo de una llave se aplica un torque que hace girar el husillo. En términos científicos el torque es la fuerza aplicada multiplicada por el largo de la palanca (Torque= F x D) y se la mide en Newton Metro. Para el desarrollo del  proyecto se aplica la formula empírica dada por Savgorodny que involucra una constante (k), cuyo valor es K=9550N*m.

 =9550 

(3.23)35

Donde:  N: potencia del motor en KW η: número de revoluciones del husillo



: Torque aplicado al tornillo N*m

34Fuente: 35Fuente:

V. K, Savgorodny, transformación de plásticos, Editorial Gustavo Gili, S.A. V. K, Savgorodny, transformación de plásticos, Editorial Gustavo Gili, S.A. 64

Tabla 3.14: Detalles del momento de giro Potencia

14,15

kW

Revoluciones

50

rpm

momento de giro

2702,65

N*m

Fuente: Propia del autor El segundo factor a calcular es μ que es la relación existente entre los diámetros del husillo.

= 

(3.24)36

Figura3.15: Relación de diámetros

Donde: D: diámetro externo del husillo

=2ℎ

(3.25)37

Tabla 3.15: Detalles de la relación de diámetros  profundidad canal ( h )

9,6

mm

diámetro del tornillo (D)

80

mm

diámetro del eje ( d )

60,8

mm

relación de diámetros (μ)

0,76

-

Fuente: Propia del autor El siguiente cálculo involucra la determinación de F que es la superficie transversal del husillo seccionado por A-A como se representa en la figura.

36Fuente: 37Fuente:

V. K, Savgorodny, transformación de plásticos, Editorial Gustavo Gili, S.A. V. K, Savgorodny, transformación de plásticos, Editorial Gustavo Gili, S.A. 65

= ∗  1 

(3.26)38

Tabla 3.16: Detalles de la superficie transversal del husillo diámetro del tornillo (D)

0,08

m

relación de diámetros

0,76

-

superficie transversal

0,00212321

m²

Fuente: Propia del autor Se calcula el momento de inercia J de la sección transversal A-A de la ilustración.

  = ∗ 1 

(3.27)39

Tabla 3.17: Detalles del momento de inercia de la sección transversal diámetro del tornillo (D)

0,08

m

relación de diámetros

0,76

-

momento de inercia

1,3398E-06

⁴

m

Fuente: Propia del autor

La tensión tangencial máxima sobre la superficie del husillo está dada por:

= ∗∗∗− 

(3.28)40

Tabla 3.18: Detalles de la tensión tangencial máxima relación de diámetros (μ)

0,76

-

momento de giro

2702,65

N*m

diámetro del tornillo (D)

0,8

M

tensión tangencial

Pa

MPa

máxima

40343089,1 40,3430891

Fuente: Propia del autor Puesto que las tensiones normales son provocadas por la fuerza axial P y la carga repartida q, las tensiones, máximas surgirán en el apoyo del árbol:

38Fuente:

V. K, Savgorodny, transformación de plásticos, Editorial Gustavo Gili, S.A. V. K, Savgorodny, transformación de plásticos, Editorial Gustavo Gili, S.A. 40Fuente: V. K, Savgorodny, transformación de plásticos, Editorial Gustavo Gili, S.A. 39Fuente:

66

=   

Para el peso del tornillo se va valer del apoyo del software Autodesk Inventor para su determinación:

Figura3.16: Husillo extrusor

Figura3.17: Especificaciones del husillo extrusor

41Fuente:

41

Autodesk Inventor Professional 2013 - Español (Spanish) 67

Una vez determinado el peso, se reemplaza los valores en la fórmula:

=   

Tabla 3.19: Detalles sobre la carga distribuida  peso del tornillo

46,43

Kg

Longitud del husillo

1,6

M

carga distribuida ( q)

29,01875

kg/m

Fuente: Propia del autor La tensión normal σ está dada  por la siguiente ecuación:

=   

(3.29)42

Donde:



 : Momento flector máximo:

 = ∗ 

(3.30)43

Tabla 3.20: Detalles del momento flector máximo Longitud del husillo

1,6

M

carga distribuida ( q)

29,01875

kg/m

kg*m

N*m

37,144

364,38264

Momento flector máx.

Fuente: Propia del autor El momento de inercia resistente respecto al eje neutro la siguiente correlación:



 se puede determinar utilizando

 = ∗ ∗1

(3.31)44

42Fuente:

V. K, Savgorodny, transformación de plásticos, Editorial Gustavo Gili, S.A. V. K, Savgorodny, transformación de plásticos, Editorial Gustavo Gili, S.A. 44Fuente: V. K, Savgorodny, transformación de plásticos, Editorial Gustavo Gili, S.A. 43Fuente:

68

Tabla 3.21: Detalles del momento de inercia diámetro del tornillo

80

mm

relación de diámetros

0,76

-

mm³

m³

momento de inercia

33495,8237 3,34958E-05

Fuente: Propia del autor Considerando todas las fuerzas axiales que se presentan en el proceso de extrusión en base a las presiones y las rpm que se usan en una maquina extrusora, y sustituyendo los  parámetros anteriores se tiene las siguientes tensiones normales, para efectos de cálculos o selecciones posteriores.

=    38 ∗³ = 50323350.3 /² 364.3.355 tensión normal máxima

 N/m²

MN/m²

61201800,1 61,20180014

La solidez del husillo aplicando la tercera teoría de resistencia, será:

 = √  4 ≤  =  61.2 /² 440.34/²  = 101.27 /²   = ∗∗∗ (3.32)45

La flecha máxima del husillo al aplicar la carga repartida se determina a partir de:

(3.33)46

45Fuente: 46Fuente:

V. K, Savgorodny, transformación de plásticos, Editorial Gustavo Gili, S.A. V. K, Savgorodny, transformación de plásticos, Editorial Gustavo Gili, S.A. 69

Tabla 3.22: Detalles de la deformación de la flecha

⁴

m

momento de inercia

1,3398E-06

carga distribuida ( q)

284,577

N/m

Longitud del husillo

1,6

m

módulo de elasticidad

2,07E+11

N/m²

M

mm

8,41E-04

0,84056004

flecha máxima

Fuente: Propia del autor Una vez calculado la flecha máxima se puede concluir que el husillo tendrá una flecha reducida lo que se involucra en una mínima deflexión del mismo, la flecha obtenida deberá ser menor que la holgura radial entre la cresta del filete y el cilindro.

3.8.6.- SELECCIÓN DEL MATERIAL PARA EL HUSILLO Para el husillo se analizó varias alternativas de materiales existentes en el mercado, entre ellos el más recomendable para este tipo de maquinaria es el acero 4140 , reconocido para trabajar a altas temperaturas de hasta 540ºC, sin perder ninguna de sus propiedades, además es ideal para trabajar con polímeros debido a que en la composición el índice de adherencia es bajo. El acero 4140 no necesita tratamiento térmico para la aplicación de la extrusora. Las principales características de este material son  (Anexo 2):

  =690   =9001050 

Resistencia de fluencia en tracción: Esfuerzo último en tracción: Elongación 12% (dúctil)

Dureza Brinell: 275  –  320 HB Conocidas las principales características del material, se verifica la tensión de diseño, utilizando la teoría de falla por tensión tangencial máxima y la tensión normal sobre la superficie del husillo:

70

Tensión tangencial admisible de diseño



 = .∗ ≥

(3.34)47

Donde:

 

: Tensión tangencial admisible de diseño : Tensión tangencial máxima= 40.34 MPa

: Resistencia a la fluencia =690 MPa

 N: factor de seguridad=3

 = 0.5 ∗6903   =115 ≥  =  ≥

Tensión normal admisible de diseño



(3.35)48

Donde:

 

: Tensión normal admisible de diseño : Tensión normal máxima= 61.203 MPa

: Resistencia a la fluencia = 900MPa

 N: factor de seguridad=3

 = 9003 ≥  =300 ≥

De esta manera se verifica que el material del husillo soportara las presiones de trabajo que se generan con las dimensiones previamente calculadas.

47Fuente:

Robert L. Mott; Diseño de Elementos de Maquina, prentice hall Hispanoamérica, S.A. (México 1995) 48Fuente: Robert L. Mott; Diseño de Elementos de Maquina, prentice hall Hispanoamérica, S.A. (México 1995) 71

3.8.7- SELECCIÓN DE MATERIAL PARA EL CAÑON O CAMARA DE EXTRUSION El cañón o cámara de extrusión es un cilindro metálico que conforma la parte exterior de la extrusora, es la carcasa que envuelve al tornillo. La selección del material depende del análisis al que está sometido el cañón, el cual es un cilindro de paredes gruesas, sometido a presiones internas, el mismo presenta esfuerzos radiales y tangenciales, cuyos valores dependen de del radio del elemento en consideración. Se selecciona un material que tenga una conductividad térmica media y un módulo cortante alto, se opta por elegir un acero AISI 1045,  por ser un acero que tiene buenas  propiedades mecánicas. Sus principales características son (Anexo 3): Resistencia a la tensión: 565MPa Resistencia a la fluencia: 310MPa Elongación: 16% (dúctil) Dureza: 163 HB Para el diseño del cañón, se comienza el diseño calculando el diámetro interior que debe tener a partir de las dimensiones del husillo.

 = 1.6∗2 80  =83.2 

Conocido el diámetro interior del cañón, se calcula las dimensiones que debe tener el cañón de acuerdo a las presiones internas que actúan sobre él.

72

Figura3.18: Esquema del cilindro sometido a presiones internas

49

−∗−]  [  ∗   −    = − −∗−]  [  ∗   −    = −

(3.36)50

(3.37)51

Donde:

     

: Tensión tangencial : Tensión radial

: Presión radial interior

: Presión radial exterior

r: distancia radial de análisis del cilindro

: Radio interior : Radio exterior

Como es usual, los valores positivos indican tensión, y los negativos, compresión. El casi especial de

 

=0, que se presenta en este diseño, ya que no existen presiones

exteriores, y haciendo

= p, tenemos:

49Fuente:

Miroliubov, Problemas de Resistencias de Materiales, Editorial MIR (Moscú 1975)

50Fuente:

Miroliubov, Problemas de Resistencias de Materiales, Editorial MIR (Moscú 1975) Miroliubov, Problemas de Resistencias de Materiales, Editorial MIR (Moscú 1975)

51Fuente:

73

    ∗  1       =       ∗  1       =          − =    − =0  2  − =   − =

Los valores máximos y mínimos de las tensiones serán:

En los puntos peligrosos de la superficie interior del cilindro, como se muestra en la figura, la ecuación de cálculo aplicando la quinta hipótesis de la resistencia (hipótesis de Mohr) será:

Figura3.19: Distribución de los esfuerzos tangencial y radial

52

− ∗− ≤ 52Fuente:

Miroliubov, Problemas de Resistencias de Materiales, Editorial MIR (Moscú 1975)

74

De donde se obtiene:

Siendo:

 =    11  ∗∗ = 

En el caso del material que resista igualmente a la tracción que a la compresión, V =1, es decir:

 =  =  = 2   = ∗ 2 379.3  32   =41.6 ∗  379.3 2∗50.  =48.53 

Por lo tanto la ecuación, se escribe:

Despejando el diámetro exterior

, se tiene:

3.8.8.- DISEÑO DEL MUÑON

El muñón es la parte del husillo, donde se logra el acople con el motor para poder dar movimiento y plastificar el material. En la figura se presenta un esquema de esta parte del sistema. A continuación se presenta los cálculos pertinentes para comprobar la resistencia y los concentradores de esfuerzos del muñón, los cuales tendrán una reducción de un milímetro radial a partir del diámetro inicial del husillo.

75

Figura3.20: Diseño del muñón

El eje es de acero AISI 4140al igual que el material escogido para el tornillo, ya que sus características son favorables para el uso y además la comodidad para trabajar. Las principales características de este material son (Anexo 2):

  =690   =9001050 

Resistencia de fluencia en tracción: Esfuerzo último en tracción: Elongación 12% (dúctil)

Dureza Brinell: 275  –  320 HB De cálculos realizados anteriormente se retoman los siguientes valores para ser aplicados en esta etapa de diseño: Momento de giro –  torque: 2702,65 N*m Diámetro de muñón: 80mm  –  (2* 1.5mm) = 77mm Revoluciones: 50rpm Potencia obtenida: 14.15 kW Debido a que el porcentaje de elongación es del 13%, se habla de un material dúctil, por lo tanto, para hallar el factor de seguridad para este tipo de materiales se utilizaran las ecuaciones de Soderberg.

53Fuente:

= ∗ 

(3.38)53

Robert L. Mott; Diseño de Elementos de Maquina, prentice hall Hispanoamérica, S.A. (México

1995) 76

Donde:

  

 : Resistencia a la fatiga  : Esfuerzo alternativo  : Coeficiente de reducción de esfuerzo a la fatiga

 =∗ ∗

Donde:

(3.39)54

K: operación de pieza (maquinado y forma)

 

: Coeficiente debido a la carga que soportara la pieza

: Oposición del material a dejarse fatigar

Se define

(3.40)55



= 0.6 ya que soporta cagas de tensión

Donde:

 

 =0. 5 ∗  =0. 5 ∗ 900   =450  =  ∗ ∗ ∗ ∗

(3.41)56

: Coeficiente de superficie  : 0.9 ya que la pieza tiene como acabado un rectificado fino : Coeficiente de tamaño

 =0.869∗−.−.  =0.869∗77  =0.57 

(3.42)57

54Fuente:

Richard G. Budynas y J. Keith Nisbett, Diseño de Ingeniería Mecánica de Shigley, E. McGrawHill Richard G. Budynas y J. Keith Nisbett, Diseño de Ingeniería Mecánica de Shigley, E. McGrawHill 56Fuente: Richard G. Budynas y J. Keith Nisbett, Diseño de Ingeniería Mecánica de Shigley, E. McGrawHill 57Fuente: Richard G. Budynas y J. Keith Nisbett, Diseño de Ingeniería Mecánica de Shigley, E. McGrawHill 55Fuente:

77

  

: Coeficiente de confiabilidad : 0.759 para una confiabilidad del 99.9% en el diseño : 1 ya que el rango de temperatura para este caso es inferior a 550°C : Coeficiente de efectos varios : 1 para el proceso de esta máquina que no se esperan mayores percances

De esta manera se comienza a remplazar valores con lo que tenemos que:

=  ∗ ∗ ∗ ∗ = 0.9 ∗0.57∗0.759∗1∗1 =  ∗ ∗ ∗ ∗ = 0.389  =∗ ∗  =0.389∗0.6∗450  =105.03   = ∗ = ∗∗

Con estos datos se calcula la resistencia a la fatiga:

Calculo de



 : Esfuerzo alternativo

(3.43)58

Donde:

 

: Torque 2702,65 N*m

: Radio del muñón : Diámetro del muñón (77mm)

 = 2702.32 6∗0.5∗0.0770385

58Fuente:

Richard G. Budynas y J. Keith Nisbett, Diseño de Ingeniería Mecánica de Shigley, Editorial Mc Graw Hill 78

 =30.15  Calculo de



: Coeficiente de reducción de esfuerzo a la fatiga

 =1  1

Donde:

 

(3.44)59

: Sensibilidad de entalle 0.92 : Coeficiente de esfuerzos 2.15

 =10.92 2.151  =2.058 = ∗  03058 = 30.1105.5 ∗2. = 1.7

Conocidos todos los datos se procede al cálculo del factor de seguridad o factor de diseño:

El factor de diseño N=1.7 está en el promedio de N=1.5 a 2.0 que se utiliza para el diseño de elementos de maquina bajo cargas dinámicas con una confianza promedio en todos los datos de diseño. La longitud que tiene el muñón es en función de la longitud del tornillo:

 = 20%30% ∗  = 25% ∗1.6  =0.4

(3.45)60

59Fuente:

Richard G. Budynas y J. Keith Nisbett, Diseño de Ingeniería Mecánica de Shigley, Editorial Mc Graw Hill 60Fuente: http://repositorio.espe.ed.ec/bitstream/21000/776/2/T-ESPE-027406-2.pdf 79

3.8.9.- CALCULO DE FUERZAS QUE ACTUAN SOBRE LOS COJINETES La misión de estos cojinetes, es principalmente absorber el empuje axial de retroceso del tornillo originado por las altas presiones que se desarrollan en el cabezal, la boquilla y en el extremo anterior del tornillo, es más, deberá absorber las cargas radiales producidas por el peso del tornillo extrusor.

Figura3.21: Diagrama de fuerzas en el husillo

Para calcular los cojinetes radial o radial-axial se tiene que determinar las fuerzas efectivas,  basándose en la fórmula de los momentos y la proyección de todas las fuerzas sobre el eje  y-y.

∑  =  =0 ∑ =  =0  =  = ∗2∗ =25%∗  = 46,42∗0.3 ∗1,4 6 

(3.46)61 (3.47)62

Las reacciones en los apoyos, serán:

61Fuente: 62Fuente:

V. K, Savgorodny, transformación de plásticos, Editorial Gustavo Gili, S.A. V. K, Savgorodny, transformación de plásticos, Editorial Gustavo Gili, S.A. 80

 =92.86 =910.64   =46,43 92.86   =139.29 =1366.45 

Si bien, las reacciones radiales en los apoyos no son altas, se deben tomar en cuenta para  poder seleccionar los rodamientos, pero las reacciones más importantes, son las reacciones de tipo axial, esta se debe a la presión que se genera en la parte delantera del tornillo, según las dimensiones que tiene el extrusor se tiene:

∑= =0  ==∗

(3.48)63

Donde:

P: es la presión en la parte delantera del tornillo = 50,32335 MN/m² A: es la superficie transversal del tornillo = 0,00212321 m²

 =50.32335 MN/m²∗0.00212321m²  =106847.04 =10895.36  3.8.10 SELECCIÓN DE RODAMIENTOS Los rodamientos están sometidos a cargas axiales y radiales, se selecciona rodamientos de una hilera de rodillos cónicos, para contrarrestar ambas fuerzas, que afectaran al funcionamiento. Primero se realiza los cálculos que se requiere para poder seleccionar el rodamiento del catálogo SKF.

   = ⁄ ∗ 63Fuente: 64Fuente:

(3.49)64

V. K, Savgorodny, transformación de plásticos, Editorial Gustavo Gili, S.A. Catalogo general SKF ©2006, publicación 6000 ES, mayo 2006 81

Donde: C: capacidad de carga dinámica básica

 

: Duración de diseño

P: Carga dinámica equivalente  : Constante de tipo de rodamiento =3.33 (para rodamientos cónicos)

 =ℎ∗∗60

(3.50)65

Figura3.22: Duración recomendada para rodamientos

 =30000∗50∗60  =9 10 =0. 4 ∗ ∗ ⁄ >

66

Para calcular la carga dinámica básica, hay que recurrir al catálogo SKF, para determinar el valor de Y (Anexo 4):

(3.51)67

Se asume esta ecuación, ya que los cocientes de las fuerzas que actúan, para todos los casos será mayor a e, debido a que la carga axial es elevada.

65Fuente:

Robert L. Mott; Diseño de Elementos de Maquina, prentice hall Hispanoamérica, S.A. (México 1995) 66Fuente: Robert L. Mott; Diseño de Elementos de Maquina, prentice hall Hispanoamérica, S.A. (México 1995) 67Fuente: Catalogo general SKF ©2006, publicación 6000 ES, mayo 2006

82

Donde:



: Fuerza radial sobre rodamiento : Fuerza axial sobre rodamiento

Y: valor de diseño especifico de rodamiento = 1.5 Entonces se determina la carga dinámica de acuerdo al catálogo: 

Rodamiento 1



Rodamiento 2

=0.4 ∗1366.45 1.5 ∗53423.52  =80681. 86  ⁄  .   9 10 = 10  ∗80681.86 =156.07  =0.4 ∗910.64 1.5 ∗53423.52  =80499. 54  ⁄  .   9 10 = 10  ∗80499.54 =155.73 

Se realizó los cálculos para ambos apoyos con las mismas características de rodamiento,  para ambos se seleccionó el mismo rodamiento. Esto se debe a que ambos deben soportar la misma carga axial en el mismo sentido y dirección, los rodamientos tienen las siguientes características (Anexo 5):

83

Figura3.23: Rodamientos de rodillos

Designación: JM 515649/610/Q Diámetro interior: 80mm Diámetro exterior: 130mm Ancho: 35mm Capacidad de carga dinámica básica: 176 kN Carga límite de fatiga: 32.5 kN Masa: 1.70 kg Serie de dimensiones según ISO 355 (ABMA): M 515600

3.8.11.- SELECCIÓN DE CHUMACERAS Para la selección de chumaceras, se debe tomar en cuenta las cargas y el tipo de funcionamiento de la máquina, hoy en día ya no es necesario realizar los cálculos de las fuerzas, ya que las tiendas de rodamientos ya proporcionan los productos completos, con sus respectivas chumaceras, lubricantes y tipo de mantenimiento de acuerdo al funcionamiento de la maquinaria, en este caso se selecciona las chumaceras adecuadas  para los rodamientos determinados del catálogo general de SKF con las siguientes característica (Anexo 6):

84

Figura3.24: Chumaceras

Se seleccionó una chumacera de pie SNL 518 TND, que son los más comunes por su versatilidad raramente es necesario recurrir a soportes hechos a medida para aplicaciones específicas, los cuales ya cuentan con sus graseros y orificios para la fijación.

3.9.- DISEÑO DEL SISTEMA DE POTENCIA La energía mecánica suministrada al extrusor en el eje del tornillo, precisa de una potencia determinada para hacer girar el tornillo, venciendo las resistencias originadas por fricción y viscosidad del material. Esta energía mecánica suministrada por el motor al tornillo extrusor aparece en el material fundido en forma de calor y presión. Hay, por tanto, dos formas de energía suministrada a la máquina para conseguir realizar el proceso de extrusión: calor y energía mecánica. Para la deducción de la ecuación que nos de la potencia que es preciso aplicar a un extrusor que trabaja con un material determinado es conveniente considerar la potencia compuesta

85

de dos sumandos; el primer sumando nos indica la potencia empleada para hacer avanzar el  polímero fundido a lo largo del canal del tornillo, venciendo la resistencia que a este flujo ofrece la presión de retroceso; el segundo sumando nos indica la potencia consumida por fricción en la zona comprendida entre el borde de la hélice y la pared interna del cilindro. La suma de estos dos términos nos da la potencia mecánica total. Por otro lado, la potencia necesaria para accionar el husillo puede ser determinada a partir del balance energético de la extrusora:

Donde:

=32∗10− ∗∗∗ 

(3.52)68

Q, es la producción o caudal de la extrusora, kg/h. C, la capacidad calorífica del material, Joul/kgºC



, la temperatura de la masa fundida, ºC

, la temperatura del material a la salida de la tolva de carga, ºC

Tabla 3.23: Detalles de potencia del tornillo CALCULO DE

VALOR

UNIDAD

91

kg/h

1046,7

Joule/kg°C

temperatura masa fundida

255

°C

temperatura del material

25

°C

Potencia de extrusora

7,01037792

kW

(80%)

9,40107102

Hp

POTENICA caudal de extrusora ( Q ) capacidad calorífica del PET

Fuente: Propia del autor La ecuación ha sido tomada de la suposición de que el material se calienta solo a causa del trabajo realizado por las fuerzas de fricción y que la producción total de la extrusora es

68Fuente:

V. K, Savgorodny, transformación de plásticos, Editorial Gustavo Gili, S.A.

86

igual al 80% (incluyendo parte del trabajo necesario para elevar la presión; generalmente igual al 7%). Analizando la formula se observa que existirá una pérdida del 20% en la producción, esto debido a la pérdida de potencia a causa de la fricción, por lo cual se multiplica por un factor de seguridad de 1.25

=7.0104 ∗1.25 =8.763 ≅11.75 

A esta potencia bruta se debe afectar con los factores de los rendimientos: del motor y del tipo de transmisión de potencia que se vaya a usar.

= ∗ = 8.0.7863∗0.88 = 14.15 ≅16.7

(3.53)69

3.9.1.- SELECCIÓN DEL MOTOR DE ACCIONAMIENTO Como se determinó en la anterior sección la potencia transmitida necesaria del motor de accionamiento, es la potencia necesaria para lograr el giro del tornillo y tomando en cuenta el rendimiento del motor, rendimiento de transmisión por bandas. Con estos datos se selecciona de catálogo de Motorreductores MOTOX de SIEMENS, el equipo más adecuado para la maquina con las siguientes características  (Anexo 7): Referencia: 2KJ1305  –  JR13  –  J1 Potencia: 15kW (50Hz) Velocidad de salida:

103 −

Par de salida: 1389 N*m Factor de servicio: 2.4

Índice de reducción: 14.16 Peso: 199 kg

69Fuente:

V. K, Savgorodny, transformación de plásticos, Editorial Gustavo Gili, S.A. 87

Se observa en la selección del motorreductor, que la potencia es de 15kW, la cual es óptima ya que está por encima de la potencia requerida, pero la velocidad de giro en la salida del motorreductor es de 103 rpm, la cual, también está por encima de la requerida,  por lo tanto se debe diseñar un reductor de velocidad que transmita la velocidad requerida el diseño del tornillo, si bien existe motor reductores que alcancen la velocidad requerida con la potencia necesaria, es más conveniente este motorreductor ya que variar la  producción de la extrusora.

3.10.- DISEÑO DE SISTEMA DE TRANSMISION DE POTENCIA Para el diseño del reductor de velocidad se opta por una transmisión de bandas tipo V, debido a la facilidad de montaje y bajo costo de mantenimiento entre otras cosas, para la selección del diámetro de las poleas, tipos de banda, numero de banda y distancia entre centros de eje de polea, se recurre al programa MDESIGN de TEDATA, que con las siguientes características se determina los parámetros mencionados:

88

Potencia transmitida: 15kW Revoluciones de entrada y salida: 103 rpm - 50rpm Tipo de motor: AC de torque normal

Tipo de maquina: Extrusor de plásticos

Duración de servicio por día: 8h

3.10.1.- SELECCIÓN DE POLEAS Conocido los diámetros de poleas, se selecciona los productos del catálogo de GATES con las siguientes características (Anexo 8):

89

POLEA MOTRIZ Descripción: QD3C7.0 Código: 7834 -3070 # De ranuras: 3 Diámetro: 7.40 pulg. Diámetro máximo de barreno: 2 15/16 pulg. Ancho: 3 3/8 pulg. Peso: 14.97 lbs

POLEA CONDUCIDA Descripción: QD3C14.0 Código: 7834 -3140 # De ranuras: 3 Diámetro: 14.40 pulg. Diámetro máximo de barreno: 3 1/2 pulg. Ancho: 3 3/8 pulg. Peso: 50.07 lbs

3.10.2.- SELECCIÓN DE CORREAS TRAPECIALES Si bien no se encontró la polea conducida con el tamaño de diámetro requerido, no afectara en la selección de la longitud de las correas, que con catálogo de GATES, se selecciona el  producto con las siguientes características (Anexo 9): Descripción: ISO XPB/5VX Descripción RMA: 5VX1123 Longitud de referencia: 2840mm Con los cálculos realizados y los elementos seleccionados, está completo el cálculo del sistema de potencia, para poder accionar la máquina.

90

3.11.- DISEÑO DEL SISTEMA DE CALENTAMIENTO Para comenzar con el diseño del sistema de calentamiento, primero se determina el tipo calefactor que se utiliza, para calentar el sistema.

Análisis del uso del gas natural vs resistencia electrica como combustible primario Características

Gas natural

Resistencia eléctrica

Combustible

Gas natural

Corriente eléctrica

Combustión

Variable de acuerdo a la

 No requiere, su

cantidad del de aire y

alimentación es

temperatura ambiente.

directamente conectada a la red.

Perdidas

Conducción, radiación y

Radiación y convección,

convección,

relativamente bajas.

considerablemente altas. Eficiencia del sistema

Baja.

Alta.

Diseño y accesorios

Diseño de sistema de

Resistencias eléctricas de

colección, Quemador,

tipo banda.

ventilador y chimenea. Estudio del diseño

Se requiere un estudio más

Es más práctico, sencillo y

 profundo y su diseño es

garantizado, además de su

 poco versátil.

versatilidad.

Para calentar los sistemas de plastificación para maquinas extrusoras se utiliza comúnmente, elementos calefactores eléctricos, como se puede ver en el análisis realizado, el sistema de calentamiento por resistencias eléctricas es el más adecuado, este sistema  produce calor mediante resistencias eléctricas. El calor procedente de los alambres de una resistencia eléctrica puede transmitirse de diversos modos al elemento a calentar. Para este sistema el calor se transmite de manera directa por conducción, el calor es derivado al elemento a calentar mediante materia solida (paredes metálicas de la camisa); y también la forma de transmisión conocida por convección, se produce por la derivación térmica y transmite el calor por el movimiento de partículas calientes.

91

El calor requerido al arrancar el proceso, es el máximo, ya que se debe llevar a la temperatura de operación el cilindro, y el cabezal. Los tipos de calentadores seleccionados, son los calentadores de banda aislados con material cerámico.

3.11.1.- POTENCIA DE LOS CALEFACTORES La potencia que se debe suministrar a los calentadores para poder elevar la temperatura del cilindro y el husillo, está en función del calor necesario que se produce en el estado transitorio. Se debe considerar este estado, puesto que el cilindro debe ser calentado y alcanzar la temperatura de trabajo antes de empezar a procesar el material plástico. El cilindro y el husillo se encuentran al arrancar el proceso a una temperatura ambiente de 25º, iniciado el proceso se cierra el circuito de los elementos calefactores, los cuales comienzan a dar calor, el mismo que se va acumulando y elevando su temperatura, conforme pasa el tiempo.

3.11.2.- BALANCE ENERGÉTICO EN EL ESTADO TRANSITORIO Este balance se lo hace, considerando el cilindro y el husillo como dos sistemas como se muestra en la figura:

Figura3.25: Sistema de análisis para el balance energético

92

Al realizar el balance energético de los sistemas de la figura se tendrá:

 =    =

(3.54)70

(3.55)71

Donde:

  

 : Energía que entra al cilindro, proveniente de los calefactores eléctricos  : Energía almacenada por el cilindro (W)  : Energía que sale del cilindro hacia el exterior (W)

 : Energía que sale del cilindro hacia el husillo (W)  : Energía que entra al husillo, proveniente del cilindro (W)  : Energía almacenada por el husillo (W)

Considerando que existe un contacto térmico ideal entre el cilindro y el husillo se tendrá:



 =  =  ∗ ∗ 

La energía almacenada por el cilindro será:

Donde:

 

(3.56)72

 : Masa del cilindro (24.712 kg)



 : Calor especifico del material del cilindro (0.11 kCal/kg*ºC)

 : Variación de temperatura respecto al tiempo 

La energía que sale del cilindro hacia el exterior será:

 =ℎ∗∗ ∞

(3.57)73

Donde:

ℎ    = ∗∗

 : Coeficiente de transferencia de calor (W/m² ºC)  : Área de transferencia de calor (m²)  : Diámetro del cilindro

70Fuente:

YUNUS, A. Cengel, Transferencia de calor, Cuarta Edición, Editorial Mc Graw Hill YUNUS, A. Cengel, Transferencia de calor, Cuarta Edición, Editorial Mc Graw Hill 72Fuente: YUNUS, A. Cengel, Transferencia de calor, Cuarta Edición, Editorial Mc Graw Hill 73Fuente: YUNUS, A. Cengel, Transferencia de calor, Cuarta Edición, Editorial Mc Graw Hill 71Fuente:

93

 ∞

 : Longitud del husillo : Temperatura del cilindro, variable con el tiempo (ºC)

 : Temperatura del medio ambiente (ºC) 

La energía almacenada por el husillo será:

 =  ∗ ∗ 

Donde:

 

(3.58)74

 : Masa del husillo (46.43 kg)



 : Calor especifico del material del husillo (0.11 kCal/kg*ºC)

 : Variación de temperatura respecto al tiempo

Para facilitar la solución de las ecuaciones, se considera que el husillo y el cilindro tienen las mismas temperaturas conforme varía el tiempo, consideración debida a que el calefactor se coloca lo más cerca posible al polímero, en las cercanías del husillo, y dicho sensor indica la temperatura del interior del cilindro y del exterior del husillo. Al combinar las ecuaciones3.54 y 3.55 y remplazando3.56, 3.57, 3.58 , se llega a tener la siguiente expresión:

 = ∗  ∗  ℎ∗∗ ∞  =  ∞ = Φ  = Φ ℎ∗  ∗  ∗ =   ∗  ∗ =

(3.59)

Esta ecuación se resuelve haciendo las siguientes sustituciones:

Entonces la ecuación 3.51 se demuestra de la siguiente manera:

74Fuente:

YUNUS, A. Cengel, Transferencia de calor, Cuarta Edición, Editorial Mc Graw Hill 94

Φ  Φ =    =  =   = ∗−  =  =    =  ∗−  1 −∗    = ∞ ∗∗ −  ∗  =1  ∗∗ ∗  (3.60)

Las condiciones de borde para esta ecuación serán 75:

Para t=0

La solución de esta ecuación 76:

(3.61)

Y la solución particular:

(3.62)

Además:

(3.63)

De esta manera la solución de la ecuación diferencial 3.51, quedara de la siguiente manera: (3.64)

Sustituyendo los valores anteriores, y considerando que

 la ecuación queda 77:

(3.65)78

3.11.3.- CALCULO DEL COEFICIENTE DE TRANSFERENCIA DE CALOR La ecuación 3.57 interviene el coeficiente de transferencia de calor, el cual es igual a la suma del coeficiente de convección y del coeficiente de radiación.

ℎ= ℎ  ℎ

(3.66)79

75Fuente:

YUNUS, A. Cengel, Transferencia de calor, Cuarta Edición, Editorial Mc Graw Hill YUNUS, A. Cengel, Transferencia de calor, Cuarta Edición, Editorial Mc Graw Hill 77Fuente: YUNUS, A. Cengel, Transferencia de calor, Cuarta Edición, Editorial Mc Graw Hill 78Fuente: YUNUS, A. Cengel, Transferencia de calor, Cuarta Edición, Editorial Mc Graw Hill 79Fuente: YUNUS, A. Cengel, Transferencia de calor, Cuarta Edición, Editorial Mc Graw Hill 76Fuente:

95

Donde:

ℎ ℎ

 : Coeficiente de transferencia de calor por convención (W/m²ºC)  : Coeficiente de transferencia de calor por radiación (W/m²ºC)

Los valores de

ℎℎ

, se calcularan a continuación:

3.11.3.1- DETERMINACIÓN DEL COEFICIENTE DE CONVECCIÓN La transferencia de calor por convección, está presente, siempre que un cuerpo solido es colocado a la vecindad de un fluido que este a diferente temperatura que la superficie de dicho cuerpo. La temperatura media de película 80

Donde:

∞

 = + 

(3.67)81

 : Temperatura de la superficie del cuerpo sólido.  : Temperatura del medio ambiente (ºC)

Para determinar la temperatura externa del cilindro, depende de la temperatura interior a la que se necesita fundir el PET (255ºc), la cual tiene que ser la temperatura estable en el interior del cilindro, que necesita el calor necesario para su plastificación:

 =∗ ∗∆

Donde:

 ∆

(3.68)82

 : Flujo del polímero (kg/h)  : Calor especifico del PET a presión constante (kCal/kgºC)

 : Variación total de temperatura (ºC)

kCal ∗25525º  =91.76 ℎ ∗0.25 kg∗ºC  =5276.2 

80Fuente:

YUNUS, A. Cengel, Transferencia de calor, Cuarta Edición, Editorial Mc Graw Hill YUNUS, A. Cengel, Transferencia de calor, Cuarta Edición, Editorial Mc Graw Hill 82Fuente: James R. Welty, Fundamentos de Transferencia de momento calor y masa, Editorial Limusa 81Fuente:

96

Para determinar la temperatura exterior tenemos la siguiente ecuación de condición de calor, para un cilindro hueco:

=∗∗∗−

(3.69)83

Donde:

  

 : Temperatura exterior del cilindro (ºC)

 : Temperatura interna del cilindro (ºC)  : Radio exterior del cilindro (m)

 : Radio interior del cilindro (m)

 : Conductividad térmica del material del cilindro (W/mºC)

 : Longitud del cilindro (m)

Despejando la ecuación 3.61 tenemos:

  ∗l n  ⁄     = 2∗∗∗   9 7. 0 7 5276. 2 ∗l n  ⁄  83. 2  = 2∗∗ m∗ºC 42W ∗0.56  255º  =260.5º  = 260.5º25º 2  =142.75º=415.9 º

Conocida la temperatura exterior a la cual tendrá que estar el cilindro, se calcula la temperatura de película:

A esta temperatura las propiedades del aire no se pueden determinar directamente de las tablas, y para este caso se procede a hacer una interpolación para poder determinar las  propiedades, que son las siguientes:

83Fuente:

James R. Welty, Fundamentos de Transferencia de momento calor y masa, Editorial Limusa 97



 : Viscosidad cinemática

23.39758 10

 m²/s

 Pr: Numero de Prandtl 0.71

 K: conductividad térmica 0.0334027 W/mºK  β : coeficiente de expansión térmica 2.4355 x

∗

 : 0.339868

10− º∗ 

10

 1/ªK

La longitud característica en el número de Grashof, del cilindro horizontal grande es su diámetro por lo tanto. Se determina mediante la siguiente ecuación:

 ∗∗∆∗  = 

Donde:

∆ 

(3.70)84

 : Variación de temperatura

∆=260.5º25º ∆=235.5º =508.65 º  =0.339868 10 º∗1  ∗508.65 º∗0.09707  =15811912.91  ∗=11226458.16=1.1226  10

: Constante gravitacional (9.81m/s²)

 : Diámetro de la camisa (97.07mm)

El producto del Número de Grashof y Número de Prandtl será:

Con este valor se procede a verificar las constantes para determinar el número de Nusseelt:

84Fuente:

YUNUS, A. Cengel, Transferencia de calor, Cuarta Edición, Editorial Mc Graw Hill 98

Figura3.26: Constantes de evaluación para el número de Nusseelt

Para flujo laminar, dichas constantes se utilizara para evaluar el número adimensional de  Nusseelt con la siguiente ecuación:

=∗  =0.531.1226  10 ⁄ =30.678 = ∗ ℎ = ∗ W 30. 6 78∗0. 0 334027 ⁄ ℎ = 0.09707  m∗K ℎ =10.557 W⁄m ∗K (3.71)85

El número de Nusseelt para convección libre será:

Despejando

85Fuente: 86Fuente:

ℎ

(3.72)86

 se tendrá:

YUNUS, A. Cengel, Transferencia de calor, Cuarta Edición, Editorial Mc Graw Hill YUNUS, A. Cengel, Transferencia de calor, Cuarta Edición, Editorial Mc Graw Hill 99

3.11.3.2.- DETERMINACIÓN DEL COEFICIENTE DE RADICACIÓN Las superficies metálicas oxidadas son buenos radiadores de calor, las pérdidas que se verifican dependen de la temperatura absoluta, del área de la superficie y de la emisividad de la misma. Las pérdidas por radiación, se las determina aplicando la siguiente ecuación:

Donde:

 ∈   ∞

=∗∈∗ ∞

(3.73)87

 : Área de transferencia de calor  : Emisividad de la superficie (0.61)

 : Constante de Stefan Boltzman (

5.67 10− ∗

 : Temperatura absoluta de la superficie (533.65ºK)  : Temperatura absoluta ambiental (298.15ºK)

El calor de pérdidas por radiación, considerando un coeficiente de perdidas será:

=∗ℎ ∞ ℎ  ℎ = ∈∗−−  −   0. 6 1∗5. 6 7 10  5 33. 6 5  298. 1 5      ∗ ℎ = 533.65298.15 ℎ =10.75 ∗ ℎ= ℎ   ℎ ℎ= 10.557 10. 75 ℎ= 21.307  ∗ (3.74)88

De la ecuación, se igualara los términos y se despejara el coeficiente de radiación (3.75)89

El coeficiente de transferencia de calor total será:

87Fuente:

YUNUS, A. Cengel, Transferencia de calor, Cuarta Edición, Editorial Mc Graw Hill YUNUS, A. Cengel, Transferencia de calor, Cuarta Edición, Editorial Mc Graw Hill 89Fuente: YUNUS, A. Cengel, Transferencia de calor, Cuarta Edición, Editorial Mc Graw Hill 88Fuente:

100

3.11.4.- BALANCE ENERGÉTICO EN ESTADO ESTABLE Durante la operación continua la de la extrusora la cantidad de calor requerida, es la necesaria para compensar las pérdidas de calor por radiación y convención desde la extrusora hacia el medio ambiente y los alrededores, para elevar la temperatura del  polímero hasta fundirlo. Considerando el cilindro y el husillo como un solo sistema. Al realizar el balance energético en el sistema de figura.

Figura3.27: Sistema de balance energético en estado estable

De lo cual se tendrá la siguiente expresión:

 =

Donde:



(3.76)90

 : Energía que sale del sistema (W)  : Energía que entra al sistema (W)

La energía que entra al sistema, es la que proviene de los calentadores. La energía que sale del sistema lo hace en forma de pérdidas de calor y como incremento en la energía interna del polímero.

90Fuente:

YUNUS, A. Cengel, Transferencia de calor, Cuarta Edición, Editorial Mc Graw Hill 101

3.11.5.- ESTIMACIÓN DE LAS PÉRDIDAS DE CALOR En todas las formas de transmisión se proceden perdidas, que difieren considerablemente. La pérdida de calor efectiva puede alcanzar hasta un 60% y aumentan al elevarse las temperaturas. Las pérdidas de calor son evaluadas, las cuales son de tres tipos:

3.11.5.1.-PERDIDAS POR CONDUCCIÓN El cilindro transmite calor a la garganta y a los soportes con los cuales entra en contacto. En el diseño de estos elementos de la extrusora se trata de minimizar la conducción de calor entre superficies, reduciendo al mínimo el contacto físico de la superficie del cilindro con los soportes y la garganta. Estas pérdidas se desprecian.

3.11.5.2.- PERDIDAS POR RADIACIÓN Muy a menudo la radiación se considera como un fenómeno perteneciente solo a cuerpos calientes luminosos. En este análisis se ve que este no es el caso, y que la radiación es un medio de transferencia de calor, y se tiene que determinar.

 =∗∈∗ ∞

(3.77)91

Donde:

 == ∗∗ ∗97. 0 7∗560mm =∈ 170774.867 ²= 0.1708 ²  5.67 10− ∗  ∞  : Área de transferencia

 : Área de transferencia de calor (m²)

 : Emisividad de la superficie (0.61)

 : Constante de Stefan Boltzman

 : Temperatura absoluta de la superficie (533.65ºK)  : Temperatura absoluta ambiental (298.15ºK)

91Fuente:

YUNUS, A. Cengel, Transferencia de calor, Cuarta Edición, Editorial Mc Graw Hill 102

 =0.1708 ²∗0.61∗5.67 10− ∗ 533.65ºK 298.15ºK  =432.356 

3.11.5.3.- PERDIDAS POR CONVECCIÓN

El aire caliente en contacto con la superficie lateral del cilindro tiende a elevarse a causa de su menor densidad comparada con el aire más frio. Este proceso establece un flujo de corriente de aire que se eleva al techo, llevando consigo una cantidad importante de calor desde las partes calientes de la extrusora. Aplicando la ley de enfriamiento de Newton. Las perdidas caloríficas por convección, se determinan utilizando el coeficiente de transferencia por convección.

 =ℎ∗∆∗

Donde:

ℎ∆ 

(3.78)92

: Coeficiente de convección  : Variación de temperatura

 : Área de transferencia

 =ℎ∗∆∗  =10.557 W⁄m ∗K ∗533.65ºK 298.15ºK∗ 0.1708 ²  =424.64 

3.11.5.4.- INCREMENTO DE ENERGÍA DEL POLÍMERO

La siguiente relación, permite determinar la cantidad teórica de calor necesario para elevar una masa de material a determinada temperatura.

 =∗ ∗∆

Donde:

 ∆

(3.79)93

 : Flujo del polímero (kg/h)  : Calor especifico del PET a presión constante (kCal/kgºC)

 : Variación total de temperatura (ºC)

92Fuente: 93Fuente:

YUNUS, A. Cengel, Transferencia de calor, Cuarta Edición, Editorial Mc Graw Hill YUNUS, A. Cengel, Transferencia de calor, Cuarta Edición, Editorial Mc Graw Hill 103

kCal ∗ 25525º  =91.76 ℎ ∗0.25 kg∗ºC  =5276.2 

Figura3.28: Sistema de análisis para el balance energético de la intensidad de corriente

Al realizar el balance energético en el sistema de la figura, se determina la siguiente ecuación:

Donde:

 

 = 

(3.80)94

 : Energía que entra al sistema  : Energía que sale del sistema  : Energía agregada al polímero

La energía que entra al sistema es proveniente de los calefactores, y la energía que sale del sistema, son perdidas de calor por radiación y convección, las mismas que se calcularon en las secciones anteriores. Entonces:

94Fuente: 95Fuente:

 = 

(3.81)95

YUNUS, A. Cengel, Transferencia de calor, Cuarta Edición, Editorial Mc Graw Hill YUNUS, A. Cengel, Transferencia de calor, Cuarta Edición, Editorial Mc Graw Hill 104

Donde:



 : Perdidas de calor por radiación  : Perdidas de calor por convección

 =432.356 424.64   =856.996 

La energía agregada al polímero, se calculó también en las anteriores secciones, de tal manera que:

 =   =5276.2 856.996  =6133.196 

Conocidos los valores de pérdidas y el calor que requiere el sistema para fundir el  polímero, se verifica el control de temperatura en función del tiempo y propiedades del sistema.

∗∗ −  ∗  =1  +∗∗ ℎ∗ 

En esta ecuación, Q se da en vatios, t en segundos y T  en grados centígrados. A continuación se adopta el calor requerido para plastificar el sistema y las propiedades del material para verificar el tiempo en el cual el sistema alcanzara la temperatura deseada para  plastificar el polímero.

 .   ∗.   ² ∗    ∗ −   .   ∗.   ∗º  +.   ∗.    / ∗º    = 1

( ∗ 6133.196  25º ) 21.307 ∗ ∗0.1708 ²  =1−.∗∗1685.29825º 105

Tabla 3.24: Detalles de variación de temperatura en función del tiempo

t (s)

T ºC

300

80.19

600

133.6

1800

335.17

1320

254.692

Se determina que el tiempo al cual el sistema alcanza la temperatura adecuada para la  plastificación es de 1320s, que equivale a 22min. Esto se debe a las propiedades del material, perdidas en el sistema y sobre todo al tipo de transferencia que tendrá el sistema.

3.11.6.- SELECCIÓN DE RESISTENCIAS ELECTRICAS Conocida las temperaturas de plastificación y energía que requiere el sistema, se selecciona resistencias eléctricas de tipo banda cerámica, para determinar la intensidad de corriente necesaria para mantener un proceso continuo. Estas resistencias aportan por su construcción acorazada, una mayor concentración de calor hacia el interior de la resistencia y permiten acrecentar la capacidad de calor. Entonces se selecciona una resistencia eléctrica del catálogo Backer Alpe S de RL de CV con las siguientes características (Anexo 10):

Figura3.29: Resistencia eléctrica

106

Especificaciones eléctricas

Especificaciones mecánicas

Voltaje máximo: 440 Volts

Ancho mínimo: 1 pulg

Amperaje máximo: 25 Amperes

Incremento en el ancho: ½ pulg

Densidad máxima: 7 W/cm²

Tolerancia de ancho: + - 1/8pul

Temperatura máxima: 875 ºC

Diámetro mínimo: 1 ½ pulg

Resistencia: 17.6 Ω

Abertura de cierre: 3/8 pulg + - 1/8 pulg

3.11.7.- INTENSIDAD DE CORRIENTE ELECTRICA EN EL CIRCUITO Para regular la temperatura de plastificación en el proceso, se debe controlar la intensidad de corriente que alimenta a las resistencias eléctricas, entonces se determina la intensidad con la siguiente fórmula:

Donde:

= ∗

3.82

Q: potencia del circuito (W) I: intensidad de corriente en el circuito (A) R: resistencia del circuito (Ω)

=   =  6133.17.1696  =18.66 

Esta intensidad de corriente debe circula a través de las bandas calefactoras del cilindro  para tener un proceso continuo de peletizado.

3.11.8.- SISTEMA DE CONTROL DE TEMPERATURA Permite regular la temperatura de operación de la maquina mediante la conexión de calefactores termocupla y controladores de temperatura que permitan controlar el calentamiento de los calefactores.

107

3.11.8.1.- TERMOCUPLA Las termocuplas son los sensores de temperatura mayormente utilizados en la industria, que permiten obtener la magnitud física de la temperatura y transformarla a voltaje. Una termocupla se hace con dos alambres de distinto material unidos en un extremo (soldados generalmente). Al aplicar temperatura en la unión de los metales se genera un voltaje muy  pequeño (efecto Seebeck) del orden de los mili-voltios el cual aumenta con la temperatura. A partir de la información técnica, es recomendable una termocupla con las siguientes especificaciones, como se muestra en la figura 3.30 (Anexo 11).

Figura3.30: Característica Termocupla

3.11.8.2.- CONTROLADOR DE TEMPERATURA Para realizar el control, se opta por utilizar un módulo digital de control de temperatura, el cual se muestra en la figura. Este proporciona todas las funciones necesarias para el control. El modulo cuenta con una entrada para ingresar las señales provenientes de una termocupla, relés de salida que permiten accionar diferentes dispositivos, en este caso  permitirá accionar el calefactor, tiene modos de control PID y ON-OFF.

108

Figura3.31: Controlador de Temperatura

El controlador de temperatura seleccionado de acuerdo a las necesidades de la maquina es el iBest TCM SR4. La figura 3.32 muestra las características generales del controlador de temperatura seleccionado (Anexo 12).

Figura3.32: Características Controlador de Temperatura

El tipo de controlador se configurara para que proporcione un control ON-OFF, la figura muestra el funcionamiento del módulo controlador de temperatura con una histéresis de 5°C.

Figura3.33: Funcionamiento del Controlador

109

3.11.8.3.- RELÉ DE ESTADO SOLIDO Los relés de estado sólido o SSR (Solid State Rele) son dispositivos ampliamente utilizados en la conmutación de cargas resistivas con señales de control DC o AC, los relés de estado sólido utilizan semiconductores como TRIAC´s o SCR´s, a diferencia de los relés electromagnéticos y contactares convencionales que en su construcción emplean  bobinas y elementos elementos mecánicos mecánicos para realizar la conmutación. En la extrusora el relé estará a la salida del controlador de temperatura y accionara los calefactores.

Figura3.34: Relé SSR 

En la figura 3.34 se presentan las características generales del relé de estado sólido iBest (Anexo 13).

Figura3.35: Características Características de Relé SSR 

A continuación como se muestra en la figura, se realiza el diagrama del circuito de control y de alimentación de los calefactores.

Figura3.36: Figura3.36: Circuito de control

110

3.12.- SISTEMA DE CONFORMADO El componente de la línea denominado cabezal cabezal de extrusión, es responsable de conformar o proporcionar la forma de extruido. De forma detallada, los principales componentes de un cabezal para la extrusión son:

Figura3.37: Esquema general del cabezal

3.12.1.- PLATO ROMPEDOR Y FILTROS Constituye el punto de transición entre la extrusora y el cabezal. El plato rompedor actúa como elemento filtrante y cierra el extremo del cilindro cili ndro creando una gradiente de presión a lo largo del canal del tornillo que ayuda al mezclado del polímero. Además es el primer elemento del cabezal destinado a romper con el patrón de flujo en espiral que el tornillo imparte; mientras que la función de los filtros es la de eliminar del material extruido las  partículas y/o grumos grumos provenientes de impurezas, carbonización, carbonización, pigmentos y/o aditivos, etc. En lo que respecta a su diseño, el plato rompedor no es más que un robusto anillo de acero inoxidable que rodea un plato grueso del mismo material, cuyo plato va taladrado t aladrado por una

111

serie de orificios equidistantes entre sí; el diámetro de estos orificios varia de 3 a 5mm 96, según el tamaño de la máquina, m áquina, y sus extremos suelen esta abocardados para facilitar al máximo el flujo de material fundido a través de dichos orificios.

Figura3.38: Colocación del plato rompedor

3.12.2.- BOQUILLA O DADO DE EXTRUSION La boquilla de extrusión es el componente del cabezal encargado de la conformación final del material extruido. Se debe velar por que el polímero fluya, con volumen y velocidad de flujo uniforme, alrededor de toda la circunferencia de la boquilla, de manera de lograr espesores uniformes. El diseño de las boquillas está constituido por una sucesión de conductos cilíndricos, anulares o rectangulares cuyas dimensiones geométricas pueden variar en la dirección del flujo del polímero fundido. Frecuentemente, las boquillas llevan incorporados i ncorporados sistemas de calefacción para mantener s temperatura lo más constante posible.

3.12.3.- ECUACIONES BASICAS DE CÁLCULO Una vez fijadas las dimensiones transversales del perfil que se desea extruir, y la  producción que que se requiere (kg/h), (kg/h), se procede a calcular las dimensiones dimensiones de salida salida de la  boquilla y definir un un diseño apropiado apropiado para el paso del polímero fundido fundido a través del cuerpo de la boquilla.

96Fuente:

R. Anguita Delgado, Extrusión de Plásticos, H. Blume Ediciones, 1.ª Edición (Madrid 1977) 112

La cantidad “Q” de material que flu ye a través de una boquilla en la que  hay una caída de  presión ∆P, se calcula del modo más sencillo empleando la siguiente ecuación:

=∗ ∆ ∗⁄⁄   ⁄ (3.83)97

Donde:

Q = Capacidad máxima de producción

 ∆

 = Viscosidad aparente del polímero

k = Constante geométrica de la boquilla

 = Caída o variación de presión en la boquilla

El flujo a través de una boquilla rectangular (película plana, perfil cuadrado y rectangular) viene dado por la siguiente ecuación:

=∗∗∗ ∆

(3.84)98

Donde: W = Ancho de ranura H = Alto o espesor de la ranura L = Longitud de labios de la boquilla La presión que se genera en la boquilla es la siguiente:

∆ = ∗∗ ∗12∗  ∗150  ∗12∗10   19. 0 23 ∆ = 8 ∗2.25 ∆ =3757.63 

97Fuente: 98Fuente:

R. Anguita Delgado, Extrusión de Plásticos, H. Blume Ediciones, 1.ª Edición (Madrid 1977) R. Anguita Delgado, Extrusión de Plásticos, H. Blume Ediciones, 1.ª Edición (Madrid 1977) 113

3.12.4.- SELECCIÓN DEL PLATO ROMPEDOR Para la selección del plato rompedor se utiliza el catalogo en línea de la empresa SFR Tooling, se realiza la selección con el dato del diámetro del cañón extrusor como se muestra en la figura:

Figura3.39: Características del plato rompedor

Los platos rompedores vienen estandarizados con un total de 92 orificios, con un diámetro de orificio de 5/32”

La diferencia de presión que tendrá en el plato será la siguiente:

∆ = ∗

99Fuente:

(3.85)99

http://www.mater.upm.es/polimeros/documentos/cap6_2estrsion.pdf 114

Donde:

 

 = flujo volumétrico  = Viscosidad efectiva

 = Constante geométrica

 = ∗∗1.∗ 5  = 8∗25.4  =0.0783   19. 0 23 ∗150     ∆ = 0.0783  ∆ =36.44  ∆ = ∆  ∆ ∆ = 36.44 0.00376 ∆ = 36.444  ∆. = ∆ ∆ ∆. = 50.3236.444 ∆. = 13.87  (3.86)100

La presión total que se genera en el cabezal, es la suma de la presión del plato rompedor y la presión en la boquilla.

Comparando con la presión que se genera al final de cañón se confirma que el cabezal está diseñado de manera correcta para el proceso continuo de extrusión.

100Fuente:

http://www.mater.upm.es/polimeros/documentos/cap6_2estrsion.pdf 115

3.13.- DISEÑO Y CALCULO DE CHAVETAS, TORNILLOS Y UNIONES SOLDADAS 3.13.1.- DISEÑO DE CHAVETAS Una cuña o chaveta es un elemento de máquina que se ubica en la inter fase del eje y la masa de una pieza que transmite potencia con el fin de transmitir torque. La chaveta es desmontable para facilitar el ensamble y desarmado del sistema de eje, que se denomina cuñero o chavetero como se observa en la figura.

Figura3.40: Diagrama de una chaveta o cuñero

Para el diseño de una chaveta se tendrá que seleccionar el material de construcción, y calcular las medidas correspondientes, ancho y longitud.

3.13.1.1.- MATERIAL DE LAS CUÑAS O CHAVETAS Dado que las cuñas se cargan al esfuerzo cortante, en su fabricación se utilizara materiales dúctiles. La elección más común es un acero dulce bajo de carbono. El material para la cuña, es el acero AISI 1045 que se apega a la norma ANSI B17.1

3.13.1.2.- CHAVETA PARA EL HUSILLO  Para el diseño planteado se utilizara una cuña paralela cuadrada, es el tipo más común de cuñas para ejes de hasta 6 ½ pulg o menos diámetro 101

101 Fuente:

SHIGLEY, Diseño en Ingeniería Mecánica 116

La cuña rectangular se sugiere para ejes largos y se utiliza en ejes cortos donde puede tolerarse una menor altura. Tanto la cuña cuadrada como la rectangular se denominan cuñas paralelas porque la parte superior, la inferior y los lados de la cuña son todos paralelos.

3.13.1.3.- DIMENDIONES DE LA CHAVETA 

ALTURA DE LA CUÑA

Como se mencionó anteriormente la cuña seleccionada será cuadrada por el diámetro que se tiene y por lo tanto esta medida se encuentra tablada y será de 12.7mm

Figura3.41: Ancho nominal de una cuña 102



LONGITUD DE LA CHAVETA

 Para calcular el valor de la longitud se tendrá que conocer que hay dos modos de resistencia, al corte y por aplastamiento, es importante tener en cuenta que la longitud no debe ser mayor que 1.5 veces el diámetro para que no falle 103 

RESISTENCIA AL CORTE

La resistencia al corte ocurre cuando la cuña es degollada en su ancho, esto ocurre en el contacto entre flecha y masa, y se determina mediante la siguiente ecuación:

 

 = ∗

(3.87)104

Donde:  = longitud de chaveta  = factor de seguridad 1.5  = resistencia al corte

102 Fuente:

MOTT, Robert L., Diseño de Elementos de Maquina SHIGLEY, Diseño en Ingeniería Mecánica 104Fuente: SHIGLEY, Diseño en Ingeniería Mecánica 103 Fuente:

117

 =0.577∗   

(3.88)105

 = limite de fluencia del material 310 N/mm²

 = altura de la chaveta 12.7 mm

 =0.577∗ 310    =178.87  

 = fuerza en la superficie del eje

= 

Donde:

 

(3.89)106

 = momento torsor 2702,65 N*m

 = radio del eje 23.31 mm

= 2702.0.0233165 ∗ =115943.8  = ∗∗ 8  = 178.1.857∗115943.  ∗12.7 =76.56 

Despejando y reemplazando en la ecuación (3.87) se tiene:

(3.90)107

105Fuente:

SHIGLEY, Diseño en Ingeniería Mecánica SHIGLEY, Diseño en Ingeniería Mecánica 107Fuente: SHIGLEY, Diseño en Ingeniería Mecánica 106Fuente:

118

RESISTENCIA AL APLASTAMIENTO O APOYO



La resistencia por aplastamiento o apoyo ocurre por apretar cualquiera de los lados a compresión y se calculara con la siguiente ecuación:

Despejando el valor a calcular L:

 = ∗ 

(3.91)108

8 ∗1. 5 = 2∗115943. 12.7 ∗310   =88.35 

La longitud de la chaveta será de 88.35 mm con un ancho de 12.7mm como se muestrea en la figura, ya que se encuentra dentro de los límites establecidos.

Figura3.42: Vistas de la chaveta diseñada

VERIFICACION DEL FACTOR DE SEGURIDAD



Para comprobar si el factor de seguridad seleccionado es correcto se realiza el siguiente cálculo:

= 

(3.92)109

Donde:

 

 = factor de seguridad por aplastamiento  = Limite de fluencia del material 310 N/mm²  = esfuerzo máximo

108Fuente: 109Fuente:

SHIGLEY, Diseño en Ingeniería Mecánica Norton, L. Robert 119

 = 

Donde:

(3.93)110

 F  = fuerza sobre la cuña  A = área de la cuña

La fuerza se multiplica por 2, ya que actúa en ambas caras de la cuña.

8 ∗2  = 88.115943. 35∗12.7   =206.66   310 = 206.66  =1. 5

Se reemplaza los valores en la ecuación (3.92) para determinar si el factor de seguridad es correcto:

3.13.1.4.- CHAVETAS PARA LAS POLEAS

Para la polea conductora se debe tener en cuenta que las dimensiones y características del chavetero en el eje del motor viene dada por los fabricantes para transmitir el movimiento. Para la polea conducida, la chaveta es la misma que se calcula para el eje del muñón, la cual se encarga de transmitir el movimiento a todo el tornillo extrusor.

3.13.2.- DISEÑO DE TORNILLOS Los tornillos son elementos que tienen filetes enrollados en forma de hélice sobre una superficie cilíndrica y son unos de los elementos más utilizados en las maquinas, los tornillos y pernos de unión son métodos semipermanentes, y en esto radica su ventaja. En los métodos de unión semipermanente, el elemento que une puede montarse y desmontarse fácil y rápidamente, sin necesidad de destruirlo.

110Fuente:

Norton, L. Robert 120

 El diseño de tornillos se basara en la resistencia limite a la tracción,



 , que es el máximo

esfuerzo que puede soportar el tornillo sin experimentar deformación permanente, para la mayoría de los grados SAE la resistencia limite a la tracción es aproximadamente el 90% de la resistencia a la fluencia especificada al 0.2% de deformación permanente. 111

Las resistencias y características del material de los tornillos se especifican con, clases o grados, los cuales han sido definidos por la SAE, ASTM e ISO. Las equivalencias entre los grados se muestran en la siguiente tabla:

Tabla 3.43: Equivalencias entre los grados de pernos

3.13.2.1.- TORNILLOS PARA LA BRIDA Y PORTA MALLA INFERIOR La figura, se muestra una brida roscada al cilindro, que sujeta al porta malla inferior del cabezal mediante tornillos, debido a la presión interna del cilindro, se genera una fuerza que trata de separar las bridas del porta malla, la cual se reparte entre los tornillos; la fuerza que le corresponde a cada uno de ellos se denomina fuerza externa. Y para determinar si el dimensionamiento del tornillo es correcto se calcula el factor de seguridad. Haciendo uso de la norma AISI B15.6, para el diseño de bridas de alta presión; señala que debe tener 6 tornillos a su alrededor. Por lo tanto con este dato se calcula el diámetro del tornillo.

111 Fuente:

NORTON, L. Robert 121

Figura3.43: Pernos para la brida

Se determina el área necesaria al esfuerzo de tensión, con la siguiente ecuación:

  = 

(3.94)112

Donde:

  

 = área de esfuerzo a tracción de prueba (pulg)  = Carga estática (69.72 kN)

 = fuerza externa (lbf)

 = #      = 69.762   =11.62 =2398.15   (3.95)113

 = Esfuerzo admisible

Se usa un perno de acero SAE grado 5, con las siguientes características:

112 Fuente: 113 Fuente:

MOTT, Robert L., Diseño de Elementos de Maquina MOTT, Robert L., Diseño de Elementos de Maquina 122

   =0.75∗  =0.75∗74000   =55500  5 ²   = 550002398.1/   =0.04321 ²  = 105 ksi  = 81 ksi  = 74 ksi

Se someta a un esfuerzo del 75% de su resistencia de prueba, para evitar fallas

(3.96)114

Reemplazando en la ecuación ( 3.94) tenemos:

En la Figura3.44 se observa que la rosca UNC 3/8  –  16 tiene el área necesaria de esfuerzo a la tensión.

Figura3.44: Características de pernos

114 Fuente:

MOTT, Robert L., Diseño de Elementos de Maquina 123

El par torsional de apriete necesario será:

Donde:

=

(3.97)115

 K = constante de lubricación presente (0.15)  P = carga de sujeción (lb)  D = diámetro exterior nominal de las roscas (pulg)

=0.15∗0.3750 ∗2398.15  =134.896 ∗ 

Para comprobar si el dimensionamiento del tornillo es el correcto, se hace analizando el factor de seguridad de separación que señala para este tipo de uniones (brida) a presión debe estar en un rango de 1.5 > n < 2 116; para determinar este factor de seguridad se analizara los esfuerzos cortantes y de torsión en el tornillo.

Esfuerzo cortante se lo expresa en la siguiente ecuación:

 =   = 27.1162087 ²  =416.83 /²  = ∗∗ (3.98)117

El esfuerzo de torsión se determina con la siguiente ecuación:

(3.99)118

Donde:

′

 = momento de torsión generado en la raíz de la rosca (N/mm²)

′

 = 0.5*T  (3.100)119

115 Fuente:

MOTT, Robert L., Diseño de Elementos de Maquina SHIGLEY, Diseño en Ingeniería Mecánica 117Fuente: SHIGLEY, Diseño en Ingeniería Mecánica 118Fuente: SHIGLEY, Diseño en Ingeniería Mecánica 119Fuente: SHIGLEY, Diseño en Ingeniería Mecánica 116Fuente:

124

T = par de torsión para producir una precarga (N/mm²)

 = 0.2 ∗ ∗ 0.6  ≤ ≤0.9   = ∗  =0. 6 ∗ ∗  =0.6 ∗ 0.04321 ²∗74000 /²  =1918.524 =8534.02   = 0.2 ∗8534.02 ∗9.525   = 16257.31 ∗ (3.101)120

Los valores sugeridos para la precarga deben estar dentro del intervalo 121.



 = carga de prueba (N)

Se reemplaza en la ecuación (3.101) los valores:

Se reemplaza en la ecuación  (3.100) los valores:

 =0.5∗16257.31∗ ′ =8128.65 ∗ 6 5 ∗  = 16∗8128. ∗9.525  =47.91 /

Para calcular el esfuerzo de torsión se reemplaza los valores en la ecuación (3.99)

Calculando los esfuerzos cortantes y de distorsión, con la ayuda del círculo de Mohr, se obtiene los esfuerzos principales:

120Fuente: 121Fuente:

SHIGLEY, Diseño en Ingeniería Mecánica SHIGLEY, Diseño en Ingeniería Mecánica 125

Esfuerzos principales:

 =416.83 /   =1 /  =47.91 /  =422.27 /  =4.45 /   =213.363 / = .∗  558. 4 7 / = 1.5 ∗ 213.363 / =1.745

El factor de seguridad se lo determina con la siguiente ecuación:

(3.102)122

El valor calculado esta en los límites de diseño, así que los tornillos dimensionados garantizan el buen funcionamiento.

3.13.3.- CALCULOS DE UNIONES SOLDADAS El sistema de soldadura eléctrica con electrodo revestido se caracteriza, por la creación y mantenimiento de un arco eléctrico entre una varilla metálica llamado electrodo, y la pieza a soldar, como se ve en la figura

122Fuente:

SHIGLEY, Diseño en Ingeniería Mecánica 126

Figura3.45: Esquema de soldadura eléctrica

Para realizar una soldadura por arco eléctrico se induce una diferencia de potencial entre el electrodo y la pieza a soldar, con lo cual se ioniza el aire entre ellos y pasa a ser conductor, de modo que se cierra el circuito. El calor del arco funde parcialmente el material de base y funde el material de aporte, el cual se deposita y crea un cordón de soldadura.

3.13.3.1.- UNIONES SOLDADAS DE ELEMENTOS DE MAQUINA Para la sujeción del cilindro se utilizara unas lunetas (apoyo 1 y 2) que estará soldada a la estructura como se ve en la figura.

Figura3.46: Vista de la extrusora y lunetas

Para el cálculo de las reacciones en los apoyos, se debe determinar el peso de los elementos que va soportar.

127

Con la ayuda del programa Autodesk Inventor se verifica el peso de los elementos que debe soportar los apoyos.

Figura3.47: Peso del sistema de plastificación

Figura3.48: Peso del sistema de alimentación

128

Figura3.49: Peso del sistema de conformado

₁₂

Para determinar las reacciones R   y  y R  , se utiliza el diagrama de cuerpo libre de la figura.

Figura3.50: Diagrama de cuerpo libre Wa

Wch

R₁

Wc

R₂

  ↑  = 0          = 0    = 5.5.039039   144.4.14 933933   9.9.663663     = 159.159.635  129

 ↶ =0 5.04∗1300   ∗800144.93∗500 9.7∗200 =0  = 77084.8006 ∗   =96.356 =945.25   =159.635 96.356   =63.279 =620.77 

3.13.3.2.- CALCULO DE LA UNION SOLDADA EN LOS APOYOS O LUNETAS

Para realizar el cordón se empleara un electrodo revestido de tungsteno E6011, el material del acero de transmisión en plancha acero AISI 1045. El apoyo tendrá la forma de una luneta como se ve en la figura, la unión será ranura en T, y  biselada en ambos lados.

Figura3.51: vista de la luneta

Para calcular el esfuerzo cortante, se tendrá que determinar primero la fuerza permisible,  para verificar si el metal de aporte es satisfactorio para la fuerza.

130

Y se determina con la siguiente ecuación 123:

 =∗

(3.103)

Donde:

  

 = fuerza permisible

 = fuerza unitaria permisible (4.77 ksi)

 = longitud unitaria del cordón de soldadura (345 mm=13.583 pulg)

 =4.77 ⁄ ∗13.583   =64.791 =288.32   >   =  =620.77 =0.62   =  =945.25 =0.945 

Como se observa la fuerza estática es menor a la permisible en ambos apoyos, por lo tanto la resistencia del metal de aporte es satisfactoria. Se comprueba el esfuerzo cortante permisible, con el esfuerzo cortante del material.

Donde:



 =0.45 

(3.104)

 = limite de fluencia de la placa AISI 1045 (310 MPa)

 =0.45∗310   =124 

El esfuerzo cortante en el metal base de la soldadura será 124:

123Fuente: 124Fuente:

SHIGLEY, Diseño en Ingeniería Mecánica SHIGLEY, Diseño en Ingeniería Mecánica 131

= ∗∗

Donde:

  ℎ

(3.105)

 = esfuerzo cortante

945.25   620.77  25  ; = 2∗9.5620.∗345 77  = 2∗9.5945.∗345 =0.144  =0.095   >

 = fuerza estática (

)

 = altura del cordón (9.5mm)  125

;

La unión resuelta satisfactoria cerca de los cordones de soldadura. El esfuerzo de tensión permisible en la unión del cuerpo será 126:

 =0.6   =0.6 ∗ 310   =186  = ∗ (3.106)

El esfuerzo de tensión en el cuerpo de la unión 127:

(3.107)

Donde:

 

 = esfuerzo de tensión

 = espesor de la placa sección transversal (25.4)

945.25345  ; = 25.4 ∗ 620.77345  = 25.4 ∗ =0.108  ; =0.071 

125Fuente:

FAIRES, Diseño en Ingeniería Mecánica SHIGLEY, Diseño en Ingeniería Mecánica 127Fuente: SHIGLEY, Diseño en Ingeniería Mecánica 126Fuente:

132

Se puede concluir que el esfuerzo de tensión en el cuerpo del metal es satisfactorio por la relación mostrada. Para calcular el factor de seguridad se utilizara la teoría de la energía de distorsión128.

= ∗

(3.108)

Donde:

   

 = factor de seguridad  = resistencia de fluencia del electrodo E6011 (345MPa)  = 0.4 * 345 MPa = 138 MPa  = esfuerzo cortante máximo

 =1.118  945.25  ;  =1.118 9.5∗345 620.77   =1.118 9.5∗345  =0.3224  ;  =0.2117  = 2∗0.1383224 =214 (3.109)

3.14.- DISEÑO Y CALCULO DE LA ESTRUCTURA PORTANTE

La estructura, debe soportar todas las fuerzas que se generan en el funcionamiento de la máquina y los pesos propios de los componentes. La alineación de la máquina, tiene que ser lo más precisa posible, evitando que la deformación de la estructura no se exagerada de tal modo que no perjudique el normal funcionamiento. Para el diseño y cálculo de la estructura, se usó el software Autodesk Inventor, cargando la estructura con las fuerzas debidas a las reacciones en los cojinetes de apoyo del tornillo extrusor y las lunetas, así también la fuerza debida al peso de la tolva más el agregado del  polímero y las fuerzas de todos los componentes de la máquina.

128Fuente:

SHIGLEY, Diseño en Ingeniería Mecánica 133

La máquina estará empotrada en 8 puntos como se ve en la Figura3.48.

Figura3.52: Vista de desplazamientos

3.13.- CALCULO DE LA RESISTENCIA DEL PERFIL Para este cometido, se usa las normas o especificaciones ASD-AISC (Diseño por Esfuerzos Admisibles) del libro de “Diseño de Estructuras de Acero” de Jack MacCormac

134

Uno de los esfuerzos máximo en la estructura portante, según el software, se da en el miembro 5 (columna a compresión).

596 N

596 N

Miembro 5

La capacidad de resistencia del perfil (miembro 59), se realiza Usando las formulas del ASD-AISC. Donde los datos del perfil son: L 3x2x3/16 pulg  L = longitud del perfil 865 mm  A = área del perfil = 588.373 mm²

 

 = radio mínimo de giro = 7.874 mm

E = módulo de elasticidad = 2039

 

 = tensión de fluencia del acero = 2531.04 kg/cm²

El valor de la relación de esbeltez en la viga más esforzada, se determina de la siguiente manera:

∗ =109.85

 2 ∗  =   ∗ =126.103

k = Factor de seguridad efectiva =1 (rotación impedida en la articulación)

135

Dando como resultado:

Siendo:

∗ <  → 

 ∗       1 2∗   = 5 2∗ ∗ ∗ ∗ =871.69 /² 3  8∗  8∗

Se reducirá el esfuerzo admisible un 25% para absorber los pequeños momentos y poder considerar a la estructura como reticulado.

′ =0.75∗  =653.76 /²  =′ ∗=3846.77=37.74≫596

Se ve que el perfil soporta tranquilamente este esfuerzo máximo de trabajo, pero debemos verificar la deformación admisible por la importancia de la máquina. Por otra parte, la deformación y/o flecha máxima, se produce en el miembro 1 (viga a flexión) y es de 0.9158 mm. Tal que, los valores máximos admisibles de las deflexiones  para maquinaria precisa y delicada son:

 ; 

 de la longitud de la viga, es decir:

 = 1810 2000 =0.905>0.9158

Como se puede apreciar, la deformación en el miembro 1 es menor a la deformación admisible, por lo tanto, la estructura portante está diseñada dentro de los rangos admisibles de diseño. Los resultados de los demás miembros que componen la estructura en su conjunto, se  pueden apreciar a continuación.

136

CAPÍTULO I V

 ANALI SI S DE COSTOS

4.- ANALISIS GENERAL Uno de los aspectos más importantes dentro del diseño de una maquina construida es sin duda, el análisis y estudio de costos de elaboración, el objetivo de este capítulo es el de  proporcionar datos económicos reales, ya que los costos y luego el precio de la maquina dependen en gran medida en los gastos originados en la adquisición de materiales y elementos no fabricados, uso de máquinas herramientas, mano de obra y otros. El análisis de los costos se hace a través de la estructura de los elementos de trabajo que intervienen en el producto, cuya codificación se da en el anexo B-1.

4.1- COSTO DE FABRICAION DE LA MAQUINA Para llevar a efecto tal estudio, se establece tiempos estándar (tiempo que necesita un operador para realizar una determinada operación), para lo cual se aplica técnicas como: registros históricos y estimaciones; el cálculo se puede apreciar en el anexo C-1 a C-11 siguiendo la metodología de Gerling 129, para luego en función de estos, determinar el costo real de cada equipo, además, se considera el costo de materiales y el costo de mano de obra, para determinar el costo real del trabajo realizado. A continuación se presenta las diferentes tablas de costos y procesos de cada uno de los elementos de máquina, la cual tiene la particularidad de que ya se encuentra determinado el  proceso que se va realizar en función a la unidad de trabajo para cada uno de los elementos (tiempos, peso, longitud, etc.).

129 Fuente:

Gerling H. Alrededor de las Maquinas  –  Herramientas, 2da Edición, Editorial REVERETE S.A. 137

4.3- COSTO TOTAL DE LA MAQUINA EXTRUSORA Para determinar el costo total de la extrusora, se suma los costos de fabricación y adquisición de los elementos de la máquina, y el costo de diseño y/o ingeniería por lo general se toma un 8% del total del costo de la máquina. COSTODE LA MAQUINA P.UNITARIO CANTIDAD C/imp ($us)

P. TOTAL C/imp ($us)

Nº

SISTEMAS Y PARTES QUE LA CONFORMAN

1

SISTEMA DE ALIMENTACION

212,66

1,00

212,66

2

SISTEMA DE POTENCIA Y TRANSMISION

1850,73

1,00

1850,73

3

SISTEMA DE PLASTIFICACION

1671,19

1,00

1671,19

4

SISTEMA DE CONFORMADO

110,15

1,00

110,15

5

SISTEMA DE CALEFACCION

295,72

1,00

295,72

6

ESTRUCTURA DE LA MAQUINA

144,42

1,00

144,42

($us) ($us) ($us)

4284,87

COSTO DE FABRICACION COSTO DE DISEÑO E ING. (8%) COSTO BASICO DE VENTA

342,79 4627,65

4.4.- COSTO DE OPERACIÓN Para conocer el costo de operación de la maquina extrusora, se calcula inicialmente los factores que inciden directamente en esta operación; como el costo de tasa de retorno esperada; costo de la depreciación de la maquina; costos del consumo de energía eléctrica, costo de la mano de obra del operador, costo de mantenimiento de la máquina y también el costo de obsolescencia; la suma de todos estos costos será el costo total de operación. Para tal efecto, se recurre a Leland 130

4.4.1.- Costo de operación de la maquina diseñada a).- T.I.R. (Tasa de interés de retorno) por operación: La inversión inicial es = 4628 $us T.I.R. = 18% anual (esperado) La operación de procesamiento de resina, por una jornada de trabajo (8horas), se tiene:

130 Fuente:

Leland T. Blank, Ingeniería Económica, 2da edición, Editorial Mc Graw Hill 138

T.I.R. por operación =

  $−.   $∗0.000913   ñ

ñ

 = 0.23 $us

b).- Costo de la depreciación (C.D.): Tiempo de depreciación = 15 años

Depreciación = 10% anual (aconsejable) Tomando en cuenta además el tiempo de operación por jornada (8horas), se tiene: (C.D.) por/operación =

  $−.   $∗0.000913   =0.25 $ ñ

ñ

 =

c).- Costo de la energía eléctrica (C.E.):

Tomando en cuenta que el costo de energía eléctrica para la industria es 0.25 $us/kW-hr. La suma de las potencias de los motores es la siguiente: Un motor (sistema de potencia) = 15 kW, considerando el tiempo de operación por  jornada, se tiene:

$ ∗15 ∗8ℎ=30 $ =0.25 ∗ℎ

Tal que el C.E. por operación es = 30 $us

d).- Costo de la energía eléctrica de calefacción (C.E.): Tomando en cuenta que el costo de energía eléctrica para la industria es 0.25 $us/kW-hr. La suma de las potencias de las resistencias es la siguiente: Una resistencia eléctrica (sistema de calefacción) = 6,15 kW, considerando el tiempo de operación por jornada, se tiene:

$ ∗6,15 ∗8ℎ∗4=49.2 $ =0.25 ∗ℎ

Tal que el C.E. por operación es = 49.2 $us

e).- Costo de mano de obra (C.M.O.): La máquina será operada por una persona, el cual percibe un salario de 0.95$us/hr; considerando una jornada de trabajo, se tiene:

139

.../=0.95 $ℎ ∗8 ℎ=7.66 $

f).- Costo de mantenimiento (C. Mtto.):

El costo de mantenimiento es aproximadamente 10% del costo de depreciación.

. ./=0.025 $

g).- Costo de obsolescencia (C.Obs.):

Se toma un porcentaje de la inversión aproximadamente de obsolescencia de 10% anual (aconsejable)

. . /=0.25$

EL COSTO TOTAL POR OPERACIÓN SERA (C.T.O.):

(C.T.O.) = T.I.R. + C.D. + C.E. + C.M.O. + C. Mtto. + C.Obs. (C.T.O.) = 0.23$us + 0.25

$ $ $ $ $  $ $ + 30

 + 49.2

 + 7.66

 + 0.025

 + 0.25

(C.T.O.) = 87.62

Entonces el costo total de operación por jornada de trabajo (8h por día) será de 87.62 $us, con el funcionamiento de la maquina a su máxima capacidad de producción.

h).- Costo unitario de producción (Cu): El costo unitario de producción, es el costo final de cada unidad producida.

.  = .. $us/dia = 87.64062 / =0.14 $

El unitario de producción es de 0.14 $us/kg que es equivalente a 1bs por kg de material  producido.

140

CAPÍ TULO V

CONCLUSI ONE S Y RE COME NDACI ONE S

5.- CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES Las conclusiones y recomendaciones se realizan en base a los estudios realizados, y los resultados obtenidos en el desarrollo de este proyecto.

5.1.- CONCLUSIONES 

El diseño de la maquina extrusora, se la hizo a partir del estudio del material compuesto, entre el polietileno tereftalato (PET) y el polvo de madera, con lo cual se cumple con los requerimientos planteados, con una producción de 80 kg/h, con un rango de tolerancia de +10kg/h, la primera hora de trabajo es donde se debe calibrar la máquina para poder conseguir una producción constante.



Debido al movimiento relativo entre el tornillo y el cilindro, el material se mezcla de manera homogénea, se calienta por efecto, no solo del calor aplicado al cilindro, sino, sobre todo por la energía disipada por los esfuerzos internos.



En la construcción de la maquina extrusora se utiliza material AISI-SAE 4140 y AISI-SAE 1045, en elementos como el husillo y el cilindro respectivamente, que van a soportar presiones de 50 MPa y temperaturas de 255 °C. 141



El sistema de potencia y transmisión está basado en la reducción de velocidad y revoluciones por minuto para aumentar el torque requerido en la extrusión, si bien se podía seleccionar un motorreductor con las características requeridas, se optó por diseñar un sistema de transmisión de potencia de bandas para una posible modificación y ampliación en la producción de la máquina.

5.2.- RECOMENDACIONES 

Para conseguir la producción deseada se debe tener la materia prima suficiente en la bodega de acopio, ya que si la maquina deja de trabajar, el tiempo perdido es un gasto para la empresa por la cantidad de energía que se necesita para su funcionamiento y sobre todo no se obtendría la producción planteada.



Es muy importante el método teórico para la selección de resistencias eléctricas, tipo abrazadera o banda, para evitar el sobredimensionamiento y gastos innecesarios para los procesos en los que no es necesaria una excesiva carga calorífica, y aún más el sistema de control de estas temperaturas para regular estas resistencias.



Para un buen funcionamiento de la maquina extrusora, es necesario que el cilindro alcance una temperatura interior de 255 °C, esto garantiza una perfecta homogenización y fusión de los materiales, que se verifica al salir los perfiles del dado o boquilla de extrusión.



Después de una jornada de trabajo la máquina, debe quedar sin material en el interior del cilindro, ya que como se analizó el material se enfría y solidifica, y al tratar de poner en marcha al día siguiente, el husillo puede dañarse por la potencia del motor.

5.2.1.- RECOMENDACIONES COMPLEMENTARIAS Es importante realizar algunas recomendaciones complementarias, tanto al fabricante del equipo (para montaje), como para al operador del mismo (puesta en marcha).

5.2.1.1.- RECOMENDACIONES DE MONTAJE Una vez que las piezas de equipo han sido acabadas con las dimensiones correspondientes a los planos respectivos, se procede al montaje de las mismas. Para la realización del montaje, es aconsejable diferenciar los diferentes sistemas que conforman la maquina

142

extrusora. Sistema de alimentación, sistema de potencia y transmisión, sistema de  plastificación, sistema de calentamiento, sistema de conformado. El orden de ensamblado es el siguiente: tomando como pieza base la estructura portante, se  precederá al montaje del sistema de potencia y transmisión constituido por los siguientes elementos mecánicos (el motorreductor, el reductor de velocidad); proseguir con el montaje del sistema de plastificación, haciendo sujetar las lunetas a la estructura portante  para luego sujetar el tornillo extrusor en los cojinetes de empuje axial y paralelamente las resistencias eléctricas al cilindro o cañón plastificador, el mismo será fijado a las lunetas y el husillo a las chumaceras; sujetar el sistema de alimentación (tolva de cargado, transición de la tolva, placa de estrangulamiento) al cañón plastificador, seguidamente realizar el montaje del sistema de conformado, conectando el cabezal extrusor con la boquilla respectiva para ser extruida, finalmente, se consigue montar el sistema de mando, conectando los demás elementos de control de temperatura. Realizar el control de calidad para todas las piezas maquinas, así también de los elementos que se conforman mediante soldadura.

5.2.1.2.- RECOMENDACIONES DE PUESTA EN MARCHA Antes de proceder a su funcionamiento, se deben examinar sus diferentes partes y conviene tener en cuenta algunos puntos antes de comenzar a extruir. 

El encargado del funcionamiento de la extrusora debe estar familiarizado con el diseño de la boquilla que va emplear, así como la manera de montarlos y desmontarlos.



La verdadera operación de extrusión comienza cuando la temperatura ha alcanzado el valor deseado, esto se consigue calentando el cilindro plastificador entre 20 a 25 min antes de colocar el material en la tolva de alimentación.



Una vez que la maquina ha alcanzado la distribución de temperaturas deseadas, se coloca la resina en la tolva y se comienza a girar el tornillo extrusor. En todo momento se observa el amperímetro del motor del tornillo; cuando ya hay suficiente trabajo del tornillo sobre el material, lo que pone en evidencia por una caída de corriente, si sube excesivamente el consumo de corriente, se deberá regular el ingreso de resina.

143



Otro punto a tener en cuenta en las operaciones de rutina para poner en marcha la extrusora son: asegurarse de las tuercas que embridan el cabezal y la boquilla hayan sido apretadas ´´en caliente´´, es decir, después de que la maquina ha alcanzado la temperatura de trabajo y antes de hacer girar el tornillo.



Para parar el extrusor la primera medida es cerrar la entrada de la tolva de alimentación y seguir extruyendo hasta vaciar la extrusora del material que queda en el canal del tornillo; cuando el amperímetro del motor indica que se trabaja con la mínima carga se desconecta los controles de temperatura y el sistema de calefacción y seguidamente se para el motor.



La limpieza de las boquillas y otros componentes desmontables del cilindro  plastificador pueden saturarse en un horno +300 °C. algunos residuos pueden quitarse con cepillo de alambre (bronce o cobre).

Finalmente, a continuación se presenta una lista de recomendaciones para la solución de frecuentes problemas en el procesamiento de resinas mediante técnicas de extrusión:

Problema

Posible Causa y Solución

Líneas y marcas en la

Posiblemente causado por: inconvenientes en la boquilla (partículas

dirección de

adheridas, etc.), o

extrusión. 

condiciones de procesamiento inadecuadas.

Limpie la boquilla; verifique la existencia de daños en la  boquilla.

Posiblemente causado por fluctuaciones en el flujo. Espesor no uniforme



en la dirección longitudinal.

Verifique la ausencia de oscilaciones de la presión o la  potencia del motor.



Verifique el correcto funcionamiento de los controladores de temperatura, termopares.

Posiblemente causado por inconvenientes en el sistema de Inestabilidad del caudal de producción.

alimentación. 

Revisar si existe formación de puentes de resina en la tolva. Evitarlo.



Revisar sistemas de control de temperatura.

144