El estándar del recuento de geles en los procesos de polimerización y extrusión

Las ventajas de un sistema de inspección en línea son de aplicación en las tres partes de las que se componen la extrusión de film y el converting: el propio proceso, la material prima o el producto final.

En lo referente al control del proceso, un sistema de inspección en continuo contribuye a optimizar la producción al eliminar directamente la producción de desperdicio mediante el uso de alarmas. Al detectarse la presencia de geles o puntos negros, los tiempos de parada de la línea para la limpieza del cabezal se minimizan, incrementando así su productividad.

En los procesos de extrusion y converting, un sistema de inspección puede optimizar la elección de la materia prima y ser de ayuda para encontrar la mejor combinación de materiales. Un sofisticado software de análisis offline suma en una sola bobina todas las bobinas producidas con un mismo lote de material prima y determina, por ejemplo, el número total de geles. De esta manera, la inspección del 100 % de la producción es una herramienta con la que se puede controlar la calidad de la producción y de la propia materia prima empleada en ella.

Los geles, infundidos o también llamados ojos de pez, son pequeñas irregularidades del film, caracterizadas por su área (tamaño cuando se trabaja por transmisión de luz) y protusión sobre la superficie del film. El número de geles es, en cierta manera, una propiedad inherente a cada film.

Los materiales constituyentes del proceso de polimerización de alto peso molecular u otros materiales poliméricos sin fundir del todo, forman los geles. Contaminantes tales como el polvo de los contenedores o sacos que contienen la granza, partículas desprendidas por la abrasión de las tuberías de transporte neumático u otros materiales (por ejemplo de silos mal limpiados), pueden también ser la causa de la formación de geles.

Durante el transporte neumático de granza de polietileno, algunos gránulos se funden por abrasión contra las paredes, formando cabellos de ángel en el sentido de la corriente, que van desprendiéndose para incorporarse de nuevo al flujo de granza. Dichos cabellos de ángel quedan adheridos a las paredes de las tuberías, quedando así, debido a su geometría, una mayor cantidad de material expuesto al contacto con el oxígeno, lo cuál provoca el aumento de grupos moleculares reactivos, los cuáles provocan la formación de geles. Deposiciones en el cilindro de la extrusora o un requemado del material durante el proceso de paro pueden causar la formación de geles con sus característicos bordes marrones. Aditivos mal mezclados tales como pigmentos, agentes antiblocking, etc. actúan como un núcleo alrededor del cuál se acumula el polímero, para acabar formando geles.

No existe un estándar ISO o DIN para medir la definición y medida de la cantidad de geles. Los fabricantes y transformadores de film intentan medir la cantidad y el tamaño de los geles mediante sistemas de inspección. Su intención es minimizar el número y el tamaño de dichos geles a niveles que no supongan un problema para procesos y aplicaciones posteriores

La idea detrás de un bucle de control cerrado en línea es implementar un laboratorio offline directamente en el proceso de producción de granza, para controlar la calidad de la materia prima y así minimizar el tiempo de reacción si surgieran problemas. Anteriormente, podía haber una demora de hasta diez horas hasta que el departamento de producción recibía los resultados del laboratorio y sabía cuál era la calidad de su producción. Ésto es crucial en el caso de producirse contaminaciones. Además, la completa automatización, estanqueidad y entornos de trabajo de nivel cercano a una sala blanca eliminan cualquier interferencia externa sobre la medida como por ejemplo niveles de humedad superiores fuera del proceso productivo.

Foto 2: Control de calidad en línea con contador de geles en una planta de polímeros.

En el concepto ‘bucle cerrado’ se toman muestras de granza de las líneas de transporte de forma continua, las cuáles se analizan inmediatamente. Este control de calidad en línea está monitorizado por un algoritmo informático, el cuál establece los parámetros del sistema y da feedback directo al control del proceso. Este concepto genera un retorno de la inversión en un tiempo inferior a un año.

Básicamente, el control de calidad en línea queda dividido en dos partes: la inspección de la granza y la inspección del film extruido mediante un proceso de cast o de blown.

La inspección en línea de la granza proporciona información sobre las coordenadas LAB, el índice de amarilleamiento (medida del color), polvo e impurezas ('Pellet Scan Systems') y la forma y coeficiente de redondez ('Pellet Size and Shape Distribution Systems').

La inspección en línea de un film extruido mediante un proceso de cast o blown permite obtener datos en tiempo real referents a la contaminación por geles, picos negros u ojos de pez, el contenido de aditivos y las propiedades físicas (espectroscopía IR), el brillo ('glossmeter') o valor de opacidad ('haze meter value').

Las ventajas de un control de calidad en línea pueden plasmarse en tres partes: el propio proceso, la material prima o el producto final.

El feedback directo recibido del proceso detecta y separa los defectos que pueden aparecer de forma repentina para luego desaparecer, por ejemplo, al realizar un cambio de silo. El nivel de contaminación por geles afecta a los diferentes procesos que se llevan a cabo en una planta. Es más, se pueden anticipar los intervalos de limpieza y mantenimiento así como planear mejor las paradas de fábrica. Así mismo, se pueden optimizar las puestas en marcha durante transiciones y reducir las mermas.

La inspección en línea con una alta frecuencia de muestreo ofrece la posibilidad de consignar la materia prima y la eliminación de material fuera de especificaciones, lo cuál supone una mayor calidad en la producción, menos reclamaciones, productos más competitivos y por ultimo y no menos importante, mejorar las relaciones con el cliente.

En lo referente al control de la extrusión y posterior transformación, un sistema de inspección ayuda a optimizar la producción al evitar la producción de material defectuoso mediante el uso de alarmas. Al anticiparse a los intervalos de limpieza del cabezal, la duración de éstos se acorta, aumentando así su productividad.

Los sistemas de inspección en línea ayudan a una optimización de la materia prima y a encontrar la mejor receta para cada material. Un software fuera de línea puede comisionar las bobinas de todo un lote de material prima a un solo mapa de bobina y analizar, por ejemplo, el nivel total de geles. Así, la inspección del 100% de la producción nos permite el control de la materia prima con la que ésta se ha producido.

Los defectos típicos en la extrusion de lamina plana o en el recubrimiento por extrusión o 'extrusion coating' son: geles, picos negros, ojos de pez, agujeros y cuerpos extraños/insectos. Otros defectos importantes son las rayas / líneas de flujo del cabezal, manchas de aceite, defectos en el laminado, grietas, burbujas o inclusiones, arrugas, ausencia de adhesivo o cráteres. Los defectos dependen del proceso de producción y el sistema debe ser abierto de modo que éste pueda ‘aprender’ a detectar nuevos defectos que puedan producirse. Cada vez es más crítico para el productor el poder detectar y clasificar el defecto de forma inmediata y el tener una idea clara sobre las causas que lo originan de modo que se evite la producción de mermas, mejorando así tanto la calidad de la producción como la productividad de la línea.

Igualmente, los defectos típicos en la extrusión de film son los geles, picos negros y ojos de pez. Dichos defectos son similares a los producidos en el proceso de extrusión en línea en una planta de producción de polímeros. El fabricante de film se enfrenta a otros defectos propios del proceso productivo tales como agujeros, cuerpos extraños/insectos, rayas, manchas de aceite, defectos de laminación, grietas, burbujas o inclusiones, vetas, arrugas, falta de adhesivo o cráteres. Las diferentes clases de defectos están relacionadas con el proceso de producción. Tal y como expuesto anteriormente, un sistema de inspección por vision artificial debe ser lo suficientemente flexible como para aprender a detectar nuevos defectos que puedan producirse. La identificación y clasificación automática del defecto es imprescindible para que el operario encuentre la causa que lo produce y pueda corregirla.

El origen de un defecto puede estar en la línea de extrusión (20% de los casos), la materia prima (25%), el propio proceso productivo (15%) o en el transporte de la granza (40%, transporte interno y externo).

Podríamos considerar como ejemplo un cambio de filtros o un cambio en las temperaturas de la extrusora, teniendo como resultado la aparición de defectos (geles y picos negros) en cascada. En lo referente a la línea de extrusión, la geometría de los husillos puede no ser la óptima y degradar el material debido a la presencia de zonas muertas. Así mismo, la materia prima puede contaminarse durante el proceso de manipulado o durante el transporte de la granza. El sistema de inspección en línea detectará los defectos y ayudará al operario a encontrar y eliminar la causa que lo produce.

Films / láminas planas y recubrimientos

En el mercado de los films, lámina plana y recubrimientos (coatings), se emplean resoluciones de 25 a 100 µm, en función de las exigencias del cliente. Los defectos pueden variar desde simples geles o picos negros hasta otros de mayor complejidad tales como las distorsiones ópticas, aguas, rayas de cabezal o líneas de flujo. Para la detección de defectos por debajo de 100 µm se requiere trabajar en un entorno de sala blanca, ya que de lo contrario se producen falsas detecciones tales como polvo y otras partículas en suspensión en el aire.

Los sistemas de inspección para líneas de recubrimiento o coatings con PVDC requieren de resoluciones del entorno a los 200 µm. Defectos tales como agujeros, insectos, picos negros, ausencia de recubrimiento o estructuras de 0,1 mm² deben ser detectados y marcados con total fiabilidad para su posterior retirada de la producción.

Los films técnicos son fabricados en líneas de blown de forma muy habitual. Dichas líneas no operan en entornos de sala blanca, con lo cuál resulta problemático trabajar a resoluciones de 100 µm. Es una práctica estándar clasificar los geles detectados por el sistema según su diámetro: d < 250 µm, 250 < d < 400 µm y d > 400 µm. Si el film tiene por ejemplo aplicación en procesos posteriores de laminado, defectos como geles, puntos negros u ojos de pez son críticos. El sistema, además, permite anticipar intervalos de limpieza y mantenimiento de la línea.

En el mercado de las películas para pañales y apósitos (por ejemplo laminas transpirables), los agujeros y puntos negros de tamaño superior a 1 mm deben detectarse sin excepción. De igual manera, deben detectarse sin excepción cualquier insecto o partícula metálica. Ésto exige un sistema de inspección con una resolución mínima de 500 µm y revisiones periódicas del sistema de inspección.

Las exigencias del cliente de films barrera de aplicación en la industria alimentaria, no acepta ningún defecto visible tales como picos negros o insectos. Igualmente, la contaminación visible puede perjudicar también a las propiedades del film barrera. Resoluciones de 200 µm son el estándar del Mercado. Además de los insectos, los puntos negros con un diámetro superior a 500 µm también son muy importantes, ya que pueden causar roturas en la lámina o bien en el posterior proceso de termoconformado.

Las posibles protuberancias causadas por geles son críticas en este tipo de producto. Sin embargo, puesto que éstos son difíciles de determinar, el diámetro del gel se multiplica por un factor, tal como 1,1 a 1,5 veces el espesor de la propia película. Así pues, las resoluciones empleadas están en un rango de unos 100 µm y valores algo superiores. Cada defecto que sobresalga de la superficie de la película marcará la superficie que protege, dañando la misma (aluminio, planchas de acero, etc), causando un defecto en el producto final (la pantalla de un ordenador o la puerta de una nevera).

En este proceso, de aplicación en el envasado de líquidos o liquid packaging es crucial que el alimento (zumo, leche...) no esté en contacto con la capa de aluminio o con el cartón. Así, cualquier defecto en la capa barrera de polietileno debe detectarse y retirarse de la producción a posteriori.

Como conclusión, se desprende que un sistema de inspección se está convirtiendo en un pieza clave en los procesos de extrusión y posterior transformación, cuyos requerimientos y resolución de trabajo varían ampliamente.

Films y láminas planas son inspeccionados en rangos de resolución de 25 – 100 µm. Los films de aplicación en la industria farmacéutica 200 µm, films técnicos en valores entorno a 100 – 200 µm, películas para pañales a 500 µm, films barrera de PET en valores de entre 200 y 500 µm, films de protección de superficie desde 60 hasta 160 µm y en recubrimiento de aluminio por extrusión de 350 µm.

En el futuro, los sistemas de inspección tendrán un papel cada vez más y más importante, tanto en los procesos de extrusión como de recubrimiento por extrusión, al igual que la regulación automática del cabezal.

Los requerimientos y exigencias serán mucho mayores, así como la cooperación y sinergias entre los proveedores de materia prima, las empresas de extrusión/transformación y el cliente final. Todos estos elementos serán imprescindibles para abordar el mercado con éxito y tener ventajas competitivas.