Efectos del uso de un mezclador estático en máquinas de moldeo por inyección
Una masa homogénea
Redacción PU01/08/2002
Unas piezas de alta calidad en inyección solamente se obtienen cuando la máquina es capaz de producir una masa plástica perfectamente homogénea. No obtener esta calidad de masa fundida puede causar variaciones en el llenado de alguna parte del molde, diferencias en la contracción durante el enfriamiento, líneas de color no deseadas, tensiones en el material y otros diversos y comunes problemas que incrementan las tasas de rechazo y aumentan los costos de producción.
La relación L:D del husillo tiene una influencia directa en la homogeneidad térmica de la masa fundida. Un husillo de extrusora con una relación L:D de 31:1 puede producir diferencias de temperatura en la masa de hasta 21º C. Un buen husillo de inyección debería tener una relación L:D de 25:1 pero desgraciadamente, ésta es habitualmente menor y por lo tanto afecta a la capacidad de homogeneización de la masa en dichas máquinas.
Una de las funciones del husillo consiste en transferir el material en estado sólido de la tolva, transformándolo en una masa fluida, hasta el punto de salida de la boquilla. Durante este proceso, hay que incorporar diversos aditivos a la masa. Un problema de las máquinas de inyección al que a menudo no se le da la suficiente importancia es el efecto del movimiento recíproco del husillo. Al inicio de la rotación del husillo, bajo la tolva de alimentación, este tiene una relación útil L:D aproximadamente de 21:1. Cuando el husillo inicia su movimiento hacia atrás, la relación efectiva L:D comienza a reducirse. A medida que aumenta el peso de la carga, se va reduciendo la relación L:D y consecuentemente también se reduce la capacidad de homogeneización de la masa en dicho husillo. Una carga de masa plastificada que ocupe el 70 por ciento de la capacidad máxima del husillo, reduce su relación L:D aproximadamente a 18:1.
El diseño del husillo esta comprometido entre obtener una homogeneización aceptable y un efecto de bombeo positivo. El efecto de reducción en la relación L:D sugiere que la masa plastificada en la cámara del husillo debe tener variaciones en temperatura y plasticidad de la misma, por lo cual no será sorprendente apreciar que la calidad de la masa que se inyecta al molde no sea la misma al inicio que al final. Una forma sencilla de ver dichas variaciones consiste en observar el material mientras se realiza una purga sobre la base de la máquina. Las variaciones en el flujo de la masa saliendo por la boquilla repercuten en el llenado de las cavidades del molde, que a su vez conlleva a variaciones en el producto final. Los mezcladores estáticos ayudan a eliminar dichas variaciones mejorando la calidad final del producto.
Cada vez más empresas reconocen que la incorporación de un mezclador estático en la boquilla de la maquina, mejora significativamente la eficiencia de la unidad de plastificación.
Una de las funciones del husillo consiste en transferir el material en estado sólido de la tolva, transformándolo en una masa fluida, hasta el punto de salida de la boquilla. Durante este proceso, hay que incorporar diversos aditivos a la masa. Un problema de las máquinas de inyección al que a menudo no se le da la suficiente importancia es el efecto del movimiento recíproco del husillo. Al inicio de la rotación del husillo, bajo la tolva de alimentación, este tiene una relación útil L:D aproximadamente de 21:1. Cuando el husillo inicia su movimiento hacia atrás, la relación efectiva L:D comienza a reducirse. A medida que aumenta el peso de la carga, se va reduciendo la relación L:D y consecuentemente también se reduce la capacidad de homogeneización de la masa en dicho husillo. Una carga de masa plastificada que ocupe el 70 por ciento de la capacidad máxima del husillo, reduce su relación L:D aproximadamente a 18:1.
El diseño del husillo esta comprometido entre obtener una homogeneización aceptable y un efecto de bombeo positivo. El efecto de reducción en la relación L:D sugiere que la masa plastificada en la cámara del husillo debe tener variaciones en temperatura y plasticidad de la misma, por lo cual no será sorprendente apreciar que la calidad de la masa que se inyecta al molde no sea la misma al inicio que al final. Una forma sencilla de ver dichas variaciones consiste en observar el material mientras se realiza una purga sobre la base de la máquina. Las variaciones en el flujo de la masa saliendo por la boquilla repercuten en el llenado de las cavidades del molde, que a su vez conlleva a variaciones en el producto final. Los mezcladores estáticos ayudan a eliminar dichas variaciones mejorando la calidad final del producto.
Cada vez más empresas reconocen que la incorporación de un mezclador estático en la boquilla de la maquina, mejora significativamente la eficiencia de la unidad de plastificación.
El mezclador estático Sulzer SMK-R
El mezclador se dimensiona para garantizar una caída de presión baja ante el paso de la masa. Las fuerzas de cizallamiento y fricción a través del mezclador son bajas (normalmente de 500 Hz a 1.000 Hz). El mezclador estático actúa como un mezclador distributivo que iguala las variaciones de temperatura de la masa y garantiza una distribución uniforme de los aditivos.
Diversos estudios han probado que existe un incremento por un factor de 5 en la homogeneización y mezcla mediante el uso de un mezclador compuesto por 4 elementos. En caso de ser necesaria mayor homogeneización, se puede incrementar el número de elementos. Por ejemplo con un mezclador de 6 elementos, se obtiene un incremento en la homogeneización por un factor de 12.
Mediante un incremento en el diámetro del mezclador, la caída de presión a través del mismo se reduce. Una caída de presión típica es del orden de 1.450 psi. Esto quiere decir que la presión de inyección sólo se deberá incrementar en 110-145 psi como compensación.
Diversos estudios han probado que existe un incremento por un factor de 5 en la homogeneización y mezcla mediante el uso de un mezclador compuesto por 4 elementos. En caso de ser necesaria mayor homogeneización, se puede incrementar el número de elementos. Por ejemplo con un mezclador de 6 elementos, se obtiene un incremento en la homogeneización por un factor de 12.
Mediante un incremento en el diámetro del mezclador, la caída de presión a través del mismo se reduce. Una caída de presión típica es del orden de 1.450 psi. Esto quiere decir que la presión de inyección sólo se deberá incrementar en 110-145 psi como compensación.
Efectos derivados de la utilización de un mezclador estático
Después de la instalación de un mezclador estático en la boquilla, las empresas advierten diversos efectos. La cantidad de colorante que se añade al sistema se puede reducir entre un 20 y un 40 por ciento. Algunas empresas han llegado incluso a cifras mayores. Con precios de colorantes variando entre 4 y 50 euros/Kg. cualquier ahorro es bien recibido. La mayoría de las empresas han tratado alguna vez de reducir el nivel de colorante, pero no lo han hecho por la aparición de líneas y sombras, ocasionadas parcialmente por la baja eficacia de mezclado del husillo. Puesto que este mezclador estático incrementa substancialmente la eficiencia de mezclado del sistema, la cantidad de colorante con la cual se obtiene una intensidad de color visualmente aceptable, es mucho menor.
La presión de inyección de la máquina necesitara un pequeño incremento para compensar la caída de presión debido a la obstrucción que representa el mezclador. Al calcular la dimensión de un mezclador, la cantidad de material plastificado por hora y otros parámetros teóricos del material, son tenidos en cuenta para calcular la caída de presión en diferentes mezcladores. Se selecciona el tamaño adecuado que asegure una caída de presión aproximada de 1.450 psi. Esto requerirá que la presión de inyección se incremente entre 110 psi y 145 psi. Si la presión tuviera que ser aumentada en mas de 290 psi, la caída de presión a través del mezclador sería mucho mayor y el grado de cizallamiento en el material igualmente incrementaría, generando un aumento no deseado de temperatura dentro del mezclador, que resultaría en una reducción de la eficiencia de mezcla del sistema.
El mezclador también propicia que el polímero fluya en forma de tapón, lo cual aumenta la eficiencia de limpieza de la cámara de plastificación. Se reduce significativamente el tiempo necesario para efectuar los cambios de color con lo que se reducen el tiempo muerto y material empleado para el mismo. El efecto de flujo laminar del polímero causa que el material por el centro del canal fluya más rápido que el de las paredes exteriores, lo cual es utilizado en el mezclador para empujar el material del centro hacia el exterior aumentando la eficiencia de limpieza del sistema.
En ocasiones ocurre que después de realizar un cambio de color y estando en la nueva producción por un tiempo, aparecen finas líneas del material o color anterior. Obviamente, los componentes afectados se descartan debido a la contaminación presente en las piezas moldeadas. Después de instalar un mezclador estático, las partículas de material anterior que se desprendan al nuevo flujo, serán totalmente mezcladas en el nuevo color. A pesar de que los nuevos componentes producidos difieran ligeramente en la tonalidad, es muy probable que se encuentren dentro de los limites de aceptación de color y no irán a engrosar la cuenta de rechazos.
Al mejorar la homogeneización del sistema, las variaciones en la temperatura de la masa plastificada se reducen y así se puede reducir la temperatura general y con ello el tiempo de refrigeración. Este último se define como el tiempo requerido para reducir la temperatura de la parte más caliente de la masa por debajo de un punto critico, lo cual acorta el ciclo de producción. Al reducir las variaciones de temperatura en la masa, también se mejora el llenado de los moldes de cavidades múltiples.
En las aplicaciones donde se requieren materiales rellenos con fibra de vidrio, la fibra es distribuida en el polímero mediante el husillo y a fin de mejorar la homogeneización, se aumenta la contra-presión. El excesivo cizallamiento afecta adversamente a la longitud de la fibra reduciendo parte de las propiedades que esta incorpora. A medida que el polímero es transportado a lo largo del husillo, la longitud de la fibra se reduce. Cuanto más alta sea la contrapresión, mayor es el efecto de cizalla que se le aplica con lo que más se reduce la longitud de la fibra. Estudios realizados demuestran que la utilización de un mezclador estático permite a la fibra mantener su longitud durante el proceso de distribución en el polímero, lo cual redunda en la obtención de un material más fuerte.
Esto se debe a la baja fuerza de cizalla y la excelente distribución obtenida con el mezclador. Los elementos del mezclador fabricado en Stellite son extremadamente resistentes a la abrasión ocasionada por los materiales con compuestos de fibra.
La mezcla de material molido con material virgen dificulta aun más la labor de homogeneización de la masa en la cámara del husillo, debido a sus diferencias de tamaño. Además, es muy probable que este material molido tenga una viscosidad diferente debido al proceso ya sufrido y la degradación que supone. A medida que aumentamos la proporción de material molido, también se aumenta el grado de dificultad para homogeneizar la masa. El mezclador estático asegura que estas diferencias son distribuidas uniformemente a través de toda la sección de la masa, obteniéndose como resultado una masa totalmente homogénea de modo continuo.
La presión de inyección de la máquina necesitara un pequeño incremento para compensar la caída de presión debido a la obstrucción que representa el mezclador. Al calcular la dimensión de un mezclador, la cantidad de material plastificado por hora y otros parámetros teóricos del material, son tenidos en cuenta para calcular la caída de presión en diferentes mezcladores. Se selecciona el tamaño adecuado que asegure una caída de presión aproximada de 1.450 psi. Esto requerirá que la presión de inyección se incremente entre 110 psi y 145 psi. Si la presión tuviera que ser aumentada en mas de 290 psi, la caída de presión a través del mezclador sería mucho mayor y el grado de cizallamiento en el material igualmente incrementaría, generando un aumento no deseado de temperatura dentro del mezclador, que resultaría en una reducción de la eficiencia de mezcla del sistema.
El mezclador también propicia que el polímero fluya en forma de tapón, lo cual aumenta la eficiencia de limpieza de la cámara de plastificación. Se reduce significativamente el tiempo necesario para efectuar los cambios de color con lo que se reducen el tiempo muerto y material empleado para el mismo. El efecto de flujo laminar del polímero causa que el material por el centro del canal fluya más rápido que el de las paredes exteriores, lo cual es utilizado en el mezclador para empujar el material del centro hacia el exterior aumentando la eficiencia de limpieza del sistema.
En ocasiones ocurre que después de realizar un cambio de color y estando en la nueva producción por un tiempo, aparecen finas líneas del material o color anterior. Obviamente, los componentes afectados se descartan debido a la contaminación presente en las piezas moldeadas. Después de instalar un mezclador estático, las partículas de material anterior que se desprendan al nuevo flujo, serán totalmente mezcladas en el nuevo color. A pesar de que los nuevos componentes producidos difieran ligeramente en la tonalidad, es muy probable que se encuentren dentro de los limites de aceptación de color y no irán a engrosar la cuenta de rechazos.
Al mejorar la homogeneización del sistema, las variaciones en la temperatura de la masa plastificada se reducen y así se puede reducir la temperatura general y con ello el tiempo de refrigeración. Este último se define como el tiempo requerido para reducir la temperatura de la parte más caliente de la masa por debajo de un punto critico, lo cual acorta el ciclo de producción. Al reducir las variaciones de temperatura en la masa, también se mejora el llenado de los moldes de cavidades múltiples.
En las aplicaciones donde se requieren materiales rellenos con fibra de vidrio, la fibra es distribuida en el polímero mediante el husillo y a fin de mejorar la homogeneización, se aumenta la contra-presión. El excesivo cizallamiento afecta adversamente a la longitud de la fibra reduciendo parte de las propiedades que esta incorpora. A medida que el polímero es transportado a lo largo del husillo, la longitud de la fibra se reduce. Cuanto más alta sea la contrapresión, mayor es el efecto de cizalla que se le aplica con lo que más se reduce la longitud de la fibra. Estudios realizados demuestran que la utilización de un mezclador estático permite a la fibra mantener su longitud durante el proceso de distribución en el polímero, lo cual redunda en la obtención de un material más fuerte.
Esto se debe a la baja fuerza de cizalla y la excelente distribución obtenida con el mezclador. Los elementos del mezclador fabricado en Stellite son extremadamente resistentes a la abrasión ocasionada por los materiales con compuestos de fibra.
La mezcla de material molido con material virgen dificulta aun más la labor de homogeneización de la masa en la cámara del husillo, debido a sus diferencias de tamaño. Además, es muy probable que este material molido tenga una viscosidad diferente debido al proceso ya sufrido y la degradación que supone. A medida que aumentamos la proporción de material molido, también se aumenta el grado de dificultad para homogeneizar la masa. El mezclador estático asegura que estas diferencias son distribuidas uniformemente a través de toda la sección de la masa, obteniéndose como resultado una masa totalmente homogénea de modo continuo.
Conclusión
Los mezcladores estáticos se están utilizando cada vez más como solución ante los problemas derivados del movimiento reciproco del husillo en las máquinas de inyección. Existen más de 5.500 mezcladores estáticos instalados en máquinas de inyección por todo el mundo, como testimonio de su efectividad. No sólo benefician a los usuarios con una notable mejoría en la calidad de las piezas realizadas sino que éstos, además, obtienen una significativa reducción de costos, reducción en consumo de polímeros y colorantes y ciclos más cortos con menores tasas de rechazos. El uso del mezclador estático permite ampliar la ventana de operación de la máquina, reduciendo la influencia que pueda tener la desviación de las condiciones óptimas de la máquina, sobre la calidad del producto. Debido a su gran efectividad, el mezclador estático permite recuperar el costo de su inversión en plazos de tiempo muy cortos.
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Efectos económicos del uso de un mezclador estático Sulzer | |||
| Coste del colorante por kg. (euros) | 8,15 | 8,15 | 8,15 |
| Fuerza de cierre de la máquina (t) | 300 | 500 | 1000 |
| Diámetro del husillo (mm.) | 60 | 70 | 120 |
| Peso medio por inyección | 193,6 | 1200 | 2700 |
| Ciclo promedio (s.) | 32 | 50 | 85 |
| Material utilizado (kg./mes) | 10890 | 43200 | 57176,5 |
| Utilización de colorante (%) | 0,02 | 0,02 | 0,02 |
| Utilización media (3 turnos/5 días) en horas/mes | 500 | 500 | 500 |
| Consumo de colorante (kg./mes) | 217,8 | 864 | 1143,53 |
| Coste colorante x mes (euros) | 1775,07 | 7041,6 | 9319,76 |
| Si reduce 10% el consumo de colorante (ahorro en euros/mes) | 177,51 | 704,16 | 931,98 |
| Periodo de amortización (meses) | 8,03 | 2,02 | 3,14 |
| Si reduce 20% el consumo de colorante (ahorro en euros/mes) | 355,01 | 1408,32 | 1863,95 |
| Periodo de amortización (meses) | 4,01 | 1,01 | 1,57 |
| Si reduce 30% el consumo de colorante (ahorro en euros/mes) | 532,52 | 2112,48 | 2795,93 |
| Periodo de amortización (meses) | 2,68 | 0,67 | 1,05 |
| Si reduce 40% el consumo de colorante (ahorro en euros/mes) | 710,03 | 2816,64 | 3727,91 |
| Periodo de amortización (meses) | 2,01 | 0,51 | 0,78 |
| Tipo de mezclador habitual | SMK-R17 | SMK-R17 | SMK-R30 |
| Coste aproximado | 1425 | 1425 | 2925 |
Empresas o entidades relacionadas
Andritz Hydro, S.L.
