Avances en la tecnología de cabezales planos:

claves para la contención de los costos de la extrusión

El sistema de membrana es el último avance importante en la tecnología de cabezales planos

Christopher W. Curtin, de la empresa Extrusion Dies, Inc. (EDI – EE.UU.) aporta en este artículo una visión de los últimos avances en cabezales planos. Teniendo que hacer frente a las presiones de los incrementos en los costos, los procesadores de películas y láminas, y los transformadores están buscando maneras de reducir los costos de las materias primas y el tiempo inactivo, para así lograr una mayor flexibilidad en el proceso de fabricación con el propósito de aumentar la rentabilidad en las series cortas de producción.

Innovaciones recientes en sistemas de cabezales de extrusión planos han sido diseñadas para ayudar a los transformadores y productores de películas y láminas a alcanzar los objetivos señalados en la introducción. Los cabezales desempeñan un papel clave, esencial, en la determinación de los volúmenes de producción y la velocidad de línea, la uniformidad del espesor, la calidad del producto, el tiempo inactivo requerido y otros factores que afectan la eficacia del proceso de manufactura y la productividad.

Flexibilidad en el proceso de manufactura

Los proveedores de cabezales han desarrollado varias tecnologías que permiten a los procesadores acomodar productos con anchos y grosores diferentes, lo que a su vez minimiza el tiempo inactivo. Esta es una consideración determinante, teniendo en cuenta que, por ejemplo, los costos de operación de las máquinas de extrusión en los Estados Unidos superan a veces los 200 dólares/hora y que los cambios de labios de cabezal pueden tomar entre tres y cuatro horas.

En la actualidad, la tecnología ampliamente disponible para los nuevos cabezales permite abrir las separaciones entre los labios +/- 0.254 cm, lo que permite cambiar de productos "sobre la marcha" y limpiar rápidamente la superficie de los labios de los cabezales sin tener que soportar mucho tiempo inactivo.

Los cabezales convencionales tienen usualmente un labio inferior fijo y un labio superior móvil o flexible. El labio flexible se usa para controlar el perfil de grosor transversal del producto y cambiar la apertura operativa, funciones que son útiles para varios fines. Como resultado, cambiar la apertura operativa usualmente requiere de una larga interrupción de las labores productivas, durante la cual un operador debe reajustar manualmente y con sumo cuidado los pernos del labio flexible. Si la nueva apertura que se necesita está fuera del rango del labio flexible, usualmente, y si es posible, se cambia el labio inferior por otro que permita una mayor apertura.

Por otro lado, los sistemas duales de ajuste labio-apertura permiten que el control de espesor se realice con el labio superior y el control de apertura con el labio inferior. Esto hace posible el ajuste de la apertura en un punto determinado junto a la capacidad de ajustar el grosor del producto sin un tiempo prolongado de inactividad. Además, tales sistemas permiten a los procesadores regresar exactamente a la apertura de labios original para una pasada de máquina posterior del mismo producto. Por último, se acelera la limpieza de los labios y otras labores de mantenimiento, de especial importancia en los procesados de termoplásticos que tienden a dejar depósitos en las superficies de los labios.

Sistemas automatizados modulares de control de espesor

Una labor bien establecida para incrementar considerablemente las ganancias es la de reducir las variaciones de grosor. Esto es necesario para asegurar que las películas, las láminas y los revestimientos monolaminares o coextruidos, cumplan con las especificaciones mínimas de grosor de los productos a lo largo de todo el perfil transversal de los rollos de cinta. Muchos sistemas automatizados de control de espesor pueden eliminar variaciones en el perfil de grosor transversal del rollo de cinta, usualmente empleando pernos que se activan mecánica o térmicamente, para ajustar finamente la apertura operativa del labio.

Una reciente innovación en el control automatizado de espesor desarrolla esta capacidad reduciendo el tiempo inactivo para los ajustes de cabezal, las labores de mantenimiento programadas y la limpieza de los labios.

Los sistemas convencionales de control de espesor están integrados al cuerpo del cabezal y requieren de varios pasos de desarme para su remoción. El nuevo sistema es un módulo autónomo que puede desengancharse con más rapidez.

Además de proveer acceso rápido a áreas clave del cabezal, tales como los pernos del cuerpo, este esquema modular permite a los procesadores usar la unidad indistintamente en dos o más cabezales sucesivamente. Esto hace posible mantener un cabezal fuera de la línea para labores de mantenimiento, mientras se continúa con la producción con el otro.

Esta capacidad es especialmente valiosa en operaciones complejas: 1) Al comprar tres cabezales del mismo ancho y dos módulos automatizados de control de espesor, los procesadores que deban limpiar cabezales o afilar los labios del cabezal, podrán a menudo mantener un cabezal en línea de producción y otro listo para su reemplazo, mientras el tercero es sometido a labores de mantenimiento. Para las películas PET de orientación biaxial, por ejemplo, podría ser necesario sacar un cabezal de la línea a intervalos de uno a tres meses por un período de cuatro a ocho horas. 2) La corrección de irregularidad en la deflexión de cuerpo, en cabezales de canales de distribución o "manifolds" múltiples, se simplifica debido a que el sistema modular proporciona rápido acceso a los pernos del cuerpo.

Reducción de las tolerancias a las variaciones

Recientes avances en la tecnología de los cabezales hacen posible ahora reducir el consumo de resinas caras y de materiales de capas exteriores coextruidas, mediante la reducción de las "ventanas" de tolerancia para las variaciones en el grosor de los productos o las capas.

Los canales de distribución o "manifolds" de los cabezales son claves en la reducción de estas tolerancias. Usando información reológica sobre las fórmulas exactas de las resinas que han de pasarse por la máquina, los proveedores de cabezales pueden modelar superficies de cabezales complejas y no lineales, y optimizar la distribución de la masa fundida por medio de la simulación por ordenador. Estos diseños pueden reproducirse posteriormente con precisión por medio de maquinado CNC en el diseño final de un cabezal de producción. El resultado puede ser el mejoramiento considerable de la uniformidad del espesor a través del ancho completo del cabezal en comparación con los cabezales convencionales "de fabricación en serie" y, en el caso de estructuras coextruidas, una distribución de capa a capa con mayor precisión.

Las nuevas generaciones de canales de distribución o "manifolds" de cabezales son igualmente importantes. Estos manifolds del tipo "colgadores híbridos" se diferencian de los diseños convencionales tipo colgador en tres aspectos importantes:

• Los pernos del cuerpo (que mantienen juntas la mitad superior y la inferior del cabezal en un cierre de metal a metal) están dispuestos en una línea paralela a la salida del cabezal, mientras que en los cabezales colgadores los pernos al centro de la vía de circulación están a mayor distancia de la apertura del cabezal que aquellos que están cerca de los costados. Esta disposición en línea recta genera una deflexión en el cuerpo del cabezal (ocasionada por la considerable presión dentro de un cabezal en funcionamiento) que es más uniforme, lo que evita las distorsiones de productos denominadas usualmente "desconchado de almeja".
  
• La interfaz entre la sección inicial del canal de distribución o "manifold" (llamado el canal de distribución o "manifold" primario) y la siguiente sección (la "preland") no es lineal, lo que toma en cuenta el hecho de que la viscosidad del polímero fundido varía en forma no lineal con las condiciones del proceso. La interfaz lineal en los canales de distribución o "manifolds" convencionales, usualmente ocasiona deformaciones en forma de M ó W, debido a que las condiciones a lo largo del ancho del producto son diferentes entre el centro y los costados.
  
• A diferencia de la sección transversal de dirección de máquina en forma de lágrima de un canal de distribución o "manifold" convencional, la sección transversal de un canal de distribución o "manifold" híbrido es más alargada, reduciendo así considerablemente el esfuerzo de corte en la pared trasera del canal de distribución o "manifold". En los productos coextruidos, este esfuerzo es una fuente primaria de distorsiones ocasionadas por la encapsulación viscosa, que es la tendencia del menos viscoso de dos polímeros a encapsular al más viscoso, formando una interfaz de capa a capa en forma de "U" (desde la perspectiva en la sección transversal de dirección transversal).

Los canales de distribución o "manifolds" híbridos tipo colgador son asimismo especialmente ventajosos para la optimización de la distribución de la masa fundida hasta los puntos más alejados de un cabezal muy ancho, aun con resinas de alta viscosidad, proporcionando la capacidad de reducir significativamente las variaciones de capas para productos como película estirada coextruida. No obstante, los canales de distribución o "manifolds" se emplean sobre todo en líneas de extrusión dedicadas a pasar por la máquina una sola clase de materiales (por ejemplo, LDPE).

El impacto de la tecnología de "membrana"

Otra nueva tecnología emplea una membrana de acero inoxidable flexible, minuciosamente ajustable, ubicada antes de los labios del cabezal para ajustar con gran precisión el grosor de los productos y permitir que las aperturas entre los labios se mantengan iguales. Como resultado, tanto las películas, las láminas, y los revestimientos monolaminares como los coextruidos, son más uniformes y su espesor puede reducirse para rebajar los costos de las materias primas.

La membrana delgada está situada en la superficie de flujo, cuando se trata de cabezales para la extrusión de capas monolaminares; en la coextrusión, las membranas suelen usarse en los canales de capas de forro de bloques de alimentación o en cabezales de "manifolds" múltiples, situadas inmediatamente antes del punto donde la capa de forro se une a la capa central y posteriormente sale del cabezal.

En los cabezales convencionales, se han limitado las provisiones para el control de espesor a sistemas de labios flexibles y de barra de restricción. Usadas para ajustar con precisión la distribución de polímeros cuando salen del cabezal, los labios flexibles pueden ajustarse manual o automáticamente. Por otro lado, las barras de restricción están localizadas antes de los labios en el canal de distribución o "manifold" y se ajustan por medio del uso de pernos tensionantes. No obstante, la ajustabilidad de una membrana flexible es mucho más discreta y localizada que con cualquiera de estos sistemas convencionales.

Como la barra de restricción, la membrana está situada antes de los labios del cabezal, lo que permite a los labios mantenerse iguales y evitar la tendencia a ajustar los labios flexibles para crear tensiones en el rollo de cinta extruido o coextruido. Estas tensiones pueden rápidamente "congelarse" a medida que el material sale del cabezal y se enfría, pero pueden liberarse durante la termoformación aguas abajo, como un ejemplo, causando la distorsión del producto. En un cabezal de membrana, las tensiones de la masa fundida son liberadas durante una caída de presión que ocurre entre la membrana y la salida del cabezal.

A diferencia de una barra de restricción, la membrana es perfilada de manera que no obstruya la corriente de la masa fundida, reduciendo las posibilidades de que haya degradación de polímero en las áreas donde exista masa fundida estancada. Tampoco dependen los sistemas de membrana de cierres mecánicos, cuya falla eventual puede causar fugas de polímero fundido del cuerpo del cabezal.

El sistema de membrana es el último avance importante en la tecnología de cabezales planos y ya ha demostrado comercialmente sus virtudes a la hora de ahorrar resinas cuando es usada en cabezales de un canal de distribución o "manifold" o de canales de distribución o "manifolds" múltiples así como en bloques de alimentación de coextrusión. Se vislumbran más avances en el horizonte. En la etapa de la investigación, por ejemplo, están los sistemas de membrana automatizada autorregulable para controlar el grosor de láminas extruidas.

Christopher W. Curtin
Director de Marketing y Desarrollo de Negocios Internacionales
Extrusion Dies, Inc. (EE.UU.)