Diseño de tornillos extrusores: tipos, geometría y rendimiento

¿Qué es un tornillo extrusor y qué debería lograr su diseño?

Un tornillo extrusor es el componente de procesamiento giratorio dentro del cilindro. En la extrusión de termoplásticos, transporta la materia prima, apoya la fusión y la mezcla y entrega el material hacia las herramientas posteriores. Aextrusora de tornilloes la máquina;extrusión de tornilloes el proceso. La compra del componente de tornillo no reemplaza el accionamiento, la calefacción, la refrigeración ni los controles de la máquina.

Comience definiendo la masa fundida y el producto deseados, en lugar de un número de salida aislado. Un objetivo útil especifica la uniformidad aceptable del material, la calidad del producto, el rango de rendimiento y los límites operativos. También debe indicar si el trabajo consiste en derretir gránulos precompuestos, incorporar ingredientes, procesar triturado o eliminar volátiles.

Separar un nuevo diseño de un cambio de máquina existente

Una nueva máquina ofrece más libertad para coordinar el tornillo, el cilindro, el accionamiento y el sistema de alimentación. Un reemplazo debe funcionar dentro de un sobre instalado. Registre el estado actual del tornillo y del cilindro antes de decidir si se necesita un perfil diferente: reemplazar una pieza desgastada y rediseñar una pieza inadecuada son tareas de ingeniería diferentes.

Suministros EJStornillos de alimentación de extrusiónpara aplicaciones de uno y dos tornillos. El resumen inicial debe identificar qué arquitectura y función de procesamiento debe cumplir el componente.

Tipos de tornillos de extrusión: clasifique la arquitectura y la función por separado

“Un solo tornillo”, “tornillo de barrera” y “tornillo mezclador” describen diferentes aspectos de un diseño. No son tres opciones mutuamente excluyentes. Un único tornillo de extrusión puede contener tanto una sección de fusión de barrera como un mezclador aguas abajo.

Simple y gemelo describen el número de tornillos.

Para tornillos gemelos, establezca también co-rotación o contrarotación, engranado o no engranado y geometría paralela o cónica. “Paralelo” por sí solo no significa corotación. listas EJSbarriles de un solo tornilloybarriles de doble tornillo paralelopor separado; la categoría de producto es el comienzo de una especificación, no la especificación completa.

El recuento de vuelos y la construcción modular necesitan sus propias descripciones.

Un tornillo de un solo tramo tiene un inicio helicoidal; no es simplemente otro nombre para una extrusora de un solo tornillo. Asimismo, los tornillos gemelos no son todos modulares. En un diseño modular, los elementos de transporte y mezcla se ensamblan en ejes compatibles. En la versión de una sola pieza, el perfil de trabajo está fabricado en el cuerpo del tornillo.

Geometría del tornillo extrusor: dimensiones, vuelos y características de diseño

Un dibujo de tornillos debe definir dónde se aplica cada dimensión. La longitud total, la longitud de trabajo y la longitud dentro del cañón pueden referirse a límites diferentes. Se necesita el mismo cuidado para el diámetro nominal, el diámetro del vuelo local y el diámetro de la raíz.

ElManual de procesadores de extrusión Dynisco, Sección 4ilustra las dimensiones de los tornillos y la geometría convencional de un solo tornillo. Los canales más profundos proporcionan más volumen geométrico, pero la producción utilizable también depende del llenado, la fusión y el reflujo impulsado por la presión. Los canales menos profundos cambian el comportamiento de corte y bombeo al tiempo que reducen el volumen del canal. Revise estos efectos juntos cuando cambie la profundidad del canal.

Una relación de profundidad es útil sólo con sus supuestos.

Para un tornillo convencional simple con paso y ancho de canal comparables, la profundidad de alimentación dividida por la profundidad de medición es una aproximación común para la relación de compresión geométrica. Como cálculo ilustrativo del dibujo, D = 60 mm con diámetros de raíz de 48 mm y 56 mm da profundidades de 6 mm y 2 mm, respectivamente: una relación de profundidad de 3:1.

Ese cálculo no predice un aumento de presión de 3:1, no demuestra una fusión completa ni define la compresión de una barrera o perfil de paso variable. Pregunte qué definición geométrica utilizó el proveedor. Ver el detalleguía de relación de compresión del tornillo de extrusiónpara distinguir entre una relación de profundidad conveniente y una comparación completa del volumen del canal.

Cómo funcionan juntos la alimentación, la fusión y la dosificación

El conocido modelo de tres zonas describe un tornillo único de plastificación convencional. Es una explicación útil de las funciones del proceso, pero no es un requisito que cada tornillo de extrusión tenga tres secciones fijas de igual longitud.

La alimentación comienza con el material realmente entregado.

Los pellets, el polvo, las escamas y el triturado irregular no presentan las mismas condiciones de alimentación. La densidad aparente, la consistencia de las partículas, los puentes y la garganta de alimentación merecen atención. Un cambio de perfil aguas abajo no puede compensar de forma fiable un suministro de material aguas arriba incontrolado.

La temperatura del barril no es una medida de la temperatura de fusión.

La transferencia de calor del barril y el trabajo mecánico influyen en la historia térmica del material. Sus contribuciones cambian con las condiciones de operación. Utilice una medición adecuada de la temperatura de fusión y su ubicación al comparar diseños; Los puntos de ajuste coincidentes del calentador por sí solos no demuestran condiciones coincidentes de fusión.

La presión y la salida pertenecen al recorrido completo del flujo.

El tornillo opera contra la resistencia de pantallas, adaptadores, matrices y otros equipos posteriores. Registre la disposición instalada al diagnosticar un rendimiento bajo. Un resultado obtenido con un paquete de cribas limpio y herramientas abiertas no debe presentarse como la tasa de producción esperada frente a una línea más restrictiva.

Las secciones de barrera, mezcla y ventilación resuelven diferentes tareas

Una sección funcional necesita un trabajo establecido y una forma de comprobar si ese trabajo se ha realizado. Una “mejor mezcla” está incompleta a menos que el informe identifique qué se debe distribuir o dispersar y qué medida del producto mostrará una mejora.

Los dispositivos mezcladores pueden realizar trabajos tanto distributivos como dispersivos; el equilibrio depende de su geometría y condiciones de funcionamiento. El nombre del diseño por sí solo no es suficiente para clasificar el rendimiento. Las restricciones adicionales también pueden cambiar la temperatura de fusión, la demanda de presión y el comportamiento de limpieza.

La ventilación requiere un barril compatible y equipo de soporte. Un perfil de tornillo no puede crear una ventilación a través de un barril sin puerto, y la ventilación no elimina automáticamente el requisito de secado de la resina. Consulte las instrucciones de procesamiento del proveedor del material.

Para comparaciones más detalladas, utilice las guías EJS parabarrera versus tornillos convencionalesyMezcladoras de tornillo Maddock, piña y Saxton.

Diseño de perfiles de doble tornillo: elementos, secuencia y mezcla

Para un sistema modular de doble tornillo, la configuración significa seleccionar elementos compatibles y colocarlos en una secuencia deliberada. También significa verificar cómo esa secuencia se relaciona con las posiciones de alimentación, adición de líquido, ventilación y descarga.

Guía de funcionalidad de tornillos de NC State Extensiondescribe el transporte, el amasado, la inversión y otros elementos, junto con sus efectos sobre la mezcla y el flujo. Su discusión incluye el procesamiento de alimentos y piensos y códigos de elementos específicos de equipos. Esos principios ayudan a explicar la configuración; sus códigos de ejemplo no son un estándar universal para tornillos de plástico.

Leer un bloque de amasado como parte de una secuencia

El ancho del disco, el ángulo de escalonamiento, la dirección de transporte y la longitud del bloque deben revisarse junto con la velocidad, el rendimiento, el llenado local y los elementos adyacentes. Evite reglas universales como “un disco más ancho siempre da mejor dispersión”. La pregunta útil es qué estado del material y comportamiento de flujo debe producir esta secuencia particular.

Los elementos inversos o restrictivos pueden aumentar la intensidad del procesamiento y el llenado aguas arriba, pero también afectan la presión e impulsan la demanda. Agregar más restricciones no es una ruta libre hacia una mezcla más fuerte.

Confirmar la compatibilidad antes de copiar un perfil

Dos elementos con el mismo diámetro exterior nominal pueden tener diferentes interfaces de eje, requisitos de distancia entre centros, perfiles o dimensiones axiales. Indique el OEM o la convención de dibujo para cada código. EJSpágina de producto del elemento de tornilloenumera los componentes de transporte, mezcla y amasado; elguía de elementos de doble tornillocubre sus cheques de reemplazo con más detalle.

Haga coincidir el diseño con el polímero, la forma de alimentación y el trabajo de procesamiento

“tornillo de PE” o “tornillo de reciclaje” es demasiado amplio para una decisión de diseño final. Identifique el grado, la información de viscosidad, el paquete de aditivos, la forma y condición del alimento. Indique si los rellenos o fibras llegan en pellets precompuestos o deben incorporarse durante la extrusión; Estas son diferentes tareas de procesamiento.

Leer la geometría publicada dentro de su alcance material.

Un ejemplo útil esGuía de procesamiento de extrusión Ultramid de BASF, página 7. Para el procesamiento de películas Ultramid que se analiza allí, describe tornillos de barrera o de tres secciones con longitudes de 24 a 32 D, paso constante de 1 D y relaciones de compresión de 3:1 a 3,5:1. También hace que la profundidad del vuelo dependa del diámetro y la viscosidad del fundido.

La lección de ingeniería es la relación entre la geometría y las condiciones materiales. Esas cifras no son límites de aceptación para cada grado de poliamida, cada termoplástico o cada máquina existente. Obtenga la guía de procesamiento para el grado real y resuelva cualquier discrepancia con el equipo instalado antes de elegir las dimensiones.

Diseño dentro de los límites del barril, la transmisión y el flujo descendente

Un tornillo de repuesto debe pasar dos pruebas: debe encajar y debe procesarse con éxito. Hacer coincidir el diámetro nominal aborda sólo una pequeña parte de la primera prueba.

• Barril e interfaces:Confirme el perfil y la condición del orificio, la longitud efectiva, la conexión de transmisión, la geometría del extremo, la apertura de alimentación y las ubicaciones de los puertos.
• Envoltura mecánica:Obtenga los límites permitidos de velocidad, par, empuje y presión de la información aplicable de la máquina. No los deduzcas del diámetro del tornillo.
• Envoltura térmica y aguas abajo:revise la capacidad de enfriamiento, medición de temperatura, cambio de pantalla, bombas de fusión y herramientas. Identifique qué componente limita el punto de operación propuesto.

Cómo abordaría una solicitud de cambio de tornillo

Este enfoque mantiene enfocado el rediseño. Si una falla del sistema de alimentación explica la pérdida de producción, corrija esa falla antes de tratar un nuevo perfil de tornillo como solución.

Cómo los materiales y el desgaste del tornillo extrusor afectan el rendimiento del diseño

La geometría y la selección de la superficie de trabajo deben revisarse juntas. El material base proporciona la base estructural del tornillo; la superficie o construcción resistente al desgaste debe adaptarse a su contacto con el polímero, los aditivos y el cilindro de acoplamiento.

La página de tornillos de alimentación de EJS enumera opciones nitruradas, bimetálicas, endurecidas y cromadas. Se trata de una gama de construcciones disponibles, no de evidencia de que cada opción se adapte a cada tarea. Defina la designación del material, la ubicación del tratamiento, las dimensiones finales y los requisitos de inspección acordados para el componente real. ElGuía de materiales de cilindros y tornillos EJSExplica las preguntas de selección.

Distinguir los mecanismos de desgaste de los síntomas.

Los ingredientes abrasivos, las condiciones corrosivas y el contacto involuntario con metales requieren investigaciones diferentes. El material más duro no corrige la desalineación o la separación operativa incorrecta. Hacer coincidir el tornillo y el cilindro también es más útil que seleccionar cada superficie de trabajo de forma independiente.

Los problemas de desgaste del tornillo del extrusor pueden aparecer junto con una disminución de la producción, cambios de carga o entrega inestable de la masa fundida, pero ninguno de esos síntomas demuestra desgaste por sí solo. Compare la condición medida del tornillo/barril con el dibujo y una línea base de producción controlada. Elguía de medición y reemplazo de desgastecubre el proceso de inspección.

No copie el diámetro exterior medido de un tornillo desgastado como la nueva dimensión nominal. Separe la intención del diseño original, el desgaste actual y cualquier rediseño propuesto en la especificación.

Evalúe el rendimiento del tornillo con datos de producción comparables

Una comparación justa necesita un material y una ventana de producción definidos, requisitos de calidad comunes y unos límites de medición claros. Mantenga una línea de base en condiciones comparables y luego pruebe el diseño propuesto en todo el rango operativo previsto. Registre cualquier configuración modificada para que cualquiera de los diseños se ejecute correctamente.

Mida la producción aceptable del producto por separado del rendimiento bruto. Incluya la temperatura, presión y variación reales de la masa fundida, la carga de accionamiento, los rechazos y las comprobaciones del producto que motivaron el cambio. Registre las ubicaciones de los sensores, la regla de estabilización, el intervalo de muestreo y la duración de la prueba para que otro ingeniero pueda interpretar los resultados.

Un ejemplo práctico: más producción no significa automáticamente menos energía específica

Si estuviera liderando una evaluación de rediseño de tornillos, estaría de acuerdo sobre el material, los requisitos de calidad, la ventana de registro y los límites de medición eléctrica antes de la prueba. De lo contrario, dos conjuntos de datos atractivos pueden describir trabajos diferentes.

Consideremos una comparación ilustrativa de funcionamiento constante. El diseño A tiene un promedio de 80 kW de entrada eléctrica y 200 kg/h de producto aceptable. El diseño B tiene un promedio de 96 kW y 240 kg/h con los mismos límites de medición y requisitos de calidad. Estos son valores supuestos para el cálculo.

Ambos diseños consumen 0,40 kWh por kilogramo de producto aceptable dentro de ese límite. Yo describiría el resultado como un aumento de la producción, no como un ahorro de energía del 20%. Para una ventana de registro medida en horas, el cálculo equivalente es la energía eléctrica total en kWh dividida por la masa aceptable en kg.

Luego verificaría la temperatura real de la masa fundida, la variación de presión, la carga de accionamiento y el desperdicio. Un punto de salida más alto que excede un límite térmico o mecánico acordado no pasa simplemente porque la tasa de masa es mayor. Si el medidor de energía incluye calentadores de barril, enfriamiento o auxiliares, identificar esas cargas; No vuelva a etiquetar el resultado como energía mecánica del eje del tornillo.

Qué pueden establecer las pruebas publicadas

Kelly, Brown y Coates estudiaron tres geometrías de un solo tornillo procesando LDPE comercial a diferentes velocidades enEl efecto de la geometría del tornillo en el perfil de temperatura de fusión en la extrusión de un solo tornillo. El resumen informa que la geometría tuvo una mayor influencia en los campos de temperatura de fusión a mayor rendimiento, y que un tornillo de barrera con un mezclador Maddock logró una mejor fusión que los tornillos de una sola paleta en las condiciones del estudio.

Esto permite evaluar la geometría junto con el punto de operación. No establece un porcentaje de mejora universal ni demuestra el mismo resultado para otro polímero o máquina. La simulación y los estudios publicados ayudan a formar una propuesta de diseño; La prueba de producción acordada determina si el diseño suministrado cumple con el trabajo específico.

Convierta la intención del diseño en un resumen que el fabricante pueda utilizar

Una consulta útil permite al fabricante explicar tanto el cambio propuesto como cómo se comprobará. Envíe un paquete que conecte el material, la máquina, la geometría y los criterios de aceptación.

1. Material y pienso:grado, formulación, forma de alimento, preparación relevante y variabilidad permitida.
2. Objetivo de procesamiento:rango de producción aceptable, requisitos del producto, defectos observados y registros operativos actuales.
3. Máquina y piezas instaladas:arquitectura, OEM/modelo, dibujos disponibles, medidas de diámetro interior, interfaces, puertos y límites operativos verificados.
4. Perfil propuesto:Límites de longitud de trabajo, secciones funcionales dimensionadas, profundidades locales, geometría de vuelo y cada convención de espacio libre.
5. Materiales y fabricación:designación de acero acordada, construcción de la superficie de trabajo, ubicaciones de tratamiento, dimensiones de condición final y plan de inspección.
6. Verificación:revisión de planos, registros de inspección de componentes y un plan de prueba de producción con mediciones y criterios de aprobación/rechazo.

Separe la aceptación de componentes de la validación de producción

Un certificado de material y un informe dimensional responden si el componente cumple con los requisitos de material y dibujo especificados. Por sí solos, no prueban la tasa de producción, el uso de energía o la calidad del producto. Por el contrario, una producción exitosa no reemplaza las inspecciones de componentes acordadas.

La información del producto de EJS indica que los cilindros de tornillo suministrados incluyen un informe de inspección y un certificado de material. Acuerde la revisión del dibujo relevante y el contenido del informe para las piezas solicitadas. Cualquier muestreo adicional, prueba de laboratorio o aceptación del proceso pertenece al alcance escrito.

Preguntas frecuentes