La medición de la viscosidad de la masa fundida del polímero durante el proceso de extrusión tiene una relevancia primordial para la calidad de la masa fundida, una relevancia mucho mayor que el monitoreo de la temperatura y la presión.
Figura 1: Máquina de extrusión.
Tabla de Contenido
- Introducción
- Proceso de moldeo por extrusión
- Desafíos en la extrusión de polímeros y control de procesos
- Rheonics Viscosímetro de proceso en línea SRV
Introducción
El moldeo por extrusión es un proceso de fabricación altamente eficiente y versátil en diversas industrias, utilizado para producir perfiles continuos, como tuberías, láminas, películas, etc. Permite una alta velocidad de producción, la eficiencia del material y la capacidad de crear formas transversales complejas con una calidad constante. La fabricación por extrusión desempeña un papel fundamental en la producción mundial de polímeros y plásticos. En los últimos años, los avances en automatización, monitorización de procesos en tiempo real y materiales sostenibles, así como la relevancia de los procesos de reciclaje, han mejorado la precisión y reducido el impacto ambiental al reducir los residuos.
La monitorización de procesos en tiempo real es clave para garantizar productos de alta calidad. Se han logrado grandes avances en la monitorización de temperatura y presión en los procesos de extrusión. Sin embargo, la monitorización de la viscosidad en línea, a pesar de ser uno de los factores críticos que afectan el flujo de fusión y el llenado del molde, incluso más importante que la temperatura y la presión, se ha enfrentado a múltiples desafíos. Se han probado diferentes métodos para la medición de la viscosidad, con resultados positivos o negativos en relación con el coste, la calibración, la repetibilidad, etc., lo que afecta a la confianza del operador. En estas circunstancias, Rheonics El viscosímetro en línea SRV permite mediciones de viscosidad repetibles en las duras condiciones de las máquinas de extrusión, llenando así el vacío para el control completo del proceso de extrusión de polímeros.
Proceso de moldeo por extrusión
La extrusión se puede definir como un proceso de fabricación continuo utilizado para crear objetos (un extruido) con un sección transversal consistente forzando un material fundido a pasar a través de una matriz u orificio para formar una forma. Una extrusora también se puede utilizar como parte de otros procesos de fabricación (termoformado, inyección, moldeo por soplado, etc.). La extrusión se utiliza ampliamente en la plástico, metal y caucho Industrias para producir productos como Tubos, tuberías, láminas, películas y perfiles.
El principal objetivo de este estudio de caso es la extrusión de polímeros. A diferencia de la extrusión de metales, la extrusión de polímeros se puede realizar de forma continua siempre que el material se alimente a la máquina de extrusión. La extrusión se utiliza principalmente para termoplásticos, pero también se pueden procesar elastómeros y termoestables.
Una máquina de extrusión generalmente consta de las siguientes partes. A depósito, donde se introduce el material polimérico. tornillo de alimentación está en constante rotación a lo largo de una barrilEl tornillo está accionado por un impulsión del motor unidad y caja de cambios y obliga al material a fluir a través de una morir. Elementos de calentamiento, ubicados sobre el barril a una temperatura controlada, ablandan y funden el material polimérico. Después de la matriz, se puede utilizar un molde con una o varias cavidades, donde el material fundido se enfría para tomar la forma de un objeto deseado. Algunas máquinas utilizan un bomba de engranajes entre el extremo del cañón y la matriz para mantener una presión constante bien definida en el material saliente.
La capacidad del conjunto de tornillo y cañón para extruir un material determinado depende de las características del material plástico, de las características o construcción del tornillo y el cañón y de las condiciones en las que funciona el sistema.
Figura 2: Partes principales de la máquina de extrusión de polímeros.
Desafíos en la extrusión de polímeros y control de procesos
La extrusión de polímeros es un proceso complejo que requiere un control preciso de múltiples parámetros para garantizar un resultado de alta calidad. A pesar de los avances tecnológicos, persisten varios desafíos tanto en el proceso de extrusión como en sus sistemas de control. Estos desafíos pueden afectar la consistencia del producto, la eficiencia y los costos generales de fabricación.
Los parámetros clave del proceso son la velocidad de rotación del husillo, las temperaturas de la matriz y del cilindro, la viscosidad de la masa fundida, la temperatura de la masa fundida, el caudal másico, la presión de la masa fundida, la velocidad de enfriamiento, etc. [1]. La temperatura y la presión se consideran los parámetros más comunes que se monitorean en línea en el proceso de extrusión gracias a las múltiples tecnologías disponibles. Sin embargo, la viscosidad de la masa fundida (descrita como la resistencia del fluido a fluir) no es fácil de medir o monitorear en línea a pesar de ser uno de los parámetros más cruciales del proceso. La viscosidad de la masa fundida se relaciona con múltiples características, como:
- Grosor
- Fortaleza
- Sección transversal constante
- Consistencia en la composición del fluido: mezcla homogénea de relleno, fibras, colorantes, etc.
- Consumo de energía
- Degradación térmica
Una viscosidad alta del fluido fundido puede provocar un flujo deficiente, una presión excesiva y la obstrucción de la matriz, lo que genera defectos como rugosidad de la superficie y deformaciones. Por el contrario, una viscosidad baja puede provocar combaduras, contracción excesiva o propiedades mecánicas débiles. En ese caso, el objetivo será mantener la viscosidad lo más constante posible durante el proceso de extrusión.
En la mayoría de los casos, los plásticos son materiales pseudoplásticos, lo que significa que se vuelven menos viscosos (más fáciles de fluir) cuando se mueven (se cortan) más rápido. Por lo tanto, no existe una relación lineal entre la presión y el flujo, ni entre la tensión de corte (fuerza por unidad de área, medida principalmente en Pa) y la velocidad de corte (velocidad de movimiento de las capas paralelas del fluido, medida en s-1).
Actualmente, no existe un sensor en línea adecuado para monitorizar la viscosidad en tiempo real en fundidos de extrusión. Los reómetros capilares son instrumentos de laboratorio bien conocidos que se utilizan para estudiar las propiedades reológicas de los polímeros. Utilizan un pistón para forzar el fundido a través de una boquilla capilar (muy fina), que simula el proceso que ocurre en la máquina de extrusión. A pesar de ser un instrumento de prueba de viscosidad ampliamente aceptado, no proporciona datos en línea en tiempo real del fluido fundido. Los principales problemas de este método son:
- Requiere tomar muestras
- No es verdaderamente representativo
- Monitoreo no continuo
- Necesita mantenimiento y servicio importantes.
Rheonics Viscosímetro de proceso en línea SRV
SRV es Rheonics Viscosímetro en línea adecuado para amplios rangos de viscosidad, temperatura y presión. Rheonics El SRV utiliza una sonda muy compacta con instrucciones de instalación sencillas y sin necesidad de mantenimiento ni recalibración. Gracias a su diseño compacto, los usuarios pueden elegir entre diferentes tipos de instalación, como los que se muestran en las figuras 3 y 4.
Figura 3: Rheonics Viscosímetro SRV Inline slimline con conexión roscada.
Figura 4: Rheonics Viscosímetro SRV en línea con diseño de celda tipo oblea Stargate.
Integración de Datos
Rheonics El SRV permite la visualización en línea y en tiempo real de parámetros clave como la viscosidad dinámica y la temperatura en máquinas de extrusión. El sensor se integra fácilmente con los sistemas locales de monitorización y control mediante una potente electrónica que ejecuta múltiples protocolos industriales. Encuentre más información en Electrónicos Rheonics Página..
Rheonics Los sensores también almacenan datos de medición y estado del sensor en un historial integrado. Se puede acceder a este registrador automático a través del Rheonics El software RCP es útil para obtener una vista histórica de los parámetros monitoreados.
Opciones de instalación
Instalación perpendicular
Rheonics La SRV está ubicada perpendicularmente al flujo de fusión con suficiente inmersión para que el elemento sensor de la sonda esté en contacto con el fluido.
La principal ventaja de esta instalación es que probablemente sea la más sencilla. La SRV puede instalarse en puertos existentes utilizados por sensores de temperatura o presión, con la diferencia de que la sonda de la SRV debe sobresalir de la línea, ya que es una sonda intrusiva e invasiva.
Sin embargo, esta instalación perpendicular tiene el principal inconveniente de exponer la sonda a una gran fuerza de flexión debido a la alta viscosidad y velocidad del fluido. La carga viscosa puede ser un problema para la sonda SRV estándar en la instalación perpendicular, ya que agrega demasiado ruido o daña la sonda. Para conocer las relaciones entre el tamaño de la línea y las limitaciones de velocidad de masa o volumen, consulte la sección “Límites de la sonda en la instalación perpendicular” o el artículo Sondas SR para fluidos altamente viscosos y altas velocidades de fluidos.
Las principales consideraciones para esta instalación son el tamaño de la línea, la velocidad del fluido o el caudal y los rangos de viscosidad. El tamaño de la línea debe ser mayor de 50 a 55 mm (2”) para que el elemento sensor de la sonda SRV pueda exponerse correctamente al fluido. Los rangos de velocidad y viscosidad del fluido se comparan con la tabla de la sección “Límites de la sonda en la instalación perpendicular” para verificar las fuerzas a las que estará expuesta la sonda. Rheonics ofrece el SRV-HP para casos de alta presión y altas fuerzas de flexión.
Figura 5: Rheonics Instalación perpendicular SRV en línea de Extrusión.
Instalación paralela insertada en codo
Algunas máquinas de extrusión tienen un codo justo antes de la matriz para acomodar instrumentos de medición, como sensores de temperatura, axialmente al flujo. Esto también se puede utilizar para Rheonics Viscosímetro en línea SRV para instalación en paralelo.
En este caso, la principal ventaja es la reducción de la fuerza ejercida por el fluido sobre la sonda, en comparación con una instalación perpendicular. Una instalación paralela también mantiene el elemento sensor centrado en la línea, evitando depósitos que puedan afectar las lecturas. Sonda SRV-X6 Slimline Se puede utilizar para una caída de presión mínima y es compatible con líneas más pequeñas que 50-55 mm (2”).
La principal limitación de esta instalación es el uso de un codo antes de la matriz. Esto requiere mucha intervención en la máquina y altera la orientación del material extruido, por lo que esta opción de instalación solo es adecuada para extrusoras que ya cuentan con un codo en la línea. Además, esta instalación puede presentar suciedad o estancamiento de fluido alrededor de la base del sensor en la pared del codo. Esto no afecta las lecturas, pero no es deseable en ninguna línea.
Figura 6: Rheonics Instalación paralela SRV en codo en línea de Extrusión.
Adaptación del proceso de celdas de obleas insertadas en paralelo en línea – SRV Stargate
Rheonics Stargate-SRV-EM, también llamado Stargate Variant, está diseñado para colocar la sonda SRV suspendida en el centro de la línea instalada en línea en las tuberías de proceso, como en un adaptador de celda tipo wafer. Las ventajas de esta solución son su resistencia a fluidos de alta viscosidad y alta velocidad, y la reducción de posibilidades de depósitos.
Para esta instalación generalmente se necesita una sección de extensión en la línea y esta intervención puede no ser posible para algunos clientes debido a costos, retrabajos o problemas de gestión térmica.
Tenga en cuenta que la parte posterior de la sonda está orientada hacia el fluido, lo que es necesario para soportar fuerzas elevadas. Además, la variante Stargate de SRV debe solicitarse en el mismo tamaño que la línea de extrusión, a menos que se puedan utilizar adaptadores de reducción y expansión en la línea.
Figura 7: Rheonics Instalación de “celda wafer” paralela SRV en línea de extrusión.
Consideraciones clave para la instalación
Área de detección en contacto con el fluido
Rheonics El requisito principal de instalación del viscosímetro en línea SRV es tener el área de detección sumergida en el fluido sin depósitos ni acumulaciones de fluido, ya que estos pueden afectar las lecturas. El área de detección de SRV se muestra en la Figura 8.
Figura 8: Área de detección SRV.
Alta temperatura
Los procesos de extrusión normalmente requieren una temperatura del fluido de entre 180 y 220 °C (360 y 430 °F). Esta puede variar según el material, la velocidad y el diseño del tornillo. Rheonics El viscosímetro en línea SRV se puede configurar para temperaturas de hasta 285 °C (545 °F). El usuario debe seleccionar la temperatura nominal correcta durante el pedido. La siguiente tabla muestra las temperaturas nominales de la sonda SRV. Algunos procesos de extrusión pueden alcanzar temperaturas muy altas, hasta 350/370 °C (670/700 °F), en ese caso, le sugerimos contactar Rheonics Equipo de soporte en para obtener más información.
Tabla 1: Clasificaciones de temperatura del viscosímetro en línea SRV
| Código de temperatura SRV | Límite de temperatura |
|---|---|
| T1 | Sensor clasificado para funcionar en fluidos de proceso de hasta 125 °C (250 °F) |
| T2 | Sensor clasificado para funcionar en fluidos de proceso de hasta 150 °C (300 °F) |
| T3 | Sensor clasificado para funcionar en fluidos de proceso de hasta 175 °C (350 °F) |
| T4 | Sensor clasificado para funcionar en fluidos de proceso a temperaturas superiores a 250 °C (480 °F) |
| T5 | Sensor clasificado para funcionar en fluidos de proceso a temperaturas superiores a 285 °C (545 °F) |
Nota: Cable de sensor y Electrónica de sensores tienen diferentes límites de temperatura que no deben superarse.
Alta presión
Los procesos de extrusión pueden alcanzar presiones muy altas, hasta 10,000 psi, 670 bar o 70 MPa. Una vez más, Rheonics SRV debe configurarse en consecuencia.
Tabla 2: Valores nominales de presión del viscosímetro en línea SRV para extrusión
| Código de presión SRV | Límite de presión |
|---|---|
| P3 | Sensor clasificado para presiones de fluidos de proceso de hasta 200 bar (3000 psi) |
| P4 | Sensor clasificado para presiones de fluidos de proceso de hasta 350 bar (5000 psi) |
| P5 | Sensor clasificado para presiones de fluidos de proceso de hasta 500 bar (7500 psi) |
| P6 | Sensor clasificado para presiones de fluidos de proceso de hasta 750 bar (10000 psi) SRV-HP |
| P7 | Sensor clasificado para presiones de fluidos de proceso de hasta 1000 bar (15000 psi), SRV-HP |
| P8 | Sensor clasificado para presiones de fluidos de proceso de hasta 1500 bar (20000 psi), SRV-HP |
Conexión y sellado del proceso de la sonda
Para aplicaciones de alta presión, tanto la sonda como la conexión del proceso deben estar clasificadas para el rango de presión esperado. Para instalación perpendicular Rheonics Normalmente ofrece una interfaz de rosca G1/2”. Mientras que para un codo paralelo, se puede utilizar una conexión de brida o rosca. La variante de instalación de celdas de oblea se puede integrar a través de una interfaz de brida del cliente utilizando un O-Ring o Sello de metal. Los puertos de instalación existentes en la máquina se pueden reutilizar para montar el Rheonics sonda del sensor.
Contacto Rheonics Equipo de soporte en para discutir sobre opciones de instalación adecuadas en sus máquinas de extrusión.
Límites de la sonda en instalación perpendicular
En determinadas condiciones, los fluidos de alta viscosidad pueden afectar la sonda SRV cuando se utiliza una instalación perpendicular. Las fuerzas de flexión causadas por el flujo de fluido pueden dañar la sonda (Figura 9). Las fuerzas generalmente dependen de la viscosidad y la velocidad del fluido. El siguiente gráfico muestra una relación entre la velocidad de un fluido en m/s y la viscosidad dinámica en Pa.s. Los clientes pueden utilizar el gráfico para determinar si las condiciones del proceso pueden dañar una sonda SRV estándar.
Figura 9: Fuerzas de flexión en la sonda debido a la viscosidad y la velocidad del fluido.
Figura 10: Gráfico que muestra la velocidad del fluido en el eje X y la viscosidad dinámica máxima permitida en el eje Y para la SRV.
En general, se recomienda un límite de 12 m/s para el uso de la SRV en instalaciones perpendiculares. Superar este límite de velocidad puede provocar demasiado ruido en las lecturas o daños en la sonda. La siguiente tabla muestra lo que significa esta velocidad en el caudal volumétrico y másico para diferentes tamaños de línea.
Obtenga más información sobre el tipo-Sondas SR para medir fluidos altamente viscosos y altas velocidades de fluidos.
Referencias
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https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2665917422000150
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https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0141391013004497
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https://www.dynisco.com/userfiles/files/27429_Legacy_Txt.pdf
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HK Bruss – Medición de viscosidad para el control automático y la monitorización de la uniformidad de los procesos de extrusión
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Rheonics – Sondas SR para fluidos altamente viscosos y altas velocidades de fluidos.
