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Tipo: Esquemas y mapas conceptuales
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Estudio, diseño, simulación y optimización de
una matriz de extrusión de plástico.
Con el objetivo de diseñar correctamente una matriz de extrusión para extruir perfiles de sección circular, se tienen en cuenta los factores de flujo y de forma, a fin de conseguir la forma final deseada en el perfil extruido. Para ello, es necesario partir de una idea inicial de matriz de extrusión e implementar mejoras a medida que se obtienen resultados en las simulaciones realizadas en Ansys PolyFlow. El método empleado se basa en una primera simulación a partir de una idea, la cual se mejora a partir de los resultados obtenidos de flujo de material, presión y expansión de material a la salida. Se consigue un diseño final de la matriz a partir de la primera simulación, realizando las mejoras adecuadas con el objetivo de obtener el perfil deseado sin errores. En la simulación de la matriz final y de diseño óptimo, se obtienen los datos concluyentes que proporcionan la información necesaria para inferir que se ha conseguido extruir el perfil deseado con un flujo uniforme. Finalmente se realiza un diseño 3D con Autodesk Inventor, el cual refleja las dimensiones optimas halladas durante el proceso.
Amb l'objectiu de dissenyar correctament una matriu d'extrusió per extruir perfils de secció circular, es tenen en compte els factors de flux i de forma, per tal d'aconseguir la forma final desitjada en el perfil extruït. Per a això, cal partir d'una idea inicial de matriu d'extrusió i implementar millores a mesura que s'obtenen resultats en les simulacions realitzades en Ansys PolyFlow. El mètode emprat es basa en una primera simulació a partir d'una idea, la qual es millora a partir dels resultats obtinguts de flux de material, pressió i expansió de material a la sortida. S'aconsegueix un disseny final de la matriu a partir de la primera simulació, realitzant les millores adequades amb l'objectiu d'obtenir el perfil desitjat sense errors. En la simulació de la matriu final y de disseny òptim, s'obtenen les dades concloents que proporcionen la informació necessària per inferir que s'ha aconseguit extruir el perfil desitjat amb un flux uniforme. Finalment es realitza un disseny 3D amb Autodesk Inventor, el qual reflecteix les dimensions òptimes trobades durant el procés.
In order to properly design an extrusion die for extruding profiles of circular cross section, factors such as flux and form have been kept in mind in order to achieve the desired final form in the extrudate. Therefore necessary to start from an initial idea about extrusion die and implement the improvements whenever results are obtained in the simulations with Ansys PolyFlow. The method is based on a first simulation from an idea, which is improved from the results of material flow, pressure and expansion of material output. A final design of the matrix is obtained from the first simulation, the appropriate improvements have been done in order to obtain the desired profile without error. In the simulation of the final and optimal die design, the conclusive data provides the information necessary to infer that the desired uniform flow profile have been obtained successfully in the operation of extrude. Finally a 3D design with Autodesk Inventor has been done, which reflects the optimal dimensions found during the process is done.
Palabras clave: Diseño matriz, Extrusión, Ansys, Simulación. Keywords: Die design, extrusion, Ansys, Simulation.
El objetivo de este proyecto es el de diseñar una matriz de extrusión mediante la simulación, el estudio y el cálculo del flujo del plástico fundido al paso a través de la matriz a la salida del tornillo extrusor.
Calcular correctamente las condiciones del flujo al paso por la matriz e implementarlas en Ansys PolyFlow, a fin de obtener datos calificativos que nos permitan hallar mediante unas características determinadas de la extrusora, el diseño adecuado de la matriz para la extrusión sin errores del perfil deseado.
Diseñar en 3D mediante Autodesk Inventor Professional la matriz una vez obtenidas las dimensiones óptimas para el correcto funcionamiento y un flujo de material a través de ella en las condiciones calculadas.
El proyecto se ha realizado en base a una idea de matriz de extrusión la cual se ha modificado a medida que se han ido obteniendo resultados en las simulaciones del flujo de material a través de ella. Para ello, se han realizado una serie de pautas para poder realizar el proyecto con el máximo de acierto posible.
Con el fin de realizar un correcto estudio sobre una extrusora y todo lo que su funcionamiento conlleva, se ha procedido a estudiar a fondo las características de la maquina incluyendo, tipos de máquinas (variantes), tipos de componentes que las diferencian, condiciones de trabajo. Para ello, es necesario comprender y entender correctamente el funcionamiento y el papel que representan cada uno de sus componentes a la hora de realizar la extrusión.
Además se ha estudiado el comportamiento de los materiales poliméricos, sus características en diferentes condiciones y el comportamiento dependiente de la temperatura en los polímeros fundidos, condición muy importante a la hora de realizar el proyecto.
También se ha estudiado el proceso de extrusión y los acontecimientos que se presentan en la zona de dosificación de la extrusora, la cual junto con la zona de la matriz es la más importante en el estudio y diseño de una matriz de extrusión.
Es muy importante conocer como funciona el software de simulación Ansys Workbench y más en especial la herramienta PolyFlow, ya que ésta, es para el estudio del flujo de material. Para ello, se han realizado todos los tutoriales que sobre PolyFlow que contiene la guía para usuarios.
El proyecto se ha desarrollado siguiendo los siguientes pasos:
Alrededor de un 60 % de los plásticos se procesan por extrusión. El procedimiento de extrusión es la acción de forzar, por medio de presión, a pasar de forma continua un plástico o material fundido a través de una “matriz” o “boquilla”. A su salida el material conformado es recogido por un sistema de arrastre, con velocidad regulable, que le proporciona las dimensiones finales mientras se enfría y adquiere la necesaria consistencia.
El procedimiento se ha utilizado durante muchos años para metales que fluyen plásticamente cuando se someten a una presión de deformación. En el procedimiento original para someter los polímeros a extrusión, se utilizaron máquinas similares impulsadas por un ariete o empujador mecánico. En el proceso moderno se usan tornillos para hacer fluir el polímero en el estado fundido a lo largo de la camisa de la máquina.
La extrusión es un proceso para la producción de forma continua de productos de sección transversal constante. Productos típicos son: Tubos (1 – 1500 mm de diámetro), film, láminas, planchas, fibras, cintas, barras, varillas, revestimiento de alambres, perfiles, etc.
Los componentes esenciales de una línea de extrusión (Figura 1.) son:
Figura 1. Extrusor de tornillo simple
Las máquinas de extrusión constan de un cilindro en cuyo interior se aloja un tornillo, que al girar recoge el material de la tolva de alimentación, lo hace avanzar a lo largo del cilindro, le somete a importantes esfuerzos de cizalla a la vez que lo comprime y lo dosifica a través de un
4.1.1.1. Tornillo de extrusión.
La finalidad del extrusor es fundir o plastificar el polímero, asegurar una mezcla adecuada (homogeneización) y actuar como medio de transporte del polímero fundido hacia la matriz.
El tornillo de un extrusor tiene uno o dos “hilos” en espiral a lo largo de su eje que configuran un canal helicoidal de anchura constante. El diámetro medido hasta la parte externa del hilo es el mismo en toda la longitud para permitir un ajuste preciso en la camisa cilíndrica, con una distancia entre ellas apenas suficiente para dejarlo rotar.
El núcleo es de diámetro variable, de manera que el canal en espiral varía en profundidad. En general, la profundidad del canal disminuye desde el extremo de alimentación hasta el extremo de la matriz (Figura 3.) aunque existen modificaciones con fines especiales. Una consecuencia de que disminuya la profundidad del canal es el incremento de la presión a lo largo del extrusor (Figura 3.) y ésta es la que impulsa el material fundido a pasar a través de la matriz.
Figura 3. Tornillo de extrusión y zonas
En general, existen tres zonas claramente diferenciadas que cumplen tres misiones principales: alimentación, compresión y dosificación. A veces existen algunas zonas complementarias (por ejemplo, desgasificación). Las funciones de cada una de las zonas son como sigue:
Zona de alimentación:
En esta zona se precalienta y transporta (suministra) el polímero a las partes siguientes. La profundidad del tornillo es constante y la longitud de esta zona es tal que se produzca una alimentación correcta, ni deficiente ni excesiva, hacia las zonas de delante del tornillo. Esta alimentación varía un poco para los diferentes tipos de polímeros con el fin de obtener una eficiencia óptima.
Zona de compresión:
Esta zona tiene una profundidad de canal decreciente y tiene diferentes funciones. Primeramente, se expulsa el aire atrapado entre los gránulos originales (compactación), en segundo lugar, se mejora la transferencia de calor desde las paredes de la camisa calentada conforme disminuye el espesor de la capa de material y en tercer lugar, se da el cambio de densidad que ocurre durante la fusión. Esta se logra por fricción y por conducción de calor, a lo que ayuda la reducción del espesor del material.
Zona de dosificación:
Una vez más se encuentra una profundidad de tornillo constante. Su función es la de homogeneizar el material fundido (mezcla distributiva) y con ello suministrar a la región de la matriz un material de calidad homogénea a temperatura y presión constantes.
4.1.1.2. Cilindro
El cilindro de calefacción alberga en su interior al tornillo como se muestra en la figura
Figura 4. Cilindro
Por lo general el cilindro posee sistemas de transferencia de calor. El calentamiento se puede realizar mediante resistencias eléctricas circulares localizadas en toda su longitud como se muestra en la figura 4.El cilindro suele dividirse en varias zonas de calefacción, al menos tres,
Figura 6. Tipos de tolva
Para asegurar un flujo constante del material por la garganta de alimentación, las tolvas utilizan dispositivos agitadores o tronillos sin fin con el objetivo de alimentar al husillo.
Figura 7. Tolva con tronillo de alimentación.
4.1.1.5. Placa rompedora
La zona final de un extrusor es la zona de la matriz, que termina en la propia matriz. Situado en esta región se encuentra el portamallas (figura 8.). Este consta, por lo común, de una placa de acero perforada conocida como placa rompedora y un juego de mallas de dos o tres capas de gasa de alambre situadas en el lado del tornillo.
El ensamble placa rompedora-juego de mallas tiene tres funciones:
1.- Evitar el paso de material extraño, por ejemplo, polímero no fundido, polvos, cuerpos extraños.
2.- Crear un frente de presión cuando se opone una resistencia al bombeo de la zona anterior, regularizando así el flujo del material.
3.- Eliminar la “memoria de giro” del material fundido, es decir transformar el flujo helicoidal del material en flujo paralelo más regular
Figura 8. Placa rompedora y juego de mallas.
Una descripción más detallada de estas funciones es:
1.- El cribado ayuda a reducir los defectos del producto más adelante al eliminar partículas no deseadas. A menudo quedan atrapadas en la malla partículas de metal o, inclusive, tuercas o tornillos pequeños así como, por ejemplo, aglomerados de material de relleno que han escapado a la dispersión. Además de hacer que el producto salga defectuoso, las partículas metálicas dañan la matriz, lo cual es un grave problema, pues las matrices son caras y difíciles de reparar.
2.- La importancia de crear un frente de presión radica en que esta presión es la que proporciona la fuerza impulsora para vencer la resistencia de la matriz.
3.- En muchos casos, el polímero recuerda su trayecto en giros a lo largo de la espiral del tornillo, aun después de haber pasado por la matriz y esto puede dar como resultado una deformación por torsión del producto. Los polímeros, están formados por moléculas de cadena larga, enrolladas y enmarañadas incluso cuando están fundidos, ésta es la razón de su comportamiento viscoelástico. Los materiales fundidos, aunque la mayoría son viscosos, tienen también propiedades elásticas importantes.
4.1.1.5. Cabezal y boquilla
La matriz tiene como función el obtener la forma deseada del material extruido (aunque puede realizarse un conformado posterior). La matriz esta calentada externamente y debe asegurar que el flujo de material fundido cambie de forma suavemente desde la configuración proveniente del tornillo hasta la forma deseada del producto final. Por ejemplo, para la producción de barras se requiere un dado de forma troncocónica.
Figura 10. Boquilla circular perfil sólido y cabezal.
Diámetro del cilindro (D): Es representativo del tamaño de la extrusora y afecta en gran medida a la velocidad de flujo. Como deduciremos más adelante, el caudal de material que proporciona la extrusora es proporcional al cuadrado del diámetro del tornillo. La mayoría de las extrusoras tiene diámetros comprendidos entre 2 y 90 cm.
Relación longitud/diámetro (L/D): Para un diámetro de tornillo dado, la capacidad para fundir, mezclar y homogeneizar a una velocidad de giro del tornillo determinada aumenta al aumentar la longitud del tornillo, y por tanto la relación L/D. Sin embargo tornillos excesivamente largos son difíciles de construir y alinear dentro del cilindro, de modo que no resultan operativos. La relación L/D típica para la extrusión de polímeros termoplásticos varía generalmente entre 20: y 30:1.
Relación de compresión: Una definición exacta de este parámetro es “la relación volumétrica de las vueltas del filete en las zonas de alimentación y de dosificado”. Se suele expresar, sin embargo, en términos de la relación de profundidades del canal en ambas zonas, una aproximación que es únicamente válida si el ángulo de los filetes y la anchura del canal se mantienen constantes. Las relaciones de compresión típicas oscilan entre 2.0 y 4.0. Una zona de dosificado de pequeña profundidad (alta relación de compresión) impone mayor velocidad de cizalla sobre el fundido (para una velocidad de tornillo dada), y se asocia también con un gradiente de presión mayor.
Configuración del tornillo: es un aspecto de gran importancia. La elección definitiva del número y del diseño geométrico de las zonas del tornillo es un proceso complejo. Esta decisión depende no solo del diseño de la boquilla y de las velocidades de flujo esperadas, sino también de las características de fusión del polímero, de su comportamiento reológico y de la velocidad del tornillo. Un tornillo simple, de tres zonas, se define usualmente según el número de vueltas de hélice en las zonas de alimentación, compresión y dosificado.
Es importante tener en cuenta para analizar el comportamiento del flujo del fundido, que la extrusora y la matriz operan como una unidad combinada. La interacción entre el tornillo y la matriz se representa generalmente por que muestra la dependencia de la salida de la presión de masa fundida entre el husillo y el cabezal. El tornillo requiere que la viscosidad del material termoplástico no cambie ya sea en la zona de dosificación o en la matriz. Esto significa que los cambios en la temperatura y la presión y otras influencias sobre la viscosidad tienen que ser evitados tanto como sea posible. La caída de presión a través de una matriz varía directamente con la longitud de ésta e inversamente con el cubo de la abertura del espacio.
El fundido también se ve afectado por la forma del orificio de salida. El efecto del orificio está relacionado con las condiciones del fundido y el diseño de la matriz extrusora, que con una tasa de enfriamiento lenta puede tener una influencia significativa, especialmente en los productos de espesor. La refrigeración es más rápida en las esquinas, de hecho, una sección central caliente podrían causar un producto para soplar hacia afuera y / o incluye burbujas de vacío visibles o invisibles.
Reología es la ciencia de la deformación y el flujo de materiales. En realidad, todos los materiales hacen flujo, con el tiempo suficiente. Lo que hace que los materiales poliméricos sean interesantes en este contexto es el hecho de que sus constantes de tiempo para el flujo son del mismo orden de magnitud que sus tiempos para la extrusión, moldeo por inyección y moldeo por soplado de procesamiento.
Figura 11. Modelos Reológicos.
Figura 12. Expansión debido a la viscoelasticidad del polímero fundido.
Los esfuerzos de compresión aplicados en el material conforme ingresa en la apertura pequeña de la matriz no se relajan de inmediato, por lo tanto, cuando el material sale del orificio y desaparece la restricción los esfuerzos no liberados hacen que el material se expanda. Para una sección transversal circular esta expansión se puede medir por medio de la razón de expansión que se define como:
(2)
Donde:
𝐷𝑥 es el diámetro de la sección extruida 𝐷𝑑 es el diámetro del orificio de la matriz
La cantidad de expansión depende del tiempo que el polímero fundido permanezca en el interior de la matriz, incrementando la longitud de la matriz se reduce la expansión a la salida.
Un fluido no newtoniano es aquel cuya curva de flujo esfuerzo cortante (τ) frente a la tasa de corte (ϒ) no es lineal o no pasa por el origen, es decir, cuando la viscosidad aparente, esfuerzo cortante dividido por la velocidad de cizalla, no es constante a una temperatura y presión dadas, sino que depende en condiciones de flujo, tales como la geometría de flujo, velocidad de cizallamiento, etc. y, a veces incluso en la historia cinemática del elemento de fluido bajo estudio. Tales materiales pueden estar convenientemente agrupados en tres clases generales:
"independientes del tiempo", "puramente viscosos", "inelásticos" o "fluidos newtonianos generalizados”.
Este sistema de clasificación es arbitrario porque los materiales más reales a menudo exhiben una combinación de dos o incluso los tres tipos de funciones no newtonianos. En general, es, sin embargo, posible identificar el característico no newtoniano dominante y tomarlo como la base para los cálculos subsiguientes del proceso. También, es conveniente definir una viscosidad aparente de estos materiales como la relación del esfuerzo cortante y la velocidad de cizalla.
Dependiendo del tipo de polímero que se desea emplear los gránulos de estos varían tanto en tamaño como en densidad como en su punto de fusión, teniendo también diferentes temperaturas de servicio, lo cual es importante a la hora de analizar su comportamiento durante su procesado.
Material Abreviación
Densidad (g/cm^3 )
Punto de fusión (°C)
Temperatura de servicio (°C)
Max (poco tiempo)
Max (continuo)
Min (continuo) Polietileno de baja densidad PE-LD^ 0,928^115 90 75 -^50 Polietileno de alta densidad PE-HD^ 0,96^137 120 80 -^50 Polipropileno PP 0,907 175 140 100 - 30 Policarbonato PC 1,2 265 160 135 - 100 Poliamida PA 1,14 265 200 120 - 30
Tabla 1. Densidad, puntos de fusión y temperaturas de trabajo de algunos materiales comunes.
Cuando el plástico es extruido es muy importante entender cuando utilizar la densidad aparente y la densidad del fundido:
