La unidad funcional principal de un sistema de extrusión consiste en el conjunto de tornillo y cilindro, que regula el transporte de material, el comportamiento de fusión, la eficiencia de la mezcla y la estabilidad general del proceso. Cabe destacar que la clasificación del tipo de tornillo es inseparable de la comprensión de su geometría, ya que esta última afectaría directamente los mecanismos de flujo, la distribución del tiempo de residencia y la generación de cizallamiento.
Este artículo analiza los tipos de tornillos desde el punto de vista de la geometría de cada tornillo, a través de la clasificación de tipos de extrusoras de doble tornillo según su modo de rotación, configuración de contacto y su concepto de diseño modular comúnmente adoptado en los sistemas modernos de tornillo y barril.
Geometría de tornillo individual: la base de la clasificación de tornillos
Antes de clasificar los tipos de tornillos en sistemas de tornillo y cilindro, es necesario comprender la geometría de cada tornillo. Esta define cómo se transporta, se mezcla y se comprime el material dentro del cilindro, y sirve como base fundamental para diferenciar los diseños de tornillos.
Dimensiones geométricas clave de un tornillo
La geometría del tornillo se especifica con referencia al diámetro interior del cuerpo cilíndrico, normalmente denominado DB. Todas las variables dimensionales principales están relacionadas con dicho diámetro. La más importante de estas dimensiones es H, Profundidad del canal, definida como la distancia radial desde la base del tornillo hasta la superficie interior del cilindro. La profundidad del canal afecta directamente tres aspectos cruciales: la capacidad de transporte, la velocidad de corte y la generación de presión.
Otro parámetro clave es e, El ancho perpendicular del filete del tornillo. El ancho del filete afecta en gran medida el flujo de fuga, la resistencia mecánica y el comportamiento frente al desgaste. El juego radial (δs) entre la cresta del vuelo del tornillo y la superficie interna del cilindro también ha sido muy importante porque determina el reflujo, la eficiencia y el grado de acción autolimpiante en sistemas entrelazados.
Un juego excesivo reduce la eficiencia de bombeo, mientras que la falta de juego aumenta el desgaste y la tensión mecánica.
Características de roscas y hélices
La distancia axial para una revolución completa del tornillo se denomina avance o paso del tornillo (S). El espaciamiento axial de los vuelos adyacentes está representado por B, y la combinación de estos dos parámetros describe la geometría de la hélice del tornillo. El ángulo de la hélice (ϕ) define el ángulo que forma el paso del tornillo con respecto al eje del tornillo.
Mientras el terreno de juego S suele ser constante a lo largo de la longitud del tornillo, ϕ cambia con el radio, y esto crea diferentes velocidades de flujo local y distribución de cizallamiento a lo largo de la profundidad del canal.
Los tornillos pueden diseñarse con configuraciones de uno, dos o tres pasos; en diseños de varios pasos, el polímero fundido o compuesto fluiría simultáneamente a lo largo de dos o más canales helicoidales paralelos, que a menudo proporcionan estabilidad y reducen la pulsación en algunas condiciones de procesamiento.
Dirección de bombeo y orientación del tornillo
Los elementos de tornillo también se clasifican según su dirección de bombeo. Los tornillos de bombeo hacia adelante, comúnmente llamados tornillos dextrógiros cuando giran en sentido horario, bombean el material hacia el extremo de descarga del barril. Los tornillos de bombeo hacia atrás bombean el material en dirección opuesta y se caracterizan por un paso y un ángulo de hélice negativos.
No participan en el transporte neto de material, pero desempeñan un papel fundamental en la acumulación de presión, el control del tiempo de residencia y la mezcla intensiva. Su inclusión en un diseño de tornillo permite la manipulación precisa de los patrones de flujo, especialmente en procesos de compuestos y extrusión reactiva.
Elementos no roscados en sistemas de tornillo y barril
Además de los elementos de tornillo helicoidal convencionales, la mayoría de los sistemas de tornillo y barril actuales, en particular las extrusoras de doble tornillo, utilizan elementos de tornillo no auténticos: los llamados discos de amasado y bloques de mezcla, así como geometrías de rotor alternativas. Estos están diseñados para crear flujo elongacional, mezcla distributiva o mezcla dispersiva. Si bien no son elementos de transporte, son cruciales para desarrollar propiedades uniformes del material.
Extrusoras de doble husillo: clasificación según el tipo de husillo
Las diferencias en la geometría del husillo, junto con las características de diseño mecánico y los mecanismos de flujo resultantes, constituyen la base de la clasificación de las extrusoras de doble husillo en distintos tipos de husillo. Estas clasificaciones se consideran esenciales para el estudio de la selección de sistemas de husillo y cilindro para diferentes aplicaciones industriales.
Clasificación por el sentido de rotación
Una de las principales formas de clasificación tornillo gemelo Las extrusoras se basan en la dirección relativa de rotación del tornillo.
Tornillo gemelo corrotante Las extrusoras giran en la misma dirección. Esta configuración se describe más comúnmente en la literatura técnica alemana como gleichläufig.
Tornillo doble contrarrotativo Las extrusoras giran en direcciones opuestas, también llamadas sistemas gegenläufig.
Se pueden utilizar disposiciones de rotación corrotatoria, contrarrotatoria y mixta en sistemas de extrusión de múltiples tornillos dependiendo de los objetivos de procesamiento.
Clasificación por disposición de contacto de tornillo
Otro criterio crítico de clasificación es el modo de contacto entre los husillos. Por lo tanto, las extrusoras de doble husillo pueden diseñarse con husillos que:
- Separado: donde hay un espacio evidente entre los tornillos.
- Tangencial: donde los tornillos se tocan en un solo punto
- Engranaje: donde los tornillos penetran en los canales de los demás
Los diseños de engrane pueden dividirse en configuraciones de engrane parcial y total. Los tornillos de engrane total son especialmente importantes en sistemas de extrusión de alto rendimiento debido a sus características mejoradas de mezcla y transporte.
Características de autolimpieza
El diseño de tornillo completamente engranado, con perfiles especiales de raíz y filetes, permite que un tornillo limpie continuamente la superficie del otro. La función de autolimpieza minimiza el estancamiento del material, reduce el riesgo de degradación y mejora la eficiencia en el cambio de fórmula. La autolimpieza se puede obtener tanto en sistemas corrotativos como contrarrotativos, dependiendo de la geometría de las raíces del tornillo.
Tres clases tecnológicas principales de extrusoras de doble tornillo
Desde el punto de vista tecnológico, la tornillo gemelo Las extrusoras generalmente se dividen en tres grandes categorías según la dirección de rotación y la geometría de engrane.
Sistemas contrarrotativos sin engrane
Las extrusoras de doble tornillo contrarrotativo sin engrane son la forma más sencilla de tecnología de doble tornillo. Estos sistemas suelen emplear un tornillo dextrógiro y otro levógiro que giran en direcciones opuestas, cuyas paletas pueden estar separadas o ser tangenciales, y el transporte del material se produce principalmente por flujo de arrastre a lo largo de la pared del cilindro.
Estos sistemas tienen diseños mecánicos relativamente simples, lo que facilita su fabricación y mantenimiento. Sin embargo, su eficiencia de mezcla y capacidad de autolimpieza no son tan buenas como las de los diseños de engrane.
Sistemas contrarrotativos entrelazados
Las extrusoras de doble tornillo contrarrotativo con engrane se derivan de los conceptos de bombas de doble tornillo de desplazamiento positivo. En estos sistemas, el material se transporta hacia adelante dentro de cámaras cerradas en forma de C que se forman entre las paletas del tornillo y la pared del cilindro.
Estos tipos de tornillo ofrecen un control preciso de la salida, excelente estabilidad de presión y el transporte de material se basa en el desplazamiento positivo en lugar del flujo de arrastre. Por ello, son especialmente adecuados para aplicaciones que exigen precisión dimensional y baja pulsación.
Sistemas corrotativos entrelazados
Las extrusoras de doble tornillo corrotatorio con engrane son el tipo de tornillo más avanzado y ampliamente utilizado en el procesamiento moderno de polímeros. En estos sistemas, suelen presentar fuertes características de autolimpieza y canales de tornillo completamente abiertos en toda su longitud.
Los sistemas de tornillo corrotativos y engranados dependen casi por completo del flujo de cizallamiento y elongación para el transporte de material y proporcionan un desplazamiento positivo insignificante. La superior mezcla distributiva y dispersiva de los tipos de tornillo los convierte en la opción preferida para procesos de composición, mezcla y extrusión reactiva.
Clasificación por diseño modular de tornillo y barril
Más allá de la rotación y el engrane, los tipos de tornillo también se clasifican según si el sistema de tornillo y barril es monolítico o modular.
Tornillos mecanizados uniformemente vs. tornillos modulares
Las extrusoras convencionales suelen tener sus tornillos mecanizados uniformemente, con una geometría fija en toda su longitud. Estos diseños, aunque mecánicamente sólidos, no son muy flexibles.
En contraste, los sistemas modernos de tornillo y barril presentan cada vez más un diseño segmentado o modular. En los sistemas modulares, los elementos individuales del tornillo se ensamblan en un eje común. Los elementos ensamblados pueden ser secciones de tornillo de bombeo hacia adelante, elementos de bombeo hacia atrás, discos de amasado y rotores de mezcla especializados.
Ventajas funcionales de los tipos de tornillos modulares
- La modularidad en la geometría del tornillo permite a los ingenieros personalizar los mecanismos de flujo sin tener que cambiar realmente la estructura mecánica intrínseca del extrusor.
- El sistema se puede optimizar para diferentes tareas simplemente reorganizando o reemplazando elementos individuales, como fusión, mezcla, desvolatilización o procesamiento reactivo.
- Esta flexibilidad también permite que una única plataforma de tornillo y barril admita una amplia gama de materiales y formulaciones.
- Hace que los tipos de tornillos modulares sean indispensables en las operaciones de extrusión industrial modernas.
Conclusión
Tornillo Los tipos de sistemas de tornillo y barril no se definen por una característica única, sino por una compleja interacción de geometría, modo de rotación, disposición de los contactos y diseño estructural. Todas las decisiones de diseño, desde las dimensiones de los tornillos individuales y sus características helicoidales hasta la naturaleza del engrane y el método de construcción modular, tienen efectos directos en el flujo de material, la eficiencia de la mezcla y la estabilidad del proceso.
El conocimiento de la geometría del tornillo y los principios de clasificación constituye la base para la selección o el diseño de un sistema adecuado para requisitos de procesamiento específicos. Los tipos de tornillo avanzados, incluyendo los diseños corrotativos de engrane modular, seguirán siendo la base de las aplicaciones de procesamiento de polímeros y compuestos de alto rendimiento mediante tecnología de extrusión.
