TORNILLOS

LO QUE USTED DEBE SABER SOBRE DISEÑO DE TORNILLOS

Timothy W. Womer-Vicepresidente de Ingeniería y Tecnología, Xaloy, Inc. , Abril 2005

Comprenda qué parámetros geométricos son importantes en el diseño de un tornillo de

extrusión, y cómo se relacionan con su desempeño.

En la industria plástica de hoy, de la misma forma en que ha ocurrido desde el inicio de la

extrusión de plásticos, el usuario final ha dependido del proveedor de equipos y/o del fabricante

de tornillos para aprovisionarse del diseño adecuado de tornillo para su proceso y material

específicos. La mayoría de los procesadores ha aprendido a lo largo de los años algunos puntos

críticos relacionados con el diseño de tornillos, pero nunca ha entendido completamente la razón

por la cual sus proveedores le han recomendado ciertos aspectos acerca de los tornillos que ha

comprado.

El objetivo de este artículo es explicar algo del conocimiento básico requerido para que el

usuario final haga una decisión adecuada al usar o comprar un tornillo sencillo para una aplicación

de agujero liso.

Nomenclatura

Antes de empezar, necesitamos definir algunos de los componentes básicos del tornillo de

hélice sencilla. Estos términos se presentan en la figura 1.

Fig. 1

Relación L/D

La definición del factor L/D (relación entre longitud y diámetro del tornillo) varía de un

proveedor a otro. Algunos fabricantes lo definen como la porción "encerrada" del tornillo, o miden

la longitud de la hélice desde el lado frontal del puerto de alimentación hasta el final del tornillo.

Otros miden la longitud de la hélice desde el centro del puerto de alimentación, y otros miden la

longitud "efectiva" (o toda la longitud de la hélice). La forma en la que se defina la relación L/D es

una cosa, pero la porción de material que el fabricante de tornillo debe maquinar efectivamente

se determina como se muestra en la figura 1. Un ejemplo que indica cómo determinar el factor

L/D para un tornillo de 2,5" sería como sigue:

Diámetro del tornillo = 2,5"

Longitud de la hélice = 63"

Entonces

L/D = 63/2,5 = 25,2

Un fabricante de equipo original clasificaría este equipo como una extrusora de L/D 24:1,

pero el fabricante del tornillo la cotizaría como una de 25,2 L/D, porque esa es la cantidad real de

maquinado que se requiere para fabricar el producto.

Las relaciones L/D típicas son 24:1 y 30 ó 32:1, pero hay aplicaciones especiales donde los

extrusores son apenas de 10:1 L/D ó alcanzan 50:1 L/D. La relación adecuada se define por el

proceso y aplicación que deba satisfacerse.

Sección de alimentación - Profundidades

Refiriéndose a la figura 1, la sección de alimentación es el primer elemento del tornillo al

que se le introduce polímero. Típicamente, en extrusores de agujero liso, ésta es la parte más

profunda del tornillo. En los diámetros más pequeños (2,5" y menos) se debe prestar atención

especial a esta sección para reducir el riesgo de falla por torsión debido a la sobrecarga de torque

en el tornillo. Algunas veces es recomendable fabricar los tornillos pequeños en acero inoxidable

17-4 PH, o en otro material de alta resistencia a la cedencia, para reducir el riesgo de este tipo de

falla.

Como regla de dedo, la sección de alimentación de un tornillo no debería ser superior a:

Fdmax = 0,2(Diámetro del Tornillo) Ecuación 1

Esto es para tornillos que tengan un diámetro igual o inferior a 4,5". Por ejemplo, para un

tornillo de 2,5", se tendría:

Fdmax = 0,2(2,5") = 0,5" Ecuación 2

Si el diseño del tornillo requiriera una zona de alimentación superior a este valor de

Fdmax, deben hacerse los cálculos de torque correspondientes. Entonces, si la resistencia a la

cedencia del tornillo va a exceder el factor de seguridad de 2:1 del acero original con el que se va a

fabricar, deberá escogerse un acero de mayor resistencia a la cedencia.

Sección de alimentación - longitud

La principal función de la sección de alimentación de un tornillo es transportar sólidos. La

teoría básica de transporte de sólidos determina que "el plástico debe adherirse al barril y deslizar

sobre el tornillo, de tal forma que el polímero se desplace hacia delante". Para que esto ocurra el

coeficiente de fricción (COF) del polímero debe ser superior en la pared del barril que en la raíz del

tornillo. De esta forma, algunos polímeros tienen inherentemente mejores COFs que otros, y para

ellos no se requieren secciones de alimentación largas. Típicamente, para la mayor parte de

resinas una sección de alimentación con una longitud de cuatro o cinco diámetros medidos desde

la garganta de alimentación, hará posible alcanzar suficiente presión para transportar el material

hacia delante.

En el caso de que las resinas sean pobremente alimentadas o de que los materiales tengan

un COF bajo, la longitud de la sección de alimentación debe alcanzar de ocho a diez diámetros.

Una de las razones para tener mayores secciones de alimentación es hacer que se introduzca más

calor a la forma sólida de la resina, haciendo que se adhiera al barril y de esta forma ayude en el

desarrollo de la presión requerida para tener un buen transporte de sólidos. En este punto

también debería mencionarse que en el caso de materiales pobremente alimentados, también es

benéfico el uso de enfriamiento interno en el tornillo, para mantener la raíz fría y mejorar el COF

entre la resina y el acero en la raíz del tornillo.

Debería mencionarse que para encontrar una forma de mejorar el transporte de sólidos en

resinas que tienen un COF deficiente, en Europa durante la primera etapa de la década de 1960 se

creo la tecnología de alimentación ranurada; desde esa época su aceptación ha venido en

crecimiento, a paso lento pero firme.

Sección de transición

La sección de compresión o transición en un tornillo convencional es donde tiene lugar la

mayor parte de la fusión del polímero. Esta es la porción del tornillo que trasciende desde la

profundidad de alimentación hasta la profundidad de dosificación, y es donde se efectúa trabajo

sobre la resina, haciendo que se produzca la fusión. En esta sección del tornillo, la raíz se vuelve

gradualmente menos profunda, forzando al material hacia delante de la pared del barril, donde la

fusión se lleva a cabo.

Ejemplo1:

F =.006" / 1" = .006 pulg./pulg.

El factor más importante a considerar al diseñar la sección de transición, es que la

pendiente de esta zona debería ajustarse tan cercanamente como sea posible a la tasa de fusión

del material. Con el fin de maximizar el flujo másico a la salida del extrusor, y para reducir la

cantidad de abrasión que se va a producir al barril y al tornillo, es crítico efectuar este cálculo

0,006”

1”

correctamente. Más adelante en el artículo se discutirá la relación de compresión, y se vinculará a

esta sección. Típicamente, para un tornillo de 24:1 L/D la sección de transición tendrá entre cinco

y diez diámetros de longitud, dependiendo del tipo de polímero que sea procesado.

Sección de dosificación

La sección de dosificación o bombeo en el tornillo es donde se completa la fusión del

polímero, y donde se genera presión para superar la restricción impuesta por el cabezal. Para

calcular el flujo másico, puede hacerse un cálculo como el que sigue:

Tasa = 2.3*D2*hm*SG*N Ecuación 3

Tasa = flujo másico (lb/hr)

D = Diámetro del tornillo (pulgadas)

hm = Profundidad de alimentación (pulgadas)

SG = Gravedad específica del polímero (gm/cc)

N = Velocidad de rotación (RPM)

Otra forma de obtener el flujo másico es hacer un cálculo basándose en la profundidad de

la zona de dosificación. Esto es válido en principio sólo para aplicaciones de baja presión.

Relación de compresión

La relación de compresión es probablemente el término más usado en la terminología de

diseño de tornillos, aunque no por eso es el mejor aplicado ni el mejor comprendido. La mayoría

de la gente acepta la definición de relación de compresión como se muestra en la figura 2.

Fig.2

Entonces:

Relación de compresión = Ecuación 4

Como ejemplo, considere que un tornillo de 2,5" tiene una profundidad de alimentación

(hf) de 0,300", y una profundidad de dosificación (hm) de 0,100". La relación de compresión se

determinaría como:

Ejemplo 2:

CR = .300" / .100" = 3:1 Ecuación 5

Pero, adicionalmente, podría tenerse un tornillo de 2,5" con una profundidad de

alimentación (hf) de 0,450", y una profundidad de dosificación (hm) de 0,150". Entonces la

relación de compresión sería equivalente a:

Ejemplo 3:

CR = .450" / .150" = 3:1 Ecuación 6

Ambos tornillos tienen una relación de compresión de 3:1, pero son totalmente

diferentes. El primero tiene una tasa de corte mucho mayor, y entregará apenas 2/3 del flujo

másico del segundo. El segundo tornillo, además de tener mayor capacidad de procesamiento,

operará con menores tasas de corte y por tanto podrá procesar materiales sensibles a esfuerzos

cortantes.

Adicionalmente, la pendiente de transición ni siquiera se ha considerado en este caso. Los

dos tornillos podrían tener diferentes relaciones de compresión. Pero si la longitud de la sección

de transición fuera diferente, aún así podrían tener las mismas tasas de fusión.

Lo que es importante es que al describir la geometría del tornillo todos los detalles sean

examinados.

Pueden calcularse capacidades de bombeo precisas usando fórmulas más complejas, pero

se requiere entonces que el diseñador del tornillo tenga un entendimiento más profundo sobre el

comportamiento de flujo del polímero.

Relación de compresión para tornillos de barrera

Tal como se mencionó, la mayoría de los individuos considera que la "relación de

compresión" es el cociente entre la profundidad de la sección de alimentación y la profundidad de

la sección de dosificación. Esto es lo que normalmente se denomina "Relación de Compresión de

Profundidades", pero hay un medio más preciso para calcular la verdadera relación de

compresión, y se define como "Relación de Compresión Volumétrica". Se describe en la siguiente

ecuación:

VRC= Ecuación 7

VCR = Relación de Compresión Volumétrica

hf = Profundidad de alimentación

hm = Profundidad de dosificación

Lf = Paso en la sección de alimentación

Lm = Paso en la sección de dosificación

nf = Número de vueltas en la sección de alimentación

nm = Número de vueltas en la sección de dosificación

ef = Ancho de la hélice principal en la sección de alimentación

em = Ancho de la hélice principal en la sección de dosificación

D = Diámetro exterior del tornillo

Aunque más compleja, esta fórmula proporciona valores más exactos de la relación de

compresión. La ecuación determina la cantidad de área transversal que hay en la sección de

alimentación y la compara con el volumen de la sección transversal del tornillo en la zona de

dosificación.

De la misma forma que en los tornillos de dosificación estándar, es importante evaluar la

relación de compresión real en un tornillo de barrera. Para determinarla, es necesario comparar el

área transversal de la sección de alimentación con el área transversal combinada en la final de la

sección de barrera. Esto se muestra en la figura 3.

Fig. 3

La relación de compresión volumétrica de un tornillo de barrera puede presentarse

matemáticamente como sigue:

VRC= Ecuación 8

VCR = Relación volumétrica de compresión

Wf = Ancho del canal en la sección de alimentación

hf = Profundidad del canal en la sección de alimentación

Wm = Ancho del canal de fundido al final de la sección de barrera

hm = Profundidad del canal de fundido al final de la sección de barrera

Ws = Ancho del canal de sólidos al final de la sección de barrera

hs = Profundidad del canal de sólidos al final de la sección de barrera

Este método de comparar una sección con otra entregará una relación más exacta.

Debería notarse que, dependiendo de quién sea el diseñador, el flujo másico entregado

por el tornillo puede estar determinado por la capacidad de la sección de barrera o por la

capacidad de bombeo en la sección de dosificación. Esto depende totalmente de lo que el

diseñador tenga en mente con respecto al desempeño del husillo.

Tornillos de dos etapas

Los tornillos de dos etapas son, básicamente, dos tornillos puestos uno al final del otro

para llevar a cabo diferentes funciones. La figura 4 muestra la nomenclatura típicamente usada en

tornillos de dos etapas.

Fig. 4

La razón principal por la que las extrusoras cuentan con venteo es por la devolatilización

de humedad o gases. Hoy, la mayoría de los tornillos de dos etapas diseñados para devolatilizar

tienen relaciones mínimas de L/D equivalentes a 30:1 ó 32:1. En la industria del caucho, de moldeo

por inyección, y recientemente en la de extrusión, se empleaban tornillos con relaciones L/D

menores. Pero la tecnología de extrusión moderna requiere el empleo de tornillos más largos.

Normalmente, el flujo másico entregado por un tornillo con venteo es dos terceras partes del que

entrega una extrusora de L/D similar sin venteo, debido a que cuando hay venteo debe

desarrollarse 100% de fundido en el momento en que la resina alcanza la sección venteada del

tornillo. Si en este punto la resina no está completamente fundida, es posible que queden

atrapada humedad o gases dentro de los gránulos sin fundir, y por lo tanto, no escapen a través

del puerto venteado del barril.

Hay casos en los que se requiere alcanzar una gran cantidad de devolatilización, y por

tanto se hace necesario instalar un segundo puerto de venteo. En este caso se necesitará un

tornillo de tres etapas. Este tipo de tornillos generalmente son de 36:1 L/D ó de longitudes

mayores.

Como se mencionó anteriormente, el tornillo de dos etapas no es más que dos tornillos de

una sola etapa en tándem. La relación de compresión de la primera etapa se determina en la

misma forma que para un tornillo de una sola etapa. Debe mencionarse que en algunos casos

pueden emplearse secciones de barrera en la primera de las dos etapas del tornillo.

La diferencia primaria en el diseño de la primera de dos etapas de un tornillo, es que la

sección de dosificación no necesita estar concebida para superar ningún tipo de contrapresión.

Dado que no hay dado ni restricción alguna aguas abajo, la primera sección de dosificación sólo

debe completar el proceso de fusión y bombear la resina hacia la sección de venteo, con presión

cero o negativa.

En algunas aplicaciones de venteo, cuando se procesan resinas altamente viscosas, es

necesario instalar una bomba de vacío en el puerto de ventilación del barril para ayudar a la

devolatilización de la resina.

Finalmente, el propósito primario de la segunda etapa es permitir que se genere un área

de devolatilización, y bombear entonces la resina a través del dado.

En el pasado se ha determinado la "relación de bombeo" (PR) como una relación de

amplificación de 1,5:1 o 1,6:1:

Ejemplo 4

PR= = 1.6:1 Ecuación 9

Este método trabajará típicamente para aplicaciones donde se procesan resinas muy

viscosas.

Un mejor método para diseñar la profundidad de alimentación en la segunda etapa es

calcular el flujo neto en la segunda etapa contra el flujo neto en la primera, usando las ecuaciones

de "Flujo de Arrastre - Flujo de Presión". La sección de dosificación o bombeo de la segunda etapa

debe diseñarse de tal forma que pueda sobre-bombear la sección de dosificación de la primera

etapa al menos en un 25%, y de esta manera evite que la resina se desborde a través del puerto de

venteo.

El segundo método de diseño tendrá mucho éxito evitando el flujo de resina a través del

puerto de venteo, siempre y cuando se usen modelos reológicos adecuados para prevenir en la

ecuación de Flujo de Arrastre - Flujo de Presión.

Finalmente, para determinar la profundidad de la sección de venteo, normalmente una

relación de 2:1 a 2.5:1 con respecto a la sección de dosificación de la segunda etapa es suficiente

para evitar que la resina fluya a través del puerto del barril.

Conclusión

El propósito de este artículo no era presentar algo revolucionario; pretendía simplemente

explicar algunos de los procesos que un diseñador usa para determinar cómo se va a aproximar al

diseño de un tornillo.

Como siempre, es muy importante para el cliente equipar al diseñador de tornillos con

suficiente información sobre el equipo, datos de la resina o reología, y datos de procesamiento del

tornillo existente.

Finalmente, el principal propósito de esta presentación era ayudar a la audiencia a

entender en mejor manera los mecanismos de funcionamiento detrás de cada una de las

secciones del tornillo. Gracias a este mejor entendimiento, el ingeniero de proceso puede dar

solución a un problema con mayor facilidad, o mejorar un diseño existente.

Acerca del autor

Timothy W. Womer, Vicepresidente de Ingeniería y Tecnología, Xaloy, Inc.

Tim Womer es una reconocida autoridad en el área de tecnología para plásticos. Es

ingeniero mecánico de la Universidad Estatal de Youngstown. Ha diseñado más de 8.000 tornillos

para todas las áreas de plastificación mono-husillo, y sus desarrollos han dado vida a varias

patentes. Ha trabajado para Xaloy desde 2003, y previamente hizo parte de Spirex Corporation,

Conair, Inc. y NRM Corporation. Miembro del comité directivo de la División de Extrusión de SPE, la

Sociedad de Ingenieros Plásticos.