Embed Size (px)
DESCRIPTION
ingenieria de materiales
Citation preview
CURSO: INGENIERÍA DE MATERIALES
DOCENTE: ING. SOFÍA TERRONES ABANTO
LABORATORIO: PROCESO DE EXTRUSIÓN
NOMBRE:
RODRIGUEZ BURGOS MAYRA
RODRÍGUEZ VÁSQUEZ KAREN
SAONA CRUZ NELVI
VARAS LACHERRE JOSE
TRUJILLO-PERÚ
2015
U UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO ING INDUSTRIAL
LABORATORIO DE INGENIERÍA DE MATERIALES S
PROCESO DE EXTRUSIÓN
1. OBJETIVOS
Conocer el adecuado funcionamiento de la maquina
Obtener una pieza polimérica (PEAD) por el proceso de extrusión.
Analizar describir la pieza extruida(PEAD)
Calcular el caudal y la razón de dilatación de la pieza.
2. FUNDAMENTO TEÓRICO
EXTRUSIÓN
Introducción:
En una definición amplia el proceso de extrusión hace referencia a
cualquier operación de transformación en la que un material fundido es
forzado a atravesar una boquilla para producir un artículo de sección
transversal constante y, en principio, longitud indefinida. Además de los
plásticos, muchos otros materiales se procesan mediante extrusión,
como los metales, cerámicas o alimentos, obteniéndose productos muy
variados como son marcos de ventanas de aluminio o PVC, tuberías,
pastas alimenticias, etc. Desde el punto de vista de los plásticos, la
extrusión es claramente uno de los procesos más importantes de
transformación. El proceso de extrusión de plásticos se lleva a cabo en
máquinas denominadas extrusoras o extrusores.
U UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO ING INDUSTRIAL
LABORATORIO DE INGENIERÍA DE MATERIALES S
Definición:
La extrusión de polímeros es un proceso industrial mecánico, en donde
se realiza una acción de moldeado del plástico, que por flujo continuo
con presión y empuje, se lo hace pasar por un molde encargado de darle
la forma deseada. El polímero fundido (o en estado visco-elástico) es
forzado a pasar a través de un dado también llamado cabezal, por medio
del empuje generado por la acción giratoria de un husillo (tornillo de
Arquímedes) que gira concéntricamente en una cámara a temperaturas
controladas llamada cañón, con una separación milimétrica entre ambos
elementos. El material polimérico es alimentado por medio de
una tolva en un extremo de la máquina y debido a la acción de empuje
se funde, fluye y mezcla en el cañón y se obtiene por el otro lado con un
perfil geométrico preestablecido.
VENTAJAS DE LA EXTRUSIÓN
Presenta alta productividad y es el proceso más importante de
obtención de formas plásticas en volumen de producción.
Una vez arrancado el proceso, la producción es continua; a diferencia
de otras técnicas cíclicas, como la inyección.
Su operación es de las más sencillas, ya que una vez establecidas las
condiciones de operación, la producción continúa sin problemas.
El costo de la maquinaria de extrusión es moderado, en comparación
con otros procesos como la inyección, soplado o calandreo, y con una
buena flexibilidad para cambios de productos sin necesidad de hacer
inversiones mayores.
DESVENTAJAS DE LA EXTRUSIÓN
Una de las desventajas principales es que los productos obtenidos por
extrusión tienen una sección transversal constante en cualquier
punto de su longitud.
Quedan excluidos todos aquellos productos con formas irregulares o
no uniformes.
La mayor parte de los productos obtenidos de una línea de extrusión
requieren de procesos posteriores con el fin de habilitar
adecuadamente el artículo, como el caso del sellado y cortado.
U UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO ING INDUSTRIAL
LABORATORIO DE INGENIERÍA DE MATERIALES S
Componentes del Extrusor:
A. TORNILLO
El tornillo o husillo consiste en un cilindro largo rodeado por un filete
helicoidal. El tornillo es una de las partes más importantes ya que
contribuye a realizar las funciones de transportar, calentar, fundir y
mezclar el material. La estabilidad del proceso y la calidad del
producto que se obtiene dependen en gran medida del diseño del
tornillo. Los parámetros más importantes en el diseño del tornillo son
su longitud (L), diámetro (D), el ángulo del filete (θ) y el paso de rosca
(W).
B. CILINDRO
El cilindro de calefacción alberga en su interior al tornillo como
se muestra en la figura. La superficie del cilindro debe ser muy
rugosa para aumentar las fuerzas de cizalla que soportará el
material y permitir así que éste fluya a lo largo de la extrusora.
Para evitar la corrosión y el desgaste mecánico, el cilindro suele
construirse de aceros muy resistentes y en algunos casos viene
equipado con un revestimiento bimetálico que le confiere una
elevada resistencia, en la mayoría de los casos superior a la del
tornillo, ya que éste es mucho más fácil de reemplazar.
U UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO ING INDUSTRIAL
LABORATORIO DE INGENIERÍA DE MATERIALES S
C. GARGANTA
El cilindro puede estar construido en dos partes, la primera se
sitúa debajo de la tolva y se denomina garganta de alimentación.
Suele estar provista de un sistema de refrigeración para mantener
la temperatura de esta zona lo suficientemente baja para que las
partículas de granza no se adhieran a las paredes internas de la
extrusora.
La garganta de alimentación está conectada con la tolva a través
de la boquilla de entrada o de alimentación. Esta boquilla suele
tener una longitud de 1.5 veces el diámetro del cilindro y una
anchura de 0.7 veces el mismo, y suele estar desplazada del eje
del tornillo para facilitar la caída del material a la máquina.
D. TOLVA
La tolva es el contenedor que se utiliza para introducir el material
en la máquina. Tolva, garganta de alimentación y boquilla de
entrada deben estar ensambladas perfectamente y diseñadas de
manera que proporcionen un flujo constante de material. Esto se
consigue más fácilmente con tolvas de sección circular, aunque
son más caras y difíciles de construir que las de sección
rectangular. Se diseñan con un volumen que permita albergar
material para 2 horas de trabajo.
U UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO ING INDUSTRIAL
LABORATORIO DE INGENIERÍA DE MATERIALES S
E. PLATO ROMPEDOR Y FILTROS
El plato rompedor se encuentra al final del cilindro. Se trata de
un disco delgado de metal con agujeros, como se muestra en la
figura.
El propósito del plato es servir de soporte a un paquete de filtros
cuyo fin principal es atrapar los contaminantes para que no
salgan con el producto extruido. Los filtros además mejoran el
mezclado y homogenizan el fundido.
F. CABEZAL Y BOQUILLA
El cabezal es la pieza situada al final del cilindro, que se
encuentra sujetando la boquilla y por lo general manteniendo el
plato rompedor. Generalmente va atornillado al cilindro. El perfil
interno del cabezal debe facilitar lo más posible el flujo del
material hacia la boquilla. La figura muestra un sistema cabezal-
boquilla de forma anular. En la figura el material fluye del cilindro
a la boquilla a través del torpedo, situado en el cabezal. La sección
transversal de los soportes del torpedo se diseña para proporcionar
el flujo de material a velocidad constante. La función de la boquilla
es la de moldear el plástico.
U UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO ING INDUSTRIAL
LABORATORIO DE INGENIERÍA DE MATERIALES S
Todas las extrusoras se consideran divididas en TRES
ZONAS que se pueden apreciar en la figura:
Descripción del funcionamiento de una extrusora:
1. ZONA DE ALIMENTACIÓN El material sólido que se alimenta a una extrusora, se transporta
en dos regiones que estudiaremos separadamente: en la tolva de
alimentación y en la propia extrusora.
1.1. Transporte de sólidos en la tolva.
El transporte de sólidos en la tolva es, en general, un flujo
por gravedad de las partículas; el material se mueve hacia
la parte inferior de la tolva por acción de su propio peso. Se
puede dar un flujo en masa como se representa en la
figura, en el que no hay regiones estancadas y todo el
material se mueve hacia la salida, o bien flujo tipo embudo
en el que el material más cercano a las paredes de la tolva
queda estancado. Lógicamente el flujo en masa es preferido
sobre el flujo tipo embudo. Algunos materiales que tienen
un flujo muy deficiente en estado sólido pueden quedar
atascados en la garganta de entrada a la extrusora, dando
U UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO ING INDUSTRIAL
LABORATORIO DE INGENIERÍA DE MATERIALES S
lugar a un problema denominado formación de “puente” o
"arco".
1.2. Transporte de sólidos en el cilindro
En cuanto al transporte de sólidos dentro de la extrusora, una vez que el material sólido cae al interior del canal de
la extrusora, el mecanismo de transporte deja de estar
controlado por la gravedad y se transforma en un
transporte inducido por arrastre. Este tipo de flujo tiene lugar debajo de la tolva a lo largo del tornillo en una
distancia relativamente corta.
U UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO ING INDUSTRIAL
LABORATORIO DE INGENIERÍA DE MATERIALES S
2. ZONA DE COMPRESIÓN
La zona de transporte de sólidos finaliza cuando empieza a formarse
una fina película de polímero fundido. La fusión se iniciará como
consecuencia del calor conducido desde la superficie del cilindro y del
generado por fricción a lo largo de las superficies del cilindro y del
tornillo. En general se genera gran cantidad de calor por fricción, de
modo que, en ocasiones, es incluso posible iniciar la fusión sin
necesidad de aplicar calor externo.
En primer lugar aparecerá una fina capa de material fundido junto al
cilindro, que irá creciendo hasta que su espesor se iguale con la
tolerancia radial entre el cilindro y el filete del tornillo, mientras que
el resto del material se encontrará formando un lecho sólido.
Como consecuencia del movimiento del tornillo se creará un gradiente
de velocidad en la película fundida situada entre la capa sólida y la
superficie del cilindro. El polímero fundido en la película será barrido
por el filete que avanza, separándose así del cilindro. El polímero
fundido se reunirá en una zona o pozo situado delante del filete que
avanza en la parte posterior del canal. La figura muestra un corte
transversal de la zona de transición o compresión.
U UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO ING INDUSTRIAL
LABORATORIO DE INGENIERÍA DE MATERIALES S
3. ZONA DE DOSIFICADO
La zona de dosificado se inicia en el punto en que finaliza la fusión, es
decir, en el punto en que todas las partículas de polímero han fundido.
De hecho, la profundidad del canal es uniforme en la zona de dosificado,
por lo que todo el lecho sólido debe haber desaparecido o en caso
contrario el aire se eliminaría con mucha dificultad y podría quedar
atrapado en el fundido. La zona de dosificado del fundido actúa como
una simple bomba en la que el movimiento del material fundido hacia
la salida de la extrusora se produce como resultado del giro del tornillo
y de la configuración helicoidal del mismo.
U UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO ING INDUSTRIAL
LABORATORIO DE INGENIERÍA DE MATERIALES S
POLIETILENO DE ALTA DENSIDAD
Definición:
El polietileno (pe) es un polímero resultado de
la polimerización del etileno. Es posiblemente el plástico más popular del mundo.
Comúnmente se distinguen dos tipos, el de
baja densidad y el de alta densidad, que es el que vamos a estudiar. Aunque también, más
detalladamente, los Polietilenos se pueden
clasificar en base a su densidad (de acuerdo al
código ASTM) como:
Polietileno de Baja Densidad (PEBD o LDPE)
Polietileno Lineal de Baja Densidad (PELBD o LLDPE)
Polietileno de Alta Densidad (PEAD o HDPE)
Polietileno de Alta Densidad Alto Peso Molecular (HMW-HDPE)
Polietileno de Ultra Alto Peso Molecular (UHMWPE)
El polietileno de alta densidad (hdpe) se produce normalmente con un
peso molecular que se encuentra en el rango entre 200.000 y 500.000, pero
puede ser mayor. Es un polímero de cadena lineal no ramificada. Es más duro, fuerte y un poco más pesado que el de baja densidad, pero es menos
dúctil. El polietileno con peso molecular entre 3.000.000 y 6.000.000 es el
que se denomina UHMWPE (Ultra High Molecular Weight Polyethylene). Con este material se producen fibras, tan fuertes, que pueden utilizarse para
fabricar chalecos a prueba de balas.
U UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO ING INDUSTRIAL
LABORATORIO DE INGENIERÍA DE MATERIALES S
Propiedades:
El HDPE es un material
termoplástico parcialmente amorfo
y parcialmente cristalino. El grado de cristalinidad depende del peso
molecular, de la cantidad de
comonómero presente y del tratamiento térmico aplicado.
Presenta mejores propiedades mecánicas (rigidez, dureza y resistencia a la tensión) y mejor resistencia química y térmica que el polietileno de baja
densidad, debido a su mayor densidad. Además es resistente a las bajas
temperaturas, impermeable, inerte (al contenido), con poca estabilidad dimensional y no tóxico.
También presenta fácil procesamiento y buena resistencia al impacto y a la
abrasión. No resiste a fuertes agentes oxidantes como ácido nítrico, ácido
sulfúrico fumante, peróxidos de hidrógeno o halógenos.
U UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO ING INDUSTRIAL
LABORATORIO DE INGENIERÍA DE MATERIALES S
Aplicaciones:
El HDPE tiene muchas aplicaciones en la industria actual. Más de la
mitad de su uso es para la fabricación de recipientes, tapas y cierres;
otro gran volumen se moldea para utensilios domésticos y juguetes;
un uso también importante que tiene es para tuberías y conductos.
Su uso para empaquetar se ha incrementado debido a su bajo coste,
flexibilidad, durabilidad, su capacidad para resistir el proceso de
esterilización, y resistencia a muchas sustancias químicas. Entre
otros muchos productos en los que se utiliza el hdpe, podemos
nombrar botes de aceite lubricante (automoción) y para disolventes
orgánicos, mangos de cúter, depósitos de gasolina, botellas de leche,
bolsas de plástico y juguetes.
Para la fabricación de artículos huecos, como botellas, se usa un
procedimiento parecido al de soplado del vidrio. Se usan también el
moldeo por compresión y la conformación de láminas previamente
formadas.
U UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO ING INDUSTRIAL
LABORATORIO DE INGENIERÍA DE MATERIALES S
3. MATERIALES , INSTRUMENTOS Y EQUIPOS
MATERIALES:
PEAD Virgen Pellets
Aceite de cocina
EQUIPOS:
Maquina extrusora +Faja transportadora
Balanza Analítica
U UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO ING INDUSTRIAL
LABORATORIO DE INGENIERÍA DE MATERIALES S
INSTRUMENTOS :
Vasos de tecnopor
Tijera para plástico
Espátula de laboratorio
Regla Metálica
Franela
U UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO ING INDUSTRIAL
LABORATORIO DE INGENIERÍA DE MATERIALES S
4. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
Se coloco en el recipiente que en este caso fue un vaso de tecnopior y se peso el polietileno de Alta Densidad
Se tomo llos datos de las areas de la maquina extrusora de la cavidad de salida
Se prendio La maquina extrusora
Se espera a que se regule la temperatura de la extrusora
Una vez que la temperatura de la extrusora esta regulada en 260 °C aproximadamente se empezo a agregar el polietileo lentamente con ayuda de la espatula y cubriendonos con el guante aisante
U UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO ING INDUSTRIAL
LABORATORIO DE INGENIERÍA DE MATERIALES S
El tiempo 1 es el considerado
como 𝒕𝟏=0 debido a que sera el tiempo inicial
Se tomo el 𝒕𝟑 que es el tiempo que se domora en vertir el polietileno en la extrusora
E l 𝒕𝟐 que es el tiempo que demorara en salir el material extruido y tomando la forma de la probeta
y el 𝒕𝟒 es el tiempo que termina la extrusora de sacar la probeta de la extrusora
Probeta luego de haber sido finalizada
sera analizada tomando datos como dimensiones y forma de ella
U UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO ING INDUSTRIAL
LABORATORIO DE INGENIERÍA DE MATERIALES S
5. RESULTADOS Y DISCUSION DE RESULTADOS
Datos:
TABLA 2 : DIMENSIÓN DE LAS BOQUILLAS
BOQUILLA INTERIOR
BOQUILLA EXTERIOR
Altura-h(cm) 1.4 2.2
Base-b( cm) 2.8 3.3
TABLA 1 : TIEMPOS
TIEMPO (seg)
t1 (se agrega el material) 0
t2 (inicio de la salida de material del extrusor) 529
t3 (se termina el material en la tolva de alimentación) 2468
t4 (termina de salir el material del extrusor ) 3579
TABLA 3 : PROBETA
PROBETA
Longitud-L (cm) 32.5
U UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO ING INDUSTRIAL
LABORATORIO DE INGENIERÍA DE MATERIALES S
Resultados:
* Razón de Dilatación (Rd)
TABLA 4 : AREA BOQUILLAS
𝐴0 𝐴𝑓
Área(cm2) 3.92 7.26
* Velocidad de salida (V):
T= 3579s – 529s
Tiempo =3055 seg.=50.9 min
V= 32.5/50.9
V =0.6385 cm/min
𝑅𝑑 =𝐴𝑓
𝐴𝑓 ( Razón de dilatación )
𝑹𝒅 = 𝟏. 𝟖𝟓𝟐
𝑉 =𝐿
𝑇
𝑇 = 𝑡4 − 𝑡2
Donde:
L=longitud de la probeta
V= velocidad de salida
T=tiempo neto que dura en salir la probeta
U UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO ING INDUSTRIAL
LABORATORIO DE INGENIERÍA DE MATERIALES S
* Caudal (Q):
Discusión
Con los resultados obtenidos podemos darnos cuenta de la
influencia del orificio de la boquilla en el proceso de extrusión que
determina la forma de la sección transversal del polímero extruido.
Obtuvimos la razón de dilatación como la relación entre el área
final e inicial en la boquilla (1.82), esta nos indica la medida del
grado de dilatación del material después de salir de la boquilla,
en la cual, el plástico caliente se expande. Esto se puede explicar
haciendo notar que el polímero fundido estaba contenido en una
sección transversal mucho más ancha antes de entrar al estrecho
canal de la boquilla. En efecto, el material extruido recuerda su
antigua forma y tiende a retornar a ella después de dejar el
orificio.
El Caudal del polímero impulsado (2.5 cm3/min) por el bombeo de
la extrusora nos muestra el flujo de salida del material, esto nos
brinda información importante sobre el rendimiento o estado de
la maquina extrusora ya que permite saber la velocidad de
producción de polímero extruido en un periodo de tiempo. Se
interpreta entonces como una medida de la rapidez con la cual
podemos obtener material extruido y así establecer
comparaciones con la rapidez de otras máquinas extrusoras.
𝑄 = 𝐴0 × 𝑉
𝑸 = 𝟐. 𝟓 cm3/min =𝟐. 𝟓 mL/min Aa
U UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO ING INDUSTRIAL
LABORATORIO DE INGENIERÍA DE MATERIALES S
6. CONCLUSIONES
Se llegó a conocer el correcto funcionamiento de la maquina
extrusora conociendo el punto de temperatura adecuado (260 C),
los tiempos para colocar los Virgen Pellets sin que se acumulen
innecesariamente y también de salida.
Se logró obtener una pieza polimérica usando los Virgen Pellets con
algunos residuos de material reciclable presente en la extrusora.
La pieza polimérica obtenida tiene una medida de 32.5 cm de largo
y un ancho de 2cm aprox., de color claro (blanco) ligeramente
oscurecida por presentar residuos de material reciclable presentes
en la extrusora.
El caudal obtenido 2.5 cm3/min es y la razón de dilatación de la
pieza es 1.852.
7. RECOMENDACIONES
Asegurarse de comenzar en la temperatura adecuada de 260 C.
Asegurarse que la extrusora no posea material que no sea los Virgen
Pellets para poder obtener una pieza más uniforme en color.
Colocar los Virgen Pellets pausadamente en la tolva para no
acumularlos y la maquina no baje su velocidad.
Mover manualmente y con pausas la faja donde se va colocando el
material que sale de la extrusora ya que así evitamos se estire y
pierda uniformidad.
U UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO ING INDUSTRIAL
LABORATORIO DE INGENIERÍA DE MATERIALES S
8. CUESTIONARIO
¿Qué tipos de polímeros se utiliza en el proceso de extrusión? ¿Por
qué?
Se utiliza polímeros termoplásticos, porque se deforman plásticamente
bajo acción de presión y/o calor y fluyen (pasan al estado líquido) al
calentarlos y se vuelven a endurecer (vuelven al estado sólido) al
enfriarlos. Además los polímeros termoplásticos se usan en el proceso de
extrusión a diferencia de los termoestables porque después de
calentarse y moldearse pueden recalentarse y formar otros objetos,
mientras que en el caso de los termoestables o termoduros, después de
enfriarse la forma no cambia y arden.
En este laboratorio usamos el termoplástico Polietileno de alta densidad
(PEAD O HDPE) debido a que presenta mejores propiedades como:
excelente resistencia térmica y química, tenacidad y dureza, rigidez
entre otras que le dan muy buena procesabilidad para la extrusión.
¿Cuáles son las diferencias y semejanzas en el proceso de extrusión
de plásticos con el proceso extrusión de cerámicos y metales?
DIFERENCIAS
Plásticos
Cerámicos
Metales
Tipo de extrusión Se extruye en
frio o caliente
por su
plasticidad.
se extruye en
frio o caliente
En su mayoría se extruyen
en caliente debido a su
alta temperatura de fusión
de muchos metales
ejemplo: los metales de
secciones grandes y el
aluminio
Maquina
extrusora
Las máquinas de extrusión presentas diferencias en cuanto
a su estructura y modelo.
Plásticos
Cerámicos
Metales
SEMEJANZAS El procedimiento para la extrusión es muy similar, se aplica
presión al material fundido, forzándolo a pasar de modo
uniforme y constante a través de la matriz.
