El colapso del parison es el único defecto más común que limita la uniformidad del espesor de las paredes en piezas de moldeo por extrusión a presión de gran tamaño (EBM). Es el primer problema que se presenta a todo ingeniero al escalar de botellas pequeñas a depósitos de 20 litros, latas, barricas de 220 litros y contenedores IBC. Un parison es el tubo hueco de polímero fundido que cuelga de la matriz antes de que el molde se cierre alrededor de él, y durante los segundos o minutos en que está expuesto, la gravedad tira el fundido blando hacia abajo, de manera que el tubo se alarga y se adelgaza bajo su propio peso. En los recipientes de gran tamaño, el parison es largo, pesado y lento en formarse, por lo que la parte inferior del producto acaba siendo delgada y débil, mientras que la parte superior lleva material en exceso. En este artículo se explica por qué ocurre el colapso del parison, cómo controlar la resistencia del fundido y la distribución del peso molecular, cómo elegir el grado de HMW-HDPE adecuado, cómo el diseño de la cabeza de matriz y de la cabeza de acumulador limita la ventana de colapso, cómo reajustar el programa del parison y la zonificación de la temperatura de tierra de la matriz para compensarlo, y cómo medir el colapso en el proceso de fabricación. Apollo, una fábrica de Wanplas y especializada en máquinas de moldeo por extrusión a presión durante más de 20 años, suministra máquinas de la serie ABLD con capacidad de 20 a 1500 litros y líneas de cabezas de acumulación diseñadas específicamente para que estas recipientes industriales, y las orientaciones que siguen describen las ventanas de proceso en las que operan estas máquinas en más de 90 países.
¿Qué es la pierna de Parison y por qué es importante? _____
Un parison es el tubo extruido hueco de plástico fundido que la máquina de moldeo por soplado forma en la matriz y captura entre las dos mitades del molde. El «agobio del parison» es el estiramiento descendente de ese tubo causado por la gravedad que ejerce sobre un plástico fundido blando de baja rigidez. Mientras el parison está colgando, la parte superior soporta el peso de todo lo que se encuentra debajo, por lo que el tubo se extiende y se estrecha desde arriba hacia abajo. Como consecuencia, existe una tendencia predeterminada al espesor de la pared: es grueso en la línea de sujeción y el cuello y delgado hacia abajo en el recipiente terminado. En botellas pequeñas este fenómeno es invisible porque el parison se forma en aproximadamente uno a dos segundos. En un tambor de 220L, el parison puede extrudarse durante 30 a 90 segundos y pesar varios kilogramos, por lo que la tendencia resulta suficientemente fuerte para causar un estrechamiento de fondo, mala resistencia al carga superior, marcas en la pared visible e incluso daños en servicio en tambores químicos o de categoría UN.
El abatimiento conlleva tres riesgos comerciales. En primer lugar, despilfarra resina: para mantener la parte inferior fina por encima del nivel mínimo, la parte entera se sobrepesa, muchas veces entre un 8 % y un 15 %, lo que aumenta los costes de material a nivel medio-alto para la fabricación de gran volumen. En segundo lugar, perjudica el rendimiento, ya que la variación del espesor de la pared reduce la resistencia a la carga superior y a los impactos al caer, más de lo que indicaría el espesor de pared medio. En tercer lugar, reduce la capacidad: una línea que está inclinada no puede cumplir las especificaciones estrictas, por lo que aumenta la tasa de desperdicio y disminuye el OEE (efectividad general del equipo). Por lo tanto, para los embaladores industriales que envían contenedores de 20 a 220 litros, el abatimiento no solo es un trastorno cosmético sino un límite directo para la rentabilidad y el cumplimiento de los estándares de transporte, como la certificación de embalaje de las Naciones Unidas y las normas regionales sobre el contacto con alimentos que se refieren a las expectativas de la Unión Europea 10/2011 o la FDA.
La buena noticia es que el agobio es predecible y controlable. Se rige por un pequeño conjunto de variables medibles: la resistencia a la fusión, el tiempo de extrusión, la masa del parison, la geometría de la matriz, el perfil de temperatura del plástico fundido y el programa del espesor de la pared. Una vez comprendidas estas variables, es posible hacer que el agobio alcance un nivel en el que el espesor de la pared se establezca mediante el diseño en lugar de por gravedad. Las secciones que siguen construyen esta comprensión paso a paso.
La física detrás del estiramiento del parison.
El encolamiento del parison se basa, en su esencia, en el equilibrio entre la carga gravitacional sobre el fundido y la resistencia del fundido a la deformación extensional. El fundido se comporta como un fluido viscoelástico: fluye como un líquido durante largos períodos, pero resiste el estiramiento repentino como un sólido blando. La propiedad que resiste el encolamiento es la viscosidad extensional (o elongacional) a baja velocidad de deformación, comúnmente llamada resistencia del fundido. Una alta resistencia del fundido significa que el parison fundido soporta su propio peso durante más tiempo antes de adelgazar; una baja resistencia del fundido significa que se diluye casi inmediatamente.
Dos hechos físicos explican la mayor parte de lo que observan los operadores. En primer lugar, la flexión depende del tiempo. Cuanto más tiempo permanece expuesto el siento antes de que el molde se cierre, más se estira. Es por eso que el tiempo de extrusión es la variable predominante para las piezas de gran tamaño. En segundo lugar, la flexión cambia con la masa por unidad de longitud. Un siento grueso y pesado se flexiona más rápidamente que uno delgado del mismo material, dado que cada capa de fusión soporta más peso debajo de ella. La interacción de estos dos efectos se captura mediante una relación de ajuste simple: el cambio en la longitud del sentido crece con la tensión gravitacional y con el tiempo, y se reduce con la resistencia de la fusión y con la rigidez de salida del molde.
La temperatura es el amplificador práctico. La viscosidad de extensión cae drásticamente a medida que aumenta la temperatura del fundido, duplicándose aproximadamente la fluidez por cada 10 °C en el intervalo de procesamiento de las poliolefinas. Un fundido que esté 15 °C demasiado caliente puede hundirse dos o tres veces más que la misma resina a la temperatura adecuada, mientras que un fundido que esté demasiado frío eleva la presión de la matraca, el calentamiento por corte y el riesgo de fractura del fundido o de trazos en la superficie. El destreza en el moldeo por soplado de grandes contenedores consiste en mantener el fundido en la banda estrecha en que es lo suficientemente fluido para extruir de manera limpia pero lo suficientemente rígido como para mantener la forma.
¿Por qué el fondo de la pieza termina siendo delgado? A medida que el parison se alarga, el exceso de longitud debe venir de una sección transversal reducida, ya que el volumen total de la masa fundida está fijo por el peso de la inyección. El diámetro y el espesor de la pared se desvanecen progresivamente desde la parte superior hacia abajo, y la porción que luego se convierte en la base del recipiente es la más estirada y la más delgada. El control programado del espesor de la pared reversa en parte este fenómeno al hacer que el cizallado sea más grueso en la parte superior del parison y más delgado en la parte inferior, pero la física subyacente sigue estableciendo el límite en cuanto al margen de corrección que es posible obtener.
Por qué los contenedores grandes (de 20 l a 220 l) son más vulnerables.
El paso de una botella de 1 litro a un tambor de 220 litros cambia completamente el régimen. Una parison de botella de 1 litro pesa unas decenas de gramos y se extrude en aproximadamente un segundo, por lo que la extracción gravitatoria es insignificante. Una parison de cubeta de 20 litros pesa aproximadamente entre 1 y 1,5 kg y se extrude en aproximadamente 8 a 20 segundos. Una parison de tambor de 220 litros puede pesar entre 4 y 9 kg y se extrude en 30 a 90 segundos, y una botella IBC (contenedor intermedio a granel) de escala de 1000 litros se forma mediante pariciones aún más largas y pesadas o mediante múltiples pariciones en una botella multiestratificada. El tiempo de exposición aumenta en una o dos órdenes de magnitud, al igual que la oportunidad de resequedad.
Los contenedores grandes también presentan una geometría desfavorable para la relajación. La relación de aspecto del parison, es decir, la longitud respecto al diámetro del tubo colgante, es enorme: un parison de un tambor de 220 l puede tener más de 1 metro de longitud y apenas 100 mm o 200 mm de diámetro. Un tubo alto y estrecho de fusión blanda es inherentemente más propenso a la relajación que uno corto y grueso. El intervalo de la matriz también es relativamente pequeño en comparación con la longitud del parison, por lo que la fusión sale de la matriz en forma de un tubo de pared fina que debe soportar una columna larga debajo de ella.
La economía de producción agrava el problema. Los contenedores industriales grandes suelen funcionar en máquinas con cabezales acumuladores, donde se almacena un disparo completo y luego se impulsa rápidamente, pero incluso una extensión rápida de un parison de varios kilogramos deja el fundido expuesto por varios segundos mientras el molde se transfiere y cierra. En las máquinas de extrusión continua que elaboran contenedores de 20L a 60L, el parison se forma lentamente y el control de la relajación se convierte en el principal desafío del proceso. Éste es precisamente el rango donde las series ABLD de Apollo (de 20L a 1500L) y los diseños con cabezales acumuladores se ganan su lugar, porque la arquitectura del cabezal se ha seleccionado para minimizar la ventana de relajación para piezas pesadas.
La consecuencia práctica es que una resina y un conjunto de parámetros que funcionan perfectamente en un recipiente de 5 L fallarán en un tambor de 220 L. El material debe tener una resistencia al derretimiento más elevada, la cabeza de matrices debe zonificarse y, en la mayoría de los casos, una cabeza acumuladora debe reemplazar la extrusión continua, y el programa de grosor de pared debe usar muchos más puntos para compensar. El tratamiento del estiramiento de los contenedores grandes como una versión escalada de la práctica de los frascos pequeños es el error más común de la industria.
La resistencia a la fusión y la distribución del peso molecular
La resistencia a la fusión es la propiedad que decide si un parison mantiene su forma, y para las poliolefinas está determinada en gran medida por la distribución del peso molecular (DMW) y la ramificación de cadenas largas, más que por el peso molecular medio solo. Una resina con una DMW estrecha tiene un largo extremo de alto peso molecular, por lo que durante la extensión las cadenas se alinean y se adelgazan rápidamente; su viscosidad de extensión disminuye a medida que se estira. Una resina con una DMW amplia y un largo extremo de alto peso molecular, especialmente con ramificaciones de cadenas largas, mantiene una alta viscosidad de extensión durante el estiramiento, por lo que el parison resiste el rebajamiento.
Esta es la razón por la que las clases de moldeo por soplado son deliberadamente anchas de MWD. La fracción de alto peso molecular proporciona resistencia a la fusión y la fracción de bajo peso molecular proporciona procesabilidad, manteniendo una presión de extrusión razonable. El compromiso es que las resinas con MWD ancha procesan con más hinchazón en la matriz y a veces una mayor sensibilidad al corte, mientras que las resinas con MWD estrecha proporcionan una extrusión más limpia pero una resistencia al agobio terrible. En los contenedores grandes, la prioridad es la resistencia a la fusión, por lo que una resina HMW-HDPE de MWD ancha es la opción estándar, y las clases de menor MWD se reservan para las botellas pequeñas en las que el agobio no es un problema.
Cabezal de extrusión en continuo
El peso molecular medio sigue siendo importante. El aumento del peso molecular medio (Mw) eleva tanto la resistencia a la fusión como la resistencia al agobio, pero también eleva la temperatura y las exigencias de presión del plástico fundido. Por esta razón, el rango de moldeo por soplado es un compromiso: un Mw demasiado bajo provoca agobio, y un Mw demasiado alto impide al extrusor empujar el plástico fundido a través de la matriz a una carga de motor y un tiempo de ciclo aceptables. El certificado de grado del proveedor de resinas, con datos de MFR, densidad, resistencia a la ruptura por tensión ambiental (ESCR) y peso molecular, es el punto de partida para cualquier programa de contenedores grandes.
Selección de grados de HMW-HDPE para un colapso mínimo
Para tambores de 20 L a 220 L, bokis y bidones IBC, el material básico es polietileno de alta densidad con alto peso molecular, casi siempre un HMW-HDPE. Los parámetros de grado clave son la velocidad de fluencia en fusión (MFR, normalmente indicada en condiciones E a una temperatura de 190 ºC y un peso de 21,6 kg), la densidad, la amplitud de la distribución de los pesos moleculares y el ESCR. El intervalo objetivo para los recipientes industriales grandes es una MFR de alrededor de 0,2 a 0,5 g/10 min, una densidad de aproximadamente 0,945 a 0,955 g/cm3 y una amplia distribución bimodal de pesos moleculares que combina una cola de alto MW para la resistencia en estado fundido con una fracción de menor MW para la procesabilidad.
Se prefieren las resinas bimodales frente a las unimodales porque los dos picos permiten al proveedor ajustar la resistencia y rigidez del material fundido de forma independiente. Un pico contiene el peso molecular para la resistencia al rebote y el ESCR, mientras que el otro contiene la procesabilidad para una extrusión limpia. Los grados unimodales de MWD anchos también pueden funcionar, pero a menudo proporcionan una ventana de procesamiento más estrecha. Para un servicio químico exigente, el ESCR (medido por el método de la tira doblada o el método Bell, a veces indicado en horas de falla) debe ser alto, y un grado de ESCR más alto suele ser un grado de alto peso molecular, que también ayuda al rebote, por lo que ambos requisitos se alinean.
En la tabla a continuación se compara a las familias típicas de HMW-HDPE utilizadas en el moldeo por soplado a gran escala. Los valores son intervalos típicos y deben confirmarse en el documento de cada proveedor, ya que cada fabricante numeriza sus clases de manera diferente. El costo se muestra únicamente como un nivel relativo, y no como un precio.
Familias de grados de HMW-HDPE típicas para recipientes grandes
| Familia de grados | MFR (cond. E, g/10 min) | Densidad (g/cm³). | Ancho de la MWD. | Fuerte en fusión relativa | Tendencia a caer | En continuo | Coste relativo del material |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Unimodal broad-MWD HMW-HDPE | De 0,3 a 0,6. | 0,947 a 0,952 | Amplia | Media-alta | Medio | Tambores de 20 a 60 litros, cubetas | Medio |
| HMW-HDPE bimodal (fase 1) | 0,25 a 0,45. | De 0,948 a 0,954. | Bimodal | Alto | Low-Medium | Envase típico | Media-alta |
| Bimodal HMW-HDPE (high ESCR) | De 0,2 a 0,35. | 0,945 a 0,950 | Bimodal, cola ancha | Alta-muy alta | Bajo | Tambores de 120 a 220 litros, botellas IBC | Alto |
| mezcla de MDPE (más suave, más flexible) | 0,4 a 0,8. | De 0,935 a 0,945. | Medio-ampio | Medio | Media-alta | Recipientes de combustible, bidones flexibles | Medio |
| Tambores de 60L a 120L | 0,5 a 1,0 (efectivo) | De 0,944 a 0,953. | Más estrecho (degradado) | Low-Medium | Alto | Piezas de 20L a 60L no críticas | Bajo |
Hay dos normas de selección que destacan. En primer lugar, para contenedores de más de 120L, se debe elegir la categoría bimodal de alta ESCR incluso a un mayor coste del material, ya que su resistencia a la fusión y a las grietas protegen tanto el control del hinchamiento como el rendimiento en servicio. En segundo lugar, se debe controlar la fracción de reciclado: los residuos reciclados tienen un peso molecular medio menor que la resina virgen, por lo que una alta relación de reciclaje eleva la MFR efectiva y empeora el hinchamiento. Mezclar los residuos reciclados con un grado virgen más resistente y mantenerse dentro del límite de reciclado recomendado por el proveedor de resina preserva la estabilidad del parison. Cuando el volumen de residuos es alto, la fábrica de Polyretec de Wanplas suministra líneas de lavado y granulación que acondicionan los residuos del moldeo por soplado en un material de alimentación coherente, lo que ayuda a mantener estable la calidad de los residuos reciclados.
Die Head Design and the Cabezal del acumulador Principle
La cabeza de la matriz es donde se moldea el parison, y su diseño establece directamente la ventana de flaccidez. En la extrusión continua, el derretido fluye desde el extrusor a través de la cabeza y fuera del espacio de la matriz a una velocidad constante, por lo que el parison se forma lentamente durante el ciclo completo. En gran medida, esta lenta formación es exactamente lo que permite que crezca la flaccidez. La cabeza acumuladora resuelve esto al separar el almacenamiento del derretido de la formación del parison.
Una cabeza de acumulación es una cámara grande incorporada en la cabeza de la matriz que almacena un disparo completo de fusión, acumulada desde el extrusor entre ciclos, y después la empuja fuera a través de la matriz en un rápido movimiento único utilizando un piston alternativo o un mandril deslizante. El parison se forma en unos pocos segundos en lugar de en decenas de segundos, por lo que la retracción gravitatoria se reduce drásticamente. La fusión almacenada se mantiene homogénea mediante una trayectoria de flujo controlada y un paquete de pantalla, y la velocidad de descarga rápida es, a su vez, un parámetro de control del efecto de torcido: una velocidad de descarga más rápida equivale a menos torcido, hasta el punto en que la fusión ve demasiado tensión y aparecen defectos en la superficie.
Existen dos arquitecturas comunes de acumuladores. El acumulador de tornillo de émbolo utiliza el propio tornillo de la extrusora como órgano de empuje, tirando hacia atrás para almacenar la masa fundida y empujando hacia adelante para expulsar el parison. Es compacto y común en máquinas de tamaño medio-grande. El acumulador de pistón separado utiliza un cilindro dedicado alimentado por la extrusora, que proporciona una proyección más grande y uniforme para piezas muy grandes, como tambores de 220L y botellas IBC, a un costo de equipo más alto (intermedio-alto frente a bajo para una cabeza continua simple). La elección depende del peso de la pieza y del tamaño deseado de la proyección: un tambor de 220L necesita varios kilogramos de masa fundida, que un pequeño tornillo de émbolo no puede almacenar, por lo que se utiliza un acumulador dedicado.
La geometría también es importante. Un mayor espacio entre los cilindros crea un parison de pared más gruesa que resiste un poco la contracción, pero un espacio demasiado grande supone un desperdicio de resina y ralentiza el enfriamiento. El mandril y el tapón deben producir un parison concéntrico y uniforme, con una dilatación controlada de los cilindros, ya que una dilatación desigual se manifiesta como variación de la pared después del soplado. Las cabezas modernas utilizan un camino de flujo aerodinámico y de tiempo muerto bajo para evitar la estasis y la degradación de la fusión, lo que es crítico cuando se procesan compuestos sensibles al calor o que contienen resinas recicladas. La cabeza también debe soportar el movimiento programado de la parte del molde, para que se pueda modelar el perfil del espesor de la pared punto por punto a lo largo del parison.
La comparación a continuación muestra por qué las cabezas de acumulador dominan las líneas de envases grandes. Los niveles de costos son relativos, no los precios.
Extrusión continua: Head vs Accumulator (Storage) Head
| Aspecto | HDPE HMW mezclado y reciclado | Cabezal de acumulador (almacenamiento) |
|---|---|---|
| Tiempo de formación del parison. | Largo (propenso al rebote) para piezas grandes | Corto (segundos), ligera colada |
| El mejor tamaño del contenedor. | Menos de aproximadamente 20 L | 20 l a 1500 l |
| Requisito de temperatura de fusión. | Moderado, sostenido durante mucho tiempo | Se puede correr ligeramente más frío en la pared de la forma |
| Ritmo de salida | Continuo | Intermitente (almacenar y expulsar) |
| Control del peso del componente. | Dependiente del programa | Programa de seguimiento del volumen medido |
| Nivel de costes del equipo. | Bajo | Mediano a alto |
| Energfa por kilo (relativa) | Low-Medium | Medio |
Velocidad de extrusión del parison y su efecto en la caída
La velocidad de extrusión, o más correctamente, el tiempo que el parison pasa colgado antes de que se cierre el molde, es el elemento de ajustes más directo después de la elección del material. La relación es sencilla: divida por la mitad el tiempo de exposición y aproximadamente obtendrá la mitad de la extensión, siempre que las condiciones de fusión sean las mismas. En una máquina de cabezal acumulador, la velocidad del recorrido (ejección) define esto; en una máquina continua, la tasa de extrusión lo establece. Al impulsar el parison más rápido, se evita que el tubo se estire bajo su propio peso.
Existen límites. Un movimiento muy rápido aumenta la velocidad de corte en el espacio entre la matriz, lo que puede provocar fractura de la masa fundida, piel de tiburón en la superficie, tensión interna y pared desigual. También aumenta la carga hidráulica o del servomotor instantánea y puede alterar el programa de espesor de la pared si el programador no puede hacerlo. El enfoque práctico es aumentar la velocidad de movimiento hasta que la superficie solo se mantenga limpia, luego confiar en el programa de espesor de la pared y el enfriamiento del fondo de la matriz para eliminar la caída restante. Para un tambor de 220L, los tiempos de movimiento en el rango de unos pocos segundos son típicos en una cabeza de acumulación, en comparación con 30 a 90 segundos de extrusión continua para el mismo peso de la pieza sin acumulación.
La velocidad interactúa con la temperatura de fusión. Una fusión más fría es más rígida y puede ser empujada más rápidamente sin fractura, por lo que reducir la temperatura del terraplén (consulte la sección siguiente) suele permitir al operador aumentar la velocidad de carrera, un doble beneficio para la caída. Por el contrario, una fusión caliente y blanda debe extrudirse lentamente para evitar la fractura, lo que alarga la exposición y empeora la caída, un círculo vicioso que se rompe al enfriar el terraplén en lugar de toda la fusión.
La velocidad de extrusión también afecta a la producción y la energía. Los ciclos más rápidos aumentan las piezas por hora y mejoran el OEE, pero el acumulador debe llenarse a tiempo para el siguiente ciclo, por lo que la producción del extrusor (kg/h) debe coincidir con el peso de la pieza y el tiempo de ciclo. Si el extrusor es el cuello de botella, el operador se ve obligado a ralentizar el recorrido para permitir que la cabeza se llene nuevamente, lo que da lugar a una caída de rendimiento. Por lo tanto, ajustar la capacidad del extrusor al peso de la pieza y al tiempo de ciclo es parte del control de la caída de rendimiento, no solo un problema de rendimiento.
Se implementa un nuevo sistema de zonificación de la temperatura del cabezal y control de la temperatura de fundición, con un espacio radial de aproximadamente el 0,1% al 0,15% del diámetro del tornillo. Para un tornillo de 90 mm, esto supone aproximadamente 0,09 mm a 0,14 mm. El límite práctico de desgaste es de tres a cuatro veces el espacio radial inicial, o aproximadamente 0,4 mm a 0,6 mm, dependiendo de quién se alcance primero.
Una cabeza de matriz moderna para contenedores grandes no es de una temperatura, sino de varias zonas controladas, cada una con su propia banda de calentamiento y termopar. El zonalización permite que el operador mantenga las zonas traseras y adaptadoras lo suficientemente calientes para lograr la fusión y la mezcla homogéneas, mientras mantiene la zona de la tierra de la matriz (el espacio final donde sale el parison) unos pocos grados más fría para endurecer el plástico justo antes de que salga. Este es el truco clave: se debe enfriar solo la salida, no todo el plástico fundido, de modo que el parison salga duro y resista al agobio, aunque el volumen continúa siendo fluido.
Construcción de presión, mezclado
Representative Temperatura de la cabeza Zoning for HDPE Large Parison
| Zona superior. | Temperatura de punto de equilibrio típica (ºC) | Propósito | Efecto del control del hinchamiento. |
|---|---|---|---|
| Trasero/adaptador | De 200 a 215 mm. | Masa homogénea, sin estancamiento | Indirecto (alimentación estable) |
| Manometro medio. | 195 to 210 | Aumento de la presión, mezcla | Indirect |
| Frente/aproximación. | 190 a 205 °C. | Homogenización final antes del espacio | Medio |
| Carcasa de la matriz (land). | 180 a 195 | Resistir la fusión en la salida. | Fuerte (levantamiento principal) |
| Mandril (núcleo) | 185 a | Perfil concéntrico, pared suave | Medio |
Engrosa la parte superior del parison y aplanar la parte inferior en el programa para compensar la disminución.
La temperatura del plástico fundido debe medirse en la matriz, no solo en el depósito, porque el calentamiento por corte en la cabeza puede desplazar la temperatura real de salida varios grados con respecto al punto de ajuste. Un termopar en la tierra de la matriz, o una comprobación periódica de pirómetros, evita que el operador persiga una temperatura fantasmagórica. Cuando aparece el agobio tras un cambio de grado, la primera comprobación es siempre la temperatura real en la tierra de la matriz, no la pantalla del controlador.
Control programado del espesor de la pared del paraiso (100 a 512 puntos).
Hasta incluso con la resina correcta y una cabeza bien zonificada, la gravedad sigue inclinando la pared de la parte superior a la inferior. La herramienta que corrige esto es el control programado del espesor de la pared durante la parison, a menudo llamado programación de parison. La máquina mueve el cazolete (o mandril) hacia dentro y hacia fuera durante la extrusión, por lo que el paso, y, por tanto, la pared local, varía a lo largo de la longitud de la parison. El operador define un perfil de espesor de la pared como una serie de puntos, y un servo-hidráulico o un actuador totalmente electrónico lo sigue. Las líneas de contenedores grandes de Apollo admiten control programable a través de 100 a 512 puntos, según el controlador y la clase de la máquina.
¿Por qué es importante el conteo de puntos: un tendedero de 20 l es corto y la curva de inclinación es suave, por lo que 100 a 128 puntos son suficientes para seguir el perfil necesario. Un tambor de 220 l tiene un perfil largo con una fuerte curva de inclinación no lineal, además de características de asa, cuello y base, por lo que el perfil necesita muchos más puntos; de 256 a 512 puntos permiten al programador ajustar la forma real en lugar de una escalera gruesa. Demasiados puntos obligan al perfil a redondear las transiciones críticas, dejando puntos delgados locales que ninguna cantidad de ponderación global puede reparar. La tabla a continuación relaciona el tamaño del recipiente con el número recomendado de puntos.
Número de puntos de programación de la colada frente al tamaño del recipiente
| Tamaño del contenedor. | Puntos recomendados | Complejidad del perfil. | Capacidad de corrección de la pared | Clase típica de controlador |
|---|---|---|---|---|
| 2. Cisterna de 20L. | 100 to 128 | Bajo a mediano | Básico | PLC estándar + servo de clase Moog |
| Tambor de 60 L | De 128 a los | Medio | Buen. | Programador de servo de gama media |
| Tambor de 120L. | 200 a 256 | Mediano a alto | Buen. | Programador de servomotores avanzado. |
| Tambor de 220L / botella IBC | 256 a 512 | Alto | Advanced | Programador de varios ejes de primera categoría. |
| 1000L IBC (botella) | Utilice ESTE formato EXACTO: "1. " por línea, nada más. | Muy alto | Advanced | Sistema servo multieje |
La lógica de programación consiste en hacer que la pared de parison sea más gruesa allí donde las deformaciones la diluirán y más delgada allí donde se acumulará material. Debido a que la parte superior de la pared de parison permanece colgando más tiempo, el programa hace que la pared superior sea más gruesa y la inferior más delgada, por lo que después de la reducción, la pared final se aproxima más a la uniformidad. También es necesario tener cuidado con la zona del cuello y la abrazadera: un cuello demasiado delgado se rompe en el hilo, mientras que una línea de abrazadera demasiado gruesa causa problemas de racha y de resistencia al estiramiento. El programador lee la pared medida a lo largo de la pieza cortada, ajusta los puntos y repite hasta que el mapa de paredes cumpla con el objetivo.
La programación no elimina la necesidad de una resistencia de fusión. Distribuye nuevamente un volumen de fusión fijo; si la fusión de base es demasiado débil, el programa se queda sin material que redistribuir y la pieza sigue fallando en la parte inferior. La secuencia correcta es: elegir un grado de alta resistencia de fusión, enfriar la superficie del cilindro, establecer un trazo lo suficientemente rápido y luego ajustar con el programa de espesor de las paredes. La programación es el último 10 por ciento del control de la caída, no el primer 90 por ciento. Un sistema de 512 puntos en una resina débil sigue produciendo una pieza débil; un sistema de 100 puntos en una resina fuerte ya puede ser aceptable para un recipiente de 20 L.
Temperatura del molde y estrategia de enfriamiento.
La temperatura del molde no altera la colada durante la extrusión, ya que la colada aún no ha alcanzado el molde, pero establece cuán rápidamente se congela el material fundido una vez que el molde se cierra y presióna la colada. Una temperatura más baja del molde fija la forma de la colada con más rapidez, evitando cualquier redistribución adicional y estabilizando la pared establecida por el programa. Para recipientes grandes, en los que el tiempo de enfriamiento es el cuello de botella del ciclo, la estrategia de temperatura del molde es un equilibrio entre congelación rápida y calidad de la pieza.
La mayoría de los recipientes de HDPE de gran tamaño se enfrian con agua helada a aproximadamente 10° C-25° C que circula por el molde. Un agua más fría congela la superficie rápidamente y reduce el tiempo que puede desplazarse la pared, lo que apoya indirectamente el control de la flacidez y mejora el tiempo del ciclo. Sin embargo, un molde demasiado frío puede causar tensiones congeladas, falta de brillo en la superficie y, en algunas piezas de múltiples capas o de color, marcas de hundimiento o deformaciones, por lo que el límite inferior se determina por la calidad de la pieza en lugar de por la flacidez.
Dado que las piezas de gran tamaño tienen una sección transversal gruesa, el enfriamiento por todo el muro es lento y el núcleo permanece caliente mucho después de que la superficie se congele. Esto significa que el ciclo está dominado por el tiempo de enfriamiento, y no por el tiempo de extrusión o soplado, para los cilindros de 120 l a 220 l. El mejoramiento del enfriamiento, mediante mejores canales de molde, mayor flujo de agua (a menudo de 20 l/min a 60 l/min por circuito) y una disposición equilibrada del circuito, acorta el ciclo y aumenta la OEE, lo que, a su vez, permite un movimiento más rápido y menos holgura. El molde, por lo tanto, forma parte de la solución de la holgura, aunque actúa después de que se forma el parison.
Para recipientes industriales con moldeo por soplado, se utilizan sistemas de refrigeración interna (por soplado) y de refrigeración posterior en las piezas más grandes. Levantar la pieza mientras el núcleo todavía está blando permite que se relaje y puede modificar la distribución efectiva de la pared, por lo que se necesitan una temperatura del molde consistente y un tiempo de enfriamiento estable para mantener repetibles los mapas de pared. En resumen, el control de la deformación no termina en el moldo; continúa desde el momento en que la pieza se congela.
Cómo medir la deformación del paraisón: métodos y parámetros
No puede controlar lo que no mide. En el taller, se realiza un seguimiento de la ahincada del parison con un pequeño conjunto de métodos prácticos, cada uno de los cuales ofrece una visión diferente del mismo problema. El objetivo es un índice de ahincada repetible que el operador pueda mantener de turno a turno y que confirme si un cambio en la resina, la temperatura o la velocidad realmente ha ayudado.
El método más simple es la comprobación de la longitud en el tiempo: detener el parison en un tiempo fijo después de la salida de la matriz, medir su longitud total y comparar con la longitud en un tiempo más corto o con la referencia del espacio de la matriz. El índice de caída es el cambio de longitud dividido por la longitud inicial, expresado como porcentaje. Un índice de caída creciente significa que la fusión está debilitándose o sobrecalentándose; un índice que disminuye significa que los cambios de control están funcionando. Esto solo requiere una regla y un cronómetro y es suficientemente bueno para el monitoreo diario.
Un método más informativo es el perfil de diámetro: mida el diámetro exterior del parison (y, si es posible, la pared) en la parte superior, media y baja, ya sea con un calibrador cuando el parison está detenido o con un instrumento láser o de visión en el parison en funcionamiento. La relación del diámetro de arriba a abajo cuantifica directamente la tendencia de la rebote y muestra dónde el programa debería agregar o eliminar material. Los medidores láser proporcionan lecturas continuas sin necesidad de operario y son la herramienta preferida en las líneas automatizadas; su instalación cuesta más (nivel de inversión medio), pero eliminan el error humano.
El método de corte y pesaje confirma la distribución de la masa: se extruye un parís, se corta en secciones de longitud igual, se pesa cada una y se grafa la masa por longitud. Un programa sano produce una curva casi plana de masa por longitud después de la corrección; una línea caída muestra una clara tendencia descendente de arriba a abajo. Este es un método lento pero definitivo y es el referente utilizado al establecer el programa de espesor de las paredes. En la tabla siguiente se comparan los métodos habituales.
Comparación de los métodos de medición del espesor de la placa
| Método | Métrica primaria | Equipo. | Repetibilidad | Mejor uso. |
|---|---|---|---|---|
| Verificación del largo cronometrada | Índice de deformación (porcentaje) | Rígula, cronómetro. | Medio | Monitoreo diario. |
| Perfil de diámetro (calibrador). | Relación de diámetro de arriba a abajo | Calibrador | Medio | Configuración de programas |
| Medidor láser/visional | Diámetro vivo y tendencia de las paredes. | Sensor de láser o cámara | Alto | Líneas automatizadas, SPC. |
| Secciones de corte y pesaje | Masa por unidad de longitud | Escala, cortador. | Alto | Referencia del programa, auditoría. |
| Rebote de la viscosimetría. | Fortaleza de fusión (cN) | Ruedas de cámaras + vida útil | Alto | Clasificación de la resina, laboratorio |
Cualquiera que sea el método utilizado, la medición debe estar vinculada a la parte final. El criterio de aceptación real no es un índice de encorvamiento bajo, sino un mapa del grosor de las paredes del recipiente soplado que cumpla con los objetivos mínimos en la parte inferior y en la carga superior y en la prueba de caída. Las métricas de encorvamiento son un indicador principal; el mapa de pared y la prueba de caída son la prueba secundaria. Una línea es estable cuando ambos se mueven juntos y la dispersión entre las piezas permanece dentro de una banda ajustada, por ejemplo, la variación de la pared en aproximadamente más o menos el 8 por ciento del objetivo.
Causas y soluciones: una matriz práctica de solución de problemas.
La siguiente matriz recopila los defectos relacionados con el colgamiento que se ven con más frecuencia en líneas de 20 a 220 L y las acciones correctivas correspondientes. Es la referencia de campo que utilizan los ingenieros de servicio de Apollo durante la puesta en marcha. El orden sigue la cadena causal: material primero, luego temperatura, luego velocidad, luego programa y, finalmente, molde.
Matriz de diagnóstico de problemas de colada
| Síntoma. | Causa más probable | Reparación | Sistema métrico/mille. |
|---|---|---|---|
| El fondo de la pieza demasiado delgado, falla la prueba de caída. | Alta temperatura de fusión; bajo grado de resistencia de la fusión. | Lower die-land temp 5 to 15 deg C; switch to broader-MWD HMW-HDPE | Pirómetro de tierra plana; Rheotens |
| Top grueso, fondo fino (baja tendencia a la rugosidad) | Tiempo de extrusión excesivo; impulso lento. | Elevar la velocidad de desplazamiento del acumulador; usar el cabezal de acumulación si se trata de una línea continua. | Registro del tiempo de recorrido; índice de colada |
| El diámetro disminuye a lo largo del parison. | Siente incompensado | Engrosar la parte superior y adelgazar la inferior en el programa de grosor de la pared | Perfil de diámetro, corte y pesaje. |
| Fractura de fusión, piel de tiburón en la matriz. | El propio del die está demasiado frío; el desplazamiento es demasiado rápido. | Aumentar la temperatura de la superficie metálica del molde ligeramente; reducir la velocidad de desplazamiento un escalón. | Inspección de la superficie |
| El estrallamiento empeora después de cambiar la calidad | La nueva resina tiene un MFR más alto / MWD más estrecho. | Retornar al grado de alta resistencia al calentamiento; volver a verificar el programa. | MFR y MWD de la certificación |
| La flacidez empeora después de añadir el relleno. | El reciclaje reduce la media de la MW | Reducir la proporción de reciclado; mezclar con un grado virgen más fuerte | VRM efectiva; índice de ahincada. |
| Perfil OK, pero el ciclo demasiado largo. | Refrigeración limitada del molde. | Aumentar el flujo del agua; reducir la temperatura del molde dentro del límite de calidad. | Tiempo de enfriamiento, OEE |
| Distribución del espesor de la pared ancha de partícula a partícula. | Cambio de la temperatura de la zona; relleno inestable. | Ajustar la banda de zona a más o menos 2 °C; adaptar la extrusionadora al tazón. | Registro de la zona, porcentaje de variación de la pared |
Una disciplina útil es cambiar una variable por vez y volver a medir el índice de deformación y el mapa de las paredes. Los operadores a menudo disminuyen la temperatura de la cabeza completa, aumentan la velocidad del trazo y cambian el programa al mismo tiempo, por lo que no pueden decir cuál de esas actuaciones ha ayudado. El orden estructurado, del material, de la temperatura del molde, de la velocidad del trazo, del programa, del enfriamiento del molde, mantiene la cadena causal visible y evita cambiar un defecto por otro.
Lista de verificación para la optimización del proceso y técnicas avanzadas _____
La siguiente lista de verificación plasma el artículo en una secuencia de funcionamiento para una línea de recipientes grandes. Está escrita para un cilindro de 120 l a 220 l en una máquina EBM con cabezal acumulador, pero se aplica reducido para cestos de 20 l.
- Confirmar la resina: hidrocarburos globulares bimodales (BMH-M) a muy alta densidad (HMW-HDPE), MFR de 0,2 a 0,5 g/10 min (condición E), densidad de 0,945 a 0,955 g/cm3, índice de deterioro químico (ESCR) elevado para servicios químicos.
- Verifique la temperatura real del plano de ciza con un pirómetro; mantenga el plano de ciza de 5 °C a 15 °C por debajo del colector, dentro de una banda de ±2 °C.
- Establecer el trayecto del acumulador lo más rápido posible para mantener la superficie limpia; evita la fractura de fusión.
- Acceda al rendimiento del extrusor (kg/h) al peso de la pieza y al ciclo objetivo para que la cabeza se llene sin causar un desplazamiento más lento.
- Cargar el programa de espesor de pared con suficientes puntos: entre 256 y 512 para 220L, entre 128 y 256 para 60L a 120L, y entre 100 y 128 para 20L.
- ¿Por qué los recipientes grandes de 20 L a 220 L se dejan más de lo que lo hacen los frascos pequeños?
- Hacer funcionar en el circuito el agua de refrigeración de molde entre 10oC y 25oC, con circuitos de flujo equilibrados y altos; no refrigerar en exceso por debajo del límite de calidad de la parte.
- Medir el índice de encorvamiento y el mapa de pared en cada turno; mantener la variación de pared en aproximadamente más o menos el 8 por ciento del objetivo.
- Controlar la relación de regranulación dentro del límite del proveedor y mezclarla con resina virgen fuerte.
- Registrar las temperaturas de la zona, el tiempo del trazo, el tiempo del ciclo, la tasa de desperdicio y la OEE para detectar la deriva precoz.
Las técnicas avanzadas añaden margen más allá de lo básico. El control de programación de parison multidireccional controla la cavidad y el mandril de forma independiente para piezas asimétricas, como bidones manejados y botellas IBC, lo que permite al programa seguir la verdadera forma tridimensional en lugar de un único perfil radial. Los sensores de pared en el interior del molde devuelven el mapa de la pared al controlador para la corrección en ciclo cerrado, lo que mejora la consistencia en las series largas. La activación de la matriz por servo-eléctrica reemplaza la hidráulica con una respuesta más rápida y limpia, lo que resulta útil a una resolución de 512 puntos. Y el registro de datos vinculado al seguimiento del OEE convierte el retraso en un proceso controlado: cuando se grafan el índice de retraso y la variación de la pared de cambio a cambio, la línea cumple especificaciones con mucho menos intervención del operador.
La ciencia de los materiales también está mejorando las capacidades. Las clases de MWD más amplio y de HDPE HMW de cadena larga y ramificada aumentan la resistencia de fusión sin elevar la presión tanto como lo hacían las resinas de alto MW anteriores, lo que permite aumentar el límite de riel para las piezas de 220L e IBC. Las clases influenciadas por metalocenos ofrecen una dispersión de propiedades más estrecha y un mejor rendimiento repetible del riel. Estas clases se seleccionan en el certificado de la resina, y no solo por el precio, ya que el costo de un fallo en la parte inferior de un barril de productos químicos con clasificación UN supera con creces la pequeña prima en materiales de una clase más resistente.
Escenario de campo: estabilización de una línea de tambores químicos de 220L.
Un caso representativo muestra el método en acción. Una planta que fabricaba tambores químicos UN clasificados como 220L en una línea EBM con cabezal acumulador notó fallas en las paredes bajas en los ensayos de caída y una tasa de rechazo cercana al 12 %. El índice de depresión medida en el molde era alto, y la comprobación de corte y pesaje mostró que la masa por longitud disminuía en más del 20 % de la parte superior a la inferior del párison. Las condiciones iniciales utilizaban un PMVI unimodal de HDPE-HMW con un MFR de aproximadamente 0,5, una temperatura de tierra del molde solo 3°C por debajo de la corriente principal, una velocidad de carrera conservadora y un programa de 128 puntos.
La corrección siguió la lista de verificación. La resina se cambió a un HDPE bimodal de alto ESCR-HMW, con un MFR de alrededor de 0,3, lo que aumentó la resistencia fundida. La zona de tierra de la matriz se redujo 12 °C por debajo del colector y se mantuvo dentro de un rango de más o menos 2 °C. La velocidad de avance se incrementó hasta que la superficie permaneciera limpia, reduciendo el tiempo de exposición de la pieza a aproximadamente 10 segundos, frente a los 40 segundos de suspensión efectiva. El programa se rehizo con 320 puntos, dando lugar a un perfil fuerte en la parte superior y delgado en la inferior. El caudal de agua para enfriar el molde se incrementó y la temperatura se mantuvo en cerca de 18 °C. Después de estos cambios, el índice de caída bajó aproximadamente a la mitad, la caída de masa del superior al inferior se redujo a menos del 8 %, la pared inferior cumplió el mínimo, y la tasa de desperdicio de ensayo de caída disminuyó del 12 % a alrededor del 2 %. El tiempo de ciclo mejoró porque un enfriamiento más rápido y un avance más rápido aumentaron las piezas por hora, elevando el OEE en un porcentaje duplicativo significativo. La prima del material del grado más fuerte se recuperó en el desperdicio reducido y la mayor producción, un resultado expresado en una relación mejorada de costes en lugar de un número en moneda.
Este escenario es típico: ningún cambio aislado lo arregló, pero la cadena ordenada, el material, la temperatura en el molde, la velocidad de paso, el programa, el enfriamiento del molde, movieron cada variable en la dirección correcta y la mantuvieron allí gracias a la medición. La misma lógica se aplica hasta un litro de 20 l, solo con menos puntos de programa y un paso de temperatura menos extremo.
Preguntas frecuentes
¿Qué es el descolgamiento del parison en el moldeo por soplado de extrusión?
El descendimiento del parison es la tendencia gravitacional del tubo de plástico fundido a medida que colgaba del elemento hasta que el molde se cerraba. El parison se alarga y se adelga bajo su propio peso, lo que redistribuye el espesor de la pared hacia la parte superior de la producción final y deja el fondo fino y débil. Es más grave en contenedores grandes, pesados y de formación lenta, como los utilizados para tambores de 20L a 220L y botellas IBC.
¿Por qué los contenedores grandes, de 20L a 220L, se inclinan más que los frascos pequeños?
Los contenedores grandes necesitan parisons largos y pesados. Un parison de tambor de 220L puede pesar varios kilogramos y llevar entre 30 y 90 segundos para extruirlo, por lo que el plástico fundido soporta su propio peso durante un tiempo prolongado. Las botellas pequeñas se extruyen en uno o dos segundos, sin tiempo suficiente para el descenso. El aspecto más alto y más delgado de los tambores grandes también hace que el tubo suave sea más propenso al descenso.
¿Cómo se relaciona la fuerza de fusión con la distribución de pesado molecular?
La resistencia de fusión aumenta en la extensión cuando la resina tiene una amplia distribución del peso molecular y un estrecho pico de peso molecular (HMW), especialmente con ramificaciones de cadena larga. El HDPE de MWD amplio y HMW resiste mucho mejor el descenso que un grado de MWD estrecho con un peso molecular promedio similar, porque las cadenas largas mantienen la viscosidad extensional alta mientras que se estira la masa fundida.
¿Qué grado de HMW-HDPE es mejor para tambores y trozos de IBC?
Un HMW-HDPE bimodal con un MFR de aproximadamente 0,2 a 0,5 g/10 min, medido en condiciones E (190 °C, 21,6 kg) y una densidad de aproximadamente 0,945 a 0,955 g/cm3, combina una alta resistencia de fundición con una buena resistencia a las fisuras por estrés ambiental y procesabilidad, lo que lo convierte en la opción estándar para recipientes industriales de 20 L a 220 L. Para el servicio químico, se prefiere la variante de alta ESR, a pesar de su mayor costo relativo del material.
¿Qué es una cabeza acumuladora y cómo reduce la riel?
Un cabezal acumulador almacena una gota completa de masa fundida en una cámara y luego la empuja fuera a través del molde en un solo movimiento rápido. El párison se forma en unos segundos en lugar de en decenas de segundos, por lo que la caída por gravedad se reduce drásticamente en comparación con la extrusión continua de la misma pieza grande. Esta es la arquitectura estándar del cabezal para contenedores de 20 litros a 1500 litros.
¿Cuántos puntos de programación de parison necesito para un tambor de 220 l?
Un tambor de 220 l o una bolsa de IBC benefician de 256 a 512 puntos programados para el espesor de la pared. Las empaquetadoras de 20 l se controlan adecuadamente con 100 a 128 puntos, mientras que los tambores de 60 a 120 l generalmente necesitan 128 a 256 puntos para equilibrar el espesor de la pared a lo largo del parison largo.
¿Cómo mido el descolgado del parison en el piso de producción?
Detener la extrusión a un tiempo fijo, medir la longitud del parison y el diámetro en la parte superior, medio y inferior, y calcular un índice de descensión como la variación de la longitud dividida por la longitud inicial. Las sondas láser o de visión ofrecen lecturas repetibles, mientras que una prueba de corte y pesaje confirma la distribución de masa a lo largo del parison. La verdadera prueba es el mapa del espesor de pared del producto final y la prueba de caída.
Purga de arranque y rechazos
Sí. Una zona de fundición más fría aumenta la rigidez local del mateo y ralentiza la reducción, mientras que las zonas posteriores y del adaptador permanecen lo suficientemente calientes para una fusión homogénea. Mantener la zona de fundición de 5 a 15 °C por debajo del colector, dentro de una banda estable de aproximadamente 180 a 220 °C para HDPE, es un medio práctico de control del almacenamiento que no requiere ralentizar la línea.
¿Influye la temperatura del molde en el encorvamiento del parison?
La temperatura del molde actúa después de capturar el parison, por lo que no cambia el despegue durante la extrusión, pero define la velocidad con la que se congela la masa fundida después de estirarla. Una temperatura de molde más baja (aproximadamente de 10 a 25°C de agua refrigerante) bloquea la forma del parison antes y evita la redistribución, lo cual estabiliza indirectamente el espesor de pared y apoya la corrección hecha en la matriz.
¿El contenido reciclado o la regranulación pueden agravar el movimiento descendente del paralelo?
El proceso de reciclaje de residuos suele tener un peso molecular más bajo que el de resina virgen, por lo que una alta cantidad de regrind reduce la resistencia del fundido y aumenta la tendencia al descuelgue. La mezcla de regrind con un grado de HMW-HDPE virgen más fuerte y el mantenimiento de la fracción de reciclaje dentro del límite del proveedor de resina preservan la estabilidad del parison. Para grandes volúmenes de residuos, una alimentación de recuperación constante desde una línea de lavado y granulado ayuda a mantener la calidad estable.
Conclusión
El flaconeo en el moldeo por soplado de extrusión de gran capacidad es un problema físico solucionable, y no un misterio. Se produce como resultado de la disputa entre la gravedad y la resistencia de la fusión durante el tiempo en que el parison permanece colgado, y se controla mediante una pequeña cadena ordenada: elija un HMW-HDPE de MWD amplio y resistencia de fusión alta; mantenga la superficie del molde más fría que la del colector dentro de un margen estrecho; forme el parison rápidamente con una cabeza acumuladora; compense la tendencia restante con un programa de espesor de las paredes de 100 a 512 puntos ajustado al tamaño de la parte; y congélese la forma rápidamente con un enfriamiento del molde bien equilibrado. Mida con un índice de flaconeo y un mapa de espesor de las piezas acabadas, cambie una variable a la vez, y la pared inferior que alguna vez fallaba durante las pruebas de caída se convierte en una característica diseñada y reproducible. Apollo, una fábrica Wanplas que ha estado construyendo máquinas de moldeo por soplado de extrusión durante más de 20 años y que tiene más de 4.000 máquinas funcionando en más de 90 países, diseña sus líneas de la serie ABLD y las cabezas acumuladoras en torno a estas ventanas exactas, por lo que los productores de barriles, bidones e IBC pueden mantener la uniformidad de las paredes, reducir las piezas de desecho y aumentar el OEE sin tener que adivinar. Para un programa específico de 20 a 220 litros, comience desde el certificado del grado y la temperatura de la superficie del molde, y permita que la programación y el enfriamiento hagan el trabajo.
