El proceso de extrusión-soplado

Introducción

El soplado de materiales termoplásticos comenzó durante la Segunda Guerra Mundial. El poliestireno (PS) fue el primer material que se usó en el desarrollo de las primeras máquinas de soplado, y el polietileno de baja densidad (LDPE), el que se empleó en la primera aplicación comercial de gran volumen (un bote de desodorante). La introducción del polietileno de alta densidad (HDPE) y la disponibilidad comercial de las máquinas de soplado, condujo en los años 60 a un gran crecimiento industrial. Hoy en día es el tercer método más empleado en el procesado de plásticos. Durante muchos años se empleó casi exclusivamente para la producción de botellas y botes, sin embargo los últimos desarrollos en el proceso permiten la producción de piezas de geometría relativamente compleja e irregular, espesor de pared variable, dobles capas, materiales con alta resistencia química, etc., y todo ello a un costo razonable.
Básicamente el soplado está pensado para su uso en la fabricación de productos de plástico huecos; una de sus ventajas principales es su capacidad para producir formas huecas sin la necesidad de tener que unir dos o más partes moldeadas separadamente. Aunque hay diferencias considerables en los diferentes procesos de soplado, como se verá a continuación, todos tienen en común la producción de un precursor o preforma, su colocación en un molde hembra cerrado, y la acción de soplarlo con aire para expandir el plástico fundido contra la superficie del molde, creando así el producto final.

Las etapas del proceso de extrusión-soplado comprenden:
1.- Fusión del material plástico
2.- Obtención del precursor o párison
3.- Introducción del precursor hueco en el molde de soplado
4.- Insuflado de aire dentro del precursor que se encuentra en el molde
5.- Enfriado de la pieza moldeada
6.- Desmolde de la pieza

Equipo de extrusión-soplado
Los equipos de extrusión-soplado constan de una extrusora con un sistema plastificador (cilindro-tomillo) que permite obtener un fundido uniforme a la velocidad adecuada. El sistema plastificador es común a todos los equipos de extrusión (véase extrusión de materiales plásticos). Requiere además de un cabezal que proporcione un precursor (o párison) de forma tubular, con la sección transversal deseada. El equipo además consta de una unidad de soplado y un molde de soplado.

Máquina de extrusión soplado de plástico con potencia de 120 kN

Obtención del precursor
La primera etapa para conseguir una pieza de las características finales adecuadas es la obtención del precursor (párison). En la figura siguiente se puede observar la vista frontal de una boquilla de una máquina de extrusión empleada en este tipo de procesos.

El espesor de pared del precursor dependerá del tamaño de la boquilla y del mandril de la máquina de extrusión, por lo que el diseño de estas partes de la máquina de extrusión debe ser muy preciso. En la mayoría de las extrusoras empleadas para la obtención de preformas para soplado, los extremos de la boquilla y del mandril central son regulables, de modo que se puede modificar el diámetro interno del precursor, y por tanto su espesor, lo que se conoce como programación del precursor. En este sistema el mandril se mueve con respecto a la boquilla, que permanece fija, de forma que se varía el espesor de pared del precursor durante cada ciclo, de este modo se puede obtener una distribución de espesor constante en la pared de los productos una vez moldeados al contener más material las partes de la pieza que se estirarán más durante el soplado. En la actualidad las máquinas modernas de extrusión están preparadas para modificar el espesor de pared más de 100 veces en un mismo precursor.

Existen otras posibilidades para modificar el espesor del precursor, y. por tanto de conseguir una distribución de espesores más uniforme de la pieza moldeada, como por ejemplo:
- variar la velocidad de extrusión
- variar la presión en la extrusora
- modificar el tamaño de la boquilla manteniendo constante el tamaño del mandrilEl tipo de material es un factor que condicionará mucho la calidad del producto obtenido. Las resinas empleadas en extrusión-soplado deben tener una viscosidad alta en estado fundido y además el fundido debe desarrollar una resistencia elevada, de modo que la deformación que sufra el material cuando sale de la máquina de extrusión hasta que es soplado sea mínima. En caso contrario el hinchamiento que sufre el material cuando sale de la boquilla de extrusión, junto con la deformación causada por el efecto de la gravedad cuando el precursor queda colgando hacia abajo, provocarían un espesor muy grande en la parte inferior del precursor y deficiente en la parte superior, que en algunos casos podría ser compensada con una programación del precursor adecuada, pero que en la mayoría provocaría piezas de calidad deficiente. En general las resinas empleadas en extrusión-soplado deben tener un elevado peso molecular, lo que proporciona alta viscosidad y alta resistencia del fundido, así como alta resistencia al impacto. Otra característica importante de la resina es su extensibilidad que delimita la máxima relación de soplado que puede alcanzarse y si las esquinas y ángulos podrán moldearse de manera adecuada.

El perno de soplado
En el moldeo por soplado, el aire se introduce a presión dentro del precursor, de modo que éste se expande contra las paredes del molde con tal presión que capta los pormenores de la superficie del molde. Por este motivo es muy importante controlar la entrada del aire, lo que se hace mediante un tamaño adecuado del orificio de entrada del aire ya que si el canal de entrada es demasiado pequeño, el tiempo de soplado requerido será excesivamente largo, o la presión ejercida sobre el precursor no será adecuada para reproducir los detalles de la superficie del molde. Para evitar esto, se han establecido unas reglas generales en la determinación del tamaño óptimo del orificio de entrada de aire, en función del tamaño de la pieza, como se muestra en la tabla:

Dimensiones del perno de soplado en función del tamaño de la pieza

Normalmente, la presión del aire que se emplea para soplar los precursores está comprendida entre 250 y 1000 kg/cm ². En ocasiones si se utiliza una presión de aire demasiado grande puede ocurrir que el precursor se agujeree, mientras que si la presión es demasiado baja el precursor no reproduce con exactitud la forma del molde. En general se puede decir que interesa una presión de aire de soplado elevada para que se pueda conseguir un tiempo de soplado mínimo (resultando velocidades de producción más elevadas) y piezas terminadas que reproduzcan fielmente la superficie del molde. Ahora bien, este aire de soplado puede provocar tensiones y enfriamiento en la zona del plástico sobre la que actúa.
Otro factor a tener en cuenta es la humedad del aire de soplado ya que ésta puede provocar marcas sobre la superficie interior del producto. Esta apariencia defectuosa es particularmente desagradable en artículos de paredes delgadas como los botes de leche. Para prevenir este problema se suele emplear aire seco.
Por último el perno de soplado debe tener la longitud adecuada. Si es demasiado largo puede ocurrir que el aire se "enfoque" contra una zona caliente del plástico determinada, provocando defectos en ésta zona.
Para producir cuellos de botella moldeadas por soplado de elevada calidad, se han desarrollado pernos que comprimen el material en esta zona del molde. En estos procesos, el perno de soplado se introduce dentro del precursor caliente, comprimiendo en exceso el plástico dentro del cuello, llenando el interior de los canales del molde, y formando una superficie lisa en su interior, tal como se muestra en la figura:

Molde de soplado
Puesto que los moldes en soplado no tienen que soportar elevadas presiones la cantidad de materiales disponibles para su construcción es grande. Para piezas pequeñas se emplean moldes de aluminio, acero, aleaciones de cobre-berilio. Los moldes de aluminio presentan muy buena conductividad térmica, son fáciles de fabricar y pero su durabilidad no es muy elevada. En comparación los moldes de acero son más duraderos y rígidos, y los de Cu/Be son los que presentan mejor conductividad térmica. Los moldes de aluminio son los más empleados pues son los que presenten el mejor equilibrio entre conductividad térmica, duración y costo.
La mayoría de los moldes empleados en soplado no son capaces de proporcionar capacidad tan elevada de enfriamiento como los moldes empleados en inyección, lo que pasa por un diseño adecuado de los canales de refrigeración del molde. En soplado, al igual que ocurría en moldeo rotacional, la pieza se enfría solo por la superficie externa, aparte de la pequeña contribución al enfriamiento que realiza el aire de soplado, de modo que el enfriamiento es bastante deficiente si se compara con el proceso de inyección.

TIPOS DE EXTRUSION-SOPLADOExtrusión-soplado continua
En las máquinas de extrusión continua para soplado el precursor tubular fundido se produce sin interrupción. La secuencia de operaciones más habitual es: extrusión del párison, introducción del párison en el molde, soplado, enfriamiento y desmoldeo.
Una vez que el precursor ha alcanzado la longitud necesaria, el molde de soplado se sitúa alrededor del precursor, cerrándose en torno a él. Cuando esto ocurre el precursor se corta con una cuchilla o un alambre caliente. A continuación el molde portando el precursor se desplaza hacia la siguiente estación, dejando paso al siguiente precursor. El siguiente paso es la entrada del perno de soplado en el molde, la introducción del aire, generalmente frío en el interior de la pieza y el enfriamiento de la misma dentro del molde.

Las diferencias entre los distintos tipos de máquinas se basan en la forma como los moldes de soplado o los precursores son transportados a las diferentes zonas del proceso. Otra diferencia es la forma como se insufla el aire dentro del molde. En las máquinas de tipo lanzadera, hay dos moldes que se desplazan alternativamente a derecha y a izquierda, de modo que mientras que en uno se introduce la preforma, el otro se encuentra en la etapa de soplado y enfriamiento.

Puesto que los moldes de soplado son muy pesados, en muchas ocasiones la velocidad de producción o el tamaño de los objetos a moldear viene limitado por el hecho de que los moldes deben trasladarse a las diferentes unidades del proceso. Por ejemplo, en las máquinas de tipo rotatorio, los moldes van montados sobre una rueda que gira. Los moldes se cierran alrededor del precursor, que se extruye de forma continua, y conforme la rueda gira desplaza a los moldes hacia las zonas de soplado y enfriamiento. El aire de soplado penetra a través del perno que se introduce lateralmente. Este equipo rotatorio puede constar de hasta 20 moldes proporcionando un elevado rendimiento; los altos costos del material y la complejidad del sistema limitan este tipo de máquina y se emplean generalmente para el moldeo de envases para productos como lejías, detergentes, aceites de motor y alimentos. En este tipo de máquinas a veces se moldean dos piezas a la vez a partir de un único precursor. En este caso la aguja entra en la mitad del precursor para soplar las dos piezas simultáneamente.

Aplicación NECK TO NECK o NTN (envases unidos por el cuello)

Otro método de extrusión continua emplea un mecanismo de transferencia para separar el precursor de la boquilla y colocarlo entre las mitades del molde de soplado. De esta forma los moldes no se desplazan, sino que es el precursor el que lo hace. En muchas máquinas de esta clase, el precursor se sitúa sobre el perno de soplado y los moldes se soplan desde abajo.

Extrusión intermitente
Esta clase de equipo almacena el material fundido generado por la extrusora mientras la pieza moldeada está siendo soplada y enfriada. Cuando el molde está abierto, el fundido acumulado es forzado a través de la boquilla para fabricar el precursor (o precursores). La ventaja de la extrusión intermitente es que el fundido almacenado puede usarse para producir grandes precursores rápidamente. Esto es importante al emplear materiales en los que el fundido carece de resistencia y para fabricar artículos muy grandes tales como bidones de más de 200 litros de capacidad, tanques de combustible o envases industriales. La extrusión intermitente puede realizarse con el uso de un tomillo extrusor con retroceso, un pistón-acumulador o una boquilla acumuladora. Al rotar el tomillo el plástico fundido pasa hacia la parte anterior del mismo, y la presión que genera el plástico empuja al tomillo en la dirección opuesta, de forma similar a como ocurre en las máquinas de inyección convencionales. Cuando se ha producido la cantidad necesaria de fundido, un cilindro hidráulico mueve el tomillo hacia adelante, forzando al plástico a salir fuera de la boquilla para formar el precursor.

Fuentes:
Tecnología de los polímeros. M. Beltrán - A. Marcilla
http://www.interplate.com
http://www.gosselinna.com
http://www.preformmoulds.com
http://www.interempresas.net
http://es.wikipedia.org

Cuando las piezas tienen un peso superior a 20 kg, se trabaja con máquinas de pistón acumulador. Las aplicaciones típicas incluyen piezas industriales, envases para navegación y juguetes. El tamaño del extrusor es independiente del tamaño del acumulador, y en algunos casos se utiliza más de un extrusor para alimentar a un único acumulador. El diseño del acumulador debe ser tal que permita que el primer material que entra sea el primero en abandonar la cámara, en caso contrario el proceso no se puede aplicar para materiales muy sensibles a la temperatura.