Seleccionando equipos de extrusión de lámina para satisfacer las demandas del mercado de envasado

Varias de las nuevas tendencias en la industria de extrusión de láminas influyen en el proceso de especificación y adquisición de nuevos sistemas de laminas. Los días en que el dueño de la compañía o el jefe de compras pedían una cotización y tomaban una decisión rápida por una línea que produzca un producto en particular, se han ido. Las empresas suelen reunir a un equipo formado por ingenieros, gerentes y personal de fabricación para investigar el proyecto, visitar los posibles proveedores y, finalmente, seleccionar el equipo. La mayoría de las líneas de hoy en día se compran por su flexibilidad para nuevos productos, resinas, y aplicaciones cambiantes.

Los cambios en los materiales de envasado han tenido una gran influencia en el proceso de selección de equipos. Como resultado de los niveles relativos de precios de materiales y mejoras en el desempeño general, el polipropileno (PP) esta encontrando su camino en aplicaciones tales como recipientes de almacenamiento de alimentos, bandejas para carne y contenedores lácteos.

El poliéster (PET) también está creciendo en el uso de envases que eran del dominio de poliestireno orientado (OPS) o cloruro de polivinilo transparente (PVC). Los ejemplos incluyen contenedores delicatessen, cajas de frutas y bayas, paquetes de productos de panadería, e incluso algunas aplicaciones de empaque blister. El PP también está ganando terreno en el negocio de gran volumen de taza de bebidas para automóviles, tradicionalmente un producto de poliestireno (PS).

Estos cambios no alteran drásticamente la forma en que la lamina se extruye. Sin embargo, las configuraciones de máquinas se ven influidas por las demandas de flexibilidad y expectativas de produccion. Los procesadores descansan a menudo en el proveedor de equipo para ayudarlos en la selección de la maquinaria.

Flexibilidad
Los sistemas pueden ser diseñados para permitir el procesamiento de una variedad de resinas. Esto permite al usuario competir en distintos mercados cuando los diseñadores de embalaje cambian la materia prima, ya sea por el costo, la estética, o sus propiedades físicas.

Las variables relacionadas con cada resina incluyen los diseños de los tornillos y cilindros, diámetros de rodillos de enfriamiento, fajas de transporte y sistemas de accionamiento de rodillos. La flexibilidad es diseñada a menudo en un sistema para permitir la producción de diferentes materiales en el futuro.

Por ejemplo, si una línea se compra para correr olefinas, la cual normalmente opera con tornillos sin ventilación, los cilindros deberian ser ventilados para la futura posibilidad de correr polímeros que requieren un sistema de vacío para extraer sustancias volátiles. Las salidas de ventilación se pueden tapar cuando no se necesitan.

El sistema de coextrusión de laminas tiene una base pivotal sobre el extrusor principal para una fácil remoción del tornillo. El sistema tiene también un cambia filtro continuo, una bomba de engranajes, un mezclador estático, y un cabezal de labios flexibles posicionado frente a un conjunto de rodillos verticales con un rodillo recubridor antiestático. El sistema trabaja para la producción de lamina tricapa alimentando directamente a una termoformadora.

Otra manera de proporcionar flexibilidad es diseñar el sistema de extrusión para la futura incorporación de coextrusión, incluso si la línea actual es para un producto monocapa. Esto se logra con simples adaptadores que se pueden quitar para instalar los bloques de alimentación de coextrusión en una fecha posterior. La línea se puede instalar con espacio reservado para permitir coextrusores futuros. Proporcionar espacio y facilidades para la instalación de coextrusores en el momento de la instalación inicial minimiza los costos de instalación de los mismos más adelante.

En línea vs Configuraciones de Rollos
Una consideración importante es si el sistema de lamina correra en línea con una termoformadora o correra rollos para stock. La elección es un hecho para la mayoría de las empresas debido a la naturaleza de su negocio, pero para otros que extruyen laminas y también termoforman en planta, la decisión puede tener una mayor reflexión. En la mayoría de los casos los sistemas en linea se aplican mejor para corridas, donde no son frecuentes los cambios de medidas.

Una disposición en línea donde la lamina va directamente a los rieles de cadena de la termoformadora proporciona ahorros significativos de energía, mano de obra, y superficie de planta. La unidad de arrastre de lamina es muy compacta, de manera que la lamina se entregue a la máquina formadora a una temperatura elevada, y necesite menos calor para llevar la lamina a la temperatura de formado.

Los sistemas compactos asociados con el procesamiento en línea ofrecen beneficios adicionales. Estos incluyen una longitud total más corta (menos espacio utilizado), y no hay necesidad de una estación de desenrrollado que alimente rollos a los rieles de la cadena de la máquina de termoformado. Además, la longitud total del horno de precalentamiento puede ser reducida puesto que la hoja está entrando a una temperatura elevada.

Algunas desventajas en la eficiencia total se producen con los sistemas compactos en línea que requieren cambios frecuentes de moldes. Los cambios de moldes requieren que toda la línea este fuera de servicio por un tiempo. Sin embargo, las ventajas generalmente superan a los inconvenientes, y más aplicaciones están recurriendo al procesamiento en línea. Algunas aplicaciones comunes incluyen vasos para bebidas, tapas y bandejas de envasado de alto volumen.

Si se especifica un sistema en línea, el diseñador de moldes debe estimar el tiempo de ciclo de un producto. Con esta información y las dimensiones generales del molde, el diseñador del sistema de lamina puede determinar la produccion necesaria para el espesor dado de lámina , entonces se define adecuadamente el tamaño de los extrusores. Los extrusores son típicamente diseñados para funcionar a aproximadamente al 85 por ciento de su capacidad total.

La tendencia entre los usuarios finales, incluye sistemas de compra que tienen tasas relativamente altas de capacidad, que a su vez producen mayores tasas de eficiencia de la producción. Los sistemas con capacidad de velocidad superior a 3000 kg/ hr son cada vez más comunes.

Las preocupaciones de diseño existen para algo tan simple como la remoción de un tornillo de alimentación en un sistema en línea. El soporte de rodillos no puede típicamente ser retraído suficientemente lejos de la extrusora de modo que el tornillo salga del extremo del cilindro desde que la termoformadora se coloca inmediatamente a continuación. En este caso, la adición de un punto de pivote y ruedas laterales en la parte trasera de la base de la extrusora principal permite el extrusor girar ligeramente hacia un costado de la línea. El tornillo es entonces fácilmente retirado en el pasillo adyacente.

Una línea que corre material en rollo está dimensionada para cumplir con los pedidos de varios volúmenes en una amplia gama de materiales, estructuras, anchos y calibres. Si las demandas son relativamente grandes, se pueden necesitar varias líneas de laminas. En aplicaciones de calibre delgado, las velocidades de línea de afectar a la seguridad del operador cuando la bobina se corta y se transfiere al eje nuevo de rebobinado. Desde que la reduccion de espesor es frecuente en los mercados de envases,las rebobinadoras de laminas están empezando a parecerse a las rebobinadoras de películas, con transferencias automáticas y acumuladores acomodando multiples bobinas en forma simultánea.

En cualquier caso, los programas de software de transferencia de calor y la experiencia de procesamiento permiten a los proveedores de máquinas determinar los diámetros requeridos de rodillos de enfriamiento, las tasas de flujo de agua, y las longitudes de las fajas transportadoras. se recogen los datos de resinas para predecir la temperatura de fusión y determinar la configuración de temperatura de rodillos que son típicos para un polímero dado. Estas herramientas son especialmente útiles cuando se utilizan para evaluar configuraciones de diseño para diferentes velocidades de enfriamiento asociados con el procesamiento de diversas selecciones de resina.

Con esta información, se puede también determinar si se necesitan rodillos auxiliares de enfriamiento / recalentamiento o si se requiere un transportador mas largo en una aplicación de rollos para aumentar el enfriamiento ambiental. La temperatura de la lamina conforme se enrolla en una bobinadora es predecible, lo que ayuda a determinar la duración del tiempo necesario para permitir que el rollo llegue a la temperatura ambiente antes de introducirlo en una termoformadora.

Mandos para Conjunto de Rodillos
Aproximadamente el 50 por ciento de todas las líneas de laminas vendidas en EUA todavía utilizan un sistema de mando consistente en ruedas dentadas en cada rollo y una cadena serpentina impulsándolos. Sin embargo, durante los últimos años, ha habido una tendencia hacia mandos independientes para cada rodillo. El sistema de accionamiento individual permite regular exactamente la velocidad de cada rodillo, lo cual permite al operador hacer ajustes finos a la velocidad superficial de cada rodillo.

Hay muchas ventajas en la motorizacion indidual de cada rodillo, incluyendo: Compensación de las variaciones menores en la circunferencia del rodillo, compensación de las diversas tasas de contracción de la bobina en cada rodillo, y produccion de una lamina de alta calidad libre de defectos. Las transmisiones de cadena puede producir marcas del engarce de cadena con los dientes de las ruedas dentadas de rodillo. Manejar varios tipos de contracción, que son frecuentes cuando se procesan laminas gruesas, es la principal ventaja de implementar mandos individuales de rodillos. La mayoría de las aplicaciones de láminas de embalaje se puede ejecutar en un conjunto de rodillos con cadena. El PP se controla mejor con mandos individuales de rodillos, ya que toma más tiempo para enfriar y estabilizar.

Conjuntos de Enfriamiento y Pulido
Los diseños de conjuntos de rodillos siguen evolucionando a un ritmo parejo respecto a las demandas siempre cambiantes que se ven en los mercados de envasado. Las configuraciones de conjuntos de rodillos, tamaño de rodillos de enfriamiento, equipos auxiliares de enfriamiento / recalentamiento, sistemas de transmisión y las funciones de control son tomados en cuenta con cada aplicación. La produccion del extrusor, la resistencia del fundido y calibre de la lamina, son factores que se incluyen en los criterios de diseño para el óptimo arreglo del conjunto de rodillos.

El caballito de batalla de la industria de laminas continua siendo el conjunto vertical de tres rodillos, corriendo la lamina hacia arriba o hacia abajo. Este tipo de diseño se ha utilizado a lo largo de la historia de la industria de la hoja por su sencillez y facilidad de enhebrado y funcionamiento general. Algunos materiales que tienen baja resistencia de fundido, tales como PP y PET, a menudo se corren en conjuntos que tienen una inclinación de 45 ° para permitir que el material extruído fluya mas fácilmente en los rodillos primarios de contacto, ya que estas resinas tienden a gotear o caerse al suelo cuando salen del cabezal. El diseño inclinado reduce los efectos de la gravedad sobre la lamina. En la configuración de conjunto vertical, el problema de la flacidez de la lamina se reduce contorneando la mitad de abajo del cabezal, permitiendo al cabezal posicionarse mas cerca de los rodillos de contacto (nip).

Un híbrido de los diseños antes mencionados es diseño de modelo de conjunto J-Stack de PTI . Esta configuración de conjunto de rodillos tiene el rodillo inferior colocado en un angulo de 45 ° y el rodillo superior posicionado verticalmente por encima del rodillo central. Las ventajas de esta disposición incluyen un manejo mejorado de resinas de baja resistencia de fundido permitiendo al mismo tiempo una envoltura adicional 25 por ciento de la bobina alrededor de los rodillos cromados en comparación con la envoltura normal obtenida con los arreglos verticales o inclinados. Como resultado del mayor tiempo de residencia asociado con la aumentada envoltura de bobina, esta característica permite un mayor rendimiento sin aumentar los diámetros de rodillos.

Otro conjunto de rodillos visto en el mundo de envasado es el conjunto horizontal de tres rodillos. Como el título lo indica, tres rodillos se configuran en un plano horizontal con el cabezal de lamina arreglado verticalmente por encima extruyendo hacia abajo en los rodillos de contacto. Esto también se utiliza para materiales de baja resistencia de fundido. Las versiones en alta calidad de la configuración horizontal puede producir laminas tan delgadas como 175 micrones Más comúnmente utilizado y menos costoso, estas láminas delgadas puede ser producido utilizando una cuchilla de aire para incidir la lámina sobre el rodillo primario sin utilizar una sistema de contacto de acero con acero. Inconvenientes de la configuración horizontal: La línea es difícil de enhebrar, y el lado posterior de la lamina no es visible conforme envuelve al rodillo central.

Controles
La mayoría de los sistemas de extrusión de lámina vendidos hoy en día presentan un sistema de control PLC / PC. La tendencia para estos sistemas es el uso del hardware disponible en el mercado para los principales componentes. El proveedor de la máquina actúa como integrador de sistemas mediante circuitos de cierre y software de programación de componentes suministrados por Fabricantes de Equipo Original tales como sistemas de alimentación y mezcla , sistemas de control de espesor y el ajuste automática de cabezal.

Hay muchas características de conveniencia del operador que se pueden instalados para funcionar con mayor eficiencia y controlar la calidad. En los sistemas complejos de coextrusión multicapa, el sistema de dosificación gravimétrica controla el espesor de las capas individuales. Las salidas requeridas se introducen ya sea produccion (kg/h) o como un porcentaje de una produccion total. El sistema entonces controlara la velocidad de los extrusores individuales para extruir a la velocidad adecuada con el fin de cumplir con estos puntos de ajuste.

Todo el sistema está programado para avanzar hasta la salida deseada total con aceleración controlada hasta que la producción máxima sea alcanzada. La unidad de arrastre de lamina también automáticamente avanzara hasta la velocidad de la línea correcta para el espesor de lamina preestablecido. El costo de estas características esta justificado, como lo es la capacidad de tender hacia los parámetros de funcionamiento, las recetas almacenadas, diagnosticar problemas y proteger los equipos y el personal con alarmas de seguridad y paradas.

El control automático de los pernos del cabezal se utiliza tradicionalmente para los sistemas que corren película de calibre delgado o en sistemas de recubrimiento por extrusión, donde el espesor se mantiene con mucha exactitud. Los ajustes en línease realizan mejor automáticamente que con un operador con una llave de ajuste. Los puntos saltantes pueden ajustarse rápidamente, ahorrando material. La ausencia de bandas gruesas mejora la calidad general. Los cabezales automáticos pueden controlar el espesor de ± 1 a 1.5 por ciento del objetivo. Muchas empresas que extruyen láminas en calibres de 2.5 mm y mas están ahora usando la tecnología de control automática de pernos de cabezal.

Estos procesadores también obtienen el mismo beneficio de ahorros de material a través del control mas ajustado de calibre y mejora de la calidad en general. Igualmente importante es la ventaja de ajustes controlados automáticamente, evitando la necesidad de capacitar a los operadores en el fino arte de la afinación de cabezales. Además, en los arreglos de coextrusión donde los adaptadores conectados al bloque de alimentación de coextrusión congestionan el área y dificultan el acceso haciendo peligroso llegar a los tornillos del cabezal, los operadores pueden permanecer por completo fuera de la zona del cabezal.

Proveedor especificado
Teniendo en cuenta los difíciles momentos económicos que estamos soportando, la mayoría de las empresas de extrusión no estan contratando mas ingenieros, y en muchos casos, estos departamentos se están reduciendo. El resultado es la dependencia del proveedor de equipos para realizar las tareas de ingeniería para especificar adecuadamente, el tamaño y el diseño de los componentes y sistemas correctos para las demandas del mercado de hoy en día que hacen hincapié en las producciones altas, mano de obra reducida, y la conservación del espacio y la energía, al mismo tiempo que producen lamina de alta calidad. La tecnología existe para satisfacer estas demandas. Conforme fabricantes de maquinaria, los transformadores, y las empresas de resina trabajen juntos, los productos de embalaje, ya sea fabricados o termoformados, desde embalaje de carnes frescas a cosméticos, mejoraran en su desempeño, la calidad y la capacidad debido a un entendimiento profundo de los procesos y del uso final .

Chris Eaton - PTI - Plastics Today
2 Abril 2003