¿Cómo resolver los problemas comunes de calidad en el proceso de extrusión de tubos de plástico?

Causas fundamentales de los defectos de calidad en la extrusión de tubos de plástico

Humedad, degradación térmica e inestabilidad de la fusión. La humedad residual en los gránulos de plástico provoca la formación de vapor durante la extrusión, lo que genera burbujas y cavidades en el producto. Si se supera la tolerancia térmica del plástico, las cadenas poliméricas pueden romperse y el plástico puede cambiar de color. La humedad, la temperatura y la forma de los gránulos pueden causar todo tipo de defectos superficiales. Según se informa en la revista Polymer Processing, aproximadamente 37 de cada 100 problemas de extrusión se deben a cuestiones relacionadas con el material.

Factores relacionados con el equipo: desgaste de la boquilla, mala alineación de las herramientas y cajas de calibración al vacío sucias

El desplazamiento de la holgura del troquel, debido al desgaste del mismo, provoca una inconsistencia y variabilidad en el espesor de la pared de las tuberías de PVC de más de 0,3 mm. Un desalineamiento axial de las herramientas de tan solo 0,5 grados altera la distribución radial de la masa; asimismo, las cajas de calibración al vacío sucias o obstruidas no logran ejercer la succión adecuada para controlar la conformación. Esto resulta problemático para el calibrado volumétrico y el acabado superficial del producto. Informes del sector indican que aproximadamente 3 de cada 5 defectos dimensionales en un producto se deben al equipo, y cerca del 30 % de los defectos superficiales se atribuyen a sistemas de vacío deficientes. Los problemas mecánicos obligan a los fabricantes a programar ajustes, monitoreo del desgaste, mantenimiento y limpieza de forma oportuna.

Defectos superficiales en la extrusión de tuberías plásticas y soluciones

Fenómenos de fractura del fundido: efecto «piel de tiburón», efecto «cáscara de naranja» y ensuciamiento del borde del troquel

Los defectos superficiales de tipo 'piel de tiburón' y 'cáscara de naranja' se producen a la salida del dado debido a la recuperación elástica y a las inestabilidades del flujo. Los problemas en el borde del dado, causados por contaminación y una mala distribución del calor a lo largo del mismo, pueden agravarse. Cuando se produce la degradación del polímero por efecto del calor y del excesivo esfuerzo cortante, los defectos son más pronunciados. Según el informe más reciente de la industria publicado por Plastics Today en 2023, un tercio de las líneas de PEAD presentan estos defectos de calidad. Afortunadamente, existen opciones para mitigar dichos defectos, aunque será necesario analizarlas detalladamente.

Las opciones correctivas incluyen:

1. Pulido de los bordes del dado para eliminar acumulaciones y restablecer el flujo laminar
2. Reducción de la velocidad de la línea para disminuir el esfuerzo cortante sin afectar la producción
3. Mejora del control de la temperatura del fundido, manteniéndola dentro de un margen de ±5 °C en todas las zonas del dado
4. La monitorización en tiempo real de la reología del fundido, integrada en los sistemas de control, ha demostrado en estudios piloto una reducción del 40 % en la incidencia de fractura del fundido.

Defectos por vibración mecánica: anillos y surcos de vibración causados por problemas en el sistema de vacío y de refrigeración

Los anillos de vibración y los surcos helicoidales indican resonancia mecánica, que con mayor frecuencia se debe a calibradores de vacío desalineados o a flujos turbulentos en el sistema de refrigeración. En 2023, un estudio sectorial reveló que el 68 % de los defectos mencionados anteriormente se atribuían a una sincronización desequilibrada del sistema de tracción y a rodamientos defectuosos de las bombas de vacío, lo que provocaba fluctuaciones cíclicas de presión.

Algunas de las medidas que pueden adoptarse incluyen:

- Alineación láser de las fundas de calibrado y de los calibradores de vacío

- Instalación de amortiguadores de pulsaciones en las tuberías de suministro de vacío

- Eliminación de la turbulencia mediante la optimización de la velocidad de flujo y de la distribución del refrigerante

Mantener la presión de vacío dentro de una ventana de variación de 0,5 bar estabiliza la reducción de desechos relacionados con los surcos en un 75 %. Inconsistencias dimensionales en la extrusión de tubos de plástico

Causas y controles del proceso

Las variaciones en el diámetro exterior (OD) y el espesor de la pared pueden complicar significativamente las clasificaciones de presión y las instalaciones en campo. Las causas principales de estos problemas son: las fluctuaciones volumétricas del alimentador que provocan variaciones de presión durante la fusión, el enfriamiento no uniforme, lo que hace que distintas partes se contraigan a velocidades diferentes, y el desalineamiento de matrices desgastadas. Todos estos factores contribuyen a una geometría problemática. Además, la inestabilidad de la succión en el sistema de vacío provoca un desplazamiento longitudinal de toda la tubería. La investigación en ingeniería de extrusión ha demostrado que el cambio a una alimentación gravimétrica reduce la variabilidad del alimentador y las inconsistencias del material hasta en un 70 %. Para las empresas de extrusión que buscan una mayor calidad en la extrusión, un control de proceso riguroso es fundamental.

Las inspecciones rutinarias de las matrices y los ajustes basados en láser para mantener la integridad del juego entre las matrices, así como la retroalimentación en tiempo real del espesor de pared y el ajuste automático de los pernos de la matriz mediante micrometría láser en línea, se han convertido en estándares industriales. La refrigeración diseñada (mediante cajas de calibración al vacío) con enderezadores de flujo y zonas segmentadas de caudal de agua también contribuye a alcanzar la calidad requerida.

En conjunto, estas medidas mantienen de forma constante las tolerancias dimensionales dentro de ±0,5 % y reducen los desechos en más del 30 %.

Fallas en la gestión térmica durante la extrusión de tubos de plástico

Calentamiento y enfriamiento diferenciados: El sobrecalentamiento provoca la degradación de la cadena polimérica térmica y libera polímero de PVC que origina manchas amarillentas estriadas y oscuras de PE. Se generan tensiones internas cuando el enfriamiento es insuficiente, y cuando el material termoplástico se manipula o almacena, se deforma y adquiere una forma ovalada. La cantidad de termoplástico que se desperdicia supera el 30 % si la temperatura se mantiene por encima o por debajo de 8 grados Celsius en las secciones de enfriamiento y/o calentamiento durante el proceso de extrusión. Esto se debe a que los distintos rangos de temperatura provocan que el material fluya de forma no uniforme en las diferentes secciones, lo que hace que el termoplástico se solidifique a ritmos distintos e incompletos, causando además un flujo diferencial del material entre las distintas secciones de la matriz. Los problemas relacionados con la temperatura no son fáciles de detectar ni de resolver, pero podrían estar asociados a uno o varios de los problemas habituales de control del proceso.

Identificación de puntos calientes mediante mapeo térmico infrarrojo de las transiciones del barril y la(s) zona(s) de matriz.

Visualización del flujo y análisis CFD de la hidráulica del(los) baño(s) de enfriamiento para eliminar zonas muertas y lograr un temple uniforme.

Verificación anual del controlador de temperatura conforme a los estándares NIST, trazable a estándares de ±1 %.

Ajuste específico por zona de los parámetros PID y regulación del caudal de agua de enfriamiento en función de la dinámica de la temperatura del fundido para alcanzar y restablecer el equilibrio térmico (evitando degradación, deformación por calor y pérdida de precisión dimensional).

Preguntas frecuentes

¿Qué causa los defectos relacionados con la humedad en la extrusión de tubos de plástico?

Los defectos causados por la humedad se producen cuando la humedad presente en los gránulos de plástico se convierte en vapor durante la extrusión, provocando la formación de burbujas o vacíos en el producto final.

¿Cómo provocan los problemas relacionados con el equipo defectos en el proceso de extrusión?

Los defectos derivados del desgaste de la matriz de extrusión, el desalineamiento de las herramientas y la obstrucción de la caja de calibrado al vacío dan lugar a un espesor de pared inconsistente, imprecisiones dimensionales y falta de lisura superficial.

¿Qué defectos observamos en la superficie de la extrusión de tubos de plástico?

Los defectos superficiales incluyen fenómenos de fractura por fusión: piel de tiburón, piel de naranja y vibración mecánica, anillos de temblor y surcos mecánicos.

¿Qué explica las inconsistencias dimensionales que ocurren durante el proceso de extrusión?

Las inconsistencias dimensionales incluyen pulsaciones volumétricas en la alimentación, enfriamiento no uniforme e inestabilidad del sistema de vacío. Estas inconsistencias afectan el diámetro exterior, la ovalidad y el espesor de la pared.

La gestión térmica afecta la calidad de las tuberías de plástico.

Una gestión térmica ineficaz puede provocar sobrecalentamiento, decoloración, deformación o incluso un desequilibrio de temperaturas, lo que puede aumentar las tasas de desecho del producto durante la producción y afectar la integridad dimensional.