Come risolvere i comuni problemi di qualità nel processo di estrusione delle tubazioni in plastica?

Cause principali dei difetti di qualità nell’estrusione delle tubazioni in plastica

Umidità, degradazione termica e instabilità della fusione: l'umidità residua nelle granulature plastiche provoca la formazione di vapore durante l'estrusione, generando bolle e vuoti nel prodotto. Se viene superata la tolleranza termica della plastica, le catene polimeriche possono degradarsi e la plastica può cambiare colore. Umidità, temperatura e forma delle granulature possono causare ogni tipo di difetto superficiale. Secondo la rivista 'Polymer Processing Journal', circa 37 su 100 problemi di estrusione sono dovuti a fattori legati al materiale.

Fattori legati all'attrezzatura: usura della filiera, cattivo allineamento degli utensili e scatole di calibratura a vuoto sporche

Lo spostamento del gioco tra le matrici, causato dall'usura delle stesse, porta a uno spessore variabile e non uniforme della parete del tubo in PVC di oltre 0,3 mm. Un'allineamento assiale non corretto degli utensili anche di soli 0,5 gradi altera la distribuzione radiale della massa; analogamente, le casse di calibratura a vuoto sporche o intasate non riescono a fornire l'aspirazione adeguata per controllare la formatura. Ciò rappresenta un problema per il calibraggio volumetrico e per la finitura superficiale del prodotto. Secondo relazioni del settore, circa 3 difetti su 5 riscontrati sulle dimensioni di un prodotto sono attribuibili all'attrezzatura, mentre quasi il 30% dei difetti superficiali è dovuto a sistemi a vuoto inefficienti. I problemi meccanici richiedono che i produttori programmino tempestivamente regolazioni, monitoraggio dell'usura, manutenzione e pulizia.

Difetti superficiali nell’estrusione di tubi in plastica e relative soluzioni

Fenomeni di frattura del fuso: effetto squalo, effetto buccia d’arancia e sporcizia del bordo della matrice

I difetti superficiali di tipo 'pelle di squalo' e 'buccia d'arancia' si verificano all'uscita della filiera a causa del recupero elastico e delle instabilità di flusso. I problemi al bordo della filiera, causati da contaminazione e da una distribuzione non uniforme del calore lungo la filiera, possono aggravarsi. Quando si verifica la degradazione del polimero a causa dell'eccessivo riscaldamento e dello sforzo di taglio eccessivo, tali difetti diventano più evidenti. Secondo l'ultimo rapporto settoriale pubblicato da Plastics Today nel 2023, un terzo delle linee per HDPE segnala questi difetti di qualità. Fortunatamente, esistono opzioni per mitigare tali difetti, ma dobbiamo analizzare in dettaglio queste soluzioni.

Le opzioni correttive includono:

1. Lucidatura dei bordi della filiera per rimuovere i depositi e ripristinare il flusso laminare
2. Riduzione della velocità di linea per diminuire lo sforzo di taglio senza compromettere la produttività
3. Controllo più stringente della temperatura della massa fusa, mantenendola entro ±5 °C nelle diverse zone della filiera
4. Il monitoraggio in tempo reale della reologia della massa fusa, integrato nei sistemi di controllo, ha dimostrato, in studi pilota, una riduzione del 40% dell'incidenza della frattura della massa fusa.

Difetti meccanici da vibrazione: anelli e scanalature irregolari causati da problemi del sistema a vuoto e del sistema di raffreddamento

Anelli irregolari e scanalature elicoidali indicano una risonanza meccanica, causata nella maggior parte dei casi da calibratori a vuoto non allineati o da flussi turbolenti nel sistema di raffreddamento. Nel 2023, uno studio di settore ha rilevato che il 68% dei suddetti difetti era attribuibile a una sincronizzazione non bilanciata dei tiranti e a cuscinetti della pompa a vuoto, i quali generavano fluttuazioni cicliche di pressione.

Alcune delle misure che possono essere adottate includono:

- Allineamento laser delle maniche di calibratura e dei calibratori a vuoto

- Installazione di smorzatori di pulsazione sulle tubazioni di alimentazione a vuoto

- Eliminazione della turbolenza mediante ottimizzazione della velocità di flusso e della distribuzione del liquido refrigerante

Il mantenimento della pressione a vuoto entro una finestra di variazione di 0,5 bar stabilizza la riduzione degli scarti legati alle scanalature entro il 75%. Incoerenze dimensionali nell’estrusione di tubi in plastica

Cause e controlli di processo

Le variazioni del diametro esterno (OD) e dello spessore della parete possono complicare in modo significativo la determinazione delle classi di pressione e le installazioni sul campo. Le principali cause di tali problemi sono: fluttuazioni volumetriche dell’alimentazione che provocano oscillazioni di pressione durante la fusione, raffreddamento non uniforme che fa sì che diverse parti si restringano a velocità differenti, e allineamento errato di filiere usurate. Tutti questi fattori contribuiscono a una geometria problematica. Inoltre, l’instabilità dell’aspirazione nel sistema a vuoto provoca uno spostamento longitudinale dell’intero tubo. La ricerca nell’ambito dell’ingegneria dell’estrusione ha dimostrato che il passaggio a un’alimentazione gravimetrica riduce la variabilità dell’alimentazione e le incongruenze del materiale fino al 70%. Per le aziende specializzate nell’estrusione che mirano a ottenere un prodotto di qualità superiore, un solido controllo del processo è fondamentale.

Ispezioni die di routine e regolazioni basate su laser per mantenere l'integrità del gioco die, nonché feedback in tempo reale sullo spessore della parete e regolazione automatica dei bulloni die tramite micrometria laser in linea, sono diventati standard di settore. Il raffreddamento progettato (mediante casse di calibratura a vuoto) con raddrizzatori di flusso e zone di flusso d'acqua segmentate contribuisce altresì al raggiungimento della qualità richiesta.

Nel complesso, queste misure consentono di mantenere costantemente le tolleranze dimensionali entro ±0,5% e riducono gli scarti di oltre il 30%.

Malfunzionamenti della gestione termica durante l'estrusione di tubi in plastica

Riscaldamento e raffreddamento differenziale: il surriscaldamento provoca il deterioramento della catena polimerica termica e rilascia il polimero PVC, causando striature gialle e macchie scure di PE. Si generano tensioni interne in caso di insufficiente raffreddamento; quando il materiale termoplastico viene manipolato o immagazzinato, si deforma e assume una forma ovale. La quantità di termoplastico che verrà sprecata supera il 30% se la temperatura viene mantenuta al di sopra o al di sotto di 8 gradi Celsius nelle sezioni di raffreddamento e/o riscaldamento durante il processo di estrusione. Ciò è dovuto al fatto che intervalli di temperatura variabili provocano un flusso non uniforme del materiale nelle diverse sezioni e determinano una solidificazione del termoplastico a velocità diverse e incomplete, causando inoltre un flusso differenziale del materiale tra le diverse sezioni della filiera. I problemi legati alla temperatura non sono facili da individuare o risolvere, ma potrebbero essere correlati a uno o più dei comuni problemi di controllo del processo.

Identificazione delle zone calde mediante mappatura termica infrarossa delle transizioni del cilindro e della (delle) zona(e) della filiera.

Visualizzazione del flusso e analisi CFD dell’idraulica del bagno di raffreddamento per eliminare le zone morte e ottenere un’immersione uniforme.

Verifica annuale del regolatore di temperatura secondo gli standard NIST, riconducibile a una tolleranza di ±1%.

Taratura specifica per zona dei parametri PID e regolazione del flusso dell’acqua di raffreddamento in base alla dinamica della temperatura della massa fusa per raggiungere e ripristinare l’equilibrio termico (prevenzione della degradazione, della deformazione e della perdita di precisione dimensionale).

Domande Frequenti

Quali sono le cause dei difetti legati all’umidità nell’estrusione di tubi in plastica?

I difetti causati dall’umidità si verificano quando l’umidità presente nei granuli di plastica si trasforma in vapore durante l’estrusione, provocando la formazione di bolle o vuoti nel prodotto finale.

In che modo i problemi legati all’attrezzatura causano difetti nel processo di estrusione?

I difetti dovuti all’usura della filiera, al disallineamento degli utensili e all’intasamento della cassa di calibratura a vuoto provocano uno spessore della parete non uniforme, imprecisioni nelle dimensioni e irregolarità sulla superficie.

Quali difetti si osservano sulla superficie dell’estruso di tubi in plastica?

I difetti superficiali includono fenomeni di frattura della fusione: effetto squalo, effetto arancia e vibrazioni meccaniche, anelli di tremolio e solchi meccanici.

Cosa spiega le incongruenze dimensionali che si verificano durante il processo di estrusione?

Le incongruenze dimensionali includono fluttuazioni volumetriche dell’alimentazione, raffreddamento non uniforme e instabilità del sistema a vuoto. Queste incongruenze influenzano il diametro esterno, l’ovalità e lo spessore della parete.

La gestione termica influisce sulla qualità delle tubazioni in plastica

Una gestione termica inefficace può causare surriscaldamento, discolorazione, deformazione o persino uno squilibrio termico, con conseguente aumento del tasso di scarto del prodotto durante la produzione e impatto sull’integrità dimensionale.