Figura 1: Máquina de extrusão.

Tabela de conteúdo

1. Conheça
2. Processo de moldagem por extrusão
3. Desafios na extrusão de polímeros e controle de processos
4. Rheonics Viscosímetro de processo em linha SRV
   • Integração de Dados
   • Opções de instalação
     • Instalação Perpendicular
     • Instalação paralela inserida no cotovelo
     • Paralelo inserido em linha – Adaptação do processo de célula de wafer – SRV Stargate

• • Principais considerações para instalação
    • • Área de detecção em contato com fluido
      • Temperatura alta
      • Alta pressão
      • Conexão e vedação do processo da sonda
      • Limites da sonda em instalação perpendicular

Conheça

A moldagem por extrusão é um processo de fabricação altamente eficiente e versátil em várias indústrias usado para produzir perfis contínuos, como tubos, chapas, filmes, etc. Ele permite alta velocidade de produção, eficiência de material e a capacidade de criar formas transversais complexas com qualidade consistente. A fabricação por extrusão desempenha um papel importante na produção global de polímeros e plásticos. Nos últimos anos, os avanços em automação, monitoramento de processo em tempo realoring, e materiais sustentáveis, bem como a relevância dos processos de reciclagem, aumentaram a precisão e reduziram o impacto ambiental ao reduzir o desperdício.

Monitoramento de processo em tempo realoring é a chave para garantir produtos de alta qualidade. Grandes avanços foram alcançados em monitoramento de temperatura e pressãooring de processos de extrusão. No entanto, o monitoramento da viscosidade em linhaoring, apesar de ser um dos fatores críticos que afetam o fluxo de fusão e o preenchimento da matriz, ainda mais significativo do que a temperatura e a pressão, enfrentou vários desafios. Diferentes métodos foram testados para medição de viscosidade com resultados melhores ou piores relacionados ao custo, calibração, repetibilidade, etc., que afetam a confiança do operador. Sob essas circunstâncias, Rheonics O viscosímetro em linha SRV permite medições de viscosidade repetíveis nas condições adversas das máquinas de extrusão, preenchendo assim a lacuna para o controle completo do processo de extrusão de polímeros.

Processo de moldagem por extrusão

A extrusão pode ser definida como um processo de fabricação contínuo usado para criar objetos (um extrudado) com uma seção transversal consistente forçando um material fundido através de uma matriz ou orifício para formar uma forma. Uma extrusora também pode ser usada como parte de outros processos de fabricação (termoformação, injeção, moldagem por sopro, etc.). A extrusão é amplamente usada em plástico, metal e borracha indústrias para produzir produtos como tubos, tubulações, chapas, filmes e perfis.

O foco principal deste estudo de caso é a extrusão de polímeros. Em contraste com a extrusão de metal, a extrusão de polímeros pode ser feita continuamente, desde que o material seja alimentado para a máquina de extrusão. A extrusão é usada principalmente para termoplásticos, mas elastômeros e termofixos também podem ser processados.

Uma máquina de extrusão geralmente consiste nas seguintes partes. Uma funil de carga, onde o material polimérico é alimentado. A parafuso de alimentação está em rotação constante ao longo de uma barril. O parafuso é alimentado por um movimentação do motor unidade e caixa de engrenagens e força o material a fluir através de um morrer. Elementos de aquecimento, localizado sobre o cilindro a uma temperatura controlada, amolece e derrete o material polimérico. Após a matriz, um molde com uma ou múltiplas cavidades pode ser usado, onde o material fundido é resfriado para tomar a forma de um objeto desejado. Algumas máquinas usam um bomba de engrenagem entre a extremidade do cilindro e a matriz para manter uma pressão constante bem definida no material de saída.

A capacidade do conjunto de parafuso e cilindro de extrudar um determinado material depende das características do material plástico, das características ou construção do parafuso e cilindro e das condições sob as quais o sistema é operado.

Figura 2: Principais peças da máquina de extrusão de polímero.

Desafios na extrusão de polímeros e controle de processos

A extrusão de polímeros é um processo complexo que requer controle preciso de múltiplos parâmetros para garantir uma saída de alta qualidade. Apesar dos avanços na tecnologia, vários desafios persistem tanto no processo de extrusão quanto em seus sistemas de controle. Esses desafios podem impactar a consistência do produto, a eficiência e os custos gerais de fabricação.

Os principais parâmetros do processo são velocidade de rotação do parafuso, temperaturas da matriz e do cilindro, viscosidade do fundido, temperatura do fundido, taxa de fluxo de massa, pressão do fundido, taxa de resfriamento, etc. [1]. Temperatura e pressão são considerados os parâmetros monitorados em linha mais comuns no processo de extrusão, graças às múltiplas tecnologias disponíveis. No entanto, a viscosidade do fundido (descrita como a resistência do fluido ao fluxo) não é fácil de medir ou monitorar em linha, apesar de ser um dos parâmetros mais cruciais no processo. A viscosidade do fundido está relacionada a múltiplas características, como:

• Espessura
• Fortalecimento
• Seção transversal constante
• Consistência na composição do fluido – mistura homogênea de enchimento, fibras, corantes, etc.
• Consumo de energia
• Degradação térmica

A alta viscosidade do fluido derretido pode causar fluxo ruim, pressão excessiva e entupimento da matriz, levando a defeitos como aspereza da superfície e empenamento. Em contraste, a baixa viscosidade pode resultar em flacidez, encolhimento excessivo ou propriedades mecânicas fracas. Então, o objetivo será manter a viscosidade o mais constante possível durante o processo de extrusão.

Na maioria dos casos, os plásticos são materiais pseudoplásticos, o que significa que eles se tornam menos viscosos (mais fáceis de fluir) quando são movidos (cisalhados) mais rápido. Portanto, não há uma relação linear entre pressão e fluxo, nem entre tensão de cisalhamento (força por unidade de área, medida principalmente em Pa) e taxa de cisalhamento (taxa de movimento das camadas paralelas do fluido, medida em s-1).

Atualmente, não há sensor em linha adequado para monitoramentooring viscosidade em tempo real em fundidos de extrusão. Reômetros capilares são instrumentos de laboratório bem conhecidos usados ​​para estudar as propriedades reológicas de polímeros. Ele usa um pistão para forçar o fundido através de uma matriz capilar (muito fina), que tenta simular o processo que acontece na máquina de extrusão. Apesar de ser um instrumento de teste bem aceito para viscosidade, ele falha em fornecer dados em linha em tempo real do fluido fundido. Os principais problemas deste método são:

• Requer coleta de amostras
• Não é verdadeiramente representativo
• Não monitoração contínuaoring
• Precisa de manutenção e serviços significativos

Rheonics Viscosímetro de processo em linha SRV

SRV é Rheonics Viscosímetro em linha adequado para amplas faixas de viscosidade, temperatura e pressão. Rheonics O SRV usa uma sonda muito compacta com instruções de instalação simples e sem requisitos de manutenção ou recalibração. Devido ao design compacto do SRV, há uma versatilidade nos tipos de instalação que os usuários adotam.

Figura 3: Rheonics Viscosímetro SRV em linha slimline com conexão rosqueada.

Integração de Dados

Rheonics O SRV permite a visualização on-line em tempo real de parâmetros-chave como viscosidade dinâmica e temperatura em máquinas de extrusão. O sensor é facilmente integrado ao monitor localoring e sistemas de controle por meio de uma eletrônica potente que executa vários protocolos industriais. Encontre mais informações no Eletrônicos Rheonics Página.

Rheonics os sensores também armazenam dados de medição e status do sensor em um historiador de bordo. Este registrador automático é acessível através do Rheonics O software RCP é útil para uma visualização histórica dos parâmetros monitorados.

Opções de instalação

Instalação Perpendicular

Rheonics O SRV está localizado perpendicularmente ao fluxo de fusão com imersão suficiente para que o elemento sensor da sonda entre em contato com o fluido.

A principal vantagem dessa instalação é que ela é provavelmente a mais fácil de todas para instalação. O SRV pode ser instalado em portas existentes usadas por sensores de temperatura ou pressão, com a principal diferença de que a sonda SRV precisa ficar para fora da linha, sendo esta uma sonda intrusiva e invasiva.

Esta instalação perpendicular, no entanto, tem a principal desvantagem de expor a sonda a uma grande força de flexão devido à alta viscosidade e velocidade do fluido. A carga viscosa pode ser um problema para a sonda SRV padrão em instalação perpendicular, adicionando muito ruído ou danificando a sonda. Para relações entre tamanho de linha e limitações de taxa de massa ou volume, consulte a seção “Limites da sonda em instalação perpendicular“ ou o artigo Sondas SR para fluidos altamente viscosos e altas velocidades de fluidos.

As principais considerações para esta instalação são o tamanho da linha, a velocidade do fluido ou a taxa de fluxo e as faixas de viscosidade. O tamanho da linha deve ser maior que 50 – 55 mm (2”) para que o elemento sensor da sonda SRV possa ser corretamente exposto ao fluido. As faixas de velocidade e viscosidade do fluido são comparadas com a tabela na seção “Limites da sonda em instalação perpendicular“ para verificar as forças às quais a sonda será exposta. Rheonics oferece o SRV-HP para casos de alta pressão e altas forças de flexão.

Figura 4: Rheonics Instalação perpendicular de SRV na linha de extrusão.

Instalação paralela inserida no cotovelo

Algumas máquinas de extrusão têm um cotovelo logo antes da matriz para acomodar instrumentos de medição, como sensores de temperatura, axialmente ao fluxo. Isso também pode ser usado para Rheonics Viscosímetro SRV em linha para instalação paralela.

Aqui a principal vantagem é a redução da força exercida sobre a sonda pelo fluido, em comparação a uma instalação perpendicular. Uma instalação paralela também mantém o elemento sensor centralizado na linha, evitando depósitos que podem afetar as leituras. Sonda SRV-X6 Slimline pode ser usado para queda de pressão mínima e é compatível com linhas menores que 50-55 mm (2”).

A principal limitação desta instalação é o uso de um cotovelo antes da matriz. Isso requer muita intervenção na máquina e altera a orientação do material extrudado, tornando esta opção de instalação adequada apenas para máquinas extrusoras que já tenham um cotovelo na linha. Além disso, esta instalação pode sofrer com incrustação ou estagnação de fluido ao redor da base do sensor na parede do cotovelo. Isso não afeta as leituras, mas não é desejado em nenhuma linha.

Figura 5: Rheonics Instalação paralela de SRV em cotovelo na linha de extrusão.

Paralelo inserido em linha – Adaptação do processo de célula de wafer – SRV Stargate

Rheonics Stargate-SRV-EM, também chamado de Stargate Variant, é projetado para colocar a sonda SRV suspensa no centro da linha instalada em linha nos tubos de processo, como em um adaptador de célula wafer. As vantagens desta solução são sua resistência contra fluidos de alta viscosidade e alta velocidade, e a redução das chances de depósitos.

Para esta instalação, geralmente é necessária uma seção de extensão na linha e esta intervenção pode não ser possível para alguns clientes devido a custos, retrabalho ou problemas de gerenciamento térmico.

Observe que o lado de trás da sonda está voltado para o fluido, isso é necessário para sustentar forças altas. Além disso, a variante SRV Stargate precisa ser encomendada no mesmo tamanho da linha de extrusão, a menos que adaptadores de redução e expansão possam ser usados ​​na linha.

Figura 6: Rheonics Instalação de “célula wafer” paralela SRV na linha de extrusão.

Principais considerações para instalação

Área de detecção em contato com fluido

Rheonics O principal requisito de instalação do Viscosímetro em Linha SRV é ter a área de detecção imersa no fluido, sem depósitos ou acúmulos de fluido, pois isso pode afetar as leituras. A área de detecção do SRV é mostrada na Figura 7.

Figura 7: Área de detecção de SRV.

Temperatura alta

Os processos de extrusão normalmente exigem uma temperatura de fluido na faixa de 180 a 220˚C (360 a 430˚F). Isso pode variar dependendo do material, velocidade e design do parafuso. Rheonics O Viscosímetro Inline SRV pode ser configurado para temperaturas de até 285°C (545 °F). O usuário deve selecionar a classificação de temperatura correta durante o pedido. A próxima tabela mostra as classificações de temperatura para a sonda SRV. Alguns processos de extrusão podem atingir temperaturas muito altas, até 350/370 °C (670/700 °F), nesse caso, sugerimos que entre em contato Rheonics Equipe de suporte em para mais informações.

Tabela 1: Classificações de temperatura do viscosímetro em linha SRV

Nota: Cabo sensor e eletrônica de sensores têm diferentes limites de temperatura que não devem ser excedidos.

Alta pressão

Os processos de extrusão podem atingir pressões muito altas, até 10,000 psi, 670 bar ou 70 MPa. Mais uma vez, Rheonics O SRV deve ser configurado adequadamente.

Tabela 2: Classificações de pressão do viscosímetro em linha SRV para extrusão

Conexão e vedação do processo da sonda

Para aplicações de alta pressão, tanto a sonda quanto a conexão do processo devem ser classificadas para a faixa de pressão esperada. Para instalação perpendicular Rheonics normalmente oferece interface de rosca G1/2”. Enquanto para paralelo em cotovelo, uma conexão de flange ou rosca pode ser usada. A variante de instalação de célula de wafer pode ser integrada por meio de uma interface de flange do cliente usando um O-Ring ou vedação metálica. As portas de instalação existentes na máquina podem ser reutilizadas para montar o Rheonics sonda sensora.

Contato Rheonics Equipe de suporte em para discussão sobre opções de instalação adequadas em suas máquinas de extrusão.

Limites da sonda em instalação perpendicular

Sob certas condições, fluidos de alta viscosidade podem afetar a sonda SRV quando uma instalação perpendicular é usada. Forças de flexão causadas pelo fluxo de fluido podem danificar a sonda (Figura 8). As forças geralmente dependem da viscosidade e velocidade do fluido. O próximo gráfico mostra uma relação entre a velocidade de um fluido em m/s e a viscosidade dinâmica em Pa.s. Os clientes podem usar o gráfico para determinar se as condições do processo podem danificar uma sonda SRV padrão.

Figura 8: Forças de flexão na sonda devido à viscosidade e velocidade do fluido.

Figura 9: Gráfico mostrando a velocidade do fluido no eixo X e a viscosidade dinâmica máxima permitida no eixo Y para o SRV.

Geralmente, um limite de 12 m/s é recomendado para o uso do SRV em instalações perpendiculares. Ir acima desse limite de velocidade pode causar muito ruído nas leituras ou danos na sonda. A próxima tabela mostra o que essa velocidade significa no fluxo volumétrico e de massa para diferentes tamanhos de linha.

Saiba mais sobre o Tipo-Sondas SR para medir fluidos altamente viscosos e altas velocidades de fluidos.

Referências

1. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2665917422000150

2. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0141391013004497

3. https://www.dynisco.com/userfiles/files/27429_Legacy_Txt.pdf

4. HK Bruss – Medição de viscosidade para controle automático e monitoramentooring da uniformidade dos processos de extrusão

5. Rheonics - Sondas SR para fluidos altamente viscosos e altas velocidades de fluidos.