En el mundo de la extrusión y la composición de materiales, las extrusoras de tornillo gemelo-son el corazón de la producción. Su desempeño dicta directamente la calidad de la mezcla, la eficiencia de la producción y las propiedades mecánicas del producto final.
EnJOYA, entendemos que elegir la tecnología adecuada-Co-corotaciónoContra-rotación-es fundamental para su aplicación específica. Si bien la diferencia puede parecer solo la dirección de rotación, nuestras simulaciones de dinámica de fluidos computacional (CFD) y pruebas de campo revelan distinciones significativas en las características de procesamiento, capacidades de mezcla y adaptabilidad del producto.
Este artículo desglosa estas diferencias técnicas para ayudarle a tomar una decisión informada para su línea de producción.
La diferencia fundamental: principio de funcionamiento
La distinción principal radica en cómo interactúan los tornillos con el material:
Extrusoras de doble husillo co-corotativas:
• Rotación: Ambos tornillos giran en la misma dirección.
• Mecanismo: El empuje de las hélices se superpone. El material se transporta en una trayectoria "∞" (figura - ocho), creando un efecto de transporte forzado.
Modo de acoplamiento de tornillo-gemelo-corotativo
Extrusoras de doble tornillo contrarrotativas:
Rotación: Los tornillos giran en direcciones opuestas.
Mecanismo: Las fuerzas de empuje se compensan entre sí. El material viaja en una trayectoria en forma de "C"-dentro de cámaras cerradas, sometiéndose a mezclas y reacciones repetidas.
Modo de acoplamiento de tornillo-gemelo-con rotación contraria
Análisis de resultados de simulación: campo de presión
Con base en el mapa de nubes de presión (Fig. 3) y la curva de variación de presión (Fig. 4), se realizaron las siguientes observaciones:
• Doble tornillo co-corotativo:La presión dentro del canal de flujo presenta fluctuaciones rítmicas. Estas fluctuaciones se corresponden con la posición de las paletas del tornillo (como se ve en la Fig. 4). Dado que las aletas del tornillo son crestas elevadas, el material sufre intensas fuerzas de compresión y corte a medida que pasa sobre ellas, lo que resulta en picos de presión más altos en los lugares de las aletas.
• Doble tornillo contrarrotativo:Inicialmente, la presión aumenta y luego disminuye a lo largo de la dirección de extrusión, lo que se caracteriza por un importante fenómeno localizado de alta-presión en la sección media. Esta alta presión se produce en la zona de entrelazado (haciendo referencia a la Fig. 2). La rotación opuesta de los tornillos hace que el material fluya de manera desigual o se bloquee, lo que lleva a la acumulación de material en el centro, lo que genera esta alta presión localizada.
Diagrama de nube de presión en el canal durante el proceso de extrusión.
historial de presión
Análisis de resultados de simulación: campo de velocidad de corte
Según el contorno de la velocidad de corte (Fig. 5) y la curva de variación (Fig. 6), las observaciones son las siguientes:
• Comportamiento general (ambos tipos):Tanto en los procesos co-como en contra-rotación, la velocidad de corte es consistentemente mayor en los tramos del tornillo y menor en los canales del tornillo. Esto ocurre porque la holgura entre el tramo del tornillo y la pared del cilindro es mínima, lo que acelera el flujo de material e induce altas fuerzas de corte. Por el contrario, la mayor separación en los canales de los tornillos da como resultado velocidades de cizallamiento más bajas.
• Doble tornillo contrarrotativo:Este tipo exhibe picos localizados en la velocidad de corte. Este fenómeno es causado específicamente por el flujo de fuga (que normalmente ocurre a través de espacios estrechos en la región de entrecruzamiento).
Gráfico de nubes de velocidad de corte durante el proceso de extrusión.
Curva de variación de la tasa de corte
Análisis del rendimiento de la mezcla de materiales
La mezcla se divide en dos categorías principales: distributiva y dispersiva.
Mezcla distributiva:El proceso de redistribución y reorientación material para lograr la homogeneidad.
Mezcla dispersiva:El proceso de reducir el tamaño de las partículas de material mediante fuerzas de estiramiento y corte.
El método de partículas trazadoras se utiliza para la cuantificación, analizando parámetros de trayectoria como el tiempo de residencia (RT), la escala de separación y el esfuerzo cortante máximo para evaluar las diferencias de mezcla.
Rendimiento de mezcla axial: distribución del tiempo de residencia (RTD)
La distribución del tiempo de residencia (RTD) es una métrica crítica para la mezcla axial, que describe la distribución estadística del tiempo que el material pasa dentro del extrusor. Está representado por funciones de probabilidad y densidad de probabilidad.
Distribución del tiempo de residencia acumulado
La curva de distribución del tiempo de residencia acumulativo (Fig. 7) ilustra la probabilidad acumulada de que quede líquido o material dentro del extrusor.
En el sistema de tornillo gemelo-corotativo-, las partículas trazadoras comienzan a salir del canal en1.00 sy salir completamente por54.82 s, dando un lapso de residencia de53.82 s.
En el sistema de tornillo gemelo-giratorio-, las partículas trazadoras salen primero por1.48 sy salir completamente por59.80 s, lo que resulta en un período de residencia de58.32 s.
La curva acumulativa del tornillo gemelo co-co-que gira permanece por encima de la del sistema contra-giratorio, lo que indica una mayor proporción de partículas que salen del canal en un momento dado.
Distribución del tiempo de estancia acumulada
Distribución del tiempo de residencia
La curva de densidad de probabilidad de tiempo de residencia- ilustra la probabilidad de que el material permanezca dentro del extrusor durante diferentes intervalos de tiempo. Una densidad más alta indica una mayor probabilidad de que el material permanezca dentro de esa ventana de tiempo específica, mientras que una densidad más baja refleja menos ocurrencias.
Según la función de densidad de probabilidad (Fig. 8):
La mayoría de las partículas en el extrusor-de doble-tornillo co-rotativo caen dentro1.00–1.99 s, mientras que en el sistema contra-giratorio se concentran dentro1.48–2.97 s. La curva de co-corotación se desplaza más hacia la izquierda y muestra un pico más alto, lo que indica un rendimiento de transporte más fuerte. Es probable que esto se deba a la trayectoria de transporte forzada en forma de "∞-" característica de los tornillos en rotación co-.
Por el contrario, la extrusora contra-giratoria impulsa el material a lo largo de una trayectoria en forma de "C-", donde la mezcla repetida y la recirculación dentro de la cámara C-extienden el tiempo de residencia.
distribución del tiempo de residencia
Rendimiento de mezcla distributiva
Índice distributivo
El índice distributivo refleja el comportamiento reológico y las características de flujo del material durante la extrusión. Como se muestra en la curva del índice distributivo (Fig. 9), la extrusora de doble tornillo contra-giratorio-demuestra una mejor uniformidad distributiva en comparación con el sistema co-giratorio.
Índice de distribución
Escala de separación
La escala de separación caracteriza el progreso de la mezcla distributiva. Como se muestra en la Fig. 10, la escala de separación inicial es grande porque los dos tipos de partículas entran desde lados opuestos. A medida que avanza la mezcla, la escala de separación disminuye debido a la acción dispersiva inducida por el tornillo-, lo que indica una mezcla a nivel de superficie- más profunda. Las fluctuaciones observadas son causadas por la agregación de partículas durante el flujo.
La curva de escala de separación-de la extrusora de doble tornillo co-corotativo-se mantiene constantemente por debajo de la del sistema contra-giratorio, lo que demuestra su mayor capacidad de mezcla distributiva.
En la extrusión de tornillo gemelo-corotativo-, ambos tornillos giran en la misma dirección y generan un fuerte corte en la zona de entrecruzamiento. Esto promueve el intercambio frecuente de material entre los tornillos, lo que proporciona una mezcla distributiva más uniforme.
Por el contrario, la extrusión contra-giratoria retiene la mayor parte del material dentro de la cámara en forma de C-. Sólo una pequeña porción ingresa a la región del espacio donde ocurren el corte y el alargamiento. El mayor grado de cerramiento reduce el flujo irregular pero también reduce la uniformidad general de la mezcla.
Rendimiento de mezcla dispersiva
La mezcla dispersiva se define por la reducción progresiva del tamaño de las partículas, impulsada principalmente por tensiones de corte y alargamiento. El esfuerzo cortante máximo experimentado por las partículas trazadoras refleja la intensidad del proceso dispersivo. Una mayor proporción de partículas sometidas a un alto cizallamiento indica una mayor capacidad dispersiva.
Como se muestra en la figura. 11, el tornillo gemelo contra-giratorio-muestra una curva de probabilidad más alta, lo que sugiere que expone más partículas a niveles elevados de cizallamiento.
Probabilidad del esfuerzo cortante máximo
La figura . 12 muestra la densidad de probabilidad del esfuerzo cortante máximo, donde el pico indica el nivel de estrés experimentado con mayor frecuencia por las partículas.
Las características de la curva de ambos sistemas confirman que el tornillo gemelo contra-giratorio-proporciona fuerzas de corte y alargamiento más fuertes, lo que da como resultado una mezcla dispersiva superior en comparación con el diseño co-giratorio.
Análisis de prueba de impacto de tracción.
Las figuras. 13 y 14 resumen los resultados de las pruebas de tracción e impacto.
El material extruido por el tornillo gemelo co-corotativo- muestra una resistencia a la tracción y un alargamiento de rotura ligeramente mayores.
Por el contrario, las muestras del sistema contra-giratorio exhiben una absorción de energía de impacto y una resistencia al impacto ligeramente mayores.
Datos de prueba de tracción
Datos de la prueba de impacto
Ventajas de las extrusoras de tornillo gemelo-corotativas-:
Campo de flujo más estable, especialmente en términos de control de presión.
Fuerte distribución-rendimiento de mezcla con alta uniformidad del material.
Tiempo de residencia más corto y mayor eficiencia de transporte, ideal para formulaciones sensibles al calor-y minimización de la degradación térmica.
Los extruidos exhiben mejores propiedades de tracción.
Ventajas de las extrusoras de tornillo gemelo-contrarrotativas-:
Mayor capacidad-de generación de presión (con atención a los picos de presión localizados).
Efectos de corte y estiramiento más fuertes, lo que proporciona una mezcla dispersiva superior.
Distribución del tiempo de residencia-más larga y amplia, adecuada para procesos que requieren tiempos de reacción o mezclado prolongados.
Los extruidos muestran una mayor resistencia al impacto y una menor viscosidad de la masa fundida debido a una escisión más extensa de la cadena.