Nuove opportunità di crescita per l’estrusione della plastica

Riceviamo e pubblichiamo un approfondimento dell’ingegnere Stefano Vinto di R+W dedicato alle nuove opportunità di crescita per l’estrusione della plastica.

La tendenza a limitare l’uso della plastica è bilanciata da riciclo e alleggerimento, concetti che forniscono nuovo impulso alla produzione di macchinari. Questi richiedono componenti all’avanguardia per essere efficienti: in particolare nel segmento dell’estrusione, processo di trasformazione economicamente conveniente, è fondamentale tener conto di materiali, componenti e attrezzature di supporto per ottimizzare prestazioni e qualità dei prodotti.

Economia circolare ed efficienza energetica

La tendenza a limitare l’uso della plastica in alcuni settori ha inevitabilmente influenzato l’andamento del mercato delle macchine destinate alla produzione di oggetti in questo materiale. Ma nuove opportunità di crescita per il settore  arrivano dall’economia circolare e dalla lotta alle emissioni inquinanti. Sebbene lo sviluppo del settore abbia conosciuto un rallentamento negli ultimi due anni, questo si è verificato dopo un lungo periodo di crescita, durante il quale il comparto si è rafforzato consentendo alle imprese di investire nella ricerca e nello sviluppo di nuove tecnologie. L’attualissimo tema della circular economy rappresenta per l’intero comparto un’opportunità per un notevole sviluppo, a condizione che le industrie propongano impianti in chiave Industry 4.0, con cicli produttivi improntati al risparmio energetico e capacità di riprocessare materie plastiche riciclate.
Macchinari che richiederanno una componentistica all’avanguardia. Lo sa bene R+W Italia, che già ha in catalogo prodotti capaci di rispondere alle esigenze delle aziende produttrici. 
i macchinari per il riciclaggio della plastica possono infatti raggiungere la massima efficienza se dotati di dispositivi all’avanguardia come limitatori di coppia capaci di prevenire i fermi macchina  entrando in funzione nel momento in cui un sovraccarico di lavoro dovesse bloccare l’impianto. Senza i limitatori di coppia il rischio di registrare guasti o rotture è molto elevato; incidenti simili possono fermare l’intera produzione e inficiare la competitività dell’azienda. Anche le emissioni zero per le auto possono essere una chance: i limiti sempre più stringenti alle emissioni di ossidi di azoto, idrocarburi, polveri sottili, monossido di carbonio e, più recentemente, anche di CO2 imposti dalla UE alle automobili daranno impulso all’utilizzo delle materie plastiche nel settore automotive. La plastica rappresenta infatti il materiale ideale per la diminuzione del peso delle vetture, che si traduce in minori consumi e meno emissioni inquinanti.

Il processo di estrusione plastica

Fra le tecnologie di trasformazione delle materie plastiche riveste particolare interesse l’estrusione, finalizzata alla produzione di prodotti finiti destinati all’industria o ad applicazioni dedicate al consumatore finale: si tratta di un processo caratterizzato da alti livelli di integrazione. Tale caratteristica fa sì che l’implementazione di tale processo possa aprire a due scenari tipici: l’estrusore costituisce un componente della linea di produzione e l’estrusore costituisce l’intera linea di produzione. Tra le principali criticità del processo vi è, ad esempio, la regolazione ottimale della temperatura dell’estrusore. Una scorretta regolazione della temperatura determinerebbe, infatti, la formazione non appropriata delle mescole polimeriche impiegate, il raffreddamento non efficiente della gola di alimentazione, la temperatura di fusione errata all’uscita dell’estrusore, l’estrattore alla fine della linea di produzione che viene azionato non alla giusta velocità o una qualsiasi altra condizione operativa scorretta in combinazione con le altre. All’attività di settaggio dei parametri di produzione, va poi affiancata quella di programmazione di tutti gli interventi di manutenzione ordinaria e straordinaria. Tali attività risulteranno ottimali nella gestione di una linea di produzione, all’interno della quale opera un estrusore plastico correttamente progettato. Per tale macchinario, la scelta ottimale dei componenti degli azionamenti da parte del progettista, costituisce un fattore determinante per il conseguimento sia dei livelli di produttività prestabiliti che della qualità del prodotto finale. Tale attività di scelta dei componenti è fondamentale anche nel conseguimento degli opportuni livelli prestazionali dell’impianto, in termini di sincronismo dei tempi di esecuzione delle singole fasi di produzione, al fine di garantire ulteriormente la conformità del prodotto.

Nella Figura 1 viene mostrato lo schema funzionale di un impianto di estrusione plastica. Il materiale fuso viene forzato successivamente attraverso l’orifizio della piastra della filiera. Il profilo così ottenuto viene successivamente sottoposto a raffreddamento: ulteriori passaggi del profilato sono possibili attraverso una serie di piastre di dimensionamento o di utensili di formatura, al fine di ottenere la forma finale della sezione del prodotto. Il calore in eccesso dal profilo viene poi rimosso tramite bagni di acqua fredda, getti di aria compressa o contatti con superfici raffreddanti, al fine di conseguire gli opportuni livelli di stabilità dimensionale prima delle fasi finali di produzione.

Componenti e funzionalità di un estrusore di materie plastiche

Le componenti di un estrusore possono essere schematicamente rappresentate come in Figura 2. Tale schematizzazione è valida sia nel caso in cui l’estrusore costituisca un macchinario singolo, che in quello in cui sia rappresentativo dell’intera linea di produzione. Si consideri il sistema mostrato in Figura 3.

Compito principale del cilindro è quello di ospitare la vite e di fornire il percorso di sviluppo alla filiera per la produzione del profilo desiderato. Si consideri il sistema mostrato in Figura 4. La progettazione della vite dell’estrusore è tale da consentire il dosaggio successivo e la fusione graduale del pellet di materiale plastico; contestualmente a tali azioni, la vite esercita una pressione sul materiale con

conseguente sollecitazione lungo il suo asse. Durante la rotazione della vite, il pellet di resina viene successivamente dosato dai suoi filetti e gradatamente fuso, sviluppando pressione lungo il suo percorso. La progettazione di tale componente richiede, comunque, ulteriori approfondimenti ed indagini preliminari durante le attività di ricerca e sviluppo. Per affrontare le evidenti le criticità progettuali della vite di un estrusore, si ricorre a tecniche di simulazione numerica basate sulla Fluidodinamica Computazionale (CFD), sul Metodo degli Elementi Finiti (FEM) e sul Metodo degli Elementi Discreti (DEM). L’impiego  di software CAE che implementano tali tecniche di simulazione, agevola l’affidabilità delle attività di progettazione e di predizione delle condizioni operative.

 

 

Nella Figura 5 vengono mostrati i risultati di una simulazione multifase in regime transitorio della qualità di distribuzione della miscela. Tale tipo di simulazione integra, ad esempio, i risultati della simulazione in regime transitorio bifasica mostrata in Figura 6, che permettono il calcolo delle sezioni della vite riempite parzialmente secondo le prerogative del Design of Experiment (DOE). L’evidente complessità dell’im

piego di tale tecniche di simulazione, viene ulteriormente incrementata quando si tiene conto del contributo del calore da scorrimento e della pressione, entrambi crescenti fino al raggiungimento della filiera da parte del materiale. Tali fattori risultano determinanti nella progettazione degli estrusori bivite, come mostrato nei risultati della simulazione in Figura 7. Il dimensionamento del cuscinetto reggispinta tiene contro del suo posizionamento tra la vite ed il gruppo dato dall’accoppiamento cinematico tra motore e riduttore. Esso risulta così soggetto al carico assiale derivante dalla vite posta in rotazione contro il materiale plastico in lavorazione. Previene così il moto retrogrado della vite nel cilindro, assorbendo i carichi generati dalla vite durante il processo.

 

In Figura 8 viene mostrato il particolare del cuscinetto reggispinta all’interno di un gruppo motoriduttore di un estrusore. Le fasce di riscaldamento hanno il compito di mantenere costante, in una certa zona del cilindro, la temperatura del materiale. In Figura 9 viene mostrato un esempio di fascia di riscaldamento. Compito del disco forato è quello di ritenere il pacco filtri nel suo alloggiamento. In Figura 10 ne viene mostrato un esempio.

Il pacco filtri consiste in una serie di filtri in filo metallico sotto forma di retine di diverse dimensioni, usato per filtrare gli eventuali contaminanti o particelle di resina non fusa prima che essi raggiungano la filiera, proteggendola dal danneggiamento. In Figura 11 viene mostrata una rassegna della tipologia di filtri comunemente prodotti. Il compito della filiera è quello di far sì che il materiale riscaldato assuma la forma richiesta. Negli impianti di estrusione delle materie plastiche,  le tipologie di filiere più ricorrenti sono quella piana standard e quella conica. In Figura 12 viene mostrato un esempio di filiera per la realizzazione di profili tecnici.

Nella camera di raffreddamento, il profilo passa attraverso un bagno d’acqua in movimento o attraversi un serie di getti di aria compressa. Tale componente può essere dotato di sistemi di rimodellamento per il mantenimento dei requisiti di tolleranza e di conservazione della forma. Nella Figura 13 viene mostrata una camera di raffreddamento a bagno d’acqua con sistema proprietario di antiovalizzazione dell’estruso. In Figura 14 viene mostrato un set di piastre di calibrazione con relativo il sistema di raffreddamento.

 

All’uscita della camera di raffreddamento, il profilato fa il suo ingresso in una stazione di traino. Tale componente il compito di mantenere il profilo in movimento attraverso l’intero processo, ad una velocità costante. In Figura 15 viene mostrato un esempio di stazione di traino. Il profilo raggiunge così la stazione di taglio ormai completamente raffreddato. In Figura 16 viene mostrato un esempio di stazione di taglio.

Il ruolo del fornitore di componenti

La progettazione di un impianto di estrusione di materie plastiche, richiede una scelta accurata degli accoppiamenti cinematici. R+W, azienda leader nella produzione di giunti e alberi di trasmissione,  è in grado di mettere la sua esperienza a disposizione del progettista. In tutti quegli estrusori in cui è necessario combinare le esigenze di protezione della catena cinematica a quelle di smorzamento delle vibrazioni, R+W fornisce anche una gamma completa di soluzioni per tutte le esigenze di trasmissione quali i limitatori di coppia della serie ST. Assolutamente privi di gioco, i limitatori di coppia ST permettono di proteggere il sistema motore in caso di sovraccarico, scollegandolo dalla parte condotta nel giro di pochi millisecondi. Estremamente precisi, trasmettono la coppia con gande accuratezza e intervengono solo in caso di effettiva necessità. Inoltre consentono un riarmo semplice e rapido non appena viene rimossa la causa del sovraccarico. Per una consulenza personalizzata, contattate R+W telefonicamente (02 2626 4163), via mail (info@rw-italia.it), tramite webchat disponibile sul sito www.rw-giunti.it o tramite i canali social dell’azienda: potrete contare su #progettiSicuri con R+W!