In un precedente contenuto dedicato all’ottimizzazione delle prestazioni delle macchine per materie plastiche ci eravamo occupati delle soluzioni che CD Automation dedica alle macchine per materie plastiche per ottimizzarne le prestazioni di riscaldamento. Oggi ci soffermeremo, più nel dettaglio, su un’operazione cruciale per questo processo: l’estrusione. Si tratta di una procedura tecnologica utilizzata per trasformare un polimero, in granuli o in polvere, in un manufatto di forma continua, grazie all’azione combinata di pressione e calore.
Estrusione: di cosa si tratta?
Il processo di estrusione delle materie plastiche prende il nome dal macchinario impiegato: l’estrusore, secondo le operazioni e gli elementi che andiamo a descrivere: dalla tramoggia di alimentazione il polimero entra in un cilindro; qui viene fuso, omogeneizzato e spinto in avanti da una vite, fino a giungere alla testa dell’estrusore, che gli imprime la forma voluta. Il manufatto, in uscita dalla macchina, viene raffreddato mediante acqua o aria. In seguito la plastica è arrotolata o tagliata secondo la dimensione desiderata.
Estrusione: una procedura termica
Il materiale utilizzato per il processo di estrusione è di tipo termoplastico. Esso diventa infatti morbido quando viene riscaldato e si indurisce durante il raffreddamento.
Ma come si ottiene il calore necessario per l’estrusione? Il calore si genera principalmente grazie all’azione di attrito che la vite, sospinta da un motore, produce ruotando nella massa plastica, e solo in parte grazie ai riscaldatori presenti sul cilindro.
Focus sul cilindro estrusore
Il cilindro, impiegato nell’estrusione, è diviso in diverse zone, ciascuna provvista di sistemi di controllo per il riscaldamento e per il raffreddamento, i quali garantiscono la temperatura necessaria al processo. Tali temperature non sono le medesime della plastica all’interno del cilindro, sebbene misure simili siano registrate lungo la testa e la filiera. Ogni zona è caratterizzata infatti da una specifica necessità termica. Un’attenzione particolare merita la zona posteriore del cilindro, vicina all’alimentazione della tramoggia: essa incide sul tasso di alimentazione e sulla velocità di produzione.
Estrusori: monovite o bivite?
La maggior parte degli estrusori è a vite singola. L’estensione di tale sistema è espressa dal rapporto lunghezza/diametro, dove i livelli di produzione risultano direttamente proporzionali alla lunghezza della vite.
La vite è suddivisibile in tre zone:
- di alimentazione: la profondità è costante e sufficiente a trasportare i grani di materiale plastico.
- di compressione: la profondità diventa tanto minore quanto il diametro della vite si avvicina alle pareti, incrementando così la pressione sul materiale plastico e prevenendo la formazione di aria tra i granuli in maniera continua all’interno del cilindro.
- di dosaggio: la plastica si trova in uno stato di pressoché completa fusione ed è pronta per la miscelazione finale e per l’estrazione attraverso la filiera. Questa zona presenta una profondità costante ed inferiore a quella di alimentazione.
Agli estrusori monovite si affiancano quelli bivite, costituiti cioè da due viti compenetranti nel cilindro. Questa tipologia si divide a sua volta in due sottocategorie a seconda del senso di rotazione delle viti: concorde per l’estrusore bivite corotante e discorde per quello controrotante.
Come azionare gli estrusori?
I macchinari impiegati nell’estrusione sono solitamente pilotati da azionamenti in alternata AC, noti come inverter. Gli interventi sulla frequenza permettono di regolare la velocità del motore, che è superiore rispetto a quella necessaria a muovere la vite. Pertanto risulta fondamentale ridurre la velocità trasmessa dal motore, intervenendo sulla combinazione e la dimensione di paranchi e ingranaggi. Tale intervento consente di operare sfruttando una velocità, e di conseguenza una potenza, prossima al valore massimo.
La regolazione termica del cilindro
Come abbiamo indicato precedentemente, la temperatura del cilindro è controllata lungo tutta la sua estensione da diversi loop di regolazione a singolo e a doppio intervento; i primi gestiscono il solo riscaldamento elettrico, i secondi anche il raffreddamento.
Un loop di regolazione si compone dei seguenti elementi:
- un sensore di temperatura (una termocoppia J o K).
- un regolatore con ingresso sensore e alcune uscite per controllare l’attuatore.
Più loop di regolazione possono essere inseriti all’interno di un regolatore multizona o come libreria all’interno di un PLC. Il regolatore può controllare anche la parte di raffreddamento, collegando una delle sue uscite ad una ventola. Il raffreddamento può inoltre essere ottenuto tramite un chiller esterno ed uno scambiatore di calore, tramite acqua o olio. - un attuatore (generalmente un relè statico).
- uno tra i seguenti elementi riscaldanti: resistenze a fasce con isolamento in ceramica o mica, resistenze tubolari corazzate in fusione d’alluminio, resistenze a cartuccia collegate in serie, lampade infrarossi al quarzo e resistenze elettriche in pressofusione.
Le mansioni dei riscaldatori
I riscaldatori svolgono cinque funzioni determinanti per il processo di estrusione:
- consentono un avvio sicuro, evitando partenze “a freddo” potenzialmente dannose per le attrezzature.
- compensano la perdita di radiazioni durante il funzionamento.
- controllano, mantengono e variano la temperatura dello stampo.
- riducono la resistenza, contraendo la viscosità sulle superfici metalliche interne.
- riscaldano la superficie emergente per ottenere una maggiore brillantezza.
Il valore dei sistemi di controllo della temperatura
Da queste considerazioni preliminari si evince facilmente la strategicità di un sistema di controllo e gestione efficiente, continuo e in tempo reale della temperatura. Un sistema che deve essere studiato e progettato originariamente in base, in primis, alla tipologia di processo, al materiale scelto e alla percentuale di scarto. Ma che, in secundis, deve essere calibrato sulla scorta delle esigenze specifiche delle diverse zone, come avevamo spiegato in precedenza.
Una famiglia dedita all’estrusione
CD Automation, forte di un’esperienza trentennale nel settore, conosce l’importanza di queste valutazioni e si propone come partner ideale nell’ambito dell’estrusione delle materie plastiche. L’azienda ha infatti prodotto unità di potenza appositamente studiate per questo mercato: la Serie REVO.
La famiglia di unità statiche REVO garantisce la configurabilità e la modularità dei suoi componenti, due qualità che incidono positivamente sulla crescita delle prestazioni. Tali caratteristiche consentono, inoltre, una drastica riduzione delle dimensioni del quadro di comando e dei tempi necessari per il cablaggio.
Ottimizzare la Power Quality
CD Automation sostiene i propri partner con progetti di Power Quality customizzati per la diminuzione dei disturbi sulla linea di alimentazione elettrica, il riscaldamento dei cavi elettrici e le perdite di energia. Per l’efficientamento e la sostenibilità dei processi di estrusione, l’azienda ha sviluppato, in particolare, l’unità di potenza multicanale REVO PN, capace di gestire applicazioni con molte zone di potenza. Grazie all’algoritmo di distribuzione della potenza erogata, con REVO PN è possibile bilanciare e limitare il picco di corrente richiesta così da mantenere un’alta qualità della corrente assorbita, limitando le perdite e i consumi.
Il ruolo di REVO PN
L’impiego di REVO PN nei processi di estrusione consente di ridurre sensibilmente i picchi di potenza, mantenendoli al di sotto dei livelli concordati contrattualmente ed evitando penali e spese impreviste.
L’unità gestisce fino a 24 elementi riscaldanti. Sincronizzando le accensioni di tutti i canali è possibile evitare picchi di tensione, mantenendo il fattore di potenza prossimo a 1.
Inoltre, ciascun modulo può comunicare autonomamente con i più diffusi bus di campo e diagnosticare tempestivamente le rotture degli elementi riscaldanti e i cortocircuiti sui tiristori.
L’offerta di CD Automation per l’estrusione
CD Automation garantisce un’offerta completa per la gestione della termoregolazione e della potenza per le operazioni di estrusioni delle materie plastiche, grazie allo sviluppo di una serie di pacchetti di automazione, capaci di fornire ai system integrator una base solida da personalizzare. I pacchetti comprendono: supervisore, software, PLC, regolazione temperatura e pressione Melt, sensoristica Melt e temperatura.
CD Automation fornisce, inoltre, pacchetti per la gestione di estrusori da laboratorio o piccoli estrusori da 4 a 16 zone di regolazione, i quali garantiscono soluzioni complete di pannello operatore, termoregolatori da retro quadro o da pannello, counter, timer o sequencer.
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