Per il processo di produzione di un cavo in silicone, di rilevante importanza è la corretta progettazione di:
- Testa di Estrusione
- Estrusore
- Circuito di raffreddamento di testa e vite
- Sistema di reticolazione ed eventuale raffreddamento del cavo.
I parametri critici per l’estrusione del silicone o gomme siliconiche sono:
- Temperatura della mescola in estrusore e testa
- Pressione di lavoro che genera innalzamenti di temperatura per attrito viscoso interno
- Ristagni in estrusore, raccordi e testa.
Eccessive temperature della mescola portano sia a pre-reticolazioni che a perdite di agente reticolante.
L’estrusore va progettato in termini di cilindro, sistema di alimentazione strisce, vite di estrusione e sistema di raffreddamento. Il cilindro è normalmente in bimetallico.La zona di alimentazione è liscia senza rigature.Il cilindro è raffreddato ad acqua. La modalità di raffreddamento del cilindro influisce sul processo. E’ possibile adoperare una termocoppia per il rilievo della temperatura dello stesso.
La vite è in acciaio da nitrurazione con bassissima rugosità e porosità, con riporti sui filetti in TIG5 o Colmonoy per una elevata resistenza all’usura e alla corrosione.
La vite è normalmente a semplice compressione. Il rapporto di compressione della vite varia indicativamente da 1:1,15 < R.C. < 1 : 1,50 in base al design della vite e cilindro.L’estrusore ha un rapporto 12 <L/D< 15.
La compressione nella vite può essere generata mediante:
- incremento di diametro del nocciolo vite (compressione radiale)
- riduzione del passo dei filetti (compressione assiale).
- Mista assiale e radiale.
La vite di estrusione prevede il raffreddamento al fine di stabilizzare il flusso ed evitare surriscaldamenti del compound che possono portare a pre-reticolazioni della mescola e difetti su cavo.La vite è a volte dotata di un sistema di “grip” sulle creste dei filetti in alimentazione per aiutare l’alimentazione della striscia.L’alimentazione avviene tramite un rullo raffreddato e motorizzato.
La motorizzazione agisce sulla modalità di alimentazione dell’estrusore: “Bocca piena” e “Bocca affamata”.
Se il rullo di alimentazione è meccanicamente legato al giro vite si avrà una alimentazione a bocca piena con possibilità di “rigurgiti di silicone” in alimentazione che possono creare aumento di frizionamento e conseguentemente riscaldamento della mescola. Ciò può essere evitato o tenuto sotto controllo cambiando le dimensioni della striscia in alimentazione.
Nel caso di rullo motorizzato elettricamente, mediante motore esterno, è possibile svincolare la velocità di alimentazione del rullo (della striscia) con quello della vite. Ciò permette di variare la velocità del rullo di alimentazione striscia indipendentemente dai giri vite, permettendo di passare da bocca piena a bocca affamata senza agire sulle dimensioni della striscia in ingresso.
Per il silicone è importante, come già detto, di evitare surriscaldamenti totali e localizzati riducendo al massimo possibile gli attriti nella mescola e tra mescola e componenti meccanici. Per questo motivo sono di fondamentale importanza I trattamenti superficiali di cilindri-vite e testa di estrusione.
La ganascia di collegamento raccordo testa di estrusione con il cilindro deve anch’essa essere raffreddata ad acqua.
In conclusione è importante considerare e ridurre il frizionamento della mescola con organi meccanici (vite, cilindro, rulli, convogliatori), ridurre la pressione di lavoro e conseguentemente il surriscaldamento, ovviamente evitando ristagni o depositi di compound.
La temperatura del silicone processato è influenzata da:
- Pressione di lavoro che crea surriscaldamenti della mescola e surriscaldamenti localizzati che possono generare pre-reticolazioni localizzate.
- Frizionamento in estrusore derivante dal design di vite e cilindro, dallo shear rate ossia velocità del compound.
- Frizionamento della mescola nel rullo di alimentazione
- Frizionamento nei canali del convogliatore, camera stampi e raccordi di collegamento.
Alte Temperature o surriscaldamenti possono portare a pre-reticolazioni, perdita di agenti di reticolazione e difetti su cavo quali puntini o parti bruciate o pre-reticolate. Da ciò si evince che è importante la progettazione e il design della vite e della testa di estrusione in termini di:
- Diametro nocciolo della vite in alimentazione, passo in alimentazione e passo in compressione-pompaggio, diametro nocciolo della vite in pompaggio.
- Raffreddamento del convogliatore
- Raffreddamento testa, filiera (porta-filiera) e anelli skin.
- Portata d’acqua di raffreddamento e circuito di raffreddamento della testa , del convogliatore e del fronte testa/porta-filiera.
Per quanto riguarda il calcolo del convogliatore è necessario innanzitutto definire un profilo geometrico e cineto-dinamico che eviti ristagni di materiale.Ossia bisogna definire accuratamente le dimensioni della sezione del canale di alimentazione, la sua variazione di sezione e le dimensione dei canali di distribuzione.
Per quanto riguarda la sezione di alimentazione, essa è fondamentale per ridurre la pressione all’impatto evitando ristagni e garantire un alimentazione sufficiente ed efficiente ai canali di distribuzione assial-simmetrici. Lungo la traiettoria dei canali di alimentazione è opportuno realizzare una variazione di sezione tale da generare un effetto “Autopulente” soprattutto a basse velocità di rotazione della vite evitando altresì depositi, ristagni.
Per il fenomeno del surriscaldamento è molto importante il valore del coefficiente di attrito tra mescola e convogliatore e tra mescola e corpo testa, bisogna quindi effettuare trattamenti superficiali atti a facilitare lo scorrimento della mescola, garantire una elevata resistenza alla abrasione/usura e alla corrosione. Il surriscaldamento della mescola è altresì generato, seppur in percentuale ridotta, dalla conformazione geometrica della sezione dei canali, dalla loro variazione di sezione e dalla conicità del convogliatore.
Analizziamo una sezione di canale “Sn” su un punto n lungo la traiettoria di flusso della mescola nei canali di distribuzione. La sezione del canale Sn non è perfettamente rettangolare, ma trapezoidale. Il tutto poi variabile lungo la traiettoria di flusso. Schematizzando inoltre la sezione di mescola nella zona Sn come un assieme di layer, è ovvio che tra i layer inferiori e superiori vi sia una differenza di velocità. Tale variazione di velocità genera sia una coppia interna che uno scorrimento tra le macromolecole, creando surriscaldamenti della mescola stessa per taglio. Per questo motivo è importante la geometria del canale e il raffreddamento del convogliatore, oltre che del corpo testa. Il convogliatore agisce sulla zona interna della mescola e la testa nella zona esterna.
Il circolo di acqua o liquido di raffreddamento e il flusso sono di vitale importanza per il corretto processo di estrusione. La testa, il porta-filiere, il fronte testa e i raccordi devono essere raffreddati a liquido. Anche il convogliatore è preferibile raffreddarlo.
Le modalità di flusso dell’acqua agiscono sulla efficienza dello scambio termico.
Importante è anche la progettazione degli stampi e della camera stampi al fine di evitare innalzamenti delle pressioni di lavoro, stress sulla mescola e zone di ristagno. E’ altresì importante riuscire a regolare il “Gum Space” e quindi la distanza tra guidafilo e filiera.
HP EXTRUSION ha progettato un circuito e flusso di raffreddamento atto a garantire un efficiente scambio termico ed eccellente distribuzione della temperatura. Il convogliatore e la testa hanno un profilo opportunamente dimensionato evitando ristagni di materiale e riscaldamenti localizzati nei canali e nelle zone di travaso. Il convogliatore, il corpo testa ed eventuali anelli skin sono sottoposti a trattamenti superficiali aggiuntivi, oltre ai trattamenti termici di indurimento superficiale, che:
- Riducono il coefficiente di attrito.
- Aumentano lo scorrimento della mescola nel convogliatore evitando surriscaldamenti per frizionamento interno e cineto-dinamico.
- Aumentando la resistenza all’usura e alla corrosione.
