ANALISIS DEL PROCESO DE EXTRUSIÓN DE PELÍCULA TUBULAR DE POLIETILENO PARA LA FABRICACIÓN DE BOLSAS EN LA EMPRESA IMBOPLAST, S.A.

INTRODUCCIÓN

En la obtención de películas sopladas de polietileno, la extrusión es el proceso más importante, puesto que es donde se produce el semielaborado que se utiliza en la fabricación de las bolsas de polietileno. En este proceso se deben controlar diversas variables (temperaturas, velocidades y material de Polietilenos) dado que se requiere que la película sea manufacturada con las dimensiones, espesor y peso establecidos, que resulte de una buena calidad y que adicionalmente el desperdicio, por inconformidades, sea llevado al mínimo. Evidentemente que esto es una tarea que, en la mayoría de los casos, no es sencilla de ejecutar, debido a que hay factores que afectan el comportamiento y el estándar de calidad requerido del producto. Lo deseable en esta actividad fabril es conseguir que esos supuestos sean alcanzados a objeto de tener seguridad de que la rentabilidad estimada no se verá reducida.

Sin lugar a duda, los altos estándares de calidad de los productos proceden de una justa combinación de excelentes materias primas, utilizadas durante el proceso productivo, de las pruebas de calidad realizada, así como de la excelente pericia del personal de supervisores y de operaciones y del preciso mantenimiento de los equipos.

La garantía para conseguir las condiciones mencionadas es asegurar que se tenga los equipos bien mantenido, que aseguren un flujo consistente de material a través del proceso, con un adecuado estándar de calidad y con un diseño apropiado del mejoramiento de la eficiencia de la producción. Por ello es conveniente analizar el proceso de extrusión de película de polietileno, de la empresa IMBOPLAST, para identificar los factores que afectan la uniformidad del espesor de la película y con ello proponer las correcciones pertinentes.

GENERALIDADES SOBRE EL PROCESO DE EXTRUSION DE LA PELÍCULA DE POLIETILENO

La producción máxima siempre será la perspectiva fundamental en el proceso de Extrusión de Películas Sopladas de Polietileno, aunado con la mínima variación del espesor de la película y por consiguiente de su calidad. Para lograr una producción eficiente y efectiva en costos, todo el personal responsable del proceso de la película soplada debe tener conocimiento claro de cada uno de los componentes, de su interacción dentro del proceso y de las especificaciones que deben existir para que el producto final sea elaborado dentro de los estándares prescritos.

En líneas generales el proceso de extrusión de la película se explica de la forma siguiente:

Después del acondicionamiento y manejo del Polietileno, esta sale fundida del cabezal de un extrusor a una temperatura aproximada de 200 °C, se va conformando una película tubular y luego con el suministro de una corriente de aire se forma una burbuja. El diámetro de la burbuja de la película tubular en general será mucho mayor que el diámetro del cabezal del extrusor. La altura a la que se eleve la película es importante en el proceso y es determinada por la altura de una torre estructural (unidad de levantado) (Figura 1). En la parte de arriba de esta torre hay dos rodillos los cuales colapsan la burbuja en forma de película plana y luego empieza a bajar hasta una embobinadora en donde se procede a enrollarla. La bobina de la película, para la fabricación de la bolsa plástica, deberá tener el ancho y el espesor especificado y un determinado peso para que pueda ser manejada por un operador.

En el proceso total de extrusión de la película soplada de polietileno, hay cuatro etapas básicas:

1. Acondicionamiento y manejo del Polietileno2. Extrusión de la película de Polietileno3. Salida de la película de Polietileno4. Embobinado de la película de Polietileno

1. ACONDICIONAMIENTO Y MANEJO DEL POLIETILENO

Una forma de reducir los problemas del procesado del polietileno es lograr que el material entre sin contaminantes a la extrusora. Aunque el polietileno no es higroscópico, se debe tener el cuidado de suministrar los pellets limpios. Siempre que se mueve el polietileno con una corriente de aire o vacío hacia la extrusión existirá la posibilidad de contaminación. El polvo, fibras y pelos pueden atascar el filtro u otros componentes del sistema de

transferencia, lo que causaría interrupción de la alimentación. Este problema puede significar la parada del extrusor con la consiguiente generación de desperdicios, aumento de costos por paradas del equipo y horas hombres requeridos para ejecutar la limpieza de los componentes taponados. Es por ello que asegurar la limpieza de los pellets y prevenir su contaminación durante el proceso de suministro hacia el extrusor es uno de los pasos a seguir para asegurar la calidad del producto final.

El reciclado de polietileno puede que provea un beneficio económico en operaciones donde la cantidad de desperdicio es grande, primordialmente si procede de recortes de la máquina de fabricación de bolsas o de pequeños desperdicios de la operación de la extrusora. La desventaja con el reciclado procesado en pellets es que el polietileno ha tenido, por lo menos, dos situaciones de calentamientos, lo que lleva a la degradación de sus propiedades y a la variación de la geometría de los gránulos (pellets), la cual es mayor con relación al material virgen. Es recomendable que cuando se mezcle polietileno virgen con reciclado hacerlo en la proporción adecuada y asegurase de que la mezcla quede homogeneizada.

2. EXTRUSIÓN DE LA PELÍCULA DE POLIETILENO

Los equipos utilizados para la extrusión de la película de polietileno emplean la técnica de termoformado y soplado: En primer lugar el polietileno se funde sometiéndola a calor y a presión en el interior del cabezal de un extrusor y, finalmente, forzando la masa fundida a través de una rendija estrecha del cabezal, en este caso de un círculo. La fina capa resultante tiene la forma de un tubo también llamada burbuja.

EXTRUSOR

El extrusor es, indiscutiblemente, el equipo más importante en la industria de procesado de polímeros. Extrudir significa empujar o forzar a salir algo. Un material es extrudido cuando se empuja a través de una abertura. En este equipo se funde el polietileno (polímero) para luego convertirlo en una película plástica y funciona de la siguiente forma: se introduce el material en forma de gránulos (pellets) a una tolva, luego pasa a un tubo dentro del cual hay un tornillo sin fin que gira y va triturando el material (Fig. 2). Esto lo hace a una temperatura de entre 180 y 200 grados centígrados.

Esta temperatura también depende de las condiciones ambientales. A esta temperatura el polietileno se va homogenizando. En el barril de calentamiento del tornillo giratorio los gránulos se funden lentamente, principalmente por el calor de fricción generado por la cizalladura entre el polímero y el barril. La masa fundida a temperatura y presión especificadas fluye a través del cabezal, en el que la conformación de la masa fundida toma una forma definida (película tubular) y luego se sopla para formar una de mayor diámetro y de menor espesor.

COMPONENTES DEL EXTRUSOR

TORNILLO

El tornillo de alimentación (fig. 3) es el alma del proceso de extrusión y es la parte que hace el trabajo de mover el polietileno a través del barril, de una manera estable y predecible. Básicamente es un eje metálico central con alabes helicoidales, instalado dentro de un cilindro metálico (barril) revestido con una camisa de resistencias eléctricas. En él se pueden distinguir tres zonas características que son: zona de alimentación, zona de compresión y la zona de dosificación, y si es diseñado específicamente para lograr un propósito definido, puede tener otras secciones adicionales.

1. En la zona de alimentación el tornillo toma de la tolva el polietileno y lo transporta a lo largo de éste. Durante el recorrido, los gránulos del polietileno generan fricción, al estar en contacto con las superficies del tornillo, con las del barril, y con la de ellos mismos. Esta fricción mecánica genera alrededor del 85% del calor necesario para comenzar su fundición, por lo que es fundamental que el equipo de accionamiento del giro tenga la potencia suficiente para superar la fricción y para que el tornillo pueda girar a una velocidad constante y controlada.

2. En la zona de compresión, la profundidad del canal entre las hélices del tornillo va disminuyendo con el fin de que se presurice y comience la fusión del polietileno. La fricción, el calor del barril y la compresión en esta etapa completan el proceso de fusión. Con esta zona se asocian dos parámetros importantes de diseño:

a. La relación de compresión se establece como la profundidad de las hélices en la zona de alimentación, dividida por la profundidad de las hélices en la zona de dosificación. Para otros compuestos o para presiones diferentes de funcionamiento se requiere relaciones de compresión diferentes.

b. La longitud de la zona de compresión afecta a la razón de compresión debido a la variación gradual del diámetro. Estos dos parámetros serán diferentes para diferentes materiales.

3. La zona de dosificación tiene un canal de profundidad constante y se diseña, primariamente, para el mezclado adicional del polietileno fundido. Al final se tiene una masa fundida firme y consistente, con una temperatura uniforme.

4. En algunos procesos, se requiere una sección de desgasificación o desvolatilización Esta es una zona más corta que sigue inmediatamente a la zona de compresión: La profundidad del canal se incrementa rápidamente, y la caída de presión resultante provoca una liberación de cualquier gas, que puede ser venteado o se extrae mediante una bomba de vacío.

BARRIL

Es cámara de acero de pared gruesa es diseñada para soportar presiones altas y en donde se aloja, con un ajuste perfecto, el tornillo de alimentación para constituir el cuerpo principal de la extrusora: El barril tiene una aleación

de acero endurecido en su pared interior para minimizar la corrosión y el desgaste causado por el polietileno.

El barril también se calienta para facilitar la fusión del polietileno. Aunque el principal contribuyente a la fusión es el calor por fricción, el calor que se suministra a través del barril sirve como un "ajuste fino" para el control de la temperatura y del suministro de energía. Por lo general se emplean resistencias eléctricas. La ventaja de esto es que se pueden configurar varias zonas de temperatura con múltiples elementos, para crear perfiles de temperatura a medida que los requisitos de energía del material a fundir vayan variando.

CONTROL DE LA TEMPERATURA EN EL BARRIL

El calentamiento del barril se produce mediante bandas de calentamiento, compuestas de resistencias eléctricas que proporcionan una parte de la energía térmica que el material requiere para ser fundido. El sistema de resistencias, en algunos casos va complementado con un sistema de enfriamiento que puede ser flujo de líquido o de aire. Todo este sistema de calentamiento es controlado desde un tablero, mediante termocuplas, donde las temperaturas de proceso se establecen en función del tipo de material y del producto deseado. Mediante las resistencias se suministra entre un 20-30% del calor necesario para fundir el polietileno. Para

suministrar el calor requerido, el calentamiento suele 38750 a 77500 W/m2.

TOLVA

La tolva es el depósito de materia prima en donde se colocan los pellets de material plástico para la alimentación continua del extrusor. Debe tener dimensiones adecuadas para ser completamente funcional; los diseños mal planeados, principalmente en los ángulos de bajada de material, pueden provocar estancamientos de material y paros en la producción.

CABEZAL

Es un dispositivo con una abertura que permite que un material plastificado forme una configuración particular. Está diseñado para compensar los efectos de contracción, ajustar el tamaño en dos dimensiones y manejar tasas de solidificación variables cuando una masa fundida se solidifica.

El cabezal debe estar libre de defectos y ralladuras, porque de lo contrario la masa fundida podría mostrar un patrón del defecto. El flujo de la masa fundida que va hacia el cabezal típicamente sigue una trayectoria cónica, con la abertura que tiene un espesor asociado con él. Esto resulta en que la masa fundida experimenta una caída de presión a medida que sale de la abertura, y con ello se evita la acumulación no deseada de material en lugares irregulares a lo largo del cabezal, causa que estropearía la conformación del material.

PLATO ROMPEDOR Y FILTROS

Constituyen el punto de transición entre la extrusora y el cabezal. A estos componentes les corresponde una parte importante de la calidad del material extrudido. El plato rompedor es el primer elemento del cabezal destinado a romper con el patrón de flujo en espiral que el tornillo imparte; mientras que la función de los filtros es la de eliminar del extrudido partículas y/o grumos provenientes de las impurezas, carbonización, pigmentos y/o aditivos, etc.

En lo que respecta a su diseño, el plato rompedor no es más que una placa cilíndrica con agujeros. Por otro lado, los filtros deben ser fabricados de malla de acero inoxidable, ya que de elaborarse con cobre o bronce tendrán un efecto catalítico sobre las reacciones termo-oxidativas.

3. SALIDA DE LA PELÍCULA DE POLIETILENO

El polietileno extruido al salir de la boquilla en forma de tubo se infla en forma de burbuja, con un diámetro y espesor de la película deseada, por medio de una inyección interna de aire introducido a través del cabezal a una presión de entre 15 a 35 kpa. Este aire es confinado dentro de una burbuja que se forma entre el cabezal y los rodillos de halado.

GEOMETRÍA DE LA BURBUJA

La geometría de la burbuja (fig. 7) depende de la influencia combinada de muchos parámetros del proceso. En general, la burbuja tiene un menor diámetro y un mayor espesor a la salida del cabezal y ocurre una transición a un mayor diámetro y un menor espesor a medida que ella se mueve hacia arriba y hacia la solidificación. En algún punto, la geometría se mantiene y permanece más o menos constante. Ese punto se denomina línea de enfriamiento (frozen line).

Existen varios parámetros para describir la geometría de la burbuja

Relación de soplado

Indica el incremento del diámetro de la burbuja respecto al diámetro del cabezal. El valor de esta relación se obtiene de la siguiente fórmula:

RS= Diámetro de burbuja/Diámetro del cabezal

El ancho de la abertura del cabezal dividida por la relación de soplado indica el espesor teórico del polietileno fundido después de su reducción por soplado.

Una forma más práctica de medir la relación de soplado es:

RS= 2 x el ancho de la lámina / π x Diámetro del cabezal ó

RS= 0,637 x ancho de la lámina / Diámetro del cabezal

Relación de adelgazamiento

Mide la reducción del espesor del polietileno fundido después de ser soplada. Está definida por la siguiente relación:

RA= ancho de la luz de la abertura del cabezal/espesor de la película x relación de soplado

Así, una relación de soplado alta implica un mayor adelgazamiento de las paredes de la burbuja y una orientación en sentido transversal de las moléculas, como resultado de soplar la burbuja para dar lugar a un diámetro mucho mayor que el del cabezal. Una relación de adelgazamiento alta dará lugar a un mayor adelgazamiento de las paredes y una orientación en sentido máquina debido a que se está tirando de del polietileno fundido a mayor velocidad de la que sale del cabezal.

En la práctica estos valores son aproximados ya que el polietileno fundido se expande por sí mismo cuando sale de la luz de la abertura del cabezal. El cálculo se hace usando las dimensiones de la abertura del cabezal porque es muy difícil medir las variaciones de expansión debidas a las características del polietileno usado y a las condiciones de extrusión.

Línea de enfriamiento

En una burbuja marca el lugar donde del polietileno fundido comienza a enfriarse. En el caso del polietileno de baja densidad o baja densidad lineal se puede observar un cambio en la apariencia de la burbuja, tornándose más opaca por encima de la línea de enfriamiento.

4. EMBOBINADO DE LA PELÍCULA DE POLIETILENO

La película al tomar su forma y dimensiones finales requiere de su acumulación de una manera apropiada a objeto de que se facilite su procesamiento posterior, como es la fabricación de la bolsa. Sin lugar a duda que esto se realiza mediante su enrollamiento hasta conformar bobinas. Para ello el equipo de extrusor cuenta, en su extremo final, con una bobinadora la cual guía, tensa y enrolla la película en un cilindro de cartón o plástico para obtener bobinas con cierto peso y diámetro a objeto de que sean manejadas, con facilidad, por un operador. La bobinadora está diseñada con unos motores que accionan los rodillos, los cuales deben tensar la película sin

llegar a romperla, guiándola hasta un último rodillo de acumulación o embobinado.

ANALISIS DEL CONTROL DEL ESPESOR DE LA PELÍCULA DE POLIETILENO

La metodología que se usará en el estudio comprende cinco pasos: definición del problema, identificación de las causas fundamentales, generación de la solución del problema, selección de alternativa y propuestas para su aplicación y evaluación. Para complementar esos pasos se emplearán las herramientas de la calidad que se mencionan a continuación:

Diagrama de causa efecto y Pareto

DEFINICIÓN DEL PROBLEMA

En el análisis de procesos de la producción de bolsas plásticas de la empresa IMBOPLAST, S.A. se ha determinado que existe falencia en el control del espesor de la película de polietileno, lo que genera una inconformidad con la calidad del producto manufacturado y por ende un desconocido aumento de los costos de producción.

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

La situación planteada se observa cuando al terminar de conformar una bobina se efectúa la medición del espesor de la película y se determina que las mediciones están fuera de especificaciones; esto pasa porque durante la corrida de la producción no se tiene control sobre algunas variables que pudieran afectar directamente al espesor de la película y por ende el buen desarrollo de este proceso de fabricación.

FORMULACIÓN DEL PROBLEMA

Variabilidad en el espesor de la película

Por no tener un conocimiento preciso de todas las variables que rigen el proceso de extrusión, se desconoce cuál es la causa principal que ocasiona la alta variabilidad del espesor de la película soplada de polietileno, que impide mantener la calidad del producto dentro de estándares establecidos, lo que lleva a que se tenga un consumo adicional de material cuando el espesor se sale de lo previsto o bien que la resistencia a la tensión se reduzca cuando su espesor es menor que el estándar.

ALCANCES Y DELIMITACIONES

En este informe se pretende analizar, de forma técnica y exclusiva, el proceso de extrusión de películas de polietileno de alta y baja densidad con el fin de identificar las fortalezas y debilidades, analizar el problema que se presenta con la variación del espesor la película de polietileno, alcanzar los objetivos planteados, concretar y plantear las revisiones que deben efectuarse a este proceso.

OBJETIVOS

GENERAL:

Determinar el porqué de la variabilidad del espesor de la película soplada de polietileno en el proceso de extrusión para la fabricación de bolsas plásticas.

ESPECÍFICOS:

Analizar el proceso de extrusión para:

Conocer las operaciones de proceso de extrusión de la película

Determinar las especificaciones técnicas que aplican a este proceso.

Proponer una metodología, en conjunto con el Diseño de Experimentos, para obtener los valores que determinen los perfiles de temperaturas, para cada tipo de polietileno utilizado, que maximicen la razón de alimentación y la del fundido del extrusor en combinación con las adecuadas velocidades del tornillo y del motor de halado; esto con el fin de asegurar que el espesor se mantenga dentro de los estándares establecidos. Adicionalmente conseguir con ello disminuir el exceso de material utilizado, las paradas de producción innecesarias y los costos de fabricación de la película soplada de polietileno.

JUSTIFICACIÓN DEL ANÁLISIS

A objeto de permanecer en el tiempo, en un mercado competitivo, las empresas deben mejorar la productividad y la calidad de sus productos, controlando sus costos de producción y las pérdidas por desperdicios.

Pues bien en línea con lo antes planteado, en la industria de fabricación de película soplada de polietileno se hace muy importante asegurar que los espesores se mantengan dentro de especificaciones, lo cual es una manera efectiva de ahorrar materia prima, reducir el desperdicio y ser eficiente en el uso del tiempo del operador del equipo.

Adicional a estos deberán tomar en cuenta los incrementos permanentes del costo de la materia prima, por lo que es importante el mantener la cantidad de material usado en la producción de película a niveles precisos. Aunque una buena parte del desperdicio puede ser reprocesado, su calidad no es tan buena como la de la materia virgen. Por ello se vuelve ineludible el reducirlo al mínimo debido a que el costo del material perdido no se recupera.

EXTRUSORAS UTILZADAS EN EL PROCESO

USOS Y CARACTERÍSTICAS

Las extrusoras instaladas en esta empresa se utilizan para el soplado de películas plásticas de polietileno de baja densidad (LDPE), de alta densidad (HDPE) y polietileno de baja densidad lineal (LLDPE). Los cilindros (cañones) y tornillos de las extrusoras están hechos de una aleación de acero de alta calidad y con un mecanizado de precisión y un tratamiento superficial de nitruración, a fin de asegurar la dureza óptima y resistencia a la corrosión. El equipo auxiliar de las extrusoras está provisto de una plataforma para ser operado más convenientemente. El dispositivo de bobinado tiene un motor de torsión con la potencia suficiente para mantener la bobina con una tensión adecuada, embobinado ordenado y una sustitución práctica del rodillo.

La extrusora se maneja a través de un panel de control, en cual se hallan casi todos los elementos de control e indicadores de revoluciones, temperatura (Figura 1). En la tabla 1, se muestran las especificaciones de las extrusoras relacionadas con este análisis.

MODELO THD-45 THD-55 THD-60

FABRICANTE SUH FOUNG INDUSTRY CO., LTD. SUH FOUNG INDUSTRY CO., LTD. COSMO MACHINERY CO., LTD.

NUMERO DE IDENTIFICACION 3 2 4

DESCRIPCIONEQUIPO DE PELICULA SOPLADA A

ALTA VELOCIDADEQUIPO DE PELICULA SOPLADA A

ALTA VELOCIDADEQUIPO DE PELICULA SOPLADA

MATERIAL A PROCESAR POLIETILENO ALTA DENSIDAD POLIETILENO ALTA DENSIDADPOLIETILENO BAJA DENSIDAD

/ALTA DENSIDAD

ANCHO PERFIL PLANO (mm) 100-500 250 - 950 500-1250

ESPESOR DE PELICULA (mm) 0,01 a 0,03 0,01 a 0,03 0,015 a 0,03

CAPACIDAD DE EXTRUSION (Kg / hrs) 15-45 35 - 70 -----EXTRUSOR

DIAMETRO DEL TORNILLO (mm) - L/D 45 - 26:1 55 - 26:1 -----

VELOCIDAD DEL TORNILLO (RPM) 20-120 20-120 -----

POTENCIA DEL MOTOR (Hp) / ACCESORIO 15 /INVERSOR 30 /INVERSOR -----

CAPACIDAD DE CALENTAMIENTO (Kws) 14 18 -----

MATERIAL DEL TORNILLO

SCM-4 CON TRATAMIENTO DE DUREZA DE ALTA FRECUENCIA Y CUBIERTO DE CROMADO DURO

SCM-4 CON TRATAMIENTO DE DUREZA DE ALTA FRECUENCIA Y CUBIERTO DE CROMADO DURO

-----

MATERIAL DEL CILINDROSCM-4 CON TRATAMIENTO DE

DUREZA Y NITRURADOSCM-4 CON TRATAMIENTO DE

DUREZA Y NITRURADO-----

MATERIAL DEL ENGRANAJESCM-45C CON TRATAMIENTO DE

ALTA FRECUENCIASCM-45C CON TRATAMIENTO DE

ALTA FRECUENCIA-----

CANTIDAD DE TERMOCUPLAS 5 5 6TAMAÑO DEL CABEZAL 50 / 65 100 / 120 120 / 150

CONTROLTEMPERATURA 4 4 6

RPM 2 2 2

UNIDAD DE LEVANTE

TIPO DE MOVIMIENTO HACIA ARRIBA Y HACIA ABAJO HACIA ARRIBA Y HACIA ABAJO HACIA ARRIBA Y HACIA ABAJO

POTENCIA (Hp) Y TIPO 1 / 4 - A.C. 1 / 2 - A.C. -----

ALTO DE LA TORRE (mm) 3200 4100 -----

ANCHO DEL RODILLO DE LEVANTE (mm) 600 1000 -----

MÁXIMA VELOCIDAD DE LEVANTE (mts/min) 70 50 -----

POTENCIA DEL MOTOR DEL ELEVADOR (Hp) 1 / 2 1 / 2 -----

MÁXIMA DISTANCIA DE ELEVACION (mm) 650 1000 -----

POTENCIA DEL SOPLADOR DE AIRE (Hp) 3 5 -----

UNIDAD DE ANILLO DE AIRE 1 1 1

PLACA DE ESTABILIZACIÓN 1 1 2

BOBINADORA

TIPO CONTACTO DE SUPERFICIE CONTACTO DE SUPERFICIE CONTACTO DE SUPERFICIE

ARRASTRE DEL MOTOR (Kg/cm) 20 30 -----

MAXIMO DIAMETRO DE ENROLLADO (mm) 800 800 -----

ANCHO EFECTIVO DE LA PELICULA (mm) 500 1000 -----

VELOCIDAD MAXIMA DE ENROLLADO (mts/min) 70 50 -----

ESPECIFICACIONES DE LAS EXTRUSORAS

TABLA 1. ESPECIFICACIONES DE LAS EXTRUSORAS

CONDICÍON ACTUAL DE FUNCIONAMIENTO DE LAS EXTRUSORAS

A las tres extrusoras (2, 3 y 4), que actualmente funcionan, se les realizó una revisión para conocer sobre las condiciones de funcionamiento en las que se encuentran. Esta verificación mostró el siguiente resultado:

Comparados esos valores de temperatura y velocidades se observan que están dentro de la especificaciones de los equipos, ahora bien cabría preguntase ¿son esos parámetros adecuados al proceso actual de la extrusión del polietileno utilizado? o bien ¿es el perfil de temperatura adecuado al proceso? Se desconoce si es así puesto esos parámetros varían para diferentes productos. Evidentemente que para lograr esto se debe experimentar con los diferentes materiales de polietileno que se utilizan en el proceso, registrando las temperaturas de las zonas y las velocidades para determinar cuáles son las que más se adecuen a cada producto. Es decir que el perfil de temperatura del barril debe coincidir con las especificaciones de fundido del polietileno y con el diseño del tornillo. Los fabricantes de estos equipos recomiendan que la temperatura de la última zona no deba ser menor que la temperatura de fusión del material, porque de ser así el polímero se solidificará en la chaqueta de la extrusora.

ESPECIFICACIONES DEL MATERIAL UTILIZADO

Algunas de las diversas variedades de polietileno que se utilizan en esta empresa se describen en la siguiente tabla 3:

Esta tabla se encuentran una serie de recomendaciones de los fabricantes del polietileno, por lo que se debe poner atención en no sobrepasar las temperaturas recomendadas para el tipo de polietileno que se utilice en el proceso y tomar en cuenta que el índice de fluidez se utiliza como una verificación para comprobar si el grado del polietileno está dentro del rango de fluidez requerida para que el proceso de salida del extrudido se produzca sin contratiempos.

DESCRIPCIÓN DE LOS CONTROLES APLICADOS

Los controles aplicados durante el proceso de la extrusión son sencillos y comienzan con el suministro al operador de la proporción de componentes del polietileno a utilizar, se mantienen o se fijan las temperaturas de las zonas de calentamiento, las velocidades del tornillo y la del motor de halado. Durante el proceso de bobinado se mantiene un control de la tensión de la bobina, mediante la inspección visual de que el enrollado de la bobina este parejo u ordenado y que el grado de apriete sea el adecuado, esto último se realiza tanteado con los nudillos de los dedos (Foto 5). Cuando se termina de enrollar la bobina, al tamaño estipulado, se procede a la medición del espesor de la película (Foto 2) y a la determinación de su peso por área. Estos valores son registrados en una hoja de control para su posterior análisis estadístico. Otro control que se lleva a cabo al terminar la bobina es una prueba simple de resistencia (foto 4), mediante la aplicación manual de tensión a una muestra de la película, para determinar el grado de dificultad en el rasgado de esta.

Foto1. Toma de muestra de la película. Foto2. Medición del espesor de la película.

Foto 3. Medición ancho de la película. Foto 4. Prueba de resistencia de la película

Foto 5. Tanteo de la consistencia del apriete del embobinado

MEDICIÓN DE PESO Y ESPESORES DE LA PELÍCULA

El equipo de medición empleado para asegurar sí película de polietileno tiene el espesor bajo especificación, es un medidor de espesor Mitutoyo, Series 7301, con un rango de 01 a 10 mm y una graduación de 0.01 mm (10 μ) y con indicador de carátula. Para comprobar el peso por área de la película se utiliza una balanza electrónica marca SARTORIUS, modelo GPA5202 (Foto 6), para una peso máximo de 5, 2 gramos y una precisión de 0,01 g.

El peso y el espesor de las bobinas se registran diariamente y empleando el control estadístico de proceso (CSP), se registra la data en un gráfico de control, para determinar si esos valores se mantiene dentro de un rango establecido, con límites de control que incluyan el 95.44% de los datos, que son de 5μ ± 10 % y Z = 2, para el espesor de las bolsas tipo camiseta.

Foto 6. Medidor de espesor y Balanza.

Revisando la información de mayo de 2014, del control estadístico, para Bolsas de supermercado se observa que el proceso se sale de control (fuera de los límites) en más de 6 puntos. Estas desviaciones apuntan a que se examine el uso de una metodología que prevenga las desviaciones del proceso antes de que termine el embobinado de la película.

PERSONAL QUE INTERVIENE EN EL PROCESO.

El proceso de extrusión de la película de polietileno es de dificultad media; sin embargo es necesario que el personal de operación tenga un conocimiento aceptable sobre la cada una de las partes del proceso. El operador de estos equipos, que se pudo entrevistar, tiene experiencia y conoce en un alto grado la operación. No obstante la empresa debería mantener control permanente de cómo los operadores se desenvuelven en el manejo de este proceso, para asegurarse que se ejecuta de acuerdo a especificaciones establecidas.

Foto 7. Operador izando una bobina. Foto 8. Inicio del bobinado de la película

CAUSAS FUNDAMENTALES DEL PROBLEMA A ANALIZAR

ANÁLISIS CAUSA EFECTO

Como el problema ya se ha definido “Variabilidad del espesor de la película soplada de polietileno en el proceso de extrusión” ahora solo queda identificar las causas fundamentales que pudieran estar ocasionando tal situación. Esto se planteará mediante un diagrama de causa efecto (Fishbone diagram). Los diagramas de causa y efecto documentan todos los factores que contribuyen a una determinada situación o que influyen sobre ella: es decir, todas las causas que pueden tener un efecto en concreto sobre el problema pero no necesariamente concluyente.

Para lo planteado se definen los siguientes puntos:

Causas fundamentales: posibles causas que provocan un efecto Causas menores: Factores importantes que tienen incidencia

significativa sobre las causas fundamentales. Subcausas: pequenas dificultades que tienen peso en las causas

menores.

Para el problema de variabilidad del espesor se ha realizado un análisis de causa efecto como se describe en la figura 7:

En este análisis se recopilaron las probables causas que generan el problema de la variación de espesor, de las consultas con el operador, mecánico y supervisores, además de las páginas web especializadas en fabricación de películas de polietileno. Estas causas fueron segmentadas en el siguiente orden: Acondicionamiento del polietileno, Extrusión de la película, Salida de la película, Embobinado, Operación, Supervisión y Mediciones. El gráfico fue realizado mediante el programa estadístico Minitab 16.

DIAGRAMA DE PARETO

Para elaborar este diagrama se consultó a 5 grupos, 3 directos (operador, mecánico, supervisores) y 2 indirectos (páginas web especializadas en extrusión y web de proveedores del polietileno), a objeto de darles una puntuación a las causas descritas en el análisis de causa efecto del problema “Variabilidad del espesor de la película soplada de polietileno en el proceso de extrusión”. En esos grupos, se otorgó a las probables causas

una puntuación entre 0 y 10, siendo la puntuación de “10” para aquella causa que tenga el mayor efecto sobre el problema y “0” ningún efecto. Con el resultado de la puntuación de cada grupo se elaboró una tabla de puntuación acumulada, especificada en la Tabla 4, con el propósito de elaborar el diagrama de Pareto descrito en la Figura 8. Mediante ese diagrama se clasificaron las causas del problema desde la contribución más grande hasta la más pequeña.

CAUSAS DE VARIACIÓN DEL ESPESOR DE LA PELÍCULA PUNTUACION

INADECUADA PROPORCIÓN DE RECICLADO 22INADECUADO INDICE DE FLUIDEZ DE LA RESINA 26CONTAMINANTES EN EL MATERIAL 4INADECUADA VELOCIDAD DEL TORNILLO 36DESAJUSTE DEL PERFIL DE TEMPERATURAS 48DESAJUSTE DE ABERTURA DEL CABEZAL 4INADECUADA PRESION DE AIRE EN LA BURBUJA 6INADECUADA VELOCIDAD MOTOR DE HALADO 56INADECUADA ALTURA DE LA TORRE 2INADECUADA TENSION DE RODILLOS DE EMBOBINADO 6FALTA DE PERICIA PARA MANEJAR ETAPAS DEL PROCESO 6DESMOTIVACION / CONDICIONES AMBIENTALES ADVERSAS 12DESCONOCIMIENTO DE ESPECIFICACIONES DEL EQUIPO 6DESGASTE EN TORNILLO 4FALTA DE MANTENIMIENTO PREVENTIVO 36FALTA DE VERIFICACION ESPECIFICACIONES DEL PROCESO 6EQUIPOS DE MEDICION FUERA DE ESPECIFICACIONES 8DESAJUSTES CONTROLES TEMPERATURA / VELOCIDAD 2

Tabla 4. Puntuación acumulada - Variabilidad del espesor

El criterio para seleccionar las causas principales fue tomar aquellas que abarcaran el 80% de la puntuación acumulada. De la figura 8 se puede observar que siete causas topes han sido determinadas como los principales causante de la raíz del problema “Variabilidad del espesor de la película soplada de polietileno en el proceso de extrusión” y ellas son: (1) Inadecuada velocidad del motor de halado, (2) Desajuste del perfil de

temperaturas del barril, (3) Desajuste de abertura del cabezal, (4) Inadecuada velocidad del tornillo, (5) Falta de mantenimiento preventivo, (6) Inadecuado índice de fluidez de del polietileno y (7) Inadecuada proporción de reciclado, las restantes causas ocupan el 20 % de la puntuación.

PROPUESTAS PARA SOLUCIÓN DEL PROBLEMA DE VARIABILIDAD DE ESPESOR

Una vez determinadas las causas principales del problema como son: Inadecuada velocidad del motor de halado, Desajuste del perfil de temperaturas del barril, Desajuste de abertura del cabezal, Inadecuada velocidad del tornillo, Falta de mantenimiento preventivo, Inadecuado índice de fluidez del polietileno e Inadecuada proporción de reciclado, se seleccionan para elaborar los puntos siguientes:

1. Diagrama de afinidad para agrupar todas las posibles soluciones del problema.

2. Diseño de experimentos con proporción de mezclas, perfil de temperatura del barril y velocidad del tornillo.

DIAGRAMA DE AFINIDAD

No es más que un cuadro con la descripción del problema, causas y posibles soluciones, lo cual es detallado en la figura siguiente:

DISEÑO DE EXPERIMENTOS

Para ello se requiere una observación más centrada del proceso de extrusión, en cuanto a perfil de temperaturas, velocidad del tornillo, consumo de potencia del motor, velocidad de halado y tipo de mezclas del polietileno, que por limitaciones de tiempo no se pudo realizar.

CONCLUSIONES

1. El buen control de los componentes de la extrusora es imprescindible para verificar el correcto funcionamiento del equipo e identificar aquellas áreas que están teniendo fallas. Las variables de control más importantes de la extrusora son: la temperatura de fundido, la velocidad del tornillo y el consumo de energía eléctrica (amperaje) del motor del tornillo.

2. En el control estadístico del proceso, para determinar la variación del espesor y del peso:

a. No se incluye la mezcla y la proporción del polietileno utilizado y que acción se tomó para corregir la desviación de uno de los límites del espesor: Se debe indicar además el operador y el número de la extrusora donde se realizó las lecturas. Esto es con la finalidad de mantener una data y con ello ir ajustando el proceso hasta lograr reducir las desviaciones con la experiencia acumulada.

b. En el control estadístico del proceso, no se indican los estadístico de la media y la desviación estándar, del espesor y del peso.

3. Queda entendido que cualquier disconformidad en la razón de extrusión, velocidad del tornillo y velocidad de halado tendrá como resultado una variación de espesor y porque no del ancho de la película.

4. Un mayor espesor de la película se traduce en un mayor consumo de material de polietileno y un menor espesor ocasiona baja calidad de la película puesto que disminuye la capacidad de esfuerzo a la tracción.

5. La cantidad de otros defectos decrece a medida que el espesor aumenta.

6. El Análisis de causa efecto revela que las principales causas que ocasionan la variación de espesor son: (1) Inadecuada velocidad del motor de halado, (2) Desajuste del perfil de temperaturas del barril, (3) Desajuste de abertura del cabezal, (4) Inadecuada velocidad del tornillo, (5) Falta de mantenimiento preventivo, (6) Inadecuado índice de fluidez del polietileno y (7) Inadecuada proporción de reciclado.

7. Las temperaturas de la chaqueta de las extrusoras son controladas por un panel automático el cual funciona con termostatos que se activan o se desactivan según la lectura de la temperatura de cada zona del extrusor, esto con el fin de mantener una temperatura estándar para la elaboración de la película. Estas lecturas deberán ser registradas en una hoja de control para observar su perfil de funcionamiento a través del tiempo de la producción de una bobina.

8. El proceso de fabricación de la película soplada tiene un método poco efectivo para controlar la variación del espesor; puesto que es al final de la producción de una bobina cuando el supervisor constata cualquier desviación fuera de los límites de control de espesor fijados. Por lo tanto es conveniente buscar un método adicional para asegurar que el espesor de la película se mantenga permanentemente dentro de los límites de control.

9. De acuerdo al análisis realizado, las variaciones de espesor indeseadas pueden ser evitadas si antes del arranque del extrusor: se asegura, por ejemplo: el centrado de la abertura del cabezal, el ajuste apropiado de las RPM de motor de halado, el perfil de temperatura, para cada una de las distintas mezclas del polietileno utilizado.

10. Queda entendido que el control de la medición del espesor sirve como herramienta para determinar que existe un problema en el extrusor, pero no indica donde está la causa que lo origina. Es por ello que la experiencia y pericia de los operarios, la adecuada supervisión y el registro de la información de las variables afectadas indicaran como afrontar y resolver el problema planteado. Esto se vería como un trabajo adicional pero considerando que si existe una alta variabilidad del espesor, se añaden problemas de la calidad, se genera desperdicio adicional y hace al proceso de extrusión menos controlable.

11. El perfil de temperatura del barril debe coincidir con las especificaciones de fundido del polietileno y con lo especificado en el diseño del tornillo.

RECOMENDACIONES

1. Evalúe la uniformidad del caudal de la extrusora, mediante: variación de la velocidad de giro del tornillo, consumo de potencia y velocidad del motor de halado.

2. Incluir en el control estadístico del proceso, los estadístico de la media y la desviación estándar, del espesor y del peso.

3. Para el control más preciso de la medición del espesor es conveniente utilizar un medidor con indicador digital, con un rango de 0 a 1 mm y una graduación de 0.001 mm ó 1μ. Por ejemplo el medidor digital de espesor, Mitutoyo, modelo 7327 (Dial Thickness Gages).

4. La gran variedad del polietileno que se utilizan en esta empresa permiten apuntar a que se establezcan registros de las condiciones óptimas del proceso que acople los parámetros del polietileno con las variables del proceso de extrusión. Por supuesto que esto se logra mediante el empleo de la herramienta de diseño de experimentos para

llegar un perfil de temperaturas del extrusor que maximice la razón de alimentación (rendimiento) y la razón de fundido máxima en combinación con las adecuadas velocidades del tornillo y del motor de halado.

5. Después de una parada, en el momento de restablecer el extrusor, se observó que el operario debe ajustar, al tanteo, la presión de aire de entrada a la burbuja. No obstante de lograr su cometido, la manipulación fue realizada con cierta dificultad. Por lo tanto se recomienda instalar un regulador de presión de aire para lograr estabilizar la burbuja con mayor precisión y para tener una referencia de cuál es la presión de entrada de aire de enfriamiento que más se ajusta al conformado de la burbuja. Se sugiere poner a la entrada del aire de una reguladora de presión como la indicada en la foto 9.

Foto 9. Regulación y control de aire de enfriamiento de la burbuja

REFERENCIAS BIBIOGRAFICAS

1. Jutatip Thaprasop, Defect reduction in plastic packaging industry, Department of Industrial Engineering, Faculty of Engineering, Chulalongkorn University, Pathumwan, Bangkok, 10330.

2. Abella, Luis. Soplado de película: Soluciones a los posibles problemas originados durante la extrusión. Soluciones Down. Latinoamérica PE news/9.

3. Normas COVENIN 1392-88 y 1010-87.4. José Luis Urrutia Leal, Tesis “DISEÑO DE UN SISTEMA DE CONTROL DE

CALIDAD EN LA PRODUCCIÓN DE BOLSAS PLÁSTICAS”, Guatemala, octubre de 2004

5. Film extrusion and conversion, Qenos Technical Guide, Issued January 2014.6. Extrusion Processes, Rockwell Automation, Publication D-7741 – March 2000.7. Minitab 168. Tecnología de los plásticos, EXTRUSIÓN DE MATERIALES PLÁSTICOS,

http://tecnologiadelosplasticos.blogspot.com/2011/03/extrusion-de-materiales-plasticos.html

9. Improve your processing skills: sharing processing expertise, http://plastics.sabic.eu/technical/_en/troubleshootingguide.htm.

10. Suh Foung Industry Co., Ltd, http://suh-foung.com/profile.htm.11. Blow film troubleshooting guide, Westlake Polymers Corporation,

http://www.westlake.com/fw/main/polyethylene-home-141.html.12. GUÍA PARA LA SOLUCIÓN DE PROBLEMAS DE EXTRUSIÓN DE PELÍCULAS,

http://www.polinter.com.ve/publicaciones/guias/guia_solucion_de_problemas_extrusion_peliculas.pdf.

13. Cantor, Kirk, Blown Film Extrusion, Carl Hanser Verlag GmbH & Co. KG, 2011.14. How to Solve Blown Film Problems,

http://www.lyondellbasell.com/techlit/techlit/Handbooks%20and%20Manuals/BlownFilmProblems.pdf.

15. Corporación Americana de Resinas. http://www.coramer.com/16. Muehlstein. http://www.muehlstein.com/cms/web/muehlstein/home.17. Improve your processing skills: sharing processing expertise:

http://plastics.sabic.eu/technical/_en/troubleshootingguide.htm.

ANALISIS DEL PROCESO DE EXTRUSIÓN DE PELÍCULA TUBULAR DE POLIETILENO PARA LA FABRICACIÓN DE BOLSAS EN LA EMPRESA IMBOPLAST, S.A.

Elaborado por: Ing. Orlando Yaguas

Valencia, 09-07-2014

CONTENIDO

INTRODUCCION

GENERALIDADES SOBRE EL PROCESO DE EXTRUSION DE LA PELÍCULA DE POLIETILENO

1. ACONDICIONAMIENTO Y MANEJO DEL POLIETILENO2. EXTRUSIÓN DE LA PELÍCULA DE POLIETILENO3. SALIDA DE LA PELÍCULA DE POLIETILENO 4. EMBOBINADO DE LA PELÍCULA DE POLIETILENO

ANALISIS DEL CONTROL DEL ESPESOR DE LA PELÍCULA DE POLIETILENO

DEFINICIÓN DEL PROBLEMA

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

FORMULACIÓN DEL PROBLEMA

ALCANCES Y DELIMITACIONES

OBJETIVOS

GENERAL

ESPECIFICOS

JUSTIFICACIÓN DEL ANÁLISIS

EXTRUSORAS UTILZADAS EN EL PROCESO

CONDICÍON ACTUAL DE FUNCIONAMIENTO DE LAS EXTRUSORAS

ESPECIFICACIONES DEL MATERIAL UTILIZADO

DESCRIPCIÓN DE LOS CONTROLES APLICADOS

MEDICIÓN DE PESO Y ESPESORES DE LA PELÍCULA

PERSONAL QUE INTERVIENE EN EL PROCESO

CAUSAS FUNDAMENTALES DEL PROBLEMA A ANALIZAR

ANÁLISIS CAUSA EFECTO

DIAGRAMA DE PARETO

PROPUESTAS PARA SOLUCIÓN DEL PROBLEMA DE VARIABILIDAD DE ESPESOR

DIAGRAMA DE AFINIDAD

DISEÑO DE EXPERIMENTOS

CONCLUSIONES

RECOMENDACIONES

REFERENCIAS BIBIOGRAFICAS