DESARROLLO DE UN SISTEMA DE MEDICIÓN INLINE DE PROPIEDADES ELÉCTRICAS EN LA PRODUCCIÓN DE PLÁSTICOS COMPUESTOS CONDUCTORES

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1 DESARROLLO DE UN SISTEMA DE MEDICIÓN INLINE DE PROPIEDADES ELÉCTRICAS EN LA PRODUCCIÓN DE PLÁSTICOS COMPUESTOS CONDUCTORES ENTREGABLE E3. Diseño y producción del cabezal para la medición inline de la conductividad eléctrica Fecha de entrega: Junio 2018

2 INDICE 1. Introducción Diseño del cabezal Obtención del cabezal Obtención del sistema de medición en la extrusora Conclusiones Desviaciones Recursos Humanos empleados frente a previstos Medios técnicos empleados frente a previstos... 9 Lista de figuras Figura 1: Vista 3D del cabezal diseñado para las medidas de conductividad en línea. Figura 2: Diferentes secciones del cabezal con sus respectivas cotas. Figura 3: Vistas del cabezal diseñado para medir en cuatro puntos y poder realizar tratamiento PVD. Figura 4: Electrodos utilizados para la medida de resistencia eléctrica Figura 5. Diferentes secciones de la boquilla con sus respectivas cotas. Figura 6. Cabezal de medida Izq. Dos puntos, derecha: 4 puntos Figura 7. Resistencia cerámica de Ø100x75mm. Figura 8. Montaje del sistema de medida en la extrusora 2

3 1. Introducción En el presente paquete de trabajo, se diseñó y optimizó el sistema de medida en línea (cabezales, electrodos, resistencia etc). Para ello, se tuvo en cuenta la geometría de la máquina y una longitud mínima para evitar una caída de presión excesiva, ya que dicho cabezal va colocado al final de la extrusora, sustituyendo la boquilla original de la máquina. La colocación en este punto se justifica porque el compuesto ya está acabado, es decir, ha pasado por todas las zonas de la máquina donde se ha dispersado y distribuido la carga carbonosa. Además del cabezal de medida, se diseñó y solicitó una resistencia adecuada para calefactar el cabezal hasta 320ºC ya que dependiendo de la tipología de polímero seleccionado a procesar y el nivel de carga, se requieren de mayores (PC) o menores temperaturas (PP). Por otro lado, los electrodos del cabezal deben soportar tanto las temperaturas de procesado e ir aislado en la parte de contacto con el cabezal para que no se produzca una desviación de la corriente eléctrica y por tanto se tenga una medida errónea de la resistencia del compuesto. 2. Diseño del cabezal. - Diseño de cabezal (medida en dos puntos). Teniendo en cuenta la geometría de la extrusora (Coperion ZSK 25; L/D=40) utilizada para llevar a cabo el experimental de los compuestos conductores, se diseñó un cabezal que permitiera el acople a dicho equipo y la colocación de los electrodos para las medidas de resistencia en línea. Dicho cabezal se construyó con el acero 2738 HH. Esta tipología de acero se utiliza para la construcción de moldes para el sector plástico Además de lleva un tratamiento de nitruración para favorecer la resistencia al desgaste y la oxidación y va pulido en la parte interna a fin de evitar la adherencia del plástico a su paso por dicha sección. Los cambios de sección se han diseñado igualmente para evitar retenciones de flujo y degradaciones del material. La figura 1, muestra una vista en 3D del cabezal. Asimismo, la figura 2, muestra diferentes secciones de la pieza con sus respectivas cotas. Figura 1. Vista 3D del cabezal diseñado para las medidas de conductividad en línea. 3

4 Figura 2. Diferentes secciones del cabezal con sus respectivas cotas. Como puede observarse en las imágenes este cabezal es compacto y posee sólo dos puertos para la introducción de electrodos. Al principio del proyecto se comenzó a trabajar con dicho cabezal, pero tras las primeras medidas se decidió diseñar otro cabezal que permitiera las medidas en cuatro puntos y evitara así perturbaciones. Además, se consideró necesario aislar con material cerámico la parte interna del cabezal mediante un tratamiento PVD, pero tras la consulta a la empresa (GALOL) que realiza esta tipología de tratamientos se vio que no era viable un diseño compacto ya que no iba a penetrar el tratamiento lo suficiente como para recubrir todo el orificio. Se decidió, por tanto, realizar un diseño que permitiera su apertura por la mitad y así poder recubrirlo adecuadamente. - Diseño de cabezal (medida en cuatro puntos). El diseño para la medida en cuatro puntos y que permita la abertura es más complejo debido a la posición de los orificios pasantes que alojan los tornillos a la máquina. Además, se deben incluir bulones que alineen las dos mitades y puntos que permitan el anclaje de ambas partes. En las imágenes siguientes se muestran varias vistas del cabezal de 4 puntos. El pulido entre las caras fue muy elevado para evitar pérdidas de material durante el procesado. 4

5 Figura 3. Vistas del cabezal diseñado para medir en cuatro puntos y poder realizar tratamiento PVD. - Diseño de resistencia y electrodos. Contamos con la experiencia de la empresa Julio Martínez Naya, S.A situada en el polígono industrial de Fuente del Jarro y con amplia experiencia en el diseño y fabricación de todo tipo de resistencias eléctricas. Se nos recomienda diseñar la resistencia de abrazadera con material cerámico. La razón fundamental es la temperatura de uso, ya que otro tipo de resistencias no aguantarían hasta temperaturas de 300ºC. Las dimensiones de la resistencia se fijan en Ø100x75mm. La empresa fabrica resistencias según la norma UNE-EN El cable de la resistencia es también de alta temperatura. El sistema de medida cuenta con dos (el primer diseño) y cuatro electrodos que entran en contacto con el plástico fundido y van conectados mediante los cables correspondientes al multímetro para la medida de la resistencia eléctrica. Los electrodos se han diseñado con el fin de permitir un rápido acople al cabezal mediante la incorporación de roscas y una fácil limpieza (ver figura 4) 5

6 Figura 4. Electrodos utilizados para la medida de resistencia eléctrica. - Boquilla de 3 orificios A la salida del cabezal y para dividir el flujo de plásticos en tres hilos (ver figura 5) y posteriormente cortarlo, se acopla al mismo una boquilla de tres orificios. Figura 5. Diferentes secciones de la boquilla con sus respectivas cotas. 3. Obtención del cabezal. Una vez diseñado los cabezales se envían los planos a la empresa MAINVA, situada en Manises. La empresa fabrica primero el diseño 1 y más tarde el diseño 2. AIMPLAS envía el diseño 2 a la empresa GALOL, situada en la LÓlleria para el tratamiento por PVD. 6

7 Se muestra en la figura 6 una imagen del cabezal de medida en dos y cuatro puntos. Figura 6. Cabezal de medida Izq. Dos puntos, derecha: 4 puntos La figura 7 muestra la resistencia cerámica con el cable incorporado fabricada por Julio Martínez Naya. Figura 7. Resistencia cerámica de Ø100x75mm. Debido al aislamiento que necesitábamos, y al diseño del electrodo, se optó por la compra de unas bujías de motocicleta ya que era lo más similar posible a lo que se buscaba. Dichas bujías se mecanizaron para eliminar la parte metálica donde se produce la chispa, dejándose al aire la punta metálica de la misma. 7

8 4. Integración del sistema de medición en la extrusora. El sistema de medida, además de los componentes detallados en los apartados anteriores, cuenta con un multímetro Keithley 2700 conectado a los electrodos del cabezal de medida y a un ordenador para la captura de datos. A través de un programa basado en Excel, la resistencia de cada muestra se va almacenando en una hoja de cálculo cada cuatro segundos para su posterior análisis. La figura 8 muestra el sistema de medida durante una de las pruebas ejecutadas. Figura 8. Montaje del sistema de medida en la extrusora Debido a que el cabezal ya se había diseñado para poderlo acoplar directamente a la máquina, no se tuvo que realizar ninguna pieza más. Después de las primeras pruebas y debido a la proximidad del multímetro con la máquina se decidió colocar una placa de madera entre la extrusora y el multímetro para evitar su calentamiento. 5. Conclusiones. El sistema de medida desarrollado es robusto y soporta las altas temperaturas y presión de procesado. El acople de los electrodos, su montaje y desmontaje, es sencillo permitiendo una limpieza fácil cuando se requiere, sobre todo con los cambios de material. Las resistencias fabricadas permiten un calentamiento homogéneo del 8

9 cabezal, evitando así enfriamientos del material y en consecuencia medidas erróneas de la resistencia eléctrica. La adquisición de datos se realiza de forma continua pero ya que el software del multímetro da algunos problemas se procederá a la instalación de otro programa del fabricante (Keithley). 6. Desviaciones 6.1. Recursos Humanos empleados frente a previstos. Sin desviaciones 6.2 Medios técnicos empleados frente a previstos Sin desviaciones 9