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Soluciones flexibles

15 nov 2016

¿Cómo solucionar el telescopeo por adhesivo?

En este blog trataremos el defecto del telescopeo ocasionado por los adhesivos, este extraño fenómeno que ocurre en las bobinas o rollos que, a pesar de embobinarse correctamente, con el pasar del tiempo se van desplazando o telescopeando lateralmente sin existir una aparente razón, con este tema daremos por terminado el capítulo de fallas y defectos de laminación.

Muchos productos en forma de rollos, tales como cintas adhesivas y etiquetas, son recubiertos con adhesivo. Sin embargo, esos mismos conceptos aplican para las laminaciones de materiales para empaques flexibles cuyo adhesivo no ha curado y no ha alcanzado su estado sólido. Los rollos de estos materiales pueden ser embobinados con bordes rectos, pero más tarde durante su almacenamiento se puede telescopear (desplazar lateralmente) sin ninguna razón aparente. Estos rollos pueden también ser propensos a alcanzar una forma ovalada cuando el core (núcleo) es soportado en sí mismo.

Como veremos, el ingrediente común en todos estos defectos es el esfuerzo cortante del adhesivo (adhesive shear). Así veremos posteriormente algunos adhesivos como ‘lubricantes’, más que como una ‘goma’. Los adhesivos sensibles a la presión (PSA) son muy dados a este comportamiento, e igual sucede con las laminaciones cuyo adhesivo no ha curado, como se dijo anteriormente. Mientras estos adhesivos, en el corto plazo, mantienen el rollo compacto, en el largo plazo lubrican las capas y hacen que el rollo se pueda desplazar.

Como es típico de muchos problemas de embobinado, estos defectos pueden ser reducidos prestando atención a la tensión de embobinado y al taper (tensión escalonada). Existen otras soluciones, quizás más poderosas, que incluyen el diseño del recubrimiento, embobinado del rollo, empaque del rollo y su almacenamiento. Finalmente, el nivel de calibre y perfil de tensión a lo ancho puede minimizar las fuerzas que manejan el telescopeo.

Fuerza impulsora debido a la presión de embobinado

Para diagnosticar el movimiento de un rollo, debemos responder dos preguntas: primero ¿qué fuerzas estuvieron presentes que impulsaron el movimiento del rollo? El movimiento del rollo podría ser reducido, reduciendo estas fuerzas. Segundo, ¿qué permitió el movimiento del rollo? El movimiento del rollo puede ser reducido, disminuyendo la libertad del rollo a moverse.

Una fuerza que está siempre presente en un rollo embobinado es la presión entre las capas. Esta presión es causada en parte por la tensión, presión del lay on roller y del torque. Sin embargo, la presión intercapas puede ser más fuerte por las propiedades del material, tal como el módulo de elasticidad en MD (dirección de máquina). Pero no sólo esta presión intercapas es inevitable, sino que es deseable en la mayoría de los productos. El mecanismo que mantiene un rollo junto es la fricción entre las capas. Si la fricción es insuficiente, el rollo puede cambiar de forma de diferentes maneras. Esta fricción es un subproducto, tanto de la presión entre capas, como del coeficiente de fricción material / material.

Irónicamente, la presión que mantiene un rollo junto es al mismo tiempo desestabilizante. Como se muestra en la FIG.1, la presión desde la parte externa del rollo comprime la parte interna. Lo anterior es similar al comprimir una regla, si la fuerza es suficientemente alta, o la regla muy larga, ésta se doblará.

La analogía con un rollo sería un movimiento axial o radial que producirá telescopeo. Por lo tanto, no es una sorpresa que entre más fuerte embobine las capas externas del rollo, el rollo será más propenso a telescopearse. Por lo tanto es la fuerza de embobinado la que suministra la energía para mover el rollo lateralmente. Sin embargo, el diseño del producto también contribuye. Entre mayor la relación, diámetro del rollo/ancho del rollo, mayor será el riesgo.

Figura 1 - ¿Cómo solucionar el telescopeo por adhesivo?

Conocemos también por la teoría de deformar (buckling) que cualquier excentricidad de una columna en compresión reducirá su habilidad para resistir la deformación o doblado. En otras palabras, una regla torcida puede soportar menos carga.

Existen dos analogías de lo anterior con un rollo. La primera es un rollo que no tiene bordes derechos y la segunda es un rollo cuyo perfil de tensión no está a nivel debido a un problema de perfil asimétrico. Como se puede ver en la FIG.2, la presión en voladizo crea un momento de flexión que empuja el rollo en dirección contraria al voladizo.

Figura 2 - ¿Cómo solucionar el telescopeo por adhesivo?

Para determinar si la falta de rectitud en los bordes del rollo contribuye al telescopeo tenga en cuenta lo siguiente: si el rollo es embobinado con bordes no rectos o irregulares, el riesgo de telescopeo en almacenamiento se incrementa. Si los bordes del core no llegan hasta los bordes del rollo, el riesgo también se incrementa.

Para determinar si los perfiles de calibre contribuyen, tenga en cuenta si el rollo se mueve hacia el lado más duro o de mayor tamaño medido por el calibre, dureza o diámetro. Entonces es muy probable que el perfil esté involucrado.

Esfuerzo cortante del adhesivo

El esfuerzo cortante es un par de fuerzas paralelas opuestas, como se muestra en la FIG.3. Los líquidos no pueden sostener los esfuerzos cortantes indefinidamente, siempre que un esfuerzo cortante es aplicado, pues resultarán movimientos laterales. La velocidad del movimiento depende del esfuerzo cortante, de la viscosidad dinámica del material, y del espesor de la capa del fluido. De hecho, este es el principio que es utilizado para medir la viscosidad de los fluidos en ciertos tipos de instrumentos, tales como los reómetros. Brevemente, el torque resistente es medido en un eje, el cual es girado dentro de un cilindro lleno con el fluido a ensayar. Otro método es medir el tiempo que toma vaciarse una copa de fluido a través de un pequeño orificio en la parte inferior.

Figura 3 - ¿Cómo solucionar el telescopeo por adhesivo?

La viscosidad cinemática, la cual aparece en muchos problemas de física e ingeniería, es la viscosidad dinámica dividida por la densidad.

La viscosidad dinámica es medida en el sistema métrico en unidades de centipoise (cps), y para tener una idea de diferentes fluidos tenemos: El agua a temperatura ambiente es 1 cps, el aceite varía de menos de 0.1 para uno muy delgado, hasta más de 500 para un aceite pesado de una caja de engranajes, la glicerina es alrededor de 2000. La propiedad de los líquidos es que eventualmente ellos formarán una especie de charco, ya que no pueden mantener el esfuerzo cortante inducido por su propio peso. En el caso del agua el charco sucede inmediatamente, en el caso de la cera de vela, uno tiene que ser más paciente.

Un factor muy importante en la viscosidad es la temperatura. En el caso del agua la viscosidad caerá en un factor de 6 cuando la temperatura aumenta de 0 oC a 100 oC, la viscosidad del aceite puede caer por un factor de 100, y la glicerina por un factor de 800 en un mismo rango de temperatura.

El comportamiento anterior aplica para los fluidos Newtonianos, es decir, fluidos cuya resistencia al movimiento es proporcional a la razón de movimiento.

Los fluidos Bingham, tales como la crema dental y la gelatina, resisten un pequeño esfuerzo cortante idefinidamente, pero fluyen fácilmente una vez su umbral ha sido excedido. Es posible que muchos de los adhesivos para los laminados –incluyendo los PSA (adhesivos sensibles a la presión)—, tengan esta tendencia, debido a que los rodillos o bien parecen moverse notablemente o no.

Conclusión

El telescopeo y la mala formación de rollos tienen algo en común, las capas se deslizan unas con otras. Para diseñar productos que sean resistentes a este comportamiento, se empieza con el adhesivo que permitió este movimiento. Mientras que limitar el tamaño de los rollos reduce la incidencia del defecto, la eficiencia del proveedor y de los clientes también será reducida.

Mientras que los programas de tensión de embobinado pueden ayudar, ellos tienen habilidad limitada para acomodar productos que no fueron diseñados para una manufactura robusta. Sin embargo, es el adhesivo el que comúnmente amerita la mayor atención, ya que es el factor más fuerte.

En nuestro próximo blog iniciaremos el estudio del manejo de control de tensión en rollos, para la fabricación de materiales para empaques flexibles, y su importancia en cada uno de los procesos de conversión, así como sus variables críticas.


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Federico
18 de noviembre de 2016 a las 05:46

Brillante Wilmer

Wilmer Saavedra Chacin
02 de diciembre de 2016 a las 13:35

Muchas gracias Federico Atentamente Wilmer

E Manny
16 de noviembre de 2016 a las 14:11

Muy Buena explicacion, tengo entendido que la temperatura de la bobina (rollo) y el material del core tambien es un factor clave para evitar el fenomeno telescopio en las bobinas, que opina de eso?

Wilmer Saavedra Chacin
02 de diciembre de 2016 a las 13:34

Estimado E Manny, Tal y como comentas el rollo al ser laminado debe estar cerca a temperatura ambiente de tal forma que la contracción no sea excesiva al enfriarse y el esfuerzo de compresión(EC) hacia el core ocasione un deslizamiento lateral, esta temperatura se controla en el nip de laminación. El core debe tener un % de humedad especificado de tal forma que no este muy blando y el EC lo colapse, produciendo rizado(buckling)*ver blog anterior), o que cuando el core se seque en otro ambiente, el rollo se afloje desde el core que se ha contraído. Espero sea útil esta información. Saludos Wilmer

Alfredo
16 de noviembre de 2016 a las 10:34

Excelente!!! Muchas gracias por la información.

Wilmer Saavedra Chacin
02 de diciembre de 2016 a las 13:37

Muchas gracias Alfredo Atentamente Wilmer

Lucio Cornejo Medina
15 de noviembre de 2016 a las 16:48

Aleccionador y didactico muchas gracias

Wilmer Saavedra Chacin
02 de diciembre de 2016 a las 13:38

Muchas gracias Lucio. Atentamente Wilmer

MARIANO
15 de noviembre de 2016 a las 13:31

Muy Bueno y muy bien explicado, felicitaciones por su dinamismo¡¡¡¡

Wilmer Saavedra Chacin
02 de diciembre de 2016 a las 13:40

Gracias Mariano. Atentamente Wilmer

ELBERTH
15 de noviembre de 2016 a las 13:37

Excelente, felicitaciones

Wilmer Saavedra Chacin
02 de diciembre de 2016 a las 13:41

Muchas gracias, Elberth Atentamente Wilmer