Manejo de tensión en las películas

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Tal y como lo mencionamos en nuestro anterior post, iniciaremos con el tema del manejo de las tensiones, que constituye una parte importante de la manipulación de los materiales en el mundo de la conversión. Revisaremos primero los conceptos básicos de la tensión, para posteriormente ir profundizando en cada uno de los aspectos.

Un buen manejo de películas busca preservar todas sus propiedades. En algunos casos la única propiedad que es alterada es la geometría de la película, es decir, el largo y el ancho. Además de la preservación, un buen manejo de la película tiene como objetivo procesarla a la máxima velocidad posible, con el propósito de reducir costos.  En suma, manejar bien una película significa transportarla de un punto a otro a su máxima productividad y con el menor desperdicio.

Mecánica de las películas

Normalmente en la industria de los envases flexibles, todas las películas son transformadas y convertidas a través de rodillos, que esencialmente son el fundamento de las máquinas procesadoras.

La interacción de la película con los rodillos puede afectar la calidad del proceso y la productividad de la máquina. Las películas reaccionan a la forma del rodillo que contactan, debido a que un rodillo es una superficie curva que imparte esfuerzos en un lugar de contacto, a través de una tracción.

La mecánica de las películas flexibles describe su entorno cuando se encuentra entre dos rodillos a través de las propiedades, que pueden ser medidas en este espacio: como son largo, ancho, relación ancho/largo, calibre, peso base y coeficiente de fricción. (Fig 1)

Realmente, el manejo de películas se concentra en el control de los esfuerzos recibidos y realizados por éstas cuando son transportadas a través de los rodillos.
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Figura 1

Propiedades físicas de una película

Materiales dúctiles o frágiles

Un material dúctil es aquel que es susceptible de ser deformado cuando se le aplica un esfuerzo, y los frágiles son aquellos materiales que se rompen fácilmente al aplicarse un esfuerzo bajo.

Las siguientes gráficas de esfuerzo/deformación nos muestran estas diferencias:

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Un material frágil tiene un comportamiento lineal con poca elongación, casi hasta el punto de falla cuando se le aplica un esfuerzo. En cambio, un material dúctil tiene un comportamiento no muy lineal hasta que falla, y una elongación muy alta. Otra diferencia es la geometría del fallo del material, el frágil tiene una deformación muy pequeña comparado con un material dúctil, que sufre una deformación grande, en forma de cuello de botella, de tal forma que el área de falla es mucho más delgada que el área original.

En general, las películas de PE y PP tienden a comportarse como materiales dúctiles, el Al y el PET tienden a comportarse como materiales frágiles.

Coeficiente de fricción

El coeficiente de fricción es una propiedad física propia de dos sólidos en contacto. La máxima fuerza de fricción es calculada a través de la fuerza normal (N) y el coeficiente de fricción (miu). El más importante es el coeficiente de fricción estático que nos indica el momento en que la película rompe el equilibrio con la superficie que está en contacto (rodillo, película). El coeficiente de fricción cinético nos muestra el momento en el que la película empieza a moverse sobre los rodillos, o cuando se produce una pérdida de tracción. Los métodos de medición son a través de plano inclinado o plano horizontal.

Comportamiento de las películas flexibles

La ley fundamental que gobierna el comportamiento de las películas sobre los rodillos es la ley de alineación de películas, que dice que: una película busca alinearse a sí misma, de forma perpendicular al eje del rodillo con el que está en tracción.

Si existe alguna desalineación entre el rodillo y la película, en un ángulo dado, como se muestra en la línea B del siguiente esquema, la película se moverá hasta que logre estar perpendicular con el eje del rodillo. El efecto de esta ley es local, pues la película se comportará así con cada uno de los rodillos con que está en contacto.

Este fenómeno ocurre sin importar en qué condiciones se estén trabajando en máquina, y aun cuando exista alguna otra variable que limite el grado con el cual la película busca la perpendicularidad.

La única forma de no tener en cuenta esta ley es por la ausencia de tracción entre la película y los rodillos. De igual forma existen otras variables que influyen en el comportamiento de una película, como son tensión, presión, velocidad y ángulo de contacto.

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Control de tensión

Uno de los temas más importantes en la mecánica de materiales es el control de tensión, debido a que este toca todos los puntos básicos de la manipulación o del manejo de películas, además es una de las variables más importantes a tener en cuenta para un proceso exitoso de laminación.

El manejo de películas requiere que los esfuerzos a los que están sometidas sean conocidos y controlados en cada uno de los puntos de la máquina. Estos esfuerzos pueden ser en la dirección de la máquina (MD), o en dirección transversal (TD).

La tensión aplicada a una película determina cuánto aire puede haber entre la película y los rodillos transportadores, lo que puede causar falta o exceso de tracción. Si la tensión y la tracción son bajas, se pueden producir descuelgues, arrugas en sentido transversal. Si en cambio la tensión y la tracción son muy altas, se puede producir ruptura de la película, arrugas en dirección de la máquina (MD), deformaciones o curling. Detalles de estos aspectos ya fueron analizados en mi post anterior.

La tensión se expresa como una unidad de fuerza. Existen muchos métodos para determinar las tensiones adecuadas en un proceso de laminación, uno de los más comunes es basado en la experiencia de materiales similares. Aquí normalmente se tiene experiencia con materiales de un peso, calibre y ancho específico, debido a lo anterior una buena aproximación es la siguiente ecuación:

Ti = Ft.a.C

Dónde Ti es la tensión, Ft es el factor del material o estructura, a es el ancho de la película o laminado y C es el calibre del material.

El factor del material es uno de proporcionalidad que se halla reemplazando Ti por una tensión que haya trabajado bien en un material de características similares, con un ancho y calibre específicos, y se divide entre estos últimos. Una vez encontrado este factor es posible encontrar tensiones adecuadas para trabajar materiales de diferentes calibres, y anchos con similares características.

En nuestro próximo post, entraremos en el estudio y análisis de las formas para medir y controlar la tensión. Analizaremos los dos métodos más comunes como son las celdas de carga y los rodillos balancines, y su concepto básico de funcionamiento como es el de mantener una tensión y tracción constantes en la película, controlando la velocidad de los diferentes motores de la máquina.

¡Hasta pronto! Gracias por su atención durante este 2016, y muy Feliz Navidad y Feliz Año 2017 para todos.

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