Precalentamiento del alambre antes de la extrusión del aislamiento
Precalentamiento del alambre antes de la extrusión del aislamiento
Por qué se precalientan los conductores antes de pasar por el cabezal de aislamiento, y cuáles son las ventajas que aporta este proceso.
Por qué se hace
Los compuestos aislantes (PVC, PE, XLPE, caucho, etc.) salen de la extrusora a temperaturas de fusión que suelen oscilar entre los 150 y los 220 °C. Si un conductor frío y sin recubrimiento entra en contacto con esa masa fundida caliente en la matriz, la masa fundida pierde calor rápidamente al entrar en contacto con el metal: el cobre y el aluminio son excelentes conductores de calor, por lo que extraen el calor del polímero justo en la interfaz, precisamente donde debe permanecer caliente y fluido para fluir, impregnar la superficie del cable y adherirse correctamente.
El precalentamiento del alambre elimina esa diferencia, lo que mantiene la estabilidad térmica del proceso desde la matriz hacia el exterior.
Ventajas
Un conductor más caliente permite que el metal fundido se mantenga fluido en la superficie metálica el tiempo suficiente para impregnar adecuadamente los hilos o el alambre macizo, lo que proporciona una mejor unión mecánica y reduce los huecos o los problemas de contacto en la interfaz.
Un enfriamiento repentino en la matriz puede provocar un flujo irregular, oscilaciones o la acumulación de material en la matriz, lo que da lugar a superficies rugosas, excentricidad o variaciones de espesor. Un alambre precalentado mantiene estable el flujo de metal fundido a través de la matriz.
El enfriamiento rápido de la masa fundida al entrar en contacto con un conductor frío puede provocar tensiones internas, huecos por contracción o grietas y poros, ya que el aislamiento se enfría de forma desigual de dentro hacia fuera.
Al haber menos calor que disipar del material fundido al conductor inmediatamente después de la extrusión, el proceso se desarrolla de forma más estable, lo que permite alcanzar velocidades de línea más altas sin sacrificar la calidad.
El precalentamiento elimina la humedad residual o la película de lubricante presente en la superficie del alambre, que, de lo contrario, podría evaporarse bajo el material termofusible y provocar burbujas, poros o fallos de adhesión.
En el caso de los conductores trenzados, el precalentamiento también ayuda a que el calor penetre entre los hilos individuales (y no solo en la superficie exterior), de modo que el compuesto pueda fluir hacia los intersticios y evitar que quede aire atrapado.
¿Qué pasa si no lo tienes?
Huecos y burbujas en la interfaz. Los conductores suelen estar rellenos o trenzados con fibra, o simplemente contienen humedad superficial (los rellenos de fibra pueden retener entre un 3 % y un 5 % de agua en peso). A temperaturas de extrusión de 150 °C o más, esa humedad se convierte instantáneamente en vapor justo en la interfaz entre la masa fundida y el conductor, lo que provoca la formación de burbujas en el aislamiento o da lugar a un «pegamento roto» (recubrimiento irregular y no continuo) si la pared es delgada.
Mala adhesión / delaminación. Cuando un conductor frío (normalmente entre 15 y 30 °C) entra en contacto con material fundido a una temperatura de entre 120 y 220 °C, la parte del material que está en contacto con el conductor se enfría y se endurece casi al instante, mientras que la pared exterior sigue enfriándose lentamente. Esa capa enfriada rápidamente se adhiere mal al metal y, a medida que el aislamiento exterior se contrae durante el enfriamiento, tira de la capa interior hacia fuera, lo que debilita aún más la unión; este es el mecanismo que explica la baja adhesión del aislamiento (y, posteriormente, la fuerza de pelado irregular) que se observa en el control de calidad.
Tensión residual y agrietamiento. La extrusión funde y desordena las cadenas moleculares del polímero; al enfriarse, estas necesitan tiempo y calor para recristalizarse y adoptar una disposición estable con baja tensión. Un conductor frío congela ese reordenamiento antes de que se complete, lo que fija la tensión residual en el aislamiento. Esa tensión puede liberarse posteriormente en forma de agrietamiento durante el almacenamiento, la manipulación o el uso, lo que resulta especialmente pronunciado en materiales cristalinos como el PE/XLPE.
Excentricidad y acabado superficial. Un enfriamiento irregular y localizado en el molde puede provocar un flujo asimétrico de la masa fundida, lo que da lugar a una pared descentrada (excéntrica) o a un acabado superficial rugoso o irregular, en lugar de un recubrimiento liso y concéntrico.
Fuentes: Lint Top — Precalentamiento de conductores en la industria del alambre y el cable; ZUMBACH — La importancia del precalentamiento de los conductores
¿De verdad lo recomiendan los fabricantes de resina?
Sí: cuando el aislamiento se aplica mediante extrusión por fusión estándar, el precalentamiento del conductor aparece directamente en las fichas técnicas de procesamiento del compuesto, y no es solo una creencia popular entre los fabricantes de extrusoras.
La ficha técnica del producto LE6006 de Borealis (un compuesto de LDPE de baja pérdida para cable coaxial) especifica condiciones de procesamiento concretas, entre las que se incluyen una temperatura del cilindro de 150-210 °C, una temperatura del cabezal de extrusión de 200 °C, una temperatura de fusión de 180-220 °C y una temperatura de precalentamiento del conductor de 80-100 °C, y señala lo siguiente: «Para equipos de extrusión y aplicaciones normales, recomendamos una temperatura de fusión y un precalentamiento del conductor según la tabla que figura a continuación». Esta es la instrucción directa del fabricante más clara que se ha encontrado. (Ficha técnica del producto LE6006 de Borealis, PDF)
La ficha técnica del HE3366 de Borealis (un compuesto de HDPE para el aislamiento de cables telefónicos y de comunicaciones, que se procesa a una velocidad de hasta 2.400 m/min) especifica una temperatura del cilindro de 165–210 °C, una temperatura del cabezal de extrusión de 220 °C, una temperatura de fusión de 220–230 °C y una temperatura de precalentamiento del conductor de 100–115 °C — y añade que el agua calentada (hasta 50 °C) en la primera canaleta de enfriamiento «ha demostrado ser beneficiosa para mejorar la adhesión del conductor». Dos grados diferentes de PE de Borealis, dos especificaciones de precalentamiento explícitas diferentes: se trata de una práctica habitual en toda su gama, no de un caso aislado. (Ficha técnica del producto HE3366 de Borealis, PDF)
De hecho, este es el que cuenta con las pruebas más documentadas y cuantitativas de todas —procedentes de una patente de Western Electric/Bell System (US 4.020.213, «Fabricación de un conductor aislado y del artículo así producido»), en la que se midió la adhesión entre el cable y el aislamiento (en libras de fuerza de tracción) directamente en función de la temperatura de precalentamiento del conductor:
- Por debajo de 450 °F (232 °C): la adherencia era inaceptable; el aislamiento «podía retirarse manualmente de los conductores».
- 525–650 °F (274–343 °C), preferiblemente 525–575 °F (274–302 °C): adhesión fiable y reproducible de 2–30 lb, ya que a esta temperatura el PVC se degrada ligeramente en la interfaz con el conductor y libera ácido clorhídrico, lo que corroe la superficie de cobre y fija mecánicamente el aislamiento a ella.
- Por encima de los 650 °F (343 °C): la adhesión vuelve a disminuir; según la patente, esto «provoca la aparición de huecos en la interfaz entre el aislante y el metal», hasta el punto de que, en algunos casos, no había contacto alguno entre el aislante y el cable.
En otras palabras, en el caso del PVC existe un punto óptimo de precalentamiento, y las propias figuras 5A-5C de la patente (buena adhesión) frente a las 6A-6C (mala adhesión, formación de huecos, desprendimiento limpio del aislamiento) son planos de ingeniería literales que muestran exactamente la comparación entre «demasiado frío / demasiado caliente / justo a la temperatura adecuada» del diagrama anterior.
Equipos: Precalentadores ProTHERMIC™ de Proton Products
La gama ProTHERMIC™ de Proton Products utiliza inducción de alta frecuencia para precalentar al hilo la línea de cables de cobre macizo y trenzado, revestidos de cobre y de aluminio, justo antes del cabezal de extrusión. Una unidad de potencia de alta frecuencia patentada aplica corriente a la frecuencia óptima y a la tensión precisa para cada conductor específico, y la potencia de salida se ajusta automáticamente para mantener la temperatura preestablecida, independientemente del tamaño del cable o de la velocidad de la línea.
La gama abarca desde finos hilos electrónicos hasta conductores de cables de alta potencia, todos ellos homologados para una temperatura máxima de 400 °C (752 °F):
| Serie | Diámetro del alambre (macizo) | Calibre del cable (trenzado) | Velocidad máxima |
|---|---|---|---|
| PH100 | 1 mm / AWG 18 | 1 mm² / AWG 17 | 2.500 m/min (8.202 pies/min) |
| PH160 | 1,6 mm / AWG 14 | 3 mm² / AWG 13 | 2.000 m/min (6.500 pies/min) |
| PH300 | 3 mm / AWG 9 | 10 mm² / AWG 3/0 | 2.000 m/min (6.500 pies/min) |
| PH300-RC | 3 mm / AWG 9 | 2 mm² / AWG 13 | 3.000 m/min (9.842 pies/min) |
| PH360 | 3,6 mm / AWG 7 | 8 mm² / AWG 7 | 600 m/min (1.969 pies/min) |
| PH450 | 4,5 mm / AWG 5 | 25 mm² / AWG 4 | 1.000 m/min (3.281 pies/min) |
| PH600 | 6 mm / AWG 3 | 44 mm² / AWG 1/0 | 1.500 m/min (4.921 pies/min) |
Las poleas mecanizadas con precisión, con rodamientos de baja fricción y un material de baja pérdida, mantienen una tensión uniforme y minimizan la pérdida de calor entre el cable y la polea, lo cual es importante para reducir los problemas de pérdida de retorno estructural (SRL) en los cables de datos y telecomunicaciones. Las unidades están disponibles como máquinas independientes o totalmente integradas con un sistema PLC o Industria 4.0, con opciones de conectividad Modbus, Ethernet TCP/UDP, OPC UA, PROFIBUS/PROFINET/EtherNet-IP y Wi-Fi. Las variantes RC (Rolling Contact) son la opción especializada para el alambre de aluminio, y varios modelos admiten el precalentamiento de alambre doble.