Correva l’anno 1957, periodo d’oro per la nascente industria delle materie plastiche. Anno che Werner & Pfleiderer, azienda oggi nota con il nome di Coperion, ricorda per la consegna del primo estrusore ZSK a due viti corotanti compenetranti.
Lo ZSK del terzo millennio
A distanza di sessant’anni, è ancora possibile ordinare un estrusore ZSK, anche se dal punto di vista tecnologico, i modelli del terzo millennio – grazie al costante aggiornamento – poco hanno a che fare con le prime macchine, a quel tempo poco più di impastatrici. Un dato su tutti: se i primi modelli raggiungevano una capacità di estrusione intorno a 170 kg/h, quelli che escono oggi dagli stabilimenti Coperion possono lavorare, nello stesso lasso di tempo, fino a 125 tonnellate di materiale.
L’estrusore ZSK racconta una storia
La storia dello sviluppo di questa gamma di estrusori inizia in un periodo difficile per la Germania, da poco uscita sconfitta e lacerata dal secondo conflitto mondiale, ma con la voglia di ricostruire il suo tessuto industriale. È in questo scenario che Werner & Pfleiderer decide di acquisire, nel 1953, una licenza esclusiva dalla Bayer di Leverkusen. Si tratta del frutto del lavoro avviato nel 1943 da due brillanti ricercatori, Rudolf Erdmenger e Walter Meskat, presso lo stabilimento IG di Wolfen; terminata la guerra, nel 1945 Erdmenger prosegue il lavoro iniziato con il team “Tecnologia ad alta viscosità” e mette a punto un profilo completamente autopulente per viti corotanti compenetranti, alla base dell’estrusore bivite ZSK. Soluzione che, nelle sue linee generali, ancora oggi si rivela funzionale per la lavorazione di materiali con diversa viscosità e coefficienti di attrito. Nella prima versione, il prototipo della macchina inventata da Erdmenger montava viti in configurazione verticale, contrariamente ai modelli ZSK attuali.
Dopo aver rilevato il brevetto, Werner & Pfleiderer prosegue l’attività di sviluppo per altri quattro anni, con l’obiettivo di adattare il processo alla produzione in serie, prima di mettere sul mercato il primo estrusore ZSK.
Cos’è cambiato in 60 anni?
Il salto prestazionale della gamma ZSK è frutto del lavoro portato avanti da due generazioni di tecnici, prima Werner & Pfleiderer e in seguito Coperion. Progressi in alcuni casi significativi, come il passaggio a sezioni di cilindro ed elementi di vite modulari, in modo tale da garantire la versatilità necessaria all’esecuzione di lavorazioni diverse. Un altro esempio è la connessione tra l’albero e gli elementi della vite, punto critico nel trasferimento della coppia massima. Dal semplice innesto a una e in seguito multi chiavetta si è passati, con l’ausilio del calcolo agli elementi finiti (FEM), a una dentatura “evolvente” realizzata mediante uno speciale processo di rullamento, che conferisce all’albero una maggiore stabilità torsionale. Connessione oggi in grado di trasmettere coppie molto elevate in assoluta sicurezza.
Produttività moltiplicata per 35
Nel corso degli ultimi sessant’anni la tecnologia della ZSK è stata continuamente affinata e le prestazioni sono aumentate di pari passo, tanto che a parità di interasse, la produttività è oggi 35 volte più elevata rispetto ai primi modelli costruiti in serie nel 1957. Senza contare che le applicazioni sono cresciute esponenzialmente. La ragione – spiega Coperion – è dovuta in gran parte alla lunghezza della parte di processo che, attualmente, può arrivare fino a 80 volte il diametro vite (L/D 80), contro un rapporto iniziale pari a sei volte. Mentre i primi modelli ZSK presentavano una coppia specifica (Md/a³) pari a 3,7 Nm/cm³, gli estrusori ad alte prestazioni della stessa serie realizzati oggi vantano coppie di 18 Nm/cm³, nel caso dello ZSK Mc18, e di 11,3 Nm/cm³ per le serie Mv (Mega Volume). L’aumento della coppia e l’incremento della velocità di rotazione, da 150 min-1 a 1.200 min-1 fino ai 1.800 min-1 per la Mv consentono agli estrusori di ultima generazione di raggiungere livelli di produttività impensabili sessant’anni fa.
Molti i limiti superati
Anche i materiali e i metodi di produzione hanno registrato progressi notevoli. Grazie a ciò, il rapporto tra diametro esterno e interno delle viti (Do/Di) è passato dal valore originario di 1,22 agli attuali 1,55 nel caso dei modelli ZSK Mc18 e ZSK MEGAcompounder, fino a un rapporto di 1,80 nella versione ZSK Mv; evoluzione che ha comportato un aumento significativo del volume libero nella sezione di processo.
Molti dei limiti insiti nei primi modelli sono stati superati grazie a sviluppi tecnologici incrementali. È il caso, per esempio, della capacità di sfruttare interamente la coppia disponibile, oppure della tecnologia FET (Feed Enhancement Technology), che ha portato a un rilevante miglioramento dell’alimentazione delle cariche a bassa densità, mentre l’unità di devolatilizzazione laterale ZS-EG assicura maggiori affidabilità ed efficienza del vuoto.
Più veloce con i nuovi elementi miscelanti
Tra i più recenti sviluppi tecnologici introdotti nella gamma ZSK al fine di aumentare la produttività in estrusione meritano una segnalazione i nuovi elementi miscelanti “involute”, caratterizzati da una sezione trasversale ridisegnata e brevettata. Questi elementi sono stati progettati, in particolare, per formulazioni ad alto tenore di carica, dove il grado di dispersione e il livello di incorporazione nella matrice polimerica sono fattori critici del processo. È il caso, per esempio, di concentrazioni del 70-85 per cento di CaCO3 e TiO2 in resine poliolefiniche. Oltre a una maggiore portata gli elementi “involute” assicurano una maggiore concentrazione di cariche minerali, una migliore dispersione e omogeneizzazione e minore energia specifica.
Cresce la portata
Test condotti presso il laboratorio Coperion di Stoccarda hanno evidenziato un significativo aumento della portata, che varia in funzione della ricetta. Per esempio, nella lavorazione di polipropilene caricato con il 70 per cento di CaCO3 su un estrusore bivite ZSK 58 Mc18, i nuovi elementi miscelanti hanno consentito di aumentare la portata da 550 a 900 kg/h. Risultati analoghi sono stati ottenuti nella lavorazione di polietilene caricato con l’80 per cento di CaCO3 su di un estrusore ZSK 92 Mc18: in questo caso, la capacità è passata da 2.200 a 3.000 kg/h.
L’evoluzione continua…
Il processo di aggiornamento e miglioramento continuo delle prestazioni della gamma ZSK non si ferma. Le linee di ricerca puntano sull’ampliamento dello spettro applicativo, sull’efficienza energetica e i nuovi requisiti dell’economia circolare, la salvaguardia delle risorse e l’integrazione degli estrusori ad alte prestazioni in fabbriche sempre più digitalizzate e interconnesse, secondo l’approccio industria 4.0. Qualche dettaglio in più lo fornisce Frank Lechner, responsabile in Coperion delle tecnologie di processo: «Uno dei campi di ricerca è il passaggio da processi discontinui a processi continui e viceversa, una richiesta che giunge sempre più spesso dai clienti che operano, in particolare, nei comparti chimico e farmaceutico. Gli estrusori ZSK ci hanno consentito in passato di ottenere risultati sorprendenti nella fabbricazione di prodotti quali sigillanti e detergenti», continua. «In molti processi, grazie agli ultimi sviluppi tecnologici negli elementi vite “involute”, siamo riusciti a incrementare in modo significativo la produttività degli impianti e la qualità del prodotto, assicurando ai nostri clienti un utilizzo più efficiente dei sistemi e delle risorse».
