فرآیند اکسترود از مکانیزم های پیچ استفاده می کند

فرآیند اکسترود از مکانیسم‌های پیچ دوار برای انتقال، ذوب و شکل دادن به مواد از طریق قالب‌ها تحت فشار و دمای کنترل‌شده استفاده می‌کند. این پیچ هم به عنوان یک نوار نقاله و هم به عنوان یک دستگاه اختلاط عمل می کند و مواد خام را از طریق برش مکانیکی و انرژی حرارتی به پروفیل های پیوسته تبدیل می کند.

نحوه عملکرد مکانیسم های پیچ در اکستروژن

فرآیند اکسترود کردن از طریق یک پیچ مارپیچ که در داخل یک بشکه گرم شده می چرخد ​​عمل می کند. همانطور که پیچ می چرخد، مواد از طریق سه منطقه متمایز به جلو حرکت می کند: منطقه تغذیه مواد خام را می پذیرد و فشرده سازی را شروع می کند، ناحیه انتقال فشار افزایشی را در حین وقوع ذوب اعمال می کند، و منطقه اندازه گیری مذاب همگن را با فشار ثابت به قالب تحویل می دهد. هندسه پیچ-به ویژه عمق کانال، گام، و نسبت تراکم آن{3}}تعیین می‌کند که چگونه ماده از جامد به مذاب چسبناک تبدیل می‌شود.

این مکانیسم در اکثر پیکربندی ها به جای جابجایی مثبت به جریان درگ متکی است. مواد به دیواره بشکه می‌چسبند در حالی که پیچ در زیر آن می‌چرخد و حرکت نسبی ایجاد می‌کند که هم حرکت رو به جلو و هم گرمای اصطکاکی ایجاد می‌کند. این اساساً با پمپ ها یا مارپیچ ها متفاوت است. در سیستم‌های تک پیچ، نسبت‌های معمولی طول-به-قطر از 20:1 تا 30:1 متغیر است، که 24:1 استاندارد در صنایع است. کانال های عمیق تر در بخش تغذیه به تدریج به مناطق اندازه گیری کم عمق تر منتقل می شوند و نسبت تراکم معمولاً بین 2:1 و 4:1 ایجاد می کنند.

هندسه پرواز پیچ نیز اهمیت قابل توجهی دارد. عرض پرواز معمولاً حدود 10٪ از قطر بشکه است-طول پروازهای وسیع‌تر باعث ضایعات و تولید گرمای بیش از حد می‌شود، در حالی که پروازهای باریک اجازه نشت بیش از حد مواد را از فاصله‌ها می‌دهند. پیچ‌های مدرن دارای گوشه‌های گردی هستند که در آن پروازها به ریشه برخورد می‌کنند تا از رکود مواد جلوگیری کنند، و بسیاری از آنها دارای بخش‌های اختلاط تخصصی مانند توزیع‌کننده‌های Maddock یا پروازهای مانع برای بهبود یکنواختی مذاب هستند.

سیستم های تک پیچ در مقابل سیستم های پیچ دوقلو

اکسترودرهای تک پیچ به دلیل سادگی، قابلیت اطمینان و هزینه کمتر بر تولید پلاستیک غالب هستند. آنها در پردازش پیوسته با حجم بالا، جایی که خواص مواد ثابت امکان ذوب و پمپاژ مستقیم را فراهم می کند، برتری دارند. مواد به صورت خطی از طریق مناطق گرمایش با برش نسبتا ملایم پیشرفت می کنند. سرعت پردازش برای پلیمرهایی که به راحتی فرآوری می شوند مانند پلی اتیلن به 20 تا 80 متر در دقیقه می رسد، اگرچه مواد سخت تر مانند آلیاژهای آلومینیوم با استحکام بالا به 2 تا 3.5 متر در دقیقه کاهش می یابد.

اکسترودرهای دو مارپیچ از دو پیچ بهم پیوسته استفاده می کنند که می توانند در یک جهت (هم{0}}چرخش) یا در جهت مخالف (مقابل-چرخش) بچرخند. طرح‌های دوار، که در آن هر دو پیچ با هم می‌چرخند، اختلاط عالی را از طریق انتقال مواد بین پیچ‌ها در الگوی هشت شکل- فراهم می‌کنند. این پیکربندی فرمول‌بندی‌های پیچیده با افزودنی‌ها، پرکننده‌ها یا تقویت‌کننده‌های متعدد را به‌طور مؤثرتری مدیریت می‌کند. هندسه در هم تنیده، عمل پاک کردن خود- را ایجاد می کند که از تجمع مواد جلوگیری می کند و پیکربندی های پیچ مدولار متناسب با فرآیندهای خاص را امکان پذیر می کند.

شمارنده-پیچ‌های دوقلوی چرخان جابجایی مثبت در محفظه‌های C-شکل بین پروازهای درهم‌تنیده ایجاد می‌کنند. این نیروی انتقال قدرتمند با تنش برشی کمتر ایجاد می کند و آنها را برای مواد حساس برشی مانند ترکیبات PVC ایده آل می کند. محفظه های بسته همچنین باعث ایجاد فشار بهتر برای اکستروژن شکل مستقیم بدون پمپ های اضافی می شوند.

تحقیقات آزمایشگاه ملی شمال غربی اقیانوس آرام نشان داد که طرح‌های پیچ دوقلو پیشرفته می‌توانند آلیاژهایی با کارایی بالا مانند آلومینیوم 7075 و 2024 را با سرعت‌های بسیار افزایش یافته{5}}7.4 متر در دقیقه در مقایسه با 3.5 متر در دقیقه معمولی در حالی که خواص مکانیکی استاندارد ASTM را به دست می‌آورند، اکسترود کنند. این سیستم ها مراحل همگن سازی سنتی را حذف کردند و نیازهای عملیات حرارتی را کاهش دادند.

پارامترهای فرآیند اصلی

کنترل دما از طریق چندین منطقه مستقل در امتداد بشکه عمل می کند. عناصر گرمایش خارجی انرژی حرارتی پایه را فراهم می کنند، در حالی که برش مکانیکی ناشی از چرخش پیچ باعث گرمای اضافی قابل توجهی می شود. فرآیند اکسترود کردن نیاز به مدیریت حرارتی دقیق دارد: برای ترموپلاستیک ها، دمای بشکه معمولاً بسته به نوع پلیمر از 170 درجه تا 270 درجه متغیر است. اکستروژن مواد غذایی بین 100 درجه تا 200 درجه عمل می کند. اکستروژن آلومینیوم نیاز به پیش گرم کردن بیلت تا 450-500 درجه قبل از ورود به قالب دارد.

سرعت پیچ به طور مستقیم بر زمان ماند، نرخ برش و توان عملیاتی تاثیر می گذارد. سیستم‌های پیچ دوقلو معمولاً بین 100 تا 600 دور در دقیقه برای کاربردهای غذایی کار می‌کنند، در حالی که ترکیب پلاستیک ممکن است بسته به ویسکوزیته و نیازهای اختلاط از 20 تا 150 دور در دقیقه استفاده کند. سرعت های بالاتر گرمایش برشی را افزایش می دهد اما زمان ماندگاری فرآیندهای حرارتی را کاهش می دهد. سرعت های پایین تر امکان ذوب بهتر مواد کریستالی را فراهم می کند اما نرخ تولید را کاهش می دهد.

فشار به تدریج در طول پیچ افزایش می یابد و در ورودی قالب به حداکثر مقادیر می رسد. سیستم های معمولی بسته به خواص مواد و هندسه قالب، 30-700 مگاپاسکال تولید می کنند. این فشار هم مواد را از طریق دهانه های قالب محدود می کند و هم بر ساختار مواد تأثیر می گذارد. سیستم‌های اکستروژن هیدرواستاتیک می‌توانند با احاطه کردن بیلت با سیال تحت فشار به فشار تا 1400 مگاپاسکال برسند، اگرچه این امر به دلیل پیچیدگی تجهیزات تخصصی باقی می‌ماند.

طراحی قالب بر هندسه محصول نهایی حاکم است. دهانه قالب مقاومت جریان ایجاد می کند که فشار برگشتی را در سرتاسر پیچ ایجاد می کند و بر رفتار ذوب و اختلاط تأثیر می گذارد. کانال های جریان باید پروفیل های سرعت یکنواخت را برای جلوگیری از نقص حفظ کنند. طول زمین-بخش مستقیم در خروجی قالب{5}}افت فشار و پایان سطح را کنترل می‌کند. طراحان همچنین باید متورم شدن قالب را در نظر بگیرند، جایی که مواد ویسکوالاستیک پس از خروج از محصور شدن منبسط می شوند.

قابلیت های پردازش مواد

پلیمرها و پلاستیک ها بزرگترین بخش کاربرد را نشان می دهند. اکسترودرهای تک پیچ لوله ها، پروفیل ها، ورق ها، فیلم ها و پوشش های سیمی را از ترموپلاستیک هایی مانند پلی اتیلن، پلی پروپیلن، پی وی سی و پلی استایرن تولید می کنند. طبیعت پیوسته مناسب تولید انبوه محصولات استاندارد است. ترکیب کننده های دو مارپیچ رزین های پایه را با رنگ ها، تثبیت کننده ها، بازدارنده های شعله و الیاف تقویت کننده ترکیب می کنند. بارگیری الیاف شیشه و کربن بالای 15 درصد به سیستم های تغذیه تخصصی و هندسه های پیچ برای جلوگیری از شکستن الیاف و حفظ پراکندگی نیاز دارد.

اکستروژن فلز از طریق مکانیزم های پیچی عمدتاً برای آلومینیوم اعمال می شود، اگرچه مس، منیزیم و برخی از آلیاژهای فولاد نیز پردازش می شوند. شمش های آلومینیومی که تا دمای 450 تا 500 درجه گرم می شوند، تحت فشار بالا از قالب ها عبور می کنند تا اشکال ساختاری برای کاربردهای هوافضا، خودرو و ساختمان ایجاد کنند. قاب بدنه هواپیما، بال‌ها و اجزای ارابه فرود معمولاً از آلیاژهای آلومینیوم 2024 و 7075 استفاده می‌کنند که در پروفیل‌های پیچیده اکسترود شده‌اند. این فرآیند می تواند مقاطع توخالی با هندسه داخلی پیچیده را از طریق ماشینکاری یا آهنگری ایجاد کند.

فرآوری مواد غذایی از اکسترودرهای دو پیچ به طور گسترده استفاده می کند. فرآیند اکسترود کردن شرایط برشی و دمایی بالا را ایجاد می کند که باعث ژلاتینه شدن نشاسته بیش از 98٪ در محصولات دانه می شود، در حالی که ساختارهای پروتئینی در طول بافت سازی باز می شوند و دوباره مرتب می شوند. این باعث ایجاد تنقلات گسترده، غلات صبحانه، ماکارونی و آنالوگ‌های گوشتی{3}}می‌شود. پارامترهای فرآیند بر بافت، توسعه طعم و حفظ مواد مغذی تأثیر می گذارد. میزان رطوبت معمولاً بین 20 تا 40 درصد برای دستیابی به قوام خمیر مناسب در طول اکستروژن متغیر است. پخت و فرم دهی به طور همزمان در یک مرحله پیوسته انجام می شود.

برنامه‌های دارویی بر اکستروژن مذاب داغ برای سیستم‌های دارورسانی تمرکز دارند. اکسترودرهای دو مارپیچ مواد دارویی فعال را با حامل های پلیمری در دماهای دقیق ترکیب می کنند و پراکندگی های جامد ایجاد می کنند که سرعت انحلال را برای داروهای کم محلول بهبود می بخشد. فرمول‌های{3}}رهاسازی کنترل‌شده، چسب‌های ترانس درمال، و دستگاه‌های قابل کاشت از پیکربندی‌های پیچی و پروفایل‌های حرارتی با دقت طراحی شده بیرون می‌آیند. فرآیند پیوسته کنترل کیفیت بهتری را نسبت به روش های اختلاط دسته ای امکان پذیر می کند.

روش های اکستروژن مستقیم و غیر مستقیم

فرآیند اکسترود را می توان از طریق تنظیمات مکانیکی مختلف اجرا کرد. اکستروژن مستقیم که اکستروژن رو به جلو نیز نامیده می شود، شمش را با استفاده از یک قوچ یا پیچ دوار از طریق یک قالب ثابت عبور می دهد. شمش و ظرف با هم در یک جهت حرکت می کنند. این آرایش، در حالی که از نظر مکانیکی ساده است، اصطکاک قابل توجهی را بین دیواره شمش و ظرف ایجاد می کند. این اصطکاک نیروی مورد نیاز را افزایش می دهد و بر روی سطح تأثیر می گذارد. نیاز به نیروی زیاد شروع می شود، زیرا مواد برای پر کردن ظرف به هم می ریزند، در طول اکستروژن ثابت می افتند، سپس با نازک شدن شمش در نزدیکی اتمام، دوباره میخک می کنند. "انتهای لب به لب" نهایی اغلب به دلیل نگرانی های کیفیت کنار گذاشته می شود.

اکستروژن غیرمستقیم قالب را با استفاده از یک قوچ توخالی به سمت بیلت ثابت حرکت می دهد. کانتینر در حالی که قوچ و قالب ثابت می مانند جلو می رود. این امر اصطکاک بین دیواره بیلت و کانتینر را از بین می برد و نیروی اکستروژن را 25-30% کاهش می دهد و سرعت بالاتر با کیفیت سطح بهتر را امکان پذیر می کند. این رویکرد همچنین اجازه اکستروژن سطوح مقطع کوچکتر را می دهد و تمایل به ترک خوردگی سطحی را کاهش می دهد. با این حال، طراحی قوچ توخالی حداکثر طول ساقه را محدود می کند و طول محصول را در مقایسه با روش های مستقیم محدود می کند.

اکستروژن هیدرواستاتیک، بیلت را به طور کامل با سیال تحت فشار احاطه می کند، به جز در نقطه تماس قالب. سیال نیرو را به طور یکنواخت منتقل می کند در حالی که اصطکاک جامد-به-را حذف می کند. روغن کرچک معمولاً در فشارهایی که به 1400 مگاپاسکال می رسد به عنوان واسطه عمل می کند. این روش به نسبت اکستروژن بالاتر، دماهای پایین تر و افزایش شکل پذیری اجازه می دهد. میدان فشار یکنواخت عیوب را کاهش می‌دهد و امکان پردازش مواد شکننده را فراهم می‌کند که تحت روش‌های معمولی ترک می‌خورند. الزامات آب بندی و پیچیدگی جابجایی سیال مانع از پذیرش گسترده فراتر از کاربردهای تخصصی می شود.

رژیم های دما و اثرات آنها

اکستروژن داغ بالاتر از دمای تبلور مجدد ماده-معمولاً 50-60٪ نقطه ذوب مطلق عمل می کند. درجه حرارت بالا استحکام تسلیم را کاهش می دهد و شکل پذیری را به حداکثر سطوح افزایش می دهد. اکستروژن آلومینیوم در 450-500 درجه بسته به اندازه بیلت و پیچیدگی قالب به نیروهایی بین 250-12000 تن نیاز دارد. گرما از سخت شدن کار جلوگیری می‌کند و اجازه می‌دهد شکل شدید در پاس‌ها تغییر کند. با این حال، خطرات اکسیداسیون افزایش می‌یابد، ساختار دانه‌ها ممکن است درشت شوند و نقص‌های سطحی بدون اتمسفر یا پوشش‌های محافظ مناسب ایجاد می‌شوند.

اکستروژن سرد در دمای اتاق از طریق سخت شدن کار، قطعاتی با خواص مکانیکی برتر تولید می کند. این فرآیند مواد را تقویت می کند و در عین حال سطح و دقت ابعاد را بهبود می بخشد. نیاز به انرژی در مقایسه با کار گرم کاهش می یابد و اکسیداسیون رخ نمی دهد. کاربردهای متداول شامل اکستروژن ضربه ای برای لوله های تاشو، جعبه های باتری و اجزای توخالی کوچک از فلزات انعطاف پذیر مانند آلومینیوم، سرب، مس و قلع است. این تکنیک به موادی با شکل پذیری بالا نیاز دارد و پیچیدگی قابل دستیابی را به دلیل محدودیت های تنش جریان محدود می کند.

اکستروژن گرم محدوده میانی بین کار سرد و گرم را اشغال می کند. دمای پردازش کمتر از نقاط تبلور مجدد اما بالاتر از شرایط محیطی است. این سازش نیروها را در مقایسه با کار سرد کاهش می دهد و در عین حال تحمل بهتری نسبت به اکستروژن گرم حفظ می کند. این تکنیک برای موادی مناسب است که کوتاهی گرم دارند-رفتار شکننده در دماهای بالا-و سرعت بیشتری نسبت به پردازش سرد ارائه می‌دهند. اثرات زیست محیطی و هزینه های ابزارآلات نسبت به عملیات کاملاً گرم کاهش می یابد.

کاربردهای صنعتی و مقیاس

صنعت پلاستیک سالانه میلیون ها تن را از طریق اکسترودرهای پیچی پردازش می کند. فرآیند اکسترود باعث ایجاد اکستروژن پروفیل برای قاب پنجره ها، تزئینات درب، آبکشی خودرو و مصالح ساختمانی می شود. خطوط فیلم و ورق مواد بسته‌بندی، فیلم‌های کشاورزی و استوک حرارتی را تولید می‌کنند. اکستروژن لوله سیستم های آب شهری، توزیع گاز طبیعی و لوله کشی فرآیند صنعتی را تامین می کند. کواکستروژن سه لایه برای لوله پی وی سی از یک هسته فوم برای کاهش وزن تا 25 درصد استفاده می کند و در عین حال محتوای بازیافتی را در لایه های میانی ترکیب می کند. پوشش سیم و کابل از خطوط انتقال برق و شبکه های مخابراتی محافظت می کند.

اکستروژن آلومینیوم به طور برجسته به بخش های هوافضا و حمل و نقل خدمت می کند. هواپیماهای بوئینگ و ایرباس صدها شکل اکسترود شده را در هر بدنه هواپیما ترکیب می‌کنند- رشته‌هایی که پوست بدنه، مسیرهای صندلی با هندسه شیار دقیق T{2}}، لبه‌های جلویی بال با منحنی‌های پیچیده، و لوله‌های هیدرولیک را تقویت می‌کنند. صنعت خودروسازی از قطعات اکسترود شده برای سازه‌های تصادفی، تقویت‌کننده‌های سپر، ریل‌های سقف و مبدل‌های حرارتی استفاده می‌کند. ساخت و ساز ساختمان از اشکال معماری برای دیوارهای پرده، قاب های پنل خورشیدی و اعضای سازه استفاده می کند. نسبت اکستروژن-مقطع شروع-تقسیم بر ناحیه نهایی-معمولاً به 10:1 تا 100:1 می‌رسد و در عین حال کیفیت قطعه حفظ می‌شود.

تولیدکنندگان مواد غذایی برای توسعه محصول و تولید با حجم-به اکستروژن متکی هستند. خطوط غلات صبحانه به طور مداوم کار می کنند، مخلوط غلات را هنگام خروج از قالب پخته و پف می کنند. تولید اسنک پفک پنیر، چیپس ذرت و محصولات برنج منبسط شده را از طریق چشمک زدن رطوبت و انبساط کنترل شده ایجاد می کند. اکستروژن غذای حیوانات خانگی ترکیبی از فرمول تغذیه با کنترل بافت، ایجاد کیبل با چگالی خاص و ویژگی های جویدن است. تولید آنالوگ گوشت از پروتئین‌های گیاهی استفاده می‌کند که تحت پردازش ترمومکانیکی قرار می‌گیرند و با بافت‌های فیبری شبیه بافت حیوانی ظاهر می‌شوند.

تولید مداوم دارویی به طور فزاینده ای از اکستروژن دو پیچ استفاده می کند. شرکت‌ها از پردازش دسته‌ای به خطوط یکپارچه انتقال می‌یابند که در آن تغذیه پودر، اختلاط مذاب، تشکیل رشته و گلوله‌سازی به صورت متوالی اتفاق می‌افتد. اکستروژن مذاب داغ راهبردهای فرمولاسیون را از طریق فشرده سازی یا دانه بندی مرطوب غیرممکن می کند. پراکندگی جامد آمورف فراهمی زیستی را برای داروهای BCS کلاس II بهبود می بخشد. ماتریس‌های{5} رهش گسترده فارماکوکینتیک کنترل‌شده را ارائه می‌کنند. ادغام فناوری تحلیلی فرآیند اجازه نظارت و تنظیم-در زمان واقعی را می‌دهد.

طراحی و پیکربندی تجهیزات

در ساخت بشکه از استوانه های فولادی سخت شده با سطوح داخلی دقیق ماشینکاری شده استفاده می شود. چندین منطقه دمایی دارای عناصر گرمایشی مستقل و کانال های خنک کننده هستند. برخی از طرح ها از گرمایش القایی الکترومغناطیسی برای پاسخ سریعتر و مصرف انرژی کمتر در مقایسه با بخاری های مقاومتی استفاده می کنند. بشکه ها به صورت طولی برای برداشتن و نگهداری پیچ تقسیم می شوند، با فلنج های پیچ شده که مجموعه را آب بندی می کنند. آسترهای داخلی آلیاژهای مقاوم در برابر سایش، عمر مفید را هنگام پردازش مواد ساینده افزایش می دهند.

ساخت پیچ معمولاً با هسته‌های فولادی قابل ماشین‌کاری شروع می‌شود، سپس عملیات‌های سطحی را در مناطق سایش بحرانی اعمال می‌کند. سخت شدن شعله برای کاربردهای سبک-حفاظت اولیه را ارائه می دهد. نیتریدینگ کل سطح را برای مقاومت در برابر سایش سایش سخت می کند. کلاهک های آلیاژی سخت در زمین های پرواز حداکثر مقاومت در برابر سایش را در جایی که تماس با بشکه رخ می دهد، ایجاد می کند. برخی از پیچ‌ها دارای گذرگاه‌های مرکزی حفره‌دار برای گردش آب یا روغن، مناطق تغذیه خنک‌کننده برای جلوگیری از ذوب زودرس یا کنترل دمای نوک در مواد حساس به گرما{5}} هستند.

سیستم های محرک موتورهای الکتریکی را از طریق گیربکس ها برای دستیابی به گشتاور مورد نیاز در سرعت های کاری متصل می کنند. درایوهای هیدرولیک پرس های اکستروژن بزرگ را برای شکل دهی فلز نیرو می دهد. پرس روغن مستقیم-محرک فشار ثابتی را تا 35 مگاپاسکال ارائه می‌کند، اما با سرعت 50-200 میلی‌متر بر ثانیه به آرامی کار می‌کند. درایوهای آب آکومولاتور برای اکستروژن فولاد علیرغم افت فشار 10 درصدی در سکته مغزی به 380 میلی‌متر بر ثانیه می‌رسند. نیازهای قدرت موتور از اسب بخار کسری برای واحدهای آزمایشگاهی تا هزاران اسب بخار برای خطوط ترکیب پلیمری در مقیاس تولید متغیر است.

قالب‌سازی به ماشین‌کاری دقیق و عملیات حرارتی برای مقاومت در برابر چرخه حرارتی و سایش ساینده نیاز دارد. فولادهای ابزار کار داغ مانند H13 با قالب های اکستروژن آلومینیومی مطابقت دارند، در حالی که کاربید تنگستن در شرایط سایشی شدید عمل می کند. طراحان قالب هندسه کانال جریان را برای به حداقل رساندن افت فشار و در عین حال یکنواختی سرعت بهینه می کنند. نرم افزار شبیه سازی الگوهای جریان مواد را مدل می کند، مکان های خط جوش را در قالب های پل پیش بینی می کند و مناطق نقص احتمالی را شناسایی می کند. قالب ها دارای کانال های کنترل دما برای مدیریت انبساط حرارتی و حفظ ابعاد محصول مورد نظر هستند.

کنترل فرآیند و بهینه سازی

اکسترودرهای مدرن سیستم های کنترل توزیع شده را با نظارت بر ده ها پارامتر به طور همزمان یکپارچه می کنند. فرآیند اکسترود از کنترل‌کننده‌های دما برای هر منطقه بشکه بهره می‌برد که از طریق الگوریتم‌های PID، نقاط تنظیم را در 2± درجه حفظ می‌کند. مبدل‌های فشار در مکان‌های مختلف محدودیت‌های جریان یا تغییرات خواص مواد را تشخیص می‌دهند. سنسورهای گشتاور در سیستم محرک تغییرات بار ناشی از نوسانات نرخ تغذیه یا ناهماهنگی مواد را نشان می دهد. اندازه گیری توان عملیاتی، نرخ تولید را تأیید می کند و مصرف انرژی خاص را محاسبه می کند.

تجزیه و تحلیل توزیع زمان اقامت مشخص می کند که چه مدت مواد در اکسترودر صرف می شود. توزیع‌های باریک نشان‌دهنده جریان پلاگ با حداقل اختلاط مجدد است که برای پردازش مداوم مطلوب است. مطالعات ردیاب پالس‌های مواد رنگی را تزریق می‌کنند و ظهور آن‌ها را نظارت می‌کنند و مناطق مرده یا مسیرهای جریان ترجیحی را آشکار می‌کنند. اصلاحات طراحی پیچ این مشکلات را برطرف می‌کند{3}}بلوک‌های ورز دادن شدت اختلاط را افزایش می‌دهند، در حالی که عناصر انتقال زمان ماندگاری را کاهش می‌دهند.

معیارهای کیفیت به کاربرد بستگی دارد اما معمولاً شامل تحمل ابعادی، پرداخت سطح، خواص مکانیکی و یکنواختی ترکیب می شود. کنترل فرآیند آماری تغییرات را در طول زمان دنبال می‌کند و قبل از بروز نقص، مداخلات را آغاز می‌کند. سیستم‌های اندازه‌گیری خطی، ضخامت دیواره را در اکستروژن لوله بررسی می‌کنند، ثبات رنگ را در تولید فیلم بررسی می‌کنند، و توزیع وزن مولکولی را در اکستروژن راکتیو تأیید می‌کنند. کنترل حلقه بسته، پارامترهای فرآیند را به طور خودکار برای حفظ مشخصات تنظیم می کند.

مقیاس{0}}از آزمایشگاه تا تولید نیازمند توجه دقیق به تشبیه هندسی و دینامیکی است. اکسترودرهای کوچکی که با سرعت 50 گرم در ساعت کار می کنند، طراحی سیستم هایی را که 50000 کیلوگرم در ساعت را مدیریت می کنند، ارائه می دهند. انرژی ورودی ویژه-کار در واحد جرم-انتخاب‌های سرعت و پیکربندی پیچ را هدایت می‌کند. مقیاس بندی نرخ برشی، تخریب مولکولی مشابه یا کارایی اختلاط در اندازه ها را تضمین می کند. با افزایش قطر بشکه از 18 میلی‌متر واحدهای تحقیقاتی به دستگاه‌های تولیدی 400 میلی‌متری، پروفایل‌های دما برای نسبت‌های مختلف سطح به حجم تنظیم می‌شوند.

ملاحظات تعمیر و نگهداری و عملیاتی

سایش پیچ عمدتاً در نوک پرواز که در آن تماس فلز-به-فلز با بشکه اتفاق می‌افتد، رخ می‌دهد. پرکننده های ساینده مانند الیاف شیشه، تالک معدنی یا اکسیدهای فلزی تخریب را تسریع می کنند. بازرسی منظم ارتفاع پرواز را در مقایسه با مشخصات اصلی اندازه گیری می کند. هنگامی که فاصله ها از 0.5 میلی متر تجاوز می کند، جریان های نشتی تولید فشار و افت توان را کاهش می دهند. خدمات بازسازی، مواد جدید را روی پروازهای فرسوده جوش می دهد و به ابعاد اصلی ماشین می دهد. برخی از عملیات ها پیچ های پشتیبان را برای به حداقل رساندن خرابی در حین بازسازی نگه می دارند.

تعویض آستر بشکه پس از سرویس طولانی مدت با مواد ساینده ضروری می شود. بازرسی الگوهای سایش را نشان می‌دهد- شیارهای ناشی از تماس پیچ، حفره‌های ناشی از خوردگی، یا ترک‌های حرارتی ناشی از چرخه دما. آستین های لاینر در داخل بشکه اصلی نصب می شوند و امکان تعویض اقتصادی سطح سایش را بدون از بین رفتن کل مخزن فشار می دهند. مواد آستر از فولاد نیترید شده برای خدمات عمومی تا لوله های دو فلزی با سطوح داخلی کاربید تنگستن برای کاربردهای شدید متغیر است.

تمیز کردن قالب از آلودگی مواد در هنگام تغییر رنگ یا تغییر فرمولاسیون جلوگیری می کند. ترکیبات را به طور فیزیکی رسوبات را از کانال های جریان و سطوح قالب پاک می کند. نمرات مختلف پاکسازی انواع خاصی از خاک-محصولات تخریب کربنی، رنگ‌های آلوده متقابل- یا باقیمانده‌های چسب سرسخت را هدف قرار می‌دهند. تمیز کردن مکانیکی با برس یا حمام اولتراسونیک باقیمانده مواد را حذف می کند. برخی از{6}عملیات با دقت بالا، سطوح قالب را برای دستیابی به پوشش های آینه ای که در برابر رسوب مقاوم هستند، الکتروپول می کنند.

روغن کاری گیربکس به شدت از مشخصات سازنده پیروی می کند. روغن های مصنوعی بارها و دماهای بالا را در قطارهای دوقلو پیچ تحمل می کنند. برنامه های آنالیز روغن ذرات سایش را زود تشخیص می دهند و از خرابی های فاجعه بار جلوگیری می کنند. مانیتورینگ ارتعاش، تخریب یاتاقان یا آسیب دندان دنده را قبل از شکستگی شناسایی می کند. تراز کوپلینگ بین موتور، گیربکس و پیچ باید در تلورانس های محکم باقی بماند تا از سایش زودرس جلوگیری شود.

عوامل ایمنی و محیطی

دماهای بالا در طول فرآیند خطر سوختگی را به همراه دارد. سطوح بشکه به 300 درجه یا بیشتر می رسد، در حالی که مواد اکسترود شده مذاب ظاهر می شوند. تجهیزات حفاظتی پرسنل شامل{3}}دستکش‌های مقاوم در برابر حرارت، محافظ‌های صورت، و لباس‌های مقاوم در برابر شعله{4}}است. محافظ ماشین از تماس با اجزای چرخان جلوگیری می کند. توقف های اضطراری باید از تمام ایستگاه های اپراتور قابل دسترسی باشد.

خطرات فشار ناشی از تجمع مواد یا تهویه نامناسب است. انسداد قالب باعث افزایش فشار می شود که می تواند بشکه ها را پاره کند یا فلنج ها را از هم جدا کند. دریچه های کاهش فشار، محافظت در برابر فشار بیش از حد را فراهم می کنند. تعویض‌کننده‌های صفحه برای جلوگیری از آزاد شدن مواد در هنگام تعویض فیلتر، به مراحل دقیق نیاز دارند. مواد پاکسازی و ضایعات راه اندازی باید به طور ایمن و بدون قرار گرفتن پرسنل در معرض جریان های ذوب داغ جمع آوری شوند.

تولید دود زمانی اتفاق می‌افتد که مواد خاصی بیش از حد گرم یا تخریب می‌شوند. پردازش پی وی سی به تهویه برای جذب هیدروژن کلرید در صورت وقوع تجزیه حرارتی نیاز دارد. فلوروپلیمرهایی مانند PTFE ترکیبات پرفلورینه شده را بالاتر از دماهای پردازش ایمن آزاد می کنند. تهویه محلی اگزوز بخارها را در نقاط منبع جذب می کند. نظارت بر هوا تضمین می‌کند که سطوح قرار گرفتن در معرض کمتر از حد مجاز شغلی باقی می‌ماند.

مصرف انرژی نشان دهنده هزینه عملیاتی و تاثیر زیست محیطی قابل توجهی است. طراحی پیچ کارآمد انرژی مکانیکی ورودی را از طریق هندسه کانال بهینه به حداقل می رساند. عایق باعث کاهش تلفات حرارتی از سطوح بشکه می شود. سیستم های بازیابی گرما انرژی حرارتی هدر رفته را برای پیش گرم کردن مواد اولیه یا گرمایش تاسیسات جذب می کنند. درایوهای فرکانس متغیر موتور به جای کارکرد مداوم در حداکثر سرعت، سرعت را مطابق با تقاضا تنظیم می کنند. مطالعات نشان می‌دهد که سیستم‌های پیچ دوقلو می‌توانند در مقایسه با طرح‌های تک پیچ قدیمی‌تر برای خروجی معادل، ۲۵ تا ۴۰ درصد صرفه‌جویی در مصرف انرژی داشته باشند.

فن آوری ها و نوآوری های نوظهور

تولید افزودنی به طور فزاینده‌ای به رشته‌های تولید شده از اکسترودر سفارشی-تکیه می‌کند. ترکیب پیچ دوقلو ترکیبات ویژه ای را ایجاد می کند که دارای الیاف پیوسته، ذرات رسانا یا افزودنی های کاربردی است. کنترل دقیق قطر و ثبات خواص مکانیکی کیفیت چاپ را تعیین می کند. برخی از سیستم ها مستقیماً به چاپگرهای سه بعدی اکسترود می شوند و مراحل گندله سازی میانی را حذف می کنند.

اکستروژن واکنشی سنتز شیمیایی را با پردازش مکانیکی در یک عملیات واحد ترکیب می کند. واکنش های پلیمریزاسیون، گسترش زنجیره، پیوند و اتصال عرضی در کانال های پیچ رخ می دهد. این واکنش‌های مبتنی بر حلال و مراحل جداسازی پرهزینه را حذف می‌کند. زمان‌های ماند کوتاه در دماهای بالا، مسیرهای واکنش را در راکتورهای دسته‌ای غیرممکن می‌سازد. کاربردها شامل عامل دار کردن پلیمرها، تولید الاستومرهای ترموپلاستیک و سنتز پلاستیک های زیست تخریب پذیر است.

یکپارچه‌سازی فناوری تحلیلی فرآیند، نظارت بر ترکیب-در زمان واقعی را فراهم می‌کند. طیف سنجی رامان ساختار مولکولی را از طریق پنجره های شفاف در بشکه تجزیه و تحلیل می کند. حسگرهای نزدیک{3}مادون قرمز میزان رطوبت، نسبت اجزاء و بلورینگی را اندازه می‌گیرند. طیف‌سنج‌های جرمی از بخارات دریچه‌های دریچه برای ردیابی حذف فرار نمونه‌برداری می‌کنند. این داده ها الگوریتم های کنترلی پیشرفته ای را تغذیه می کند که نرخ تغذیه، سرعت پیچ و پروفیل های حرارتی را به طور خودکار تنظیم می کند.

ابزارهای شبیه سازی از نظر دقت و دامنه به پیشرفت خود ادامه می دهند. دینامیک سیالات محاسباتی، میدان‌های جریان سه‌بعدی را در کانال‌های پیچی مدل‌سازی می‌کند و بازده اختلاط و توزیع زمان اقامت را پیش‌بینی می‌کند. تحلیل المان محدود توزیع تنش را در پیچ ها و بشکه ها تحت بارهای عملیاتی محاسبه می کند. دوقلوهای دیجیتال کل خطوط اکستروژن را به صورت مجازی تکرار می‌کنند و آزمایش‌های بهینه‌سازی را بدون وقفه در تولید ممکن می‌سازند. الگوریتم‌های یادگیری ماشین، همبستگی‌های ظریفی را بین متغیرهای فرآیند و کیفیت محصول شناسایی می‌کنند که مدل‌های قطعی آن را از دست می‌دهند.

سوالات متداول

چه چیزی سرعت پیچ بهینه را برای یک فرآیند اکسترودینگ تعیین می کند؟

ویسکوزیته مواد، زمان ماند مورد نظر و حساسیت حرارتی انتخاب سرعت پیچ درایو. مواد با ویسکوزیته پایین برای ایجاد برش کافی برای گرم کردن به سرعت‌های بالاتری نیاز دارند، در حالی که مواد بسیار ویسکوزیته برای جلوگیری از افزایش فشار بیش از حد به سرعت کمتری نیاز دارند. ترکیبات حساس به حرارت از سرعت بیشتر و کاهش زمان ماندن بهره می برند، در حالی که موادی که به واکنش های شیمیایی نیاز دارند به قرار گرفتن در معرض طولانی تری نیاز دارند. محدوده‌های معمولی بین 20-150 دور در دقیقه برای ترکیب پلاستیک و 100-600 دور در دقیقه برای پردازش مواد غذایی است.

نسبت تراکم چگونه بر عملکرد اکستروژن تأثیر می گذارد؟

نسبت تراکم عمق کانال تغذیه را با عمق کانال اندازه گیری مقایسه می کند. نسبت‌های بالاتر فشار و شدت اختلاط بیشتری ایجاد می‌کنند، اما نیاز به گشتاور درایو را افزایش می‌دهند. پلیمرهای کریستالی مانند پلی اتیلن از نسبت تراکم 2.5-4.0 برای متراکم کردن خوراک پودر و ذوب موثر استفاده می کنند. مواد آمورف مانند پلی استایرن تنها به 1.5-2.5 نیاز دارند زیرا به تدریج بدون نقطه ذوب گسسته نرم می شوند. نسبت های نادرست باعث ذوب ضعیف، حرارت برشی بیش از حد، یا تولید فشار ناکافی می شود.

چرا برخی از برنامه ها به جای پیچ های تک نیاز به پیچ دوقلو دارند؟

سیستم‌های دو پیچ اختلاط فوق‌العاده‌ای را برای فرمول‌های{0}}چند جزئی ارائه می‌دهند، پودرها و گلوله‌ها را به‌طور پیوسته‌تری کنترل می‌کنند و از طریق طرح‌های پیچ مدولار امکان کنترل فرآیند بهتر را فراهم می‌کنند. مواد با افزودنی های بالاتر از 30 درصد بارگذاری، ترکیبات حساس به رطوبت{3}}که نیاز به تهویه دارند، یا سیستم های واکنشی که نیاز به کنترل دقیق دما دارند از قابلیت های پیچ دوقلو بهره می برند. تک پیچ ها برای ذوب و پمپاژ مستقیم مواد همگن مقرون به صرفه تر هستند.

علت تورم مرگ چیست و چگونه مدیریت می شود؟

مواد ویسکوالاستیک انرژی مکانیکی را در طول جریان از طریق محدودیت قالب ذخیره می کنند. پس از خروج، انرژی ذخیره شده آزاد می شود و مواد عمود بر جهت جریان منبسط می شوند. این اثر با وزن مولکولی پلیمر، سرعت اکستروژن و طول زمین قالب افزایش می‌یابد. طراحان قالب با ایجاد دهانه‌های کوچک‌تر از ابعاد هدف-معمولاً 10-20% برای ترموپلاستیک‌های معمولی جبران می‌کنند. نیروهای خنک کننده و کشش پس از قالب نیز می توانند انبساط را به حداقل برسانند.

نتیجه گیری

اکستروژن مبتنی بر پیچ-به عنوان یکی از همه کاره ترین فرآیندهای تولید است که مواد اولیه متنوع را از طریق انرژی مکانیکی و حرارتی کنترل شده به محصولات نهایی تبدیل می کند. فرآیند اکسترود از خطوط پلاستیکی تک پیچ ساده تا سیستم‌های دارویی پیچیده دو مارپیچ، که هر کدام برای رفتارهای مواد خاص و الزامات محصول بهینه شده‌اند، را شامل می‌شود. درک نحوه تعامل هندسه پیچ، پروفیل‌های دما و توسعه فشار، مهندسان فرآیند را قادر می‌سازد تا به خروجی ثابتی دست یابند، چه در تولید قطعات آلومینیومی هواپیما، چه لوله‌های پلاستیکی، غلات صبحانه، و چه داروهای کنترل‌شده-. همانطور که ابزارهای محاسباتی و فن آوری های حسگر پیشرفت می کنند، روند اکسترود به سمت راندمان بالاتر، کنترل کیفیت بهتر و کاهش اثرات زیست محیطی در حالی که اصل اساسی حفظ می شود ادامه می یابد: پیچ های چرخان مواد را از طریق برش و گرما به اشکال مفید تبدیل می کنند.