پیچ اکسترودر پلاستیک جریان مواد را کنترل می کند

یک پیچ اکسترودر پلاستیکی جریان مواد را از طریق سه مکانیسم متمایز مدیریت می کند: انتقال گلوله های جامد به جلو از طریق چرخش، فشرده سازی آنها با کاهش عمق کانال، و ایجاد فشاری که پلیمر مذاب را از طریق قالب وارد می کند. هندسه پیچ-به ویژه طول آن-به نسبت قطر، نسبت تراکم، و طراحی پرواز{4}}مستقیماً نرخ توان، دمای مذاب و قوام محصول را در سراسر کاربردهای اکستروژن تعیین می‌کند.

چگونه چرخش پیچ حمل و نقل مواد را هدایت می کند

پیچ اکسترودر پلاستیکی به جای یک مکانیسم فشار ساده به عنوان یک وسیله انتقال دقیق عمل می کند. همانطور که پیچ در داخل بشکه گرم شده می چرخد، جریان کششی را از طریق اصطکاک بین دیواره بشکه و مواد ایجاد می کند. این نیروی کششی 60 تا 80 درصد کل حمل و نقل مواد را در اکثر سیستم ها تشکیل می دهد.

پروازهای مارپیچ در یک زاویه خاص، معمولاً بین 17 تا 20 درجه از عمود، دور پیچ می پیچند. این زاویه مارپیچ حرکت چرخشی را به دو جزء تقسیم می کند: یکی که مواد را به جلو می برد و دیگری که عمل اختلاط را در عرض کانال ایجاد می کند. پیچ های مربعی، که در آن فاصله بین پروازها برابر با قطر پیچ است، رایج ترین پیکربندی را برای اکستروژن{4}}منظور عمومی نشان می دهد.

سرعت مواد به طور چشمگیری در سطح مقطع کانال تغییر می کند. گلوله ها یا ذوب شدن نزدیک دیوار بشکه سریعترین حرکت را دارند، در حالی که آنهایی که ریشه پیچ را لمس می کنند کندتر حرکت می کنند. این گرادیان سرعت نیروهای برشی ایجاد می کند که به طور قابل توجهی به گرمایش کمک می کند-اغلب بیشتر از بخاری های بشکه ای خارجی ایجاد می کند.

فاصله پرواز بین نوک پیچ اکسترودر پلاستیکی و دیواره بشکه به طور باورنکردنی محکم می ماند، معمولاً 0.1-0.2٪ قطر بشکه. در یک اکسترودر 100 میلی متری، این به معنای فاصله 0.1-0.2 میلی متری است. این فاصله حداقل از جریان برگشتی جلوگیری می کند اما فضای کافی را برای انبساط حرارتی هر دو جزء در حین کار فراهم می کند.

سه منطقه عملکردی شکل رفتار مواد

هر پیچ اکسترودر پلاستیکی استاندارد به سه ناحیه تقسیم می شود که به تدریج گلوله های جامد را به مذاب تحت فشار تبدیل می کند. منطقه تغذیه 15-30% اول طول پیچ را اشغال می کند و عمق کانال عمیق و ثابت را حفظ می کند - معمولاً 10-15٪ قطر پیچ. در اینجا، گلوله ها باید در حالی که روی سطح پیچ می لغزند به دیواره بشکه بچسبند تا به طور موثر به جلو حرکت کنند.

منطقه فشرده سازی به دنبال آن است که در 30-50٪ طول کل گسترش می یابد. عمق کانال به تدریج از عمق تغذیه تا عمق اندازه گیری نهایی کاهش می یابد و نسبت تراکم ایجاد می کند. نسبت 3:1 به این معنی است که کانال های تغذیه سه برابر عمیق تر از کانال های اندازه گیری هستند. این کاهش حجم تدریجی هوا را از بین گلوله ها خارج می کند، مواد را فشرده می کند و از طریق افزایش اصطکاک و فشار شروع به ذوب می کند.

بیشتر ذوب در واقع در ناحیه فشرده سازی اتفاق می افتد، نه به طور یکنواخت در سراسر جرم مواد. یک لایه نازک پلیمری در برابر دیواره بشکه داغ ابتدا ذوب می‌شود، سپس با پرواز پیشروی خراشیده می‌شود و دوباره به بستر جامد مخلوط می‌شود. این چرخه هزاران بار با حرکت مواد به جلو تکرار می شود و به تدریج کل جرم را از جامد به مایع تبدیل می کند.

منطقه اندازه گیری 20-30 درصد نهایی را شامل می شود و عمق کم و ثابت را حفظ می کند. وظیفه آن تولید فشار و تثبیت جریان است. هندسه یکنواخت نرخ برش ثابتی ایجاد می کند و مذاب همگن در دما و فشار ثابت تولید می کند. این منطقه اساساً به عنوان یک پمپ مذاب دقیق عمل می کند که مواد را با سرعت های قابل پیش بینی به قالب می رساند.

نسبت فشرده سازی چندین مورد نیاز را متعادل می کند

انتخاب نسبت تراکم مناسب برای پیچ اکسترودر پلاستیکی شما شامل متعادل کردن ظرفیت تغذیه در برابر عملکرد ذوب است. موادی با چگالی کم-مثل پلی اتیلن مجدداً به نسبت های 3:1 تا 4:1 نیاز دارند زیرا چگالی ظاهری آنها به این معنی است که برای جذب مواد کافی به کانال های تغذیه عمیق نیاز دارید. پلاستیک‌های مهندسی با چگالی بالا مانند نایلون با نسبت‌های 2:1 تا 2.5:1 کارآمد هستند.

نسبت تراکم بیش از جابجایی مواد مؤثر است. نسبت 4:1 تقریباً دو برابر گرمایش برشی نسبت 2:1 در همان سرعت پیچ، با فرض عمق تغذیه ثابت ایجاد می کند. این برای مواد حساس به گرما{6}}که اگر دما از پنجره‌های باریک پردازش بیشتر شود، بسیار مهم است.

تحقیقات نشان می دهد که اکستروژن LLDPE با نسبت تراکم 2.8:1 در سرعت تا 110 RPM عملکرد بهینه دارد. بالاتر از این نسبت، قطعات پلیمر جامد در اکسترود ظاهر می شوند. زیر 2.4:1، فشار ناکافی در بخش های خوراک ایجاد می شود، مناطق پایین دست گرسنه می شوند و توان عملیاتی را کاهش می دهند.

اهداف مختلف پردازش، رویکردهای متفاوتی را می طلبد. اکستروژن ورق ممکن است دمای مذاب را 50 درجه فارنهایت کمتر از کاربردهای کشش فیبر، حتی با استفاده از رزین یکسان، هدف قرار دهد. نسبت تراکم باید این تفاوت ها را در کنار هندسه ذرات، چگالی ظاهری و ضرایب اصطکاک بین مواد و سطوح فلزی در نظر بگیرد.

طول-به-نسبت قطر بر زمان اقامت تأثیر می‌گذارد

نسبت L/D اساساً مدت زمان ماندن مواد در اکسترودر و چگونگی پردازش کامل آن را مشخص می کند. نسبت‌های استاندارد برای کاربردهای عمومی حدود 24:1 جمع می‌شوند، اما اکستروژن فیلم معمولاً از پیچ‌های 30:1 برای اطمینان از ذوب کامل و اختلاط عالی استفاده می‌کند. سیستم‌های تهویه‌ای که نیاز به گاززدایی دارند فراتر از 32:1 گسترش می‌یابند تا بخش‌های پردازش اضافی را در خود جای دهند.

پیچ های اکسترودر پلاستیکی بلندتر سطح بیشتری را برای انتقال حرارت و پروازهای بیشتری را برای کارهای مکانیکی فراهم می کنند. این ظرفیت ذوب را افزایش می‌دهد و اجازه می‌دهد تا با نرخ‌های توان عملیاتی بالاتر-اما به قیمت افزایش دماهای مذاب عمل کند. هر قطر اضافی طول، زمان ماندگاری و تاریخچه حرارتی را به پلیمر اضافه می کند.

پیچ‌های کوتاه‌تر سریع‌تر به تغییرات فرآیند پاسخ می‌دهند و انرژی کمتری در واحد خروجی مصرف می‌کنند. آنها برای مواد حساس به حرارت مانند PVDC و پلی آمید به خوبی کار می کنند، جایی که به حداقل رساندن قرار گرفتن در معرض حرارت از تخریب جلوگیری می کند. چالش در دستیابی به اختلاط و همگن سازی کافی در جدول زمانی فشرده است.

نسبت L/D با قطر پیچ در تعیین نیازهای گشتاور تعامل دارد. یک پیچ با قطر 60 میلی متر در طول 30:1 که با سرعت بالا کار می کند ممکن است از حد استحکام شفت فراتر رود و برای جلوگیری از خرابی نیاز به تجزیه و تحلیل تنش دارد. پیچ های با قطر بزرگتر به دلیل رابطه مجذور بین قطر و خروجی، گشتاور نامتناسب بیشتری تولید می کنند.

Screw Speed ​​Trade-عملکرد پویا ایجاد می‌کند

سرعت عملیاتی مستقیماً توان عملیاتی را تعیین می‌کند-دوبرابر کردن دور در دقیقه خروجی را تقریباً دو برابر می‌کند-اما محدودیت‌های متعدد حداکثر سرعت عملی را محدود می‌کنند. حساسیت برشی مواد، مرز اولیه را تعیین می کند. سرعت های حدود 50-150 RPM برای اکثر برنامه ها مناسب است، اگرچه پلیمرهای خاص نیاز به تنظیم دارند.

سرعت های بالاتر گرمایش برشی را به صورت تصاعدی تقویت می کند. انرژی تلف شده از طریق مقیاس های اصطکاک چسبناک با مجذور نرخ برش، به این معنی که 120 دور در دقیقه، چهار برابر بیشتر از 60 دور در دقیقه، گرمای اصطکاکی ایجاد می کند. این خود{4}}گرم شدن می‌تواند از 40 درجه در ناحیه تراکم تجاوز کند، که بر بودجه حرارتی و رزین‌های حساس به دما{6}} بالقوه تخریب می‌شود.

سرعت پیچ همچنین بر کیفیت اختلاط از طریق توزیع زمان اقامت تأثیر می گذارد. چرخش سریع‌تر، میانگین زمان اقامت را کاهش می‌دهد، اما گسترش بین سریع‌ترین و کندترین مسیرهای مواد را افزایش می‌دهد. برخی از پلیمرها حداقل زمان را در بشکه می گذرانند در حالی که بخش های دیگر بسیار طولانی تر می مانند و تغییرات دما و ویژگی را در مذاب نهایی ایجاد می کنند.

مطالعات نشان می دهد که بهینه سازی عمق کانال اغلب موثرتر از افزایش سرعت برای افزایش خروجی است. کانال‌های اندازه‌گیری عمیق‌تر با سرعت یکسان می‌توانند توان عملیاتی را 18-36% افزایش دهند و همزمان دمای تخلیه را کاهش دهند{3}}که سرمایه‌گذاری در طرح‌های جدید پیچ ​​را ظرف چند هفته پس می‌دهد.

رئولوژی مواد هندسه بهینه را دیکته می کند

رفتار غیر نیوتنی مذاب های پلیمری طراحی پیچ اکسترودر پلاستیک را به طور قابل توجهی پیچیده می کند. اکثر پلاستیک ها نازک شدن برشی را نشان می دهند، جایی که ویسکوزیته با افزایش نرخ برش کاهش می یابد. این بدان معناست که تغییرات عمق کانال نه تنها بر حجم، بلکه بر مقاومت جریان نیز تأثیر می‌گذارد به گونه‌ای که مقیاس خطی ندارد.

سیالات قانون توان به اصلاح محاسبات ساده جریان نیوتنی نیاز دارند. ویسکوزیته موثر برای پیش‌بینی جریان فشار بر اساس شاخص قانون توان ماده نیاز به تنظیم دارد. برای مذاب های پلیمری معمولی با شاخص های بین 0.3 و 0.6، جریان فشار واقعی 20-40٪ بیشتر از پیش بینی های نیوتنی است.

حساسیت به دما لایه دیگری از پیچیدگی را اضافه می کند. تغییر دمای 10 درجه می تواند ویسکوزیته مذاب را 50٪ یا بیشتر در برخی از پلیمرها تغییر دهد. پیچ باید شرایط حرارتی پایدار را در تمام مناطق پردازش حفظ کند تا کیفیت خروجی ثابتی ارائه دهد و از مسائل پایین دستی مانند تغییرات تورم قالب یا نقص سطح جلوگیری کند.

پرکننده های ساینده مانند الیاف شیشه یا ترکیبات معدنی اولویت های طراحی را به کلی تغییر می دهند. این مواد سرعت سایش را با مرتبه بزرگی تسریع می‌کنند، به‌ویژه در مناطق-برشی بالا. پیچ‌هایی که ترکیبات پر شده را پردازش می‌کنند، به سطوح سخت‌شده از طریق نیتریدینگ یا پوشش‌های تخصصی نیاز دارند، و برای دستیابی به عمر مفید قابل قبول، برخی مصالحه عملکرد را می‌پذیرند.

طرح های تخصصی پیچ به چالش های خاص می پردازند

پیچ های مانع یکی از مهم ترین نوآوری ها در فناوری اکستروژن است. یک پرواز اضافی در ناحیه تراکم کانال های جداگانه ای برای جامدات و مذاب ایجاد می کند. همانطور که پلیمر ذوب می شود، از طریق یک بریدگی باریک به کانال مذاب جریان می یابد در حالی که گلوله های ذوب نشده در کانال جامد باقی می مانند.

این جداسازی راندمان ذوب را به طور چشمگیری بهبود می بخشد زیرا گلوله های جامد اصطکاک بالاتری را بدون روانکاری مذاب اضافی حفظ می کنند. با ذوب شدن مواد بیشتر، کانال مذاب به تدریج حجمش افزایش می‌یابد، در حالی که کانال مواد جامد به همان نسبت منقبض می‌شود. تحقیقات نشان می‌دهد که طرح‌های مانع می‌توانند خروجی را 15 تا 25 درصد نسبت به پیچ‌های اکسترودر پلاستیکی معمولی در سرعت‌ها و دماهای یکسان افزایش دهند.

اختلاط بخش ها برای کاربردهایی که نیاز به یکنواختی استثنایی دارند، همگنی را افزایش می دهد. میکسرهای مدوک{1}} دارای موانع فلوت دار هستند که چندین بار جریان های مذاب را شکافته و دوباره ترکیب می کنند و ژل ها را از بین می برند و مواد افزودنی را پراکنده می کنند. با این حال، اختلاط تهاجمی گرمایش برشی قابل توجهی ایجاد می‌کند-گاهی باعث تخریب پلیمرهای حساس در صورت عدم مدیریت دقیق می‌شود.

پیچ‌های تهویه‌دار چالش‌های حذف رطوبت و فرار را ازطریق-طراحی دو مرحله‌ای حل می‌کنند. مواد در مرحله اول ذوب می شوند و به جلو منتقل می شوند، سپس با یک منطقه فشار زدایی روبرو می شوند که در آن بشکه دارای یک دریچه خروجی است. فشار کاهش‌یافته به گازها و بخار آب اجازه می‌دهد تا قبل از اینکه مرحله دوم فشرده‌سازی/سنجش فشار را برای جریان قالب دوباره برقرار کند، خارج شوند.

پیچ-ترخیص بشکه پایداری فرآیند را حفظ می‌کند

شکاف بین نوک پرواز و دیواره بشکه جریان نشتی را تعیین می کند که با حمل و نقل رو به جلو مخالف است. فاصله بیش از حد به مواد اجازه می دهد تا در این شکاف به سمت عقب جریان پیدا کنند و خروجی موثر را کاهش داده و زمان های اقامت ناسازگاری ایجاد می کند. تجهیزات جدید معمولاً فاصله‌های 0.05-0.1 میلی‌متری را روی پیچ‌های 50 میلی‌متری نگه می‌دارند و به تناسب با قطر پوسته پوسته می‌شوند.

پوشیدن به مرور زمان این بعد مهم را افزایش می دهد. با افزایش فاصله از 0.1 میلی‌متر به 0.3 میلی‌متر، جریان نشتی ممکن است دو برابر شود و خروجی خالص را تا 10-20 درصد در سرعت ثابت کاهش دهد. بشکه در مناطق انتقال و اندازه گیری که فشارها به اوج خود می رسد، سایش شتاب یافته را تجربه می کند و الگوهای فاصله غیریکنواختی را در طول پیچ ایجاد می کند.

کنترل دما در نواحی گلوگاه خوراک از ذوب زودرس که باعث پل زدن می شود جلوگیری می کند. آب خنک کننده از طریق محفظه تغذیه به گردش در می آید تا دما را 20-30 درجه کمتر از نقاط نرم شدن پلیمر حفظ کند. تغییرات فصلی در دمای آب خنک‌کننده می‌تواند بر پایداری فرآیند تأثیر بگذارد مگر اینکه به‌جای تکیه بر تأمین آب تأسیسات، به‌طور مستقل کنترل شود.

تلورانس های تولید بشکه ها باید به طور فوق العاده محکم باشد. مجموع-تراز-بعد از ماشینکاری نباید از نصف فاصله لوله مورد نظر- تجاوز کند. برای فاصله 0.1 میلی متری، خروجی سوراخ لوله نمی تواند از 0.05 میلی متر در کل طول تجاوز کند. دستیابی به این امر مستلزم ماشینکاری دقیق بر روی تجهیزات تخصصی است.

عیب یابی مشکلات رایج کنترل جریان

پلاستیک سازی ناکافی به صورت ذرات جامد، رگه ها یا گلوله های ذوب نشده در اکسترود ظاهر می شود. سرعت پایین پیچ شایع ترین علت است-که مواد انرژی مکانیکی کافی برای ذوب کامل دریافت نمی کنند. افزایش سرعت 10-20٪ اغلب بدون تنظیم دما مشکل را حل می کند.

فشار بیش از حد پشت سیگنال محدودیت پایین دست. بسته‌های صفحه مسدود شده مقصر معمول هستند و مقاومتی را ایجاد می‌کنند که در کل سیستم پشتیبان‌گیری می‌کند. فشارها می تواند از 150 تا 300 بار معمولی به بیش از 500 بار افزایش یابد و موتور درایو را بیش از حد بارگذاری کند و به قطعات احتمالی آسیب برساند. تغییرات بسته صفحه نمایش عملکرد عادی را بازیابی می کند.

خروجی موج دار تغییرات ریتمیکی در نرخ اکستروژن ایجاد می کند که به صورت نوسانات قطر در پروفیل ها یا نوارهای ضخامت در ورق قابل مشاهده است. انتقال نامناسب مواد جامد باعث افزایش بیشتر می شود. اگر دمای منطقه تغذیه از محدوده بهینه بالاتر رود، گلوله‌ها نرم می‌شوند و اصطکاک خود را در برابر بشکه از دست می‌دهند و به‌جای پیشروی هموار، به‌طور دوره‌ای می‌لغزند.

سایش پیچ اکسترودر پلاستیکی به تدریج ایجاد می شود اما در کاربردهای ساینده سرعت می گیرد. هنگامی که توان عملیاتی با سرعت ثابت 15 تا 20 درصد کاهش می یابد یا مصرف انرژی خاص به طور قابل توجهی افزایش می یابد، بازرسی سایش ضروری می شود. اندازه گیری ارتفاع پرواز در چندین نقطه در طول، شدت آسیب را کمیت می کند و عمر باقیمانده را پیش بینی می کند.

سوالات متداول

چه چیزی نسبت تراکم ایده آل را برای یک پلاستیک خاص تعیین می کند؟

انتخاب نسبت تراکم در درجه اول به چگالی ظاهری مواد، ویژگی های جریان مذاب و دمای پردازش هدف بستگی دارد. مواد با چگالی کم مانند ریس یا کرک به نسبت های بالاتر (3:1 تا 4:1) برای جذب مواد کافی در کانال های خوراک نیاز دارند. رزین های مهندسی متراکم با نسبت های 2:1 تا 2.5:1 به خوبی کار می کنند. این نسبت همچنین باید گرمایش برشی کافی برای کامل شدن ذوب بدون ایجاد تخریب حرارتی ایجاد کند{11}} تعادلی که بسته به خانواده و درجه پلیمر متفاوت است.

سرعت پیچ چه تاثیری بر کیفیت محصول فراتر از توان عملیاتی دارد؟

سرعت بر سه عامل کیفیت تأثیر می گذارد: همگنی دمای مذاب، یکنواختی اختلاط و تخریب مولکولی. سرعت های بالاتر، تغییرات زمان اقامت را کاهش می دهد، اما گرمایش برشی و دمای اوج را افزایش می دهد. این می‌تواند قوام رنگ را در محصولات رنگدانه‌دار بهبود بخشد، اما خطر تخریب پلیمرهای حساس به حرارت را دارد. سرعت های بهینه اهداف توان عملیاتی را در برابر محدودیت های حرارتی خاص برای هر ماده و کاربرد متعادل می کند.

چرا برخی از پیچ های اکسترودر پلاستیکی در قسمت میانی دارای پروازهای مانع هستند؟

پروازهای مانع، جامدات ذوب شده را از پلیمر مایع جدا می کند و راندمان ذوب را 15-25٪ بهبود می بخشد. این طراحی از روانکاری مذاب اضافی گلوله های جامد جلوگیری می کند و اصطکاک بالاتری را حفظ می کند که تولید گرما را تسریع می کند. همانطور که مواد به تدریج ذوب می شوند، به یک کانال مذاب در حال انبساط جریان می یابد در حالی که کانال مواد جامد در حال انقباض گلوله های باقی مانده را پردازش می کند. این اجازه می دهد تا نرخ خروجی بالاتر در دماهای پایین تر در مقایسه با پیچ های معمولی.

علت سایش زودرس پیچ در عملیات اکستروژن چیست؟

پرکننده های ساینده مانند الیاف شیشه یا ترکیبات معدنی باعث سایش سریع می شوند، به ویژه در مناطق فشرده سازی و اندازه گیری که فشارها به اوج خود می رسد. سخت شدن ناکافی پیچ، پردازش مواد آلوده، یا کارکردن با سرعت‌های بیش از حد با پلیمرهای{1} با ویسکوزیته بالا نیز آسیب را تسریع می‌کند. کنترل ضعیف دما که منجر به ذوب ناهموار می‌شود، غلظت‌های تنش موضعی ایجاد می‌کند که سطوح را به‌طور ناهموار می‌سایند. نرخ سایش هنگام پردازش ترکیبات پر شده در مقابل رزین های تمیز می تواند 5 تا 10 برابر افزایش یابد.