دستگاه اکسترودر|فرايند اکستروژن|Extrusion |دستگاه اکستروژن|Extruder

مشخصات فني انواع دستگاه اکسترودر
تاریخ انتشار:

 دستگاه اکسترودر|فرايند اکستروژن|Extrusion |دستگاه اکستروژن|Extruder |اکستروژن|Extruder|Profile production|Granule production|Film blowing|Blow Molding|توليد پروفيل|توليد ورق|قالبگيري دمشي|اکسترودر|اکسترودر تک ماردون|اکسترودر دو ماردون|اکسترودر تک مارپيچ |One Screw Extruder|اکسترودر دو مارپيچ|Two Screw Extruder

 

مشخصات فني انواع دستگاه اکسترودر

نام انگليسي: Extruder

اکستروژن يکي از روش هاي شکل دهي است که براي کاهش ضخامت يا سطح مقطح مواد به کار ميرود. اکستروژن روشي بسيار انعطاف پذيري است و با استفاده از حديده مناسب مي توان طيف وسيعي از توليدات را تهيه کرد.

1- توليد دانه گونه Granule production

2- توليد پروفيل Profile production

3- توليد ورقه هاي بسيار نازک به طريقه دمشي Film blowing

4- قالبگيري دمشي Blow Molding.

 

اکسترودر يعني مجموعه محفظه و ماردون که مي توان به عنوان بدنه و واحد اصلي توليد قطعاتي با اشکال مختلف به کاربرد.

اکسترودرها به دودسته تقسيم بندي مي شوند :

1-  اکسترودر تک ماردونه

2- اکسترودر دو ماردونه.

 

اکسترودر سه قسمت مجزا دارد :

1- ناحيه تغذيه Feed Zone

2-  ناحيه تراکم و فشردگي    Compression Zone

3- ناحيه اندازه گيري و سنجش.

يکي از مهمترين ويژگي پليمرها و به ويژه پلاستيک ها سهولت شکل پذيري آنهاست . در بعضي حالات، قطعات نيمه کاملي نظير ورقه ها يا ميله هاي توليد شده، متعاقباً با استفاده از روشهاي متداول ساخت، مانند جوشکاري يا ماشين کاري به قطعه نهايي تبديل مي شود. اما در بسياري مواقع، قطعه نهايي، عليرغم برخورداري از شکلي کاملاً پيچيده، طي يک مرحله توليد مي شود. عمليات حرارت دادن، شکل دادن و خنک کردن ممکن است( مانند توليد لوله به روش اکستروژن) به دنبال يکديگر و بدون وقفه (Continuous) انجام شود و يا ممکن است طي مراحلي ناپيوسته، زمانگير و تکرار شونده( مثل عمليات توليد تلفن خانگي به روش قالبگيري تزريقي) صورت پذيرد که در اکثر موارد، فرايند به طور خودکار انجام شده براي توليد انبوه بسيار مناسب است . طيف وسيعي از روشهاي شکل دهي براي پلاستيک ها و پليمرهاي شکل پذير کاربرد دارد. در بسياري از حالات انتخاب روش به چگونگي شکل نهايي قطعه و گرما نرم يا گرما سخت بودن ماردون بستگي دارد . بنابراين در عمليات طراحي، آگاهي طراح از روش هاي متنوع شکل دهي، حائز اهميت است زيرا اشکال ناجور و نامناسب قطعه و يا مسائل جزئي کار طراحي، ممکن است محدوديت هايي در انتخاب روش قالبگيري براي طراح ايجاد کند. دسته بندي اکسترودر هاي متداول اين دسته بندي شامل گونه هاي زير مي شود.

 

اکسترودر تک ماردونه ( تک مارپيچ )

نام انگليسي: One Screw Extruder

يکي از متداولترين روشهاي شکل دهي پلاستيک ها، اکستروژن است که از يک ماردون در داخل محفظه اي تشکيل شده است. پلاستيک ها معمولاً به صورت دانه اي شکل يا خاکه نرم از قيف به ماردونه تغذيه مي شود . آنگاه در حال حمل به وسيله ماردون در طول محفظه، در اثر هدايت حرارت از طرف گرم کننده هاي محفظه (Barrel Heaters) و برش ناشي از حرکت بر روي لبه هاي ماردون گرم مي شود . عمق معبر (Channel-Depth) در طول ماردون کاهش يافته موجب فشرده شدن مواد مي شود . در انتهاي محفظه اکسترودر، مذاب با عبور از حديده اي به شکل مورد نظربراي محصول نهايي در مي آيد.همانطورکه بعدا خواهيم ديد، به دليل امکان استفاده از حديده هاي مختلف،اکسترودر  يعني مجموعه محفظه و ماردون را مي توان به عنوان بدنه و واحد اصلي توليد قطعاتي با اشکال مختلف به کاربرد اکسترودر ماردونه سه قسمت مجزا دارد:

 

الف) ناحيه تغذيه (Feed Zone):  کار اين ناحيه، دادن گرماي اوليه به پلاستيک و انتقال آن به نواحي بعدي است . طراحي اين ناحيه حائز اهميت است. زيرا عمق ثابت ماردون طوري انتخاب شود که مواد لازم و کافي را به ناحيه اندازه گيري (Metering Zone) تغذيه کند؛ به طوري که نه دچار گرسنگي شود و نه در اثر زياد بود ن مواد، لبريز و پس زده شود. طراحي مناسب (Optimum) و متعادل، به طبيعت و شکل مواد تغذيه شونده (Feedstock) ،شکل هندسي (Geometry) ماردون و خواص اصطکاکي پلاستيک نسبت به ماردون و محفظه بستکي دارد . رفتار اصطکاکي مواد تغذيه شده، تاثير قابل توجهي بر آهنگ ذوب شدن مواددارد.

 

ب) ناحيه تراکم و فشردگي (Compression Zone):  در اين ناحيه، عمق ماردونه به تدريج کاهش مي يابد که موجب متراکم شدن و فشردگي پلاستيک مي شود. اين فشردگي دو نقش عمده ايفا مي کند؛ يکي آنکه هواي محبوش در داخل مواد را به ناحيه تغذيه مي راند و ديگر آنکه انتقال حرارت را با کاهش دادن ضخامت مواد بهبود مي بخشد.

 

ج) ناحيه اندازه گيري و سنجش:  در اين ناحيه، عمق ماردونه يکسان و ثابت، اما بسيار کمتر از عمق ناحيه تغذيه است. در اين ناحيه، مذاب به صورت همگون و يکنواخت در مي آيد به طوري که با آهنگ ثابتي، در درجه حرارت و فشار يکسان و ثابت، به حديده تغذيه مي شود. اين ناحيه به سهولت و سادگي تحليل و ارزيابي مي شود؛ زيرا مشتمل بر جريان مذاب گرانروان در داخل مجرايي با عمق و ابعاد ثابت است.

طول نواحي سه گانه ماردون خاص، بستگي به ماده اي دارد که تحت  اکستروژن  قرار مي گيرد . براي نمونه نايلون خيلي سريع ذوب مي شود، به طوري که تراکم و فشردگي مذاب در طول يک گام از ماردون نيز قابل تامين است. اما پلي وينيل کلرايد، به حرارت بسيار حساس است و لذا طول ناحيه فشردگي براي آن برابر با طول ماردون است. از آنجا که پلاستيک ها داراي گرانروي هاي متفاوت هستند، رفتار آنها در خلال اکستروژن  نيز متفاوت است.

آهنگ وزني خروجي واقعي 25 % با آنچه نشان داده شده اختلاف نشان مي دهد که بستگي به دما، سرعت ماردون و غيره دارد. در اکسترودرهاي تجاري، نواحي اضافي براي بهبود کيفيت محصول به ماردون افزوده مي شود. به عنوان نمونه، ناحيه اختلاطي (Mixing Zone) مشتمل بر پلکان هايي (Flights) با گام کمتر يا معکوس، به منظور کسب اطمينان از يکنواختي مذاب و کافي بودن آن در منطقه اندازه گيري، استفاده مي شود .

برخي از اکسترودرها ناحيه هواگيري(منفذ خروج هوا) وجود دارد. وجود اين ناحيه به اين دليل است که برخي پلاستيک ها جاذب رطوبت(Hygroscopic)  هستند يعني از محيط اطراف خود رطوبت جذب مي کنند و اگر به همين صورت مرطوب در اکسترودر فاقد ناحيه هواگيري استفاده شوند، کيفيت محصول نهايي خوب نيست؛ زيرا در داخل مذاب، بخار آب محبوس مي شود . براي رفع اين مشکل راه حل آن است که مواد تغذيه شونده به اکسترودر را قبلاً خشک کنيم. اين روش گران و پر هزينه است و امکان آلودگي نيز در مواد ايجاد مي کند.

روش دوم، استفاده از محفظه هاي منفذدار (Vented Barrels) است . در اولين قسمت ماردون، مواد که به صورت دانه بندي است، پس از ورود ذوب شده، سپس به طريق معمول فشرده و همگن مي شود. آنگاه با ورود به ناحيه غير فشردگي (Decompression-Zone) ،فشار مذاب به محيط کاهش مي يابد؛ اين عمل، امکان خروج و گريز بخار و ساير مواد فرار از داخل مذاب را از طريق منفذ تعبيه شده در بدنه اکسترودر  فراهم مي کند. آنگاه مذاب در طول محفظه به ناحيه دوم فشردگي هدايت مي شود تا از محبوس شدن هوا در مذاب ممانعت به عمل آيد. دليل دفع بخار اين است که در دمايي برابر با 250 درجه سانتيگراد، بخار آب موجود در پلاستيک مذاب داراي فشاري برابر 4 MN/m2 است که موجب خروج آسان آن از مذاب و گريز از منفذ خروج مي شود . توجه کنيد که چون فشار محيط تقريباً 0.1 MN/m2 است، استفاده از مکش خلاء (Vacuum) در منفذ خروجي، اثر ناچيزي در خروج بخار و مواد فرار دارد. يکي ديگر از اجزاي مهم اکسترودر، صافي (Gauze Filter) پس از ماردون و پيش از حديده است. اين صافي به صورت کاملاً موثري هرگونه مواد ناهمگون و ناخالص يها را از مذاب جدا مي کند . عدم وجود آن حتي ممکن است موجب انسداد حديده گردد.

 اين صفحات صاف و غربال کننده معمولاً مذاب را تا مقياس 120 تا 150 mصاف و تصفيه مي کنند. اما شواهد موجود نشان مي دهد که ذراتي کوچکتر از مقياس فوق، موجب شروع ايجاد ترک هاي مويين در توليدات پلاستيکي نظير لوله هاي تحت فشار پلي اتيلني مي شود . براي چنين مواردي صافي هاي بسيار ظريفي در مقياس 45 mبه کار مي رود که به گونه اي موثر و جالب توجه، کيفيت و عمر مفيد محصول را بهبود مي بخشد. از آنجا که اين صافي هاي ظريف آسيب پذير است، توسط صفحه سرعت شکني (Breaker plate) هدايت مي شود. اين صفحه تعداد زيادي سوراخهاي مماس بر يکديگر و بسيار تنگاتنگ دارد که بدون اينکه به ذرات جامد سوخته (Dead-Spots) احتمالي همراه با مذاب اجازه ورود دهد، مذاب را عبور مي دهد. اين صفحه سرعت شکن همچنين جريان مذابي را که پس از خروج به صورت حلزوني در آمده است خطي مي کند. چون منافذ اين صافي هاي ظريف به تدريج بسته مي شود، پي در پي باز شده، تعويض مي شود .

در بسياري از اکسترودرهاي پيشرفته با صافي هاي ظريف، کار تعويض آنها بدون نياز به توقف اکسترودر صورت مي گيرد . همچنين بايد خاطر نشان کنيم که اگرچه اين وظيفه اصلي صفحه سرعت شکن و صاف نيست؛ اما به ايجاد فشار معکوسي که موجب بهبود اختلاط مذاب مي شود کمک مي کند. چون فشار در حديده حائز اهميت است، شيري (valve) پس از صفحه سرعت شکن در اکسترودر وجود دارد که امکان تنظيم لازم را فراهم مي آورد. چگونگي جريان (Mechanism of flow) پلاستيگ با حرکت در طول ماردون به صورت زير ذوب مي شود. نخست لايه نازکي (Thin Film) از ماده مذاب در جداره محفظه تشکيل مي شود. با چرخش ماردون اين لايه از جداره محفظه کنده شده به قسمت جلوي پيکان ماردون انتقال مي يابد و وقتي که به سطح خود ماردون (Core of screw) مي رسد، دوباره به طرف بالا جاروب مي شود. بدين ترتيب حرکت چرخشي در جلوي پيکان ماردون(پيشاني ماردون) به وجود مي آيد . در آغاز، پلکان ماردون حاوي دانه هاي جامد است که در اثر حرکت چرخشي به داخل حوضچه مذاب جاروب مي شود. با استمرار چرخش ماردون، مواد بيشتري به داخل حوضچه مذاب ريخته مي شود. تا اينکه در نهايت فقط مواد مذاب است که پلکانهاي ماردون اکسترودر وجود دارد.

در اثناي گردش ماردون در داخل محفظه، حرکت مواد در راستاي طول ماردون بستگي به چسبندگي مواد به ماردون يا محفظه دارد. به طور نظري در مرز افراط و تفريط (Extremes) وجود دارد. در يکي فقط مواد به درون ماردون چسبيده است، در نتيجه ماردون و مواد مانند استوانه توپر و جامدي در داخل محفظه مي چرخد. در اين حالت نامناسب هيچ خروجي وجود ندارد . در حالت دوم، مدار روي ماردون مي لغزد و مقاومت زيادي در برابر گردش ماردون در داخل محفظه به وجود مي آورد. در اين حالت حرکتي در جهت محور دستگاه براي مذاب فراهم مي شود که بهترين حالت ممکن است. در عمل، رفتار واقعي، حالتي بين دو واحد است زيرا مواد هم به ماردون و هم به بدنه اکسترودر مي چسبد.

خروجي مناسب ناشي از به وجود آمدن جريان کشنده و جلو برنده اي (Drag flow) در اثر چرخش ماردون و سکون محفظه است که به حرکت سيال گرانروان بين دو صفحه موازي شباهت دارد که در آن صفحه اي ثابت و صفحه ديگر داراي حرکت است. علاوه بر اين، جريان ديگري هم ناشي از اختلاف فشار بين دو انتهاي ماردون است وجود دارد وبه اين دليل که حداکثر فشار در انتهاي اکسترودر به وجود مي آيد، جريان فشاري (Pressure flow) خروجي را کاهش مي دهد. همچنين به دليل فاصله (Clearance) که بين پلکانهاي ماردون و بدنه اکسترودر وجود دارد اجازه نشتي به مواد در جهت عکس امتداد ماردون داده، به طور موثري خروجي گاز را کاهش مي دهد .

فرار و گريز مواد به سمت عقب ماردون در حالتي که ماردون فرسوده (Worn) باشد بيشتر است. گرما يا سرماي خارج اکسترودر نيز نقش مهمي در نحوه ذوب شدن مواد ايفا مي کند. دراکسترودرهايي که داراي خروجي زيادي هستند، مواد، طول محفظه اکسترودر را سريع مي کند. در نتيجه گرماي ذوب شدن کامل در اثر عمل برش توليد مي شود و به استفاده از حرارت دهنده هاي خارجي محفظه اکسترودر نيازي نيست. بنابراين در اين حالت اگر گرماي زيادي در مذاب به وجود آمده باشد سرد نگه داشتن محفظه حائز اهميت است . در برخي مواقع خنک کردن ماردون اکسترودر نيز لازم است که البته اثري بر درجه حرارت مذاب ندارد . اما اثر مالشي(اصطکاکي ) بين پلاستيک و ماردون را کاهش مي دهد . در همه اکسترودرها خنک کردن محفظه اکسترودر در ناحيه تغذيه ضروري است و لازم است تا بتوان اطمينان کاملي از تغذيه بدون درد سر مواد به اکسترودر به دست آورد. طبيعت و حالت گرمايي مذاب در اکسترودر با دو حالت ترموديناميکي مقايسه مي شود. اولي حالت بي دررو(Adiabatic) است؛ به اين مفهوم که سيستم کاملاً مجزا از محيط خارج است و هيچ جذب و دفع حرارتي در آن رخ نمي دهد. اگر اين حالت مطلوب در اکسترودر حاکم نباشد، فقط مقداري کار لازم است روي مذاب انجام شود تا گرماي معين توليد کند که به ازاء آن هيچ ضرورتي به گرم يا سرد کردن دستگاه نباشد . حالت مطلوب دوم، به همدما (Isothermal) موسوم است که در اين حالت، درجه حرارت در تمام نقاط مذاب يکسان است و در نتيجه محفظه به گرم کردن و سرد کردن مستمر و دائمي براي جبران هرگونه اتلاف يا اخذ حرارت از مذاب براي ثابت ماندن دما نياز دارد.

در عمل، عمليات حرارتي در اکسترودرها بين دو حالت مرزي فوق قرار دارد.اکسترودرها ممکن است بدون هيچ حرارت دهنده يا سرد کننده خارجي کار کنند. ليکن در واقع در اين صورت بي در رو نيست؛ زيرا اتلاف حرارت به وقوع مي پيوندد. از طرف ديگر با حالت همدما در تمام طول اکسترودرمواجه نيستيم زيرا دانه هاي جامد نسبتاً سردي به اکسترودر تغذيه مي شود . اما برخي از نواحي اکسترودر ممکن است خيلي نزديک به حالت همدما باشد. معمولاً ناحيه انداره گيري در بحث و تحليل همدما در نظر گرفته مي شود. در حالت کلي: جريان خروجي ازاکسترودر را برآيند سه مولف مي دانيم جريان جلو برنده و کشنده جريان فشاري جريان نشتي (Leakage flow)

 

اکسترودر دو ماردونه (دو مارپيچ)

نام انگليسي: Two Screw Extruder

مشخصه هاي عمومي اکسترودر دوماردونه در سالهاي اخير استفاده از اکسترودرهاي دوماردونه که در داخل محفظه داغ اکسترودر حرکت چرخشي دارد، افزايش يافته است. اين دستگاه ها در مقايسه با اکسترودرهاي تک ماردونه تفاوتهايي در آهنگ خروجي، بازده اختلاط، حرارت توليد شده و نظاير آن نشان مي دهد . خروجي اکسترودر دو ماردون معمولاً سه برابر اکسترودرهاي تک ماردونه اي با همان قطر و سرعت است. اگرچه اصطلاح ماردون دوقلو اصطلاحي بين المللي براي اکسترودر دو ماردونهاست؛ اما دو ماردون لزوماً يکسان نيستند. در واقع انواع گوناگوني از اين دستگاه موجود است . برخي از آنها را که داراي ماردون هايي با گردش در جهت مخالف يا موافق يکديگر است نشان مي دهد و به علاوه ماردونها ممکن است به صورت جفت شده (Conjugated) يا جفت نشده (Non-Conjugated) باشند.

 در حالت جفت نشده، بين پلکان هاي ماردون فضاي خالي وجود دارد که امکان حضور مواد را نيز فراهم مي کند. در اکسترودر دو ماردونهاي با جهت چرخش مخالف يکديگر، مواد دچار برش و فشردگي مي شوند(نظير آنچه در غلتکراني رخ مي دهد) يعني مواد بين غلتک هايي با جهت چرخش متفاوت، فشرده مي شود . در?اکسترودر حاوي دو ماردون با جهت چرخش يکسان، مواد از يک ماردون به ديگري منتقل مي شود. اين گونه آرايش براي مواد حساس به حرارت کاملاً مناسب است؛ زيرا مواد در اکسترودر به سرعت منتقل مي شود بدون اينکه کمترين احتمال ماندگار شدن موضعي (Entrapment) مواد وجود داشته باشد. حرکت مواد در اطراف ماردون هاي جفت نشده کمتر(کندتر) است ولي نيروي جلوبرنده (Propulsive) بزرگتر است.

 

برچسب ها :اکستروژن،Extruder،Profile production،Granule production،Film blowing،Blow Molding، توليد پروفيل ،توليد ورق،قالبگيري دمشي،اکسترودر،اکسترودر تک ماردون،اکسترودر دو ماردون،اکسترودر تک مارپيچ ،One Screw Extruder،اکسترودر دو مارپيچ،Two Screw Extruder،