اکسترودر چیست
اکسترودر ماشینی است که با استفاده از انرژی مکانیکی ادوات خود و انرژی حرارتی ناشی از هیترها و اتلافات حرارتی ناشی از ویسکوزیته، توانایی ذوب مخلوط پلیمری را برای ایجاد یک بستر مذاب همگن و با کیفیت برای ساخت قطعات پلیمری مورد نظر فراهم میکند.
این بستر مذاب می‌تواند از خانواده ترموپلاستیک‌ها (پلاستیک‌ها) و الاستومترها (لاستیک‌ها) و در برخی موارد با رعایت شرایط مکانیکی و زمان‌بندی مناسب از خانواده ترموست‌ها باشد، با خروج این بستر مذاب همگن شده از خروجی قالب دستگاه اکسترودر میتوان اشکال هندسی مورد نظر را تولید نمود.
معرفی ماژول های مختلف دستگاه اکسترودر:
اکسترودر تک ماردون از پنج قسمت اصلی تشکیل میشود که عبارتند از: سیستم محرکه (دینام)، سیستم تغذیه(Feeder)، سیلندر(barrel)، کلگی (Screen changer) و سیستم برق و الکترونیک و کنترل( شامل PLC و PID ).به طور کلی تر اجزای دستگاه اکسترودر را میتوان به شرح زیر بیان نمود
سیلندر و ماردون دستگاه اکسترودر: ماردون دستگاه قلب تپنده دستگاه میباشد ، طول این قطعه بین 2 تا 6 متر با توجه به نیاز مشتری از جمله نرخ تولیدی محصول مورد نظر و نوع پلیمر مورد نیاز متفاوت میباشد ، مهمترین مشخصه این قطعه نسبت طول عملیاتی ماردون به قطر ماردون میباشد. قطر ماردون های اکسترودر از 110 الی 165 میلیمتر متغییر میباشد ، سیلندر ها هم طول ماردون ها میباشند و با توجه به نوع پلیمری میتوانند دارای دریچه گازگیر ( venting port) یا بدون دریچه گازگیر باشند.
فیدر: دستگاه فیدر وظیفه تامین جریان پایدار و مناسبی از تغذیه دستگاه را برعهده دارد. فیدر خود از یک ماردون فیدر تشکیل شده است . ماردون های دستگاه فیدر دارای مشخصات فنی مشابه ماردون دستگاه اکسترودر میباشند با این تفاوت که در این ماردون ها دارای ناحیه کمپرسی و مذاب کننده نمیباشند.
شاسی و کاور های دستگاه اکسترودر: شاسی و کاور ها با توجه به نوع و وزن دستگاه طراحی و ساخته میشوند ، برای دستگاه ها تا وزن متوسط از پروفیل و برای وزن های بالاتر از تیر ها استفاده میشود. کاور ها از ورقه های 2 میل ساخته میشوند و جهت خنک کاری المنت های دستگاه ، این کاور ها مجهز به سیستم خنک کاری فن میباشند.
دینام و گیر بکس: نیروی محرکه دستگاه اکسترودر توسط الکتروموتور تامین میشود ، با توجه به نوع و توان مورد استفاده ممکن است که الکتروموتور به صورت کوپل مستقیم به گیربکس متصل گردد و یا اینکه با استفاده از تسمه این اتصال انجام گیرد. گیربکس نیز به طور مستقیم به ماردون دستگاه متصل میگردد.با توجه به نیاز مشتری از الکتروموتور و گیربکس با توان های مختلف استفاده میگردد.
فلنج ها: فلنج ها بخش های متصل کننده قطعات سیلندر ، و سیلندر به قیف و سیلندر به گیربکس میباشند.
المنت و فن: برای گرم شدن پلیمر درون دستگاه به المنت نیاز میباشد. المنت ها به صورت چندین ردیف بر روی اکسترودر بسته میشوند. عموما المنت ها سرامیکی بوده و توانایی ایجاد شار حرارتی بالایی دارند.
امپرمتر: امپرمتر های دیجیتالی وظیفه اعلام آمپر مصرفی را برعهده دارند، با استفاده از این ادوات میتوان میزان مصرف برق ادوات پرمصرف مانند الکتروموتور ها و المنت ها را مشاهده نمود
ترموستات و ترموکوپل: کنترل حرارت یکی از مهمترین عناصر کنترلی در دستگاه اکسترودر میباشد، ترموستات و ترموکوپل ها تواما این وظیفه را برعهده دارند.
اینورتر: کنترل دور موتور بر عهده اینورتر ها میباشد ، دور موتور نقش به سزایی در کیفیت تولید ایفا میکند ، نوسانات این سیستم حرکتی خود را به صورت نوسانات در تولید و افت کیفیت تولید نشان میدهد.
کنترل فاز: جهت حفاظت از سیستم های سه فاز در برابر قطعی یکی از فاز ها از کنترل فاز ها استفاده میشود.
کنترل بار: جهت حفاظت از المان های برقی با جریان کشی زیاد از کنترل بار استفاده میشود.
دکمه ها و والیوم ها: از دکمه ها و والیوم ها برای کنترل مدارات برقی استفاده میشود. دکمه ها وظیفه قطع و وصل مدارات و والیوم ها عموما وظیفه کنترل دور موتور را بر عهده دارند.
PLC: با در نظر گرفتن سفارش مشتری ممکن است سیستم کنترلی دستگاه به صورت انالوگ و یا PLC باشد ، برای دستگاه های اکسترودر ساخته شده توسط ماشین سازی متین عموما از PLC های fatek و یا delta استفاده میگردد ، در طراحی های جدید برای دستگاه های جدیدتر در حال گسترش استفاده از plc های simense هستیم
HMI: HMI ها همراه با PLC ها توسط مشتری سفارش داده میشوند.این ادوات نقش رابط کاربری را ایفا می نمایند ، در ماشین سازی متین در حال حاضر از برند فتک برای این منظور استفاده میشود.
شرح عملکرد کل تجهیز و هر ماژول به همراه مشخصات فنی آن و یا تشریح روند طی شده برای مراحل مختلف خدمت :
اکسترودرهای تک ماردون به صورت اکسترودرهای گاز گیردار، اکسترودرهای ساده سه ناحیه‌ایی و اکسترودرهای دو مرحله‌ایی شناخته میشوند. با تزریق مواد اولیه به دستگاه، این مواد در معرض فشار و گرما و تنش‌های مکانیکی و حرارتی ناشی از این موارد قرار می‌گیرند که مقدار این پارامترها کاملا محاسبه شده میباشد، حضور این موارد می‌تواند سبب شود که واکنش بین پلیمری ایجاد شده تولید گاز نماید و یا اینکه گاز موجود در محصول پلیمری از منبع خارجی وارد دستگاه شده باشد.
در ساخت سیلندر جهت افزایش عمر کاری سیلندر و افزایش مقاومت به سایش آن، از فرآیند آبکاری القایی استفاده میشود. در فرآیند آبکاری القایی، جهت سخت‌سازی سطح داخلی سیلندر یک عدد سیم پیچ مغناطیسی به داخل سطح سیلندر رانده میشود، با حرکت این سیم پیج یک عمل القایی بر روی فلز سیلندر اعمال گشته و سبب افزایش محلی حرارت و در نهایت انجام سخت‌کاری میگردد.
این عمل علاوه بر سیلندر، بر روی ماردون دستگاه نیز انجام می‌پذیرد و بدین گونه باعث سخت‌کاری ماردون دستگاه میشود، ماردون دستگاه با هندسه مشخص در سیلندر قرار می‌گیرد.
این هندسه مشخص با توجه به ویژگی‌های انواع پلیمرها طراحی میشوند و عموماً این ویژگی‌ها منحصر به فرد میباشند. ماردون‌های دستگاه‌های اکسترودر قلب تپنده و جز اصلی صنایع پلیمری میباشند، بنابراین درک درست رفتار پلیمر در هر مرحله و طراحی هندسه ماردون جهت تطابق با آن شرایط مهمترین شرط یک طراحی اصولی و صحیح ماردون‌های اکسترودر میباشد.
به سبب رفتار پیچیده مکانیکی و شیمیایی انواع پلیمرها، تنها با استفاده از داده‌های علمی و آزمایشگاهی بدست آمده میتوان شرایط کارکرد پلیمر را شبیه‌سازی نمود و سپس میتوان با استفاده از این اطلاعات بدست آمده به طراحی ماردون اکسترودر پرداخت و در نهایت با شبیه‌سازی حرکت ماردون میتوان از صحت تغییرات و طراحی‌های انجام شده اطمینان حاصل نمود.
محصولات دستگاه‌های اکسترودر عبارتند از:
انواع شلنگ‌های صنعتی و خانگی
تولید مواد اولیه جهت تولید
سایدوال تایر (به قسمت کناری تایر گفته میشود.)
درزگیرها
انواع پروفیل و نوار
انواع سیم و کابل
و اگر به طور کلی بیان کنیم هر محصولی که از مواد بازیافتی قابل تولید باشند از محصولات تولیدی دستگاه‌های اکسترودر است. در کل اکستروژن پلیمر بهترین روش برای تولید محصولات پلیمری کامپاندی و بازیافتی با سرعت بالا و هزینه کم میباشد. از این رو بازده بیشتری نیز برای تولیدکننده به همراه دارد.
مرحله گرانول‌سازی:
این مرحله نقش کلیدی در کیفیت محصول تولید شده ایفا میکند. به گونه‌ای که معیارهایی نظیر دانه‌بندی، خلوص.. مواد، برش مواد، ترکیب و میکس مواد، بر قیمت و کیفیت نهایی گرانول‌های تولید شده تاثیر مستقیم دارند.
این مواد به داخل سیلندر دستگاه اکسترودر ورود کرده و با توجه به شکل هندسی مارپیچ در معرض فرایندهایی مانند: کمپرس شدن، همگن شدن، ذوب شدن و مخلوط شدن قرار می‌گیرند و بعد از گذر از قسمت‌های متوالی ماردون به کلگی هدایت میشوند. فیلترینگ، وظیفه جلوگیری از ورود ذرات و اجرام موجود در مواد را برعهده دارد.یک وظیفه مهم دیگر سیستم فیلترینگ کمک به بهبودی پایداری نوسانات فشار درون سیستم است که به داشتن خروجی یکنواخت و بدون نوسان از مذاب پلیمر کمک شایانی میکند.
سپس نوبت به برش مواد حاصله می‌رسد که با استفاده از انواع روش‌ها از قبیل برش واترینگ، آندر واتر و برش آسیابی انجام میشود. مواد پس از عبور از سیستم فیلترینگ و تمیز شدن، از قسمت خروجی مواد دستگاه خارج میشوند و توسط سیستم واتررینگ، در ابعاد مناسب برش می‌خورند، پس از برش مواد اولیه، رطوبت مواد توسط سانتریفیوژ (centrifugal) و خشک‌کن (drier) گرفته میشود.
مرحله گرانول‌سازی در این بخش به پایان رسیده و مواد آماده بسته‌بندی و فروش میباشند.از مزیت اصلی اکسترودرهای ساخته شده میتوان به آسیب خیلی کمتر به ساختار پلیمر و حتی بهبود کیفی پلیمرهای استخراج شده از مواد بازیافتی اشاره کرد.دستگاه‌های اکسترودر تک مارپیچ با کیفیت قابل رقابت با محصولات خارجی ساخته میشوند.
این دستگاه‌ها برای تولید مواد PP، PE، PVC و سایر مواد پلیمری مناسب میباشند. از مزیت‌های بارز این دستگاه میتوان به دانه‌بندی فوق‌العاده منظم و با کیفیت، میکس کامل بدون تغییر رنگ مواد، مصرف انرژی پایین و تولید بالا، استهلاک پایین و قابلیت تولید محصولات در رده کیفی صادراتی اشاره نمود.
تشریح پیچیدگی ها و چالش هایی که از نظر تیم کارشناسان شرکت ، در فرایند های طراحی و ساخت محصول و یا اجرای خدمت وجود دارد:
سیلندرها معمولاً یک تکه یا دو تکه و گاهی بخاطر طول زیاد ماردون حتی سه تکه طراحی میشود که با استفاده از فلنچ‌هایی به یکدیگر متصل میشوند. مهمترین بخش طراحی و ساخت دستگاه اکسترودر، ایجاد هماهنگی بین اجزا به خصوص اجزای سیلندر و ماردون است. گام و عمق و ضخامت نخ‌ها نقش تعیین کننده‌ایی دارند.
نسبت قطر به طول ماردون نیز اهمیت فراوان دارد. L/D طراحی شکل هندسی و پارامترهای ابعادی همزن‌ها و قسمت‌های مانع‌زا برای سیال بسیار فرآیند علمی بوده و نیازمند محاسبات رایانه‌ای و شبیه‌سازهای رایانه‌ای میباشد، برای این منظور از برنامه Ansys Polyflow استفاده شده است، برنامه Polyflow انحصاراً برای شبیه سازی رفتار رئوپلاستیک مواد پلیمری توسط Ansys طراحی شده است.
جهت طراحی و نقشه کشی ماردون ها از برنامه SOLIDWORKS استفاده شده است ، معادلات حاکم برای طراحی ماردون ها فوق العاده پیچیده هستند ، سیال درون ماردون دستگاه های اکسترودر از نوع نیوتونی غیر همدما هستند ، در صورتی که با سیال ناشی از ترموالاستیک ها سر و کار داشته باشیم باید خواص ویسکوالاسیسیته سیال را نیز مد نظر داشت ، مدل شبیه سازی رفتار سیال پلیمری مدل POWER LAW میباشد معادلات حاکم بر پروفیل ذوب شدن، انتقال ذرات و … فوق العاده پیچیده هستند ، برای درک و حل این مباحث از مراجع روز دنیا مانند مقالات منتشر شده معتبر و کتب مرجع مانند کتاب راوندل بهره برده شده است.
طراحی و قراردهی محل خروج گاز از سیلندر تا گاز حاصل از پخت خارج شود و از پفکی شدن مواد جلوگیری کند. جهت پیدا کردن شکل مناسب و مکان مناسب جهت ایجاد گازگیر نیازمند دانش اختلاط و واکنش مواد شیمیایی در راستای تولید گاز هستیم، همچنین نیاز است تا میزان مواد قابل تبخیر مانند آب که همراه با پلیمر وارد دستگاه اکسترودر میشود نیز محاسبه گردد.
