اکسترودر (Extruder) چیست؟

اکسترودر

اکسترودر (Extruder) ماشینی است که آمیزه لاستیکی و پلاستیکی را ذوب کرده و به آن نیرو وارد می نماید تا با فشار در انتهای دستگاه از میان یک قالب عبور نموده و محصولی به شکل پیوسته شکل با سطح مقطع خاص تولید نماید. در صنعت لاستیک و پلاستیک ماشین های اکسترودر با کاربردهای متنوع بطور گسترده  مورد استفاده قرار می‌گیرند.
همچنین ماشین‌های اکسترودر در خط تولید، برای شکل دهی اولیه لاستیک و پلاستیک جهت عملیات بعدی و نیز برای شکل دادن به محصولات نهائی مورد استفاده قرار می‌گیرند.
کلیه این کاربردها باعث می شوند که نیازهای عملی هر کاربرد خاص در ماشین طراحی شود و طیف گسترده طرح‌های موجود ماشین‌های اکسترودر نیز منعکس کننده همین مطلب است.

فرایند

برعکس قالب‌گیری تزریقی که فرایند، قطعات یک شکل و جداگانه تولید می‌کند، در اکستروژن یک قطعه با طول زیاد و سطح مقطع یکسان شکل می‌گیرد. این سطح مقطع را پروفیل می نامند. بعنوان نمونه می‌توان به شیلنگ و میله پرده به عنوان قطعات ساخته شده در این فرایند اشاره کرد. یک موتور الکتریکی همراه با یک درایو هیدرولیک به‌طور پیوسته یک پیچ واقع در لوله دستگاه را می‌چرخاند. ذرات پلاستیک درون دهانه دستگاه اکستروژن وارد شده و به سمت پیچ کشیده می‌شوند. لوله و پیچ توسط المنت‌های خارجی گرم می‌شوند. همان‌طور که ذرات پلاستیک در راستای پیچ حرکت می‌کنند، ذوب شده و با فشار، به قالب که در انتهای لوله دستگاه قرار دارد، وارد می‌شود. این قالب دارای سطح مقطع پروفیل مورد نظر است.

تقسیم بندی اکسترودر

اکسترودرها را می‌توان به دو نوع کلی تقسیم‌بندی نمود:

  • تک مارپیچ نام انگلیسی: One Screw Extruder
  • دو مارپیچ نام انگلیسی: Tow Screw Extruder

اکسترودرهای تک‌مارپیچ

این نوع اکسترودها انعطاف‌ پذیری بالایی دارند و تجزیه تحلیل درون آن‌ها ساده‌تر می باشد.

یکی از متداولترین روشهای شکل دهی پلاستیک ها، اکستروژن است که از یک مارپیچ در داخل محفظه ای تشکیل شده است. پلاستیک ها معمولاً به صورت دانه ای شکل یا خاکه نرم از قیف به ماردونه تغذیه می شود . آنگاه در حال حمل به وسیله مارپیچ در طول محفظه، در اثر هدایت حرارت از طرف گرم کننده های محفظه و برش ناشی از حرکت بر روی لبه های ماردون گرم می شود .

عمق معبر در طول ماردون کاهش یافته موجب فشرده شدن مواد می شود . در انتهای محفظه اکسترودر، مذاب با عبور از حدیده ای به شکل مورد نظربرای محصول نهایی در می آید. بدلیل امکان استفاده از حدیده های مختلف، اکسترودر یعنی مجموعه محفظه و ماردون را می توان به عنوان بدنه و واحد اصلی تولید قطعاتی با اشکال مختلف به کار برد.

اکسترودر دو مارپیچ

در سالهای اخیر استفاده از اکسترودرهای دومارپیچ که در داخل محفظه داغ اکسترودر حرکت چرخشی دارد، افزایش یافته است. این دستگاه ها در مقایسه با اکسترودرهای تک مارپیچ تفاوتهایی در

  • آهنگ خروجی،
  • بازده اختلاط،
  • حرارت تولید شده و نظایر آن نشان می دهد .

خروجی اکسترودر دومارپیچ معمولاً سه برابر اکسترودر تک مارپیچ با همان قطر و سرعت است. اگرچه اصطلاح ماردون (مارپیچ) دوقلو اصطلاحی بین المللی برای اکسترودرهای دو ماردونه است؛ اما دو ماردون لزوماً یکسان نیستند.
در واقع انواع گوناگونی از این دستگاه موجود است . برخی از آنها را که دارای ماردون هایی با گردش در جهت مخالف یا موافق یکدیگر است نشان می دهد و به علاوه ماردونها ممکن است به صورت جفت شده یا جفت نشده باشند.

در حالت جفت نشده، بین پلکان های ماردون فضای خالی وجود دارد که امکان حضور مواد را نیز فراهم می کند. در اکسترودر دو ماردونه ای با جهت چرخش مخالف یکدیگر، مواد دچار برش و فشردگی می شوند، یعنی مواد بین غلتک هایی با جهت چرخش متفاوت، فشرده می شود .
در اکسترودر حاوی دو ماردون با جهت چرخش یکسان، مواد از یک ماردون به دیگری منتقل می شود. این گونه آرایش برای مواد حساس به حرارت کاملاً مناسب است؛ زیرا مواد در اکسترودر به سرعت منتقل می شود بدون اینکه کمترین احتمال ماندگار شدن موضعی مواد وجود داشته باشد. حرکت مواد در اطراف ماردون های جفت نشده کمتر(کندتر) است ولی نیروی جلوبرنده بزرگتر است.

اجزاء اکسترودر

قیف تغذیه

محلی است که آمیزه (مواد) وارد اکسترودر می‌شود. بسته به نوع تغذیه شکل قیف فرق میکند. اگر خوراک ورودی به اکسترودر به شکل گرانول یا پودر باشد، درست بعد از قیف نیاز به یک قسمت به نام ناحیه تغذیه است که در آن به مواد گرما داده می‌شود تا به حالت مذاب در آیند. به این اکسترودرها Plasticating Extruder می‌گویند؛ ولی اگر خوراک ورودی به اکسترودر به عنوان مثال از یک رآکتور پلیمریزاسیون تأمین شود و خوراک به صورت مذاب باشد در این صورت در روی پیچ دیگر نیازی به ناحیه تغذیه نیست و خوراک به‌طور مستقیم وارد ناحیه تراکم و فشردگی یا حتی ناحیه اختلاط می‌شود. به این نوع اکسترودر Melt Extruder می‌گویند.

دو مسئله در مورد قیف تغذیه مهم است:

– اندازه قیف و یکنواختی تغذیه

تغذیه یکنواخت باعث تولید محصول یکنواخت می‌شود.

مارپیچ

مهمترین قسمت یک اکسترودر مارپیچ اکسترودر می‌باشد. مارپیچ می‌تواند یک کاناله یا چند کاناله باشد. در یک اکسترودر با تغذیه سرد همچنان که از نامش بر می آید،آمیزه لاستیکی در درجه حرارت محیط تغذیه می‌شود. خوراک ممکن است بصورت نوار یا دانه باشد مارپیچ باید به مقدار کافی انرژی مکانیکی انتقال دهد تا هم آمیزه نرم شده و هم با فشار عقب برنده دای مقابله نماید.
در طراحی مارپیچ‌های بکار برده شده در اکسترودر با تغذیه سرد، بررسی های خاص لازم است. برای آنکه خرد شدن (Mastication) به مقدار لازم صورت گیرد باید ارتفاع پره مارپیچ کم و طول مارپیچ زیاد باشد.
مارپیچ یک اکسترودر ساده دارای سه قسمت تغذیه ،قسمت انتقالی یا سنجش و قسمت فشرده شدن می‌باشد. هر قسمت مارپیچ نقش جداگانه ای دارد .قسمت تغذیه،مواد را از قیف تغذیه انتقال می‌دهد.قسمت انتقالی مواد را حرارت داده،مخلوط می‌نماید.
قسمت فشرده سازی یکنواخت کننده است و فشار لازم برای راندن مواد از درون دای در آن ایجاد می‌گردد.
درون مارپیچ هم کنترل درجه حرارت وجود دارد. داخل مارپیچ مجراهایی تعبیه شده که از داخل آن آب می‌تواند عبور کند تا کنترل درجه حرارت داشته باشیم. سرعت مارپیچ در دمای اکسترودر تأثیر زیادی دارد در مقدار تغذیه ثابت افزایش سرعت مارپیچ باعث افزایش دمای محصول خروجی از اکسترودر می‌شود.

قسمت‌های مختلف ااکسترودرز یک مارپیچ عبارت اند از:

  1. قطر مارپیچ: منظور از قطر پیچ همان قطر درونی سطح صفر مارپیچ است.
  2. زاویه پیچ: زاویه بین صفحه عمود بر محور پیچ و راستای پره‌ها است. اکسترودر در هنگام کار باید به گونه‌ای بچرخد که گویی پیچ در حال باز شدن است. تنها در این صورت است که مواد به سمت جلو حرکت می‌کنند. البته گاهی از زوایای معکوس جهت عمل اختلاط استفاده می‌شود.
  3. گام پیچ: به فاصله محوری یک پره تا پره دیگر گفته می‌شود. باید توجه کرد که فاصله خالی بین دو پره lead گفته می‌شود که به اندازه عرض پره از گام پیچ کمتر است.
  4. عمق کانال: به فاصله بین سطح صفر مارپیچ و سطح داخلی سیلندر عمق کانال گقته می‌شود و ممکن است در طول کانال تغییر کند.
  5. درجه لقی: به فاصله بین سطح پره و جداره داخلی سیلندر اطلاق می‌شود. این فاصله باعث ایجاد یک جریان برگشتی شده که به اختلاط مواد درون اکسترودر کمک می‌کند؛ ولی شدت برش وارده به سیال در این منطقه بسیار زیاد است و گرمای زیادی تولید می‌شود که افزایش گرمای تولید شده باعث سوختن و تخریب پلیمر می‌شود.
  6. عرض پره‌ها: به فاصله محوری بین ابتدا و انتهای لبه‌های پره گفته می‌شود.
  7. عرض کانال: به فاصله عمودی بین پره‌ها گفته می‌شود.

پوسته یا سیلندر اکسترودر:

محفظه نگهدارنده پیچ می‌باشد. انتقال حرارت به مواد بیشتر از طریق سیلندر صورت می‌گیرد و ایجاد جریان درگ با استفاده از آن میسر می‌گردد. در بعضی از موارد بر روی سیلندر نیز شیارهایی به عنوان کانال انتقال مذاب تعبیه می‌شود. یک استوانه فلزی است که مارپیچ را احاطه می‌کند.در داخل این استوانه حفره هایی تعبیه می‌شود تا با عبور آب سرد وگرم بتوانیم درجه حرارت اکسترودر را کنترل کنیم. اگر درجه حرارت آمیزه کنترل نشود آمیزه داغ می‌شود که باعث می‌شود محصول خروجی به صورت برشته یا سوخته دار خارج شود (یا در اصل اسکورچ شود).

صافی:

یکی دیگر از اجزای مهم اکسترودر، صافی پس از مارپیچ و پیش از حدیده است. این صافی به صورت کاملاً موثری هرگونه مواد ناهمگون و ناخالصیها را از مذاب جدا می کند . عدم وجود آن حتی ممکن است موجب انسداد حدیده گردد.

این صفحات صاف و غربال کننده معمولاً مذاب را تا مقیاس 120 تا 150 mصاف و تصفیه می کنند. اما شواهد موجود نشان می دهد که ذراتی کوچکتر از مقیاس فوق، موجب شروع ایجاد ترک های مویین در تولیدات پلاستیکی نظیر لوله های تحت فشار پلی اتیلنی می شود . برای چنین مواردی صافی های بسیار ظریفی در مقیاس 45 mبه کار می رود که به گونه ای موثر و جالب توجه، کیفیت و عمر مفید محصول را بهبود می بخشد.
از آنجا که این صافی های ظریف آسیب پذیر است، توسط صفحه سرعت شکنی هدایت می شود. این صفحه تعداد زیادی سوراخهای مماس بر یکدیگر و بسیار تنگاتنگ دارد که بدون اینکه به ذرات جامد سوخته احتمالی همراه با مذاب اجازه ورود دهد، مذاب را عبور می دهد. این صفحه سرعت شکن همچنین جریان مذابی را که پس از خروج به صورت حلزونی در آمده است خطی می کند. چون منافذ این صافی های ظریف به تدریج بسته می شود، پی در پی باز شده، تعویض می شود .

در بسیاری از اکسترودرهای پیشرفته با صافی های ظریف، کار تعویض آنها بدون نیاز به توقف اکسترودر صورت می گیرد . همچنین باید خاطر نشان کنیم که اگرچه این وظیفه اصلی صفحه سرعت شکن و صاف نیست؛ اما به ایجاد فشار معکوسی که موجب بهبود اختلاط مذاب می شود کمک می کند. چون فشار در حدیده حائز اهمیت است، شیری (valve) پس از صفحه سرعت شکن در اکسترودر وجود دارد که امکان تنظیم لازم را فراهم می آورد.

چگونگی حرکت مواد در داخل اکسترودر

خوراک جامد ابتدا وارد ناحیه تغذیه می‌شود و در جداره سیلندر شروع به ذوب شدن می‌کند. در ضمن عملیات ذوب شدن، مواد از جداره سیلندر جدا شده و در حوضچه مذاب مارپیچ در حال چرخش می‌ریزد و با ایجاد نیروی درگ به سمت جلو می‌روند. با استمرار چرخش مارپیچ مواد بیشتری به داخل حوضچه مذاب می‌ریزد تا اینکه در انتهای منطقه تغذیه خوراک جامد به‌طور کامل به حالت مذاب در می‌آید. در انتهای منطقه فشردگی با کاهش عمق مارپیچ، حداکثر فشار ایجاد می‌شود. در طول منطقه اندازه‌گیری، مذاب فشرده شده شروع به همگن شدن کرده و مذابی با فشار و دمای ثابت از خروجی اکسترودر به سمت دای می‌رود.

نحوه کارکرد اکسترودر:

طول نواحی سه گانه ماردون خاص، بستگی به ماده ای دارد که تحت اکستروژن قرار می گیرد . برای نمونه نایلون خیلی سریع ذوب می شود، به طوری که تراکم و فشردگی مذاب در طول یک گام از ماردون نیز قابل تامین است. اما پلی وینیل کلراید(PVC) ، به حرارت بسیار حساس است و لذا طول ناحیه فشردگی برای آن برابر با طول ماردون است. از آنجا که پلاستیک ها دارای گرانروی های متفاوت هستند، رفتار آنها در خلال اکستروژن نیز متفاوت است.

آهنگ وزنی خروجی واقعی 25 % با آنچه نشان داده شده اختلاف نشان می دهد که بستگی به دما، سرعت ماردون و غیره دارد. در اکسترودرهای تجاری، نواحی اضافی برای بهبود کیفیت محصول به ماردون افزوده می شود. به عنوان نمونه، ناحیه اختلاطی مشتمل بر پلکان هایی با گام کمتر یا معکوس، به منظور کسب اطمینان از یکنواختی مذاب و کافی بودن آن در منطقه اندازه گیری، استفاده می شود .

در برخی از اکسترودرها ناحیه هواگیری(منفذ خروج هوا) وجود دارد. وجود این ناحیه به این دلیل است که برخی پلاستیک ها جاذب رطوبت هستند یعنی از محیط اطراف خود رطوبت جذب می کنند و اگر به همین صورت مرطوب در اکسترودر فاقد ناحیه هواگیری استفاده شوند، کیفیت محصول نهایی خوب نیست؛ زیرا در داخل مذاب، بخار آب محبوس می شود.

برای رفع این مشکل راه حل آن است که مواد تغذیه شونده به اکسترودر را قبلاً خشک کنیم. این روش گران و پر هزینه است و امکان آلودگی نیز در مواد ایجاد می کند.

روش دوم

استفاده از محفظه های منفذدار است . در اولین قسمت مارپیچ، مواد که به صورت دانه بندی است، پس از ورود ذوب شده، سپس به طریق معمول فشرده و همگن می شود. آنگاه با ورود به ناحیه غیر فشردگی ،فشار مذاب به محیط کاهش می یابد؛ این عمل، امکان خروج و گریز بخار و سایر مواد فرار از داخل مذاب را از طریق منفذ تعبیه شده در بدنه اکسترودر فراهم می کند. آنگاه مذاب در طول محفظه به ناحیه دوم فشردگی هدایت می شود تا از محبوس شدن هوا در مذاب ممانعت به عمل آید.
دلیل دفع بخار این است که در دمایی برابر با 250 درجه سانتیگراد، بخار آب موجود در پلاستیک مذاب دارای فشاری برابر 4  است که موجب خروج آسان آن از مذاب و گریز از منفذ خروج می شود .

توجه کنید که چون فشار محیط تقریباً 0.1  است، استفاده از مکش خلاء (Vacuum) در منفذ خروجی، اثر ناچیزی در خروج بخار و مواد فرار دارد.

اکسترودر

پلیمر پلاست مولایی

تامین کننده انواع پلیمری و مواد اولیه پلاستیک

0 پاسخ

دیدگاه خود را ثبت کنید

تمایل دارید در گفتگوها شرکت کنید؟
در گفتگو ها شرکت کنید.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *