اکستروژن چیست ,

اکستروژن یکی از روش های شکل دهی است که برای کاهش ضخامت یا سطح مقطح مواد به کار میرود. اکستروژن روشی بسیار انعطاف پذیری است و با استفاده از حدیده مناسب می‌توان طیف وسیعی از تولیدات را تهیه کرد. به عنوان مثال: تولید دانه گونه Granule production، تولید پروفیل Profile production، تولید ورقه های بسیار نازک به طریقه دمشی Film blowing، قالبگیری دمشی Blow Molding.

اکسترودر یعنی مجموعه محفظه و ماردون که می‌توان به عنوان بدنه و واحد اصلی تولید قطعاتی با اشکال مختلف به کار برد. اکسترودرها به دو دسته اکسترودر تک ماردونه و اکسترودر دو ماردونه تقسیم بندی می‌شوند. اکسترودر ماردونه سه قسمت مجزا دارد ناحیه تغذیه Feed Zone. ناحیه تراکم و فشردگی Compression Zone و ناحیه اندازه گیری و سنجش.

یکی از مهمترین ویژگی پلیمرها و به ویژه پلاستیک ها سهولت شکل پذیری آنهاست. در بعضی حالات، قطعات نیمه کاملی نظیر ورقه ها یا میله های تولید شده، متعاقباً با استفاده از روشهای متداول ساخت، مانند جوشکاری یا ماشین کاری به قطعه نهایی تبدیل می‌شود. اما در بسیاری مواقع، قطعه نهایی، علیرغم برخورداری از شکلی کاملاً پیچیده، طی یک مرحله تولید می‌شود.

عملیات حرارت دادن، شکل دادن و خنک کردن ممکن است (مانند تولید لوله به روش اکستروژن) به دنبال یکدیگر و بدون وقفه (Continuous) انجام شود و یا ممکن است طی مراحلی ناپیوسته، زمانگیر و تکرار شونده (مثل عملیات تولید تلفن خانگی به روش قالبگیری تزریقی) صورت پذیرد که در اکثر موارد، فرایند به طور خودکار انجام شده برای تولید انبوه بسیار مناسب است.

طیف وسیعی از روشهای شکل دهی برای پلاستیک ها و پلیمرهای شکل پذیر کاربرد دارد. در بسیاری از حالات انتخاب روش به چگونگی شکل نهایی قطعه و گرما نرم یا گرما سخت بودن ماردون بستگی دارد. بنابراین در عملیات طراحی، آگاهی طراح از روش های متنوع شکل دهی، حائز اهمیت است زیرا اشکال ناجور و نامناسب قطعه و یا مسائل جزئی کار طراحی، ممکن است محدودیت هایی در انتخاب روش قالبگیری برای طراح ایجاد کند. دسته بندی اکسترودرهای متداول این دسته بندی شامل گونه های زیر می‌شود.


اکسترودر تک ماردونه
نام انگلیسی: One Screw Extruder

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

عمق معبر (Channel-Depth) در طول ماردون کاهش یافته و موجب فشرده شدن مواد می‌شود. در انتهای محفظه اکسترودر، مذاب با عبور از حدیده ای به شکل مورد نظربرای محصول نهایی در می‌آید.همانطورکه بعدا خواهیم دید، به دلیل امکان استفاده از حدیده های مختلف، اکسترودر یعنی مجموعه محفظه و ماردون را می‌توان به عنوان بدنه و واحد اصلی تولید قطعاتی با اشکال مختلف به کاربرد اکسترودر ماردونه سه قسمت مجزا دارد:

الف) ناحیه تغذیه (Feed Zone): کار این ناحیه، دادن گرمای اولیه به پلاستیک و انتقال آن به نواحی بعدی است. طراحی این ناحیه حائز اهمیت است. زیرا عمق ثابت ماردون طوری انتخاب شود که مواد لازم و کافی را به ناحیه اندازه گیری (Metering Zone) تغذیه کند؛ به طوری که نه دچار گرسنگی شود و نه در اثر زیاد بود ن مواد، لبریز و پس زده شود. طراحی مناسب (Optimum) و متعادل، به طبیعت و شکل مواد تغذیه شونده (Feedstock)،شکل هندسی (Geometry) ماردون و خواص اصطکاکی پلاستیک نسبت به ماردون و محفظه بستکی دارد. رفتار اصطکاکی مواد تغذیه شده، تاثیر قابل توجهی بر آهنگ ذوب شدن مواددارد.

ب) ناحیه تراکم و فشردگی (Compression Zone): در این ناحیه، عمق ماردونه به تدریج کاهش می‌یابد که موجب متراکم شدن و فشردگی پلاستیک می‌شود. این فشردگی دو نقش عمده ایفا می‌کند؛ یکی آنکه هوای محبوش در داخل مواد را به ناحیه تغذیه می‌راند و دیگر آنکه انتقال حرارت را با کاهش دادن ضخامت مواد بهبود می‌بخشد.

ج) ناحیه اندازه گیری و سنجش: در این ناحیه، عمق ماردونه یکسان و ثابت، اما بسیار کمتر از عمق ناحیه تغذیه است. در این ناحیه، مذاب به صورت همگون و یکنواخت در می‌آید به طوری که با آهنگ ثابتی، در درجه حرارت و فشار یکسان و ثابت، به حدیده تغذیه می‌شود. این ناحیه به سهولت و سادگی تحلیل و ارزیابی می‌شود؛ زیرا مشتمل بر جریان مذاب گرانروان در داخل مجرایی با عمق و ابعاد ثابت است.

طول نواحی سه گانه ماردون خاص، بستگی به ماده ای دارد که تحت اکستروژن قرار می‌گیرد. برای نمونه نایلون خیلی سریع ذوب می‌شود، به طوری که تراکم و فشردگی مذاب در طول یک گام از ماردون نیز قابل تامین است. اما پلی وینیل کلراید، 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 می‌دهد که بستگی به دما، سرعت ماردون و غیره دارد. در اکسترودرهای تجاری، نواحی اضافی برای بهبود کیفیت محصول به ماردون افزوده می‌شود. به عنوان نمونه، ناحیه اختلاطی (Mixing Zone) مشتمل بر پلکان هایی (Flights) با گام کمتر یا معکوس، به منظور کسب اطمینان از یکنواختی مذاب و کافی بودن آن در منطقه اندازه گیری، استفاده می‌شود.

برخی از اکسترودرها ناحیه هواگیری (منفذ خروج هوا) وجود دارد. وجود این ناحیه به این دلیل است که برخی پلاستیک ها جاذب رطوبت(Hygroscopic) هستند یعنی از محیط اطراف خود رطوبت جذب می‌کنند 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 می‌شود.

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 می‌کند.

روش دوم، استفاده از محفظه های منفذدار (Vented Barrels) است. در اولین قسمت ماردون، مواد که به صورت دانه بندی است، پس از ورود ذوب شده، سپس به طریق معمول فشرده و همگن می‌شود. آنگاه با ورود به ناحیه غیر فشردگی (Decompression-Zone)،فشار مذاب به محیط کاهش می‌یابد؛ این عمل، امکان خروج و گریز بخار و سایر مواد فرار از داخل مذاب را از طریق منفذ تعبیه شده در بدنه اکسترودر فراهم می‌کند. آنگاه مذاب در طول محفظه به ناحیه دوم فشردگی هدایت می‌شود 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 MN/m2 ۴است که موجب خروج آسان آن از مذاب و گریز از منفذ خروج می‌شود. توجه کنید که چون فشار محیط تقریباً ۰/۱ MN/m2 است، استفاده از مکش خلاء (Vacuum) در منفذ خروجی، اثر ناچیزی در خروج بخار و مواد فرار دارد.

یکی دیگر از اجزای مهم اکسترودر، صافی (Gauze Filter) پس از ماردون و پیش از حدیده است. این صافی به صورت کاملاً موثری هرگونه مواد ناهمگون و ناخالص یها را از مذاب جدا می‌کند. عدم وجود آن حتی ممکن است موجب انسداد حدیده گردد. این صفحات صاف و غربال کننده معمولاً مذاب را تا مقیاس 120 تا 150 m صاف و تصفیه می‌کنند. اما شواهد موجود نشان می‌دهد که ذراتی کوچکتر از مقیاس فوق، موجب شروع ایجاد ترک های مویین در تولیدات پلاستیکی نظیر لوله های تحت فشار پلی اتیلنی می‌شود. برای چنین مواردی صافی های بسیار ظریفی در مقیاس 45 m به کار می‌رود که به گونه ای موثر و جالب توجه، کیفیت و عمر مفید محصول را بهبود می‌بخشد.

از آنجا که این صافی های ظریف آسیب پذیر است، توسط صفحه سرعت شکنی (Breaker plate) هدایت می‌شود. این صفحه تعداد زیادی سوراخهای مماس بر یکدیگر و بسیار تنگاتنگ دارد که بدون اینکه به ذرات جامد سوخته (Dead-Spots) احتمالی همراه با مذاب اجازه ورود دهد، مذاب را عبور می‌دهد. این صفحه سرعت شکن همچنین جریان مذابی را که پس از خروج به صورت حلزونی در آمده است خطی می‌کند. چون منافذ این صافی های ظریف به تدریج بسته می‌شود، پی در پی باز شده، تعویض می‌شود.

در بسیاری از اکسترودرهای پیشرفته با صافی های ظریف، کار تعویض آنها بدون نیاز به توقف اکسترودر صورت می‌گیرد. 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 می‌شود کمک می‌کند. چون فشار در حدیده حائز اهمیت است، شیری (valve) پس از صفحه سرعت شکن در اکسترودر وجود دارد که امکان تنظیم لازم را فراهم می‌آورد.

چگونگی جریان (Mechanism of flow) پلاستیگ با حرکت در طول ماردون به صورت زیر ذوب می‌شود. نخست لایه نازکی (Thin Film) از ماده مذاب در جداره محفظه تشکیل می‌شود. با چرخش ماردون این لایه از جداره محفظه کنده شده به قسمت جلوی پیکان ماردون انتقال می‌یابد و وقتی که به سطح خود ماردون (Core of screw) می رسد، دوباره به طرف بالا جاروب می‌شود. بدین ترتیب حرکت چرخشی در جلوی پیکان ماردون(پیشانی ماردون) به وجود می‌آید.

در آغاز، پلکان ماردون حاوی دانه های جامد است که در اثر حرکت چرخشی به داخل حوضچه مذاب جاروب می‌شود. با استمرار چرخش ماردون، مواد بیشتری به داخل حوضچه مذاب ریخته می‌شود. تا اینکه در نهایت فقط مواد مذاب است که پلکانهای ماردون اکسترودر وجود دارد.

در اثنای گردش ماردون در داخل محفظه، حرکت مواد در راستای طول ماردون بستگی به چسبندگی مواد به ماردون یا محفظه دارد. به طور نظری در مرز افراط و تفریط (Extremes) وجود دارد. در یکی فقط مواد به درون ماردون چسبیده است، در نتیجه ماردون و مواد مانند استوانه توپر و جامدی در داخل محفظه می‌چرخد. در این حالت نامناسب هیچ خروجی وجود ندارد. در حالت دوم، مدار روی ماردون می‌لغزد و مقاومت زیادی در برابر گردش ماردون در داخل محفظه به وجود می‌آورد. در این حالت حرکتی در جهت محور دستگاه برای مذاب فراهم می‌شود که بهترین حالت ممکن است. در عمل، رفتار واقعی، حالتی بین دو واحد است زیرا مواد هم به ماردون و هم به بدنه اکسترودر می‌چسبد.

خروجی مناسب ناشی از به وجود آمدن جریان کشنده و جلو برنده ای (Drag flow) در اثر چرخش ماردون و سکون محفظه است که به حرکت سیال گرانروان بین دو صفحه موازی شباهت دارد که در آن صفحه ای ثابت و صفحه دیگر دارای حرکت است.

علاوه بر این، جریان دیگری هم ناشی از اختلاف فشار بین دو انتهای ماردون است وجود دارد وبه این دلیل که حداکثر فشار در انتهای اکسترودر به وجود می‌آید، جریان فشاری (Pressure flow) خروجی را کاهش می‌دهد. همچنین به دلیل فاصله (Clearance) که بین پلکانهای ماردون و بدنه اکسترودر وجود دارد اجازه نشتی به مواد در جهت عکس امتداد ماردون داده، به طور موثری خروجی گاز را کاهش می‌دهد. فرار و گریز مواد به سمت عقب ماردون در حالتی که ماردون فرسوده (Worn) باشد بیشتر است. گرما یا سرمای خارج اکسترودر نیز نقش مهمی در نحوه ذوب شدن مواد ایفا می‌کند.

در اکسترودرهایی که دارای خروجی زیادی هستند، مواد، طول محفظه اکسترودر را سریع می‌کند. در نتیجه گرمای ذوب شدن کامل در اثر عمل برش تولید می‌شود و به استفاده از حرارت دهنده های خارجی محفظه اکسترودر نیازی نیست. بنابراین در این حالت اگر گرمای زیادی در مذاب به وجود آمده باشد سرد نگه داشتن محفظه حائز اهمیت است. در برخی مواقع خنک کردن ماردون اکسترودر نیز لازم است که البته اثری بر درجه حرارت مذاب ندارد.

اما اثر مالشی (اصطکاکی) بین پلاستیک و ماردون را کاهش می‌دهد. در همه اکسترودرها خنک کردن محفظه اکسترودر در ناحیه تغذیه ضروری است و لازم است تا بتوان اطمینان کاملی از تغذیه بدون درد سر مواد به اکسترودر به دست آورد.

طبیعت و حالت گرمایی مذاب در اکسترودر با دو حالت ترمودینامیکی مقایسه می‌شود. اولی حالت بی دررو (Adiabatic) است؛ به این مفهوم که سیستم کاملاً مجزا از محیط خارج است و هیچ جذب و دفع حرارتی در آن رخ نمی‌دهد. اگر این حالت مطلوب در اکسترودر حاکم نباشد، فقط مقداری کار لازم است روی مذاب انجام شود تا گرمای معین تولید کند که به ازاء آن هیچ ضرورتی به گرم یا سرد کردن دستگاه نباشد.

حالت مطلوب دوم، به همدما (Isothermal) موسوم است که در این حالت، درجه حرارت در تمام نقاط مذاب یکسان است و در نتیجه محفظه به گرم کردن و سرد کردن مستمر و دائمی برای جبران هرگونه اتلاف یا اخذ حرارت از مذاب برای ثابت ماندن دما نیاز دارد. در عمل، عملیات حرارتی در اکسترودرها بین دو حالت مرزی فوق قرار دارد. اکسترودرها ممکن است بدون هیچ حرارت دهنده یا سرد کننده خارجی کار کنند. لیکن در واقع در این صورت بی در رو نیست؛ زیرا اتلاف حرارت به وقوع می‌پیوندد.

از طرف دیگر با حالت همدما در تمام طول اکسترودر مواجه نیستیم زیرا دانه های جامد نسبتاً سردی به اکسترودر تغذیه می‌شود. اما برخی از نواحی اکسترودر ممکن است خیلی نزدیک به حالت همدما باشد. معمولاً ناحیه انداره گیری در بحث و تحلیل همدما در نظر گرفته می‌شود. در حالت کلی: جریان خروجی از اکسترودر را برآیند سه مولف می‌دانیم جریان جلو برنده و کشنده جریان فشاری جریان نشتی (Leakage flow)

اکسترودر دو ماردونه
نام انگلیسی: Two Screw Extruder

مشخصه های عمومی اکسترودر دو ماردونه در سالهای اخیر استفاده از اکسترودرهای دوماردونه که در داخل محفظه داغ اکسترودر حرکت چرخشی دارد، افزایش یافته است. این دستگاه ها در مقایسه با اکسترودرهای تک ماردونه تفاوتهایی در آهنگ خروجی، بازده اختلاط، حرارت تولید شده و نظایر آن نشان می‌دهد.

خروجی اکسترودر دوماردونه معمولاً سه برابر اکسترودر تک ماردونه ای با همان قطر و سرعت است. اگرچه اصطلاح ماردون 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 می‌دهد و به علاوه ماردونها ممکن است به صورت جفت شده (Conjugated) یا جفت نشده (Non-Conjugated) باشند.

در حالت جفت نشده، بین پلکان های ماردون فضای خالی وجود دارد که امکان حضور مواد را نیز فراهم می‌کند. در اکسترودر دو ماردونه ای با جهت چرخش مخالف یکدیگر، مواد دچار برش و فشردگی می‌شوند(نظیر آنچه در غلتکرانی رخ می‌دهد) یعنی مواد بین غلتک هایی با جهت چرخش متفاوت، فشرده می‌شود.

در اکسترودر حاوی دو ماردون با جهت چرخش یکسان، مواد از یک ماردون به دیگری منتقل می‌شود. این گونه آرایش برای مواد حساس به حرارت کاملاً مناسب است؛ زیرا مواد در اکسترودر به سرعت منتقل می‌شود بدون اینکه کمترین احتمال ماندگار شدن موضعی (Entrapment) مواد وجود داشته باشد. حرکت مواد در اطراف ماردون های جفت نشده کمتر (کندتر) است ولی نیروی جلوبرنده (Propulsive) بزرگتر است.


روش های شکل دهی با استفاده از اکسترودر

اکستروژن روشی بسیار انعطاف پذیری است و با استفاده از حدیده مناسب می‌توان طیف وسیعی از تولیدات را تهیه کرد. برخی از این روش های بسیار متداول را در اینجا ذکر می‌کنیم:

- تولید دانه گونه (Granule production)
- تولید پروفیل (Profile production)
- تولید ورقه های بسیار نازک به طریقه دمشی (Film blowing)
- قالبگیری دمشی (Blow Molting)


منبع: پترونت