Вероятно, сегодня вы использовали десятки экструдированных продуктов, даже не осознавая этого. Эта пластиковая труба под раковиной? Экструдированный. Оконная рама, мимо которой вы только что прошли? Скорее всего выдавили. Даже макароны, которые вы ели на обед, прошли практически тот же процесс, только из других материалов.
Основная идея
Экструзия заключается в проталкивании материала через фигурное отверстие.-Думайте об этом как о выдавливании зубной пасты из тюбика, за исключением того, что тюбик нагревается, и «зубная паста» выходит в виде непрерывного отрезка любой формы, какой бы формы ни было отверстие. Матрица (так мы называем фигурное отверстие) определяет, как будет выглядеть конечный продукт.
Что заставляет все это работать, так это давление и тепло. Вы берете сырье, обычно в форме гранул или порошка, нагреваете его до тех пор, пока оно не станет достаточно мягким, чтобы двигаться, а затем проталкиваете его через матрицу. Простая концепция, но реализация быстро усложняется.
Почему пластикам нравится этот процесс
Экструдирование пластика стало популярным, потому что оно решает проблему, с которой постоянно сталкивались производители: как изготавливать длинные, однородные детали без необходимости формовать каждую секцию отдельно?
Шнековый экструдер изменил все. Представьте себе гигантский штопор внутри нагретой бочки.-Этот винт выполняет три функции одновременно. Он перемещает пластик вперед, плавит его за счет трения и тепла ствола и смешивает все до однородной консистенции. Одношнековые-машины справятся с большинством задач, с которыми вы столкнетесь, хотя существуют двухшнековые-установки для более сложных материалов.
Вот что на самом деле происходит внутри: твердые гранулы падают в бункер, гравитация подает их к шнеку, а затем в дело вступает физика. Вращение шнека создает силы сдвига, которые в сочетании с внешними нагревательными элементами превращают твердые гранулы в текучий расплав. К тому времени, когда материал достигает матрицы, он представляет собой однородную жидкость, готовую к формованию.
Сырье поступает, продукт выходит
Секция подачи захватывает пеллеты. Секция сжатия плавит их и создает давление. Секция дозирования контролирует скорость потока и обеспечивает постоянство. У каждой зоны есть своя работа, и контроль температуры в каждой имеет большее значение, чем думает большинство людей.
За пределами пластика
Конечно, мы много говорим об экструзии пластика, потому что она доминирует на рынке, но эта технология работает и с металлами. Например, при экструзии алюминия используется практически тот же принцип: -нагреваем заготовку, проталкиваем ее через матрицу под огромным давлением. Сталь труднее экструдировать из-за высоких температур, но дело сделано.
Керамика подвергается экструзии. Продукты питания, очевидно. Даже в некоторых фармацевтических приложениях экструзия используется для создания согласованных систем доставки лекарств. Основная идея на удивление хорошо распространяется на разные материалы, хотя каждый материал приносит свои головные боли.
Экономика имеет смысл
Производители любят экструзию, потому что, как только вы изготовите штамп и наладите процесс, вы сможете работать непрерывно. Не нужно ждать, пока формы остынут и раскроются, как при литье под давлением. Никаких ограничений по партиям, как при термоформовании.
Затраты на установку нетривиальны-матрицы могут быть дорогими, особенно для сложных профилей-но цена за-единицу быстро падает, когда вы производите тысячи футов продукта. Вот почему экструдированные профили можно увидеть повсюду в строительстве и инфраструктуре.
Где технологии продолжают развиваться
Современные экструдеры едва ли напоминают своих предков пятьдесят лет назад. Компьютерное управление контролирует температуру ствола в нескольких зонах и регулирует ее в-времени. В конструкции шнеков используются сложные-барьерные шнеки, секции смешивания и зоны подачи с канавками. Люди всю жизнь оптимизировали только геометрию винтов.
Ко-экструзия позволяет комбинировать различные материалы в слоях по мере их экструдирования, что открывает возможности для продуктов с поверхностными свойствами, отличными от их сердцевины. Вы часто видите это в упаковке пищевых продуктов-возможно, это барьерный слой, зажатый между структурными слоями.
Фактор гибкости
Хотите изменить то, что делаете? Поменяйте кубик. Это явное упрощение-возможно, вам придется отрегулировать температуру, скорость шнека и скорость охлаждения-но фундаментальная замена проще, чем переоснащение всей установки для литья под давлением.
Экструзия пленки с раздувом использует основной процесс и добавляет давление воздуха для создания тонких листов. При экструзии трубы добавляется оправка для создания полого центра. С помощью экструзии профиля можно создать невероятно сложные поперечные сечения-, которые было бы трудно или невозможно изготовить другим способом. Одна и та же базовая машина, другое дополнительное оборудование.
Универсальность материала также помогает. Полиэтилен, полипропилен, ПВХ, полистирол-все они экструдируются, хотя каждому требуются разные условия обработки. Кому-то нужно больше тепла, кому-то меньше. Некоторые требуют специальной конструкции винтов. Но фундаментальный процесс приспосабливается к ним.
Проблемы контроля качества
Получение согласованного результата не происходит автоматически. Разбухание матрицы происходит, когда материал выходит из матрицы и слегка расширяется. Изменения температуры вызывают изменения размеров. Скорость охлаждения влияет на кристалличность полу-кристаллических полимеров, что влияет на свойства.
Операторы тратят много времени на контроль толщины, выявление дефектов поверхности, проверку допусков на размеры. Лазерные микрометры теперь могут проводить измерения непрерывно, передавая данные обратно в систему управления для автоматической регулировки. Все-таки опыт имеет значение. О том, что что-то не так, можно узнать, глядя на поток расплава или слыша изменения в приводном двигателе,-которые происходят от времени на полу.
Процесс экструзии не является гламурным, но он имеет основополагающее значение для современного производства. Проходя по любому зданию или рассматривая большинство потребительских товаров, вы повсюду видите экструдированные компоненты. Технология продолжает развиваться, но основная идея -проталкивания мягкого материала через фигурное отверстие-и сейчас остается такой же эффективной, как и тогда, когда она впервые получила распространение несколько десятилетий назад.