Позвольте мне начать с того, что меня зацепило.
В прошлом году я посетилизготовление профилязавод в Дунгуане. Начальник цеха, Старый Чжоу, указал на работающий экструдер и сказал мне: «Вы видите эту штуку? Принцип предельно прост. Ничем не отличается от выдавливания зубной пасты из тюбика».
Я думал, он шутит.
Оказывается, после того, как он действительно пришел в эту отрасль, он не ошибся,-по крайней мере, в отношении основной концепции. Экструзионное формование, как следует из названия, включает в себя прессование вещества через отверстие для формирования формы. Точно так же, как когда вы сжимаете конец тюбика с зубной пастой, выдавленная зубная паста имеет форму маленького круглого отверстия. Принцип экструзионного формования пластика аналогичен, за исключением того, что палец заменяется вращающимся винтом, зубная паста становится расплавленным пластиком, а отверстие тюбика становится прецизионно обработанной -формой.
Но слово «простой» означает совсем другое, когда вы говорите о промышленном производстве.
Итак, что именно мы здесь выдавливаем?
Экструзия профиля — это процесс создания непрерывных пластиковых форм посредством экструзии. Сюда не входят листовые или пленочные изделия. Многие люди путают «экструзию» как общее понятие с «экструзией профиля» в частности. Экструзия пластика — это большое семейство-пленок, полученных экструзией с раздувом, литой пленки и листовой экструзии. Но экструзия профиля относится конкретно к продуктам с постоянным-сечением. Рама из ПВХ вокруг вашего окна, капельница в больнице, даже соломинка в напитке из Макдональдса-разрежется где угодно по длине, а форма поперечного- сечения останется прежней. Это профиль.
Изделия, изготовленные методом экструзии профиля, могут быть сплошными, как виниловый сайдинг, или полыми, как соломинки для питья.
Как сделать полые? Вам придется поместить штифт или оправку внутрь матрицы и продуть воздух через центр, чтобы изделие не разрушилось. Когда я впервые услышал об этом, мне пришлось подумать об этом на секунду, но тогда это имело смысл,-если вы делаете что-то пустым и не поддерживаете это изнутри, конечно, оно обрушится.
Что может один винт
Сердцем экструдера является этот шнек. Забавно то, что для такой огромной отрасли самым важным компонентом является большой шуруп.
Шнек вращается с контролируемой скоростью, обычно до 120 об/мин, проталкивая пластиковые гранулы вперед через ствол. Ствол нагревается до необходимой температуры плавления, которая колеблется от 200 до 275 градусов в зависимости от того, какой полимер вы используете.
Но этот винт не просто продвигает материал вперед. Он одновременно транспортирует, сжимает, плавит и гомогенизирует. Когда пластиковые гранулы падают из бункера, они твердые. Когда винт толкает их вперед, они нагреваются внешними нагревателями на стволе, а также срезаются между лопастями винта и стенкой ствола. К тому времени, когда они достигают передней части, они полностью расплавлены.
Вот что часто упускают из виду: температура ствола во многом является результатом нагрева сдвига, и иногда вам действительно необходимо дополнительное охлаждение, чтобы удерживать пластик в пределах окна обработки.
Большинство людей полагают, что экструдер просто использует внешние нагреватели для плавления пластика. В действительности на сдвиговой нагрев приходится значительная часть затрат энергии. Я наблюдал, как опытные операторы настраивали машины, фактически отключая мощность нагревателя и позволяя сдвигу выполнять большую часть работы,-конечно, экономит электроэнергию, но, что более важно, плавление, вызванное сдвигом-, имеет тенденцию быть более равномерным.
Об этом умереть
Именно здесь происходит настоящее инженерное волшебство. Я не любитель витиеватых формулировок, но это правда,-матрица — самый технически требовательный компонент во всей системе.
Подумайте об этом. Расплавленный пластик представляет собой жидкость. Когда он выходит из матрицы, он раздувается (набухание матрицы, как они это называют). Когда он остывает, он сжимается. Разные детали остывают с разной скоростью, поэтому усадка неравномерна. Чтобы получить конечный продукт, соответствующий проектным спецификациям, каналы потока матрицы должны учитывать все это.
И матрица — это не просто кусок стали с прорезанным в нем отверстием. Сбалансированная матрица необходима для хорошего контроля размеров. «Сбалансированный» означает, что расплав течет примерно с одинаковой скоростью по всему поперечному-сечению. Если поток неравномерный, ваш профиль получается толстым с одной стороны и тонким с другой, или одна часть остывает раньше другой, и тогда возникают проблемы.
Я знаю завод, который делает сложные профили. Три месяца они потратили только на испытания штампов. В поперечном- сечении было семь или восемь канавок неправильной формы, самая тонкая стенка менее 1 мм, самая толстая почти 8 мм. При таких вариациях достижение баланса потоков становится кошмаром.
Это не сделано, пока не станет холодно
Пластик, выходящий из матрицы, все еще мягкий. Что-то вроде теплого сыра. Вам нужно быстро зафиксировать эту форму.
Самый распространенный подход – водяное охлаждение. Профиль идет прямо из матрицы в резервуар для воды. Внутри резервуара имеются калибрующие приспособления, которые удерживают форму еще-мягкого профиля, пока он затвердевает. Для продуктов, требующих более жестких допусков, вы добавляете вакуумную калибровку.-Мягкий профиль проходит через калибратор, вакуум прикладывается к внешней стороне, а небольшие отверстия по периметру вытягивают пластик наружу, прижимая его к стенкам калибратора. По сути, это непрерывная вакуумная формовка.
Охлаждение кажется скучной частью процесса, но есть много способов его испортить. Остывает слишком быстро, и перепад температур внутри и снаружи создает внутреннее напряжение.-Деформация проявляется позже. Охлаждение слишком медленное, и ваша производительность пострадает, плюс профиль все еще мягкий, когда съемник захватывает его, и вы растягиваетесь.
Температура воды, скорость потока, длина калибратора,-скорость отвода-все должно быть скоординировано.
Функция подъема-контролирует и координирует скорость, с которой профиль извлекается из матрицы. Эта скорость должна соответствовать скорости экструзии. Слишком быстро, и профиль растягивается. Слишком медленная скорость, и материал скапливается на выходе из матрицы. Звучит просто. Тюнинг это все детали.
Несколько слов о материалах
Люди, занимающиеся экструзией, любят шутить: «Мы экструдируем пластик, но на самом деле мы теряем наши волосы». Ошибка в формулировке, и все пойдет наперекосяк.
Типичные материалы включают полиэтилен, полипропилен, полиацеталь, акрил, нейлон, полистирол, ПВХ, АБС и поликарбонат. Среди других.
Имен много, но в реальном производстве приходится иметь дело в основном с несколькими.
ПВХкороль в профильном мире. Нет близкого второго. Окна зданий, водосточные трубы, кабельные каналы-это повсюду. Высокое содержание хлора делает ПВХ трудновоспламеняемым и ограничивает выделение тепла. Он самозатухающий-, то есть перестает гореть, как только вы устраните источник возгорания. Для строительных материалов огнестойкость огромна. Кроме того, ПВХ дешев,-устойчив к коррозии, и его можно сделать жестким или гибким, добавив пластификаторы. Конечно, у него есть и недостатки:-узкое окно обработки, плохая термостабильность. Вам придется наполнить рецептуру стабилизаторами, иначе она разложится еще до того, как выйдет из матрицы.
ЧПв основном для труб. В газопроводах используется полиэтилен, поскольку он устойчив к коррозии как от газа, так и от подземной среды. Водопроводные сети используют его по той же причине, и это помогает поддерживать чистоту воды. Хорошая гибкость означает, что он может выдерживать оседание грунта. Термо-сварные соединения оказываются прочнее самой трубы.
АБСобладает превосходной ударопрочностью благодаря бутадиеновому компоненту даже при низких температурах. Но воздействие ультрафиолета вызывает микротрещины, поэтому при использовании на открытом воздухе следует соблюдать осторожность.
АСАявляется отличным материалом для наружного применения, для профилей, которые будут подвергаться длительному воздействию солнечных лучей. Многие люди не знают этого. По сути, это АБС-пластик, в котором бутадиен заменен на сложный эфир акрилата, что значительно повышает устойчивость к атмосферным воздействиям.
Что касается всего остального, что входит в рецептуру: красители для внешнего вида, УФ-стабилизаторы для предотвращения фотодеградации, антиоксиданты для замедления старения, смазочные материалы для улучшения текучести и уменьшения трения, антипирены для снижения воспламеняемости. А также термостабилизаторы, наполнители, упрочнители, технологические добавки... Готовая рецептура может состоять из дюжины компонентов, каждый из которых создается методом проб и ошибок.
Ко-экструзия заслуживает отдельного раздела
Ко-экструзия предполагает одновременное выдавливание нескольких слоев материала. Вы используете два или более экструдеров, которые подают различные пластики с контролируемой скоростью в одну фильерную головку, которая объединяет их в желаемую форму.
Зачем беспокоиться?
Потому что во многих реальных-применениях ни один полимер не может удовлетворить всем требованиям. Допустим, вам нужен профиль, в котором внешний слой должен быть твердым, -стойким и красивым-на вид, а внутренний слой должен быть мягким, эластичным и способным образовывать уплотнение. Один материал не может сделать и то, и другое. Ко-экструзия позволяет обрабатывать два материала одновременно, объединять их в матрице, и они получаются как единое целое.
Совместная экструзия с двойным дюрометром позволяет сплавить два материала с разными зонами твердости в одной матрице, придавая изделию как структурную жесткость, так и гибкость. Дверные и оконные уплотнители, прокладки для бытовой техники, различные промышленные уплотнения-вот где это проявляется.
Уплотнители дверей автомобиля – классический пример. Часть, которая крепится к листовому металлу, является жесткой. Часть, которая контактирует со стеклом или панелью кузова, мягкая. Два материала, один проходит через матрицу. Если вы сделаете их отдельно и попытаетесь склеить, это будет стоить дороже, и соединение будет не таким надежным.
Все становится сложнее. Три-экструзия пропускает три различных совместимых материала через одну матрицу, часто используемую для медицинских устройств и катетеров. К медицинским трубкам предъявляются строгие требования-внутренний слой должен быть биосовместимым, поскольку он контактирует с кровью или лекарствами, средний слой должен быть прочным и устойчивым к перегибам, внешний слой должен быть смазывающим для введения. Три функции, три материала, один выстрел.
Состав на производстве
Полная линия экструзии профиля от начала до конца выглядит примерно так:
Система хранения/сушки материала → Экструдер → Устройство смены сит → Матрица → Калибровочный/охлаждающий резервуар → Транспортировка-выключение → Резак → Сбор/укладывание
Уже прикрыл экструдер. Устройство смены сеток предназначено для фильтрации-улавливания нерасплавленных частиц и загрязнений. Тяга- заключается в том, что пара роликов тянет профиль вперед с постоянной скоростью. Резцы бывают разных типов в зависимости от продукта:-пилы, ножницы, летучие отрезы.
Гибкие профили обычно наматываются на специальных намоточных машинах. Жесткие профили распиливают или режут по длине.
Некоторые продукты также требуют-поточной обработки. Типичными операциями являются штамповка, сверление и прорезание пазов. Струйная печать позволяет маркировать партии и продукцию. -Пробивка по линии намного более эффективна, чем в автономном режиме, поскольку профиль все еще движется по линии.-головка пуансона движется вместе с ним, ударяет и готово.
Краткое замечание о качестве
Многие фабрики не уделяют особого внимания правильной настройке-пока профиль выглядит приемлемым, они полагают, что экструдер настроен правильно.
Это попадает в самую точку. На многих заводах менталитет таков: «если оно отправлено, то все в порядке», и как только машина достигает своего рода--нормального состояния, ее никто не трогает. Но для того же продукта оптимизация параметров может снизить потребление энергии на 20 % и значительно улучшить стабильность.
Контроль температуры – это все. Точный контроль температуры позволяет получить качественный продукт и свести к минимуму затраты на электроэнергию. Термопары нуждаются в регулярной проверке. Когда ранее хорошо-сбалансированная матрица начинает давать неровные профили, это часто происходит из-за того, что термопары больше не контролируют температуру матрицы должным образом. Термопары со временем смещаются.-На дисплее отображается 180 градусов, но фактическое значение может составлять 195 градусов, -и постепенно возникают проблемы.
Куда все это идет
Эта часть не нуждается в особых подробностях, поскольку профили есть повсюду.
Экструзия профиля – один из самых масштабных-процессов в производстве пластмасс: производится все: от труб до окон и медицинских трубок.
Строительство использует больше всего. Оконные рамы, дверные рамы, сайдинг, плинтусы, кабельные каналы-все экструдированные.
В медицине используется наибольшая точность. Трубки для капельницы и катетеры представляют собой композитные материалы из пластика и арматуры, требующие пост-стерилизации при производстве.
В автомобильной промышленности используется самое разнообразное. Уплотнения, декоративные планки, трубки, защита жгутов проводов-один автомобиль может иметь десятки различных экструдированных профилей.
Потребительские товары само собой разумеется. Соломинки, вешалки, упаковочные ремни, карнизы...
Заключительные мысли
Экструзия профиля – это-масштабный производственный процесс, известный своей минимальной отходностью, низкой стоимостью, быстрым выполнением работ и универсальностью использования сырья. Он также может достигать особых свойств, таких как огнестойкость, долговечность, химическая стойкость и термостойкость.
Все верно в отношении пунктов учебника. Но что действительно придает этому процессу устойчивость, я думаю, так это непрерывность. Литье под давлением работает циклично-форма открывается и закрывается, между выстрелами есть пауза. Экструзия просто продолжает выкачивать материал. Если хотите, вы можете запускать его 24 часа подряд. Преимущество непрерывности с точки зрения затрат почти сокрушительно, когда речь идет о крупносерийном-производстве.
Конечно, есть ограничения. Вы можете производить только изделия с постоянным-сечением. Точность ниже, чем у литья под давлением. Сложная трехмерная геометрия исключена. Но в его рулевой рубке ничто иное не сравнится.
Развитие технологий и материалов продолжает менять ландшафт экструзии профилей. Интеграция передового программного обеспечения для проектирования и моделирования, разработка-полимеров с высокими эксплуатационными характеристиками-все это расширяет возможности инновационных и многофункциональных профилей.
Профили, которые нельзя было сделать десять лет назад, можно сделать сейчас. Параметры, которые раньше полностью зависели от интуиции опытных операторов, теперь можно моделировать с помощью программного обеспечения. Отрасль продолжает двигаться вперед. Основополагающие принципы не сильно изменились за столетие, но диапазон того, что вы можете осуществить, продолжает расти.
И еще одно: счастливого Рождества!