سیستم تجهیزات اندازه ­گیری و کنترل (کانتور، ۲۰۰۶)

شکل ۲-۸ پنج بخش سخت افزاری اکسترودر
برخی از بخش­های مهم یک اکسترودر در ادامه معرفی می­گردد.
۲-۵-۱-۱٫ سیستم خوراک­دهی
سیستم خوراک­دهی مواد جامد را دریافت کرده و به اکسترودر منتقل می­ کند. ی اصلی محفظه خوراک دستگاه و گلویی خوراک­دهی است. یک سیستم جابجایی مواد (شامل مخزن مواد و سیستم مکش جهت انتقال) می ­تواند مواد خام را به محفظه خوراک دستگاه منتقل کند.
محفظه خوراک دستگاه (شکل ۲-۹) مواد جامد را پیش از ورود آن­ها به ماردون نگه می­دارد. گاهی اوقات یک خشک­کن به محفظه اضافه می­گردد. شکل محفظه بایستی به گونه­ ای طراحی شود تا از گیرکردن مواد درون آن (در هنگام ورود مواد به گلویی خوراک­دهی) جلوگیری شود. به صورت عمومی، محفظه بایستی مدور باشد و اصطکاک با مواد خوراک حداقل گردد (کانتور، ۲۰۰۶).

شکل ۲-۹٫ نمای اجزاء قیف پر شده با مواد پلاستیکی
گلویی خوراک­دهی در واقع، جزء پیش از ماردون است که زیر محفظه خوراک­دهی قرار دارد. معمولاً درون آن بوسیله سیستم خنک کننده سرد نگه داشته می­ شود. علت آن جلوگیری از چسبندگی پیش از هنگام ذرات جامد به یکدیگر در این ناحیه است. در صورتی که ذرات جامد در پایین محفظه خوراک­دهی به یکدیگر بچسبند، جریان مواد به درون ماردون را سد می کنند. در برخی از موارد، بر روی سطح درونی گلویی خوراک­دهی شیارهایی ماشین­کاری می­ شود. هدف از این شیارها، افزایش نرخ خوراک­دهی به درون ماردون است.
۲-۵-۱-۲٫ سیستم مارپیچ/ ماردون
سیستم مارپیچ/ ماردون (شکل ۲-۱۰) قلب عملیات نامیده می­ شود. این سیستم نه تنها باعث ذوب پلیمر جامد و پمپ شدن آن به درون دای می­ شود، بلکه مذابی یکنواخت و با دما و فشار ثابت آماده می­سازد. هر انحرافی در ترکیب درصد یا نوسانات دمایی یا فشار منجر به تغییرات در محصول نهایی می­گردد (کانتور، ۲۰۰۶).

شکل ۲-۱۰٫ مارپیچ اکسترودر داخل ماردون
۲-۵-۱-۳٫ مارپیچ
مارپیچ (شکل ۲-۱۱) یک میله استوانه­ای طویل است که دندانه­ هایی به صورت مارپیچی اطراف آن ایجاد شده است. بین بخش­های مجاور دندانه­ها کانال قرار دارد. طراحی­های مختلفی برای مارپیچ­ها وجود دارد، اما بیشتر مارپیچ­ها اصولاً دارای سه بخش هستند: خوراک­دهی، انتقال (یا فشرده­سازی) و ناحیه­ی اندازه ­گیری. عمق کانال (یک متغیر مهم در فشرده سازی توسط مارپیچ) عموماً در بخش خوراک­دهی ثابت و بیشترین مقدار است، و در بخش اندازه ­گیری نیز ثابت و کوچک­ترین مقدار است. عمق کانال در طول ناحیه انتقال کاهش می­یابد (کانتور، ۲۰۰۶).

شکل ۲-۱۱٫ یک مارپیچ اکسترودر
میزان فشرده سازی توسط مارپیچ با نسبت فشرده­سازی به صورت کمّی بیان می­گردد (معادله ۲-۷):
نسبت فشرده­سازی = عمق کانال خوراک­دهی / عمق ناحیه اندازه ­گیری
معادله۲-۷٫ نسبت فشرده سازی اکستروژن
نسبت فشرده­سازی در بازه ۲:۱ تا ۴:۱، با توجه به نوع پلیمر و دانسیته توده مواد خوراک است. مشخصه مهم هندسی مارپیچ نسبت طول به قطر (L/D) است (معادله ۲-۸):
L/D نسبت = طول ناحیه دندانه­دار مارپیچ / قطر مارپیچ
معادله۲-۸٫ نسبت L/D در اکستروژن
نسبت طول به قطر در بازه ۱۸:۱ تا ۳۲:۱ قرار دارد و معمول­ترین مقدار ۲۴:۱ است. نسبت طول به قطر بر مبنای تعداد عملیاتی است که مارپیچ انجام می­دهد. برای مثال، نسبت ۲۴:۱ برای سه عملیات استاندارد عادی است: انتقال گرانول­های پلیمر، ذوب کردن و پمپ کردن (تولید فشار برای ورود مواد به دای). عملیات کمتر به مارپیچ کوتاه­تری نیاز خواهد داشت و عملیات بیشتر مانند مخلوط کردن، حذف گاز، نیاز به مارپیچ طولانی­تری خواهد داشت.
مارپیچ با دقت درون ماردون قرار می­گیرد. لقی، فاصله بین نوک دندانه تا دیواره ماردون، معمولاً ۱/۰ درصد قطر مارپیچ است (شکل ۲-۱۲). بنابراین یک مارپیچ با قطر ۴ اینچ دارای لقی ۰۰۴/۰ اینچ است. لقی کمتر از این مقدار منجر به سایش بیش از اندازه نوک دندانه­ها می­گردد، درحالی که مقادر بالاتر لقی ظرفیت ذوب و پمپ کردن مارپیچ را کاهش می­ دهند (کانتور، ۲۰۰۶).

شکل ۲-۱۲. لقی بین شیار و دیواره ماردون
مارپیچ­ها معمولاً از فولاد ۴۱۴۰ ساخته می­شوند. برای پلیمرهای خاص، مخصوصاً پلیمرهایی که نیاز به دمای بالا داشته و یا خورندگی زیادی دارند، آلیاژهای فلزی ویژه مورد استفاده قرار می­گیرد. به علاوه، سخت­کاری نوک دندان­ها یا پوشش کل مارپیچ با یک سخت­کننده می ­تواند عمر مارپیچ را افزایش دهد.
مارپیچ­ها می­توانند جهت انتقال حرارت از طریق سطح مارپیچ دارای هسته توخالی باشند. این مساله از این جهت می ­تواند سودمند باشد که ۵۰ درصد مساحت سطح در تماس با پلیمر مربوط به مارپیچ است. از آن جا که ایجاد اتصالات در انتهای مارپیچ برای سیال انتقال دهنده حرارت و یا گرمکن های الکتریکی پیچیده است، بیشتر مارپیچ­ها خنثی هستند، به این معنی که هیچ سیستم گرمایش یا سرمایشی در آن­ها استفاده نمی­ شود (کانتور، ۲۰۰۶).
۲-۵-۱-۴٫ ماردون
ماردون یک استوانه توخالی است که از گلویی خوراک­دهی تا نوک مارپیچ گسترده شده است. انتهای خروجی ماردون با عنوان هد (Head) نامیده می­ شود. تمامی سطح داخلی ماردون توسط مواد آستری خیلی سخت پوشش داده می­ شود، مانند آلیاژ تنگستن-کاربید. این آستری عمر ماردون را با کاهش سایش، افزایش می­دهد. جایگزین کردن ماردون هزینه زیادی داشته و زمان­بر نیز هست. برای به حداقل رساندن سایش بر روی ماردون و مارپیچ، مهم است که ماردون با مارپیچ و سیستم نیروی محرکه به طور صحیح تنظیم شده باشد. نواحی کنترل دمایی در طول ماردون قرار گرفته­اند. تعداد نواحی وابسته به طول ماردون است. هر ناحیه تقریباً چهار تا پنج برابر قطر مارپیچ، از طول ماردون را کنترل می­ کند (به عنوان مثال برای یک مارپیچ ۳ اینچی، حدود ۱۲ تا ۱۵ اینچ). گرمکن­های آلومینیوم ریخته­گری در بسیاری از کاربردها استفاده می­شوند، اما سیستم­های با دمای بالا نیازمند گرمکن­های سرامیکی هستند. استفاده از سیستم سرمایش در نواحی ماردون تکنیکی متداول است. دمنده­های سرمایش یا سیال انتقال حرارت ممکن است مورد استفاده قرار گیرد.
قبل انتهای خروجی ماردون و معمولاً در زیر ماردون سوراخی تعبیه شده (rupture disk) (شکل ۲-۱۳) که این وسیله جزء مهمی در جهت ایمنی دستگاه می­باشد. در صورتی که فشار بیش از حد، در هد ایجاد شود، جوشی در آن (rupture disk) شکسته می­ شود، و به پلیمر مذاب اجازه خروج از دستگاه بر روی کف می دهد و فشار اضافی تخلیه می­ شود. از آن جایی که فشار عادی عملکردی می ­تواند به psi 5000 رسیده یا بیشتر از آن گردد و بیشتر ماردون­ها برای فشار تقریبی psi 10000 طراحی می­شوند، فشار ایمنی حدود psi 7000 تا psi 9000 در نظر گرفته می­ شود.

شکل ۲-۱۳٫ پیکربندی عمومی در انتهای خروکی ماردون شامل سوراخ تعبیه شده (Rupture disk) در بخش پایینی
برخی از مواد اکسترود شده نیازمند ماردون­های دارای منفذ (vented barrel) است (شکل ۲-۱۴). منفذهای ایجاد شده در ماردون این امکان را فراهم می­ کند تا گازهای ناخواسته تولید شده، پیش از خروج از طریق دای، از ماردون خارج شوند. زیرا در صورت خروج از دای منجر به فوم شدن، ایجاد حباب و یا عیوب سطحی در محصول اکسترود شده می­شوند. یک مارپیچ دو مرحله­ ای در عملیات گاز­زدایی استفاده می­ شود. مرحله اول آماده ­سازی مذاب مانند دیگر مارپیچ­های متداول است، درحالی که مرحله دوم برای گاز­زدایی از مذاب فشار روی آن کاهش یافته و سپس آن را به درون دای پمپ می­ کند. تحت شرایط عملیاتی نادرست، مانند فشار هد بیش از اندازه، پلیمر ممکن است از درون منفذ گاز­زدایی با بیرون جریان پیدا کند. می­توان با طراحی مناسب و درست و شرایط عملیاتی صحیح از این مشکل اجتناب کرد (کانتور، ۲۰۰۶).

شکل ۲-۱۴٫ یک اکسترودر با منفذ گاز­زدایی در ماردون
۲-۵-۱-۵٫ سیستم هد/ دای
سیستم هد/ دای (شکل ۲-۱۵) جریان مذاب را، به محض خروج آن از ماردون، دریافت می­ کند. اجزای این سیستم شامل مجموعه هد، انطباق دهنده، صفحه محافظ (breaker plate)، فیلتر مذاب و دای است.

شکل ۲-۱۵. مجموعه هد و دای
دای
دای مغز دستگاه نامیده می­ شود، زیرا شکل محصول نهایی توسط شکل­دهی که در دای انجام می­ شود، تعیین می­گردد. انواع زیادی از دای برای تولید محصولات اکسترود شده گوناگون در دسترس است. چیزی که در تمامی دای­ها مشترک است، نیاز به طراحی هندسه جریان داخلی مناسب است. اگر دای شکل جریان مناسب را نداشته باشد، امکان تولید محصول پلیمری بر مبنای مشخصات مورد نظر وجود نخواهد داشت.
برای فرایند بهینه، دای­ها بایستی سیستم کنترل دمایی مجزا داشته باشند. یک ناحیه کنترل دمایی معمولاً برای دای­های کوچک کافی است. دای­های بزرگتر ممکن است چندین ناحیه کنترل دمایی داشته باشند. بعلاوه، عایق­سازی اطراف بدنه­ی دای اغلب به منظور کاهش اتلاف حرارت به هوای محیط و همچنین کاهش حساسیت دمای دای به تغییرات شرایط دمایی محیط مورد استفاده قرار می­گیرد (کانتور، ۲۰۰۶).
عوامل مؤثر بر کیفیت عملکرد ماشین اکسترودر تابعی از قطر (D)، طول (L)، گام های پیچ، شکل و خشک بودن دانه­ها، سرعت چرخش و سرعت حرکت و طرح قالب (دای) است.
۲-۵-۲٫ نواحی عملکردی اکستروژن
در این بخش شش ناحیه در طول اکسترودر تشریح می­ شود که عملکردهای مختلف سیستم را انجام می­دهند. درک نواحی عملکردی ترکیبی از دانش مواد پلیمری همراه با دانش سخت­افزار اکستروژن می­باشد. با حرکت پلیمر در این نواحی عملکردی مختلف و در شکل­های مختلف (به عنوان مثال گرانول، بستری از جامد و یا مذاب)، با اجزای سخت­افزاری (به عنوان مثال محفظه خوراک، مارپیچ و ماردون) در نواحی عملکردی مختلف برهمکنش می­ کند. اگر هر یک از این عملکردها به درستی انجام نپذیرد، کیفیت محصول نهایی یا راندمان فرایند اکستروژن ممکن است کاهش یابد. به عبارت دیگر، برای بهینه سازی ظرفیت محصول اکسترودر، هر ناحیه عملکردی بایستی به صورت بهینه عمل کند (کانتور، ۲۰۰۶).
شش ناحیه عملکردی عبارتند از (شکل ۲-۱۶):
انتقال و جابجایی مواد جامد؛
ذوب کردن؛
پمپ کردن مذاب؛
مخلوط کردن؛
گاز­زدایی (یا رطوبت زدایی)؛
شکل­دهی توسط دای (کانتور، ۲۰۰۶).

شکل ۲-۱۶٫ شش ناحیه عملکردی در اکسترودر
این موارد نبایستی با بخش­های هندسی اکسترودر شامل بخش خوراک­دهی، بخش انتقال و بخش اندازه ­گیری اشتباه گرفته شوند. اگرچه بین بخش­های هندسی و نواحی عملکردی برخی وابستگی­ها وجود دارد، عملکردها توسط نواحی هندسی محدود نمی­شوند. برای مثال، ذوب کردن تنها محدود به ناحیه انتقال نمی­ شود، ممکن است در بخش خوراک­دهی آغاز شده و تا بخش اندازه ­گیری ادامه یابد. از طرفی، تمامی اکسترودرها شامل هر شش ناحیه عملکردی نمی­ شود. برخی از اکسترودرها توسط پلیمر مذاب خوراک­دهی می­گردند و در نتیجه نیازی به ناحیه انتقال جامد و ذوب کردن ندارد، و تعداد زیادی از اکسترودرها نیز ناحیه گاز­زدایی زا شامل نمی­شوند.
۲-۵-۳٫ انواع اکستروژن
۲-۵-۳-۱٫ اکستروژن پروفیل (پروفایل)
پروفیل به شکلی گفته می­ شود که سطح مقطع ثابت دارد و به روش اکستروژن مذاب از یک دای که در انتهای اکسترودر قرار دارد، تولید می­ شود. ساده­ترین شکل دای یک صفحه فلزی است که سوراخ یا سوراخ­هایی روی آن ایجاد شده است که محصول خروجی از این دای یک میله توپر بوده که قطر آن معادل قطر سوراخ خواهد بود (شکل ۲-۱۷). از آن جا که این عمل در فشار نسبتاً پایین انجام می­ شود هزینه­ های تولید در آن پایین می­باشد. همچنین با تعبیه کردن یک مانع مناسب در وسط سوراخ محصول خروجی به صورت لوله تو خالی یا تیوب خواهد شد. در نهایت پروفیل­های تولید شده به اندازه مناسب برش می­خورند.

شکل ۲-۱۷٫ دستگاه اکستروژن پروفایل
۲-۵-۳-۲٫ اکستروژن پوشش­دهی سیم و کابل[۲۹]
برای فرایند پوشش­دهی سیم لخت و یا کابلی که شامل رشته­های زیادی سیم نازک است با توجه به نوع کاربرد از مواد گوناگونی استفاده می­ شود. در این فرایند سیم لخت در هنگام عبور از دای مخصوص این کار در تماس مستقیم با پلیمر مذاب قرار می­گیرد و مذاب پس از پوشش سیم به همراه آن از دای خارج شده و در ادامه فرایند خنک سازی انجام می­گیرد تا پلیمر روی سیم تثبیت شود.
۲-۵-۳-۳٫ اکستروژن ورق و فیلم قالبگیری[۳۰]