آماده برای یک مسابقه سرعت

آماده برای یک مسابقه سرعت

حدود سه دوجين از تولیدکننده‌‌ها، اغلب اروپایی، براي توسعه اقتصادی اکستروژن‌هاي تک ماردان پرسرعت فشار وارد مي‌كنند. آنها دستگاه‌هایی 100 برابر کوچک‌تر و با سرعت ماردان بالای rpm 1500، حدود 10-8 برابر سریع‌تر از اکسترودرهای استاندارد راه‌اندازی کرده‌اند. دو سازنده آلمانی روی ساخت دستگاه‌هایی با سرعت rpm 2000 و بیشتر فعالیت می‌کنند. هدف افزایش خروجی بدون افزایش اندازه اکسترودر است. این دستگاه‌ها طویل، سبک و خنک می‌باشند. در سرعت‌های بالاتر و در بسامدهای غیرعادی اغتشاشات صوتی ایجاد می‌کنند. بهتر است این دستگاه‌ها حتی اگر محدوده اغتشاش dbA 80 باشد، در اتاق جداگانه قرارداده شوند. تاکنون، این دستگاه‌ها برای فرایند مواد محدودی از جمله پلی‌استایرن، پلی‌پروپیلن و ABS به‌علاوه پلی‌اتیلن پرنشده یا اندکی پر شده استفاده می‌شوند. هر بسپار به ماردان بهینه و متفاوتي نیاز دارد. دستگاه در سرعت‌های بسیار بالا ساییده می‌شود. ولي تا كنون تنها دو موتور در این مورد از کار افتاده‌اند که این دو در دستگاه‌های آزمایشی سوار شده بودند.
ذخیره انرژی و فضا تولید‌کننده‌های اروپایی پنج سال قبل اولین اکسترودرهای پرسرعت را به منظور تولید ورق PS و PP در خط تولید گرماشکل‌دهی خریداری نمودند. هدف اصلی آنها ذخیره انرژی و فضا در مقایسه با تولید کننده‌های امریکایی بود. مصرف‌کننده‌ها می‌گویند دستگاه‌های پرسرعت 15-10 درصد ذخیره انرژی را سبب می‌شوند. این صرفه‌جویی انرژی نه از گرم و سرد شدن فلز در سیلندر اکسترودر و نه از افت انرژی در گيربكس ناشی می‌شود. اغلب اکسترودرهای پرسرعت و نه همه آنها از نوارهای ‌گرم‌كن استفاده می‌کنند. این اکسترودرها تا سرعت rpm 800-400 کار می‌کنند و توسط نوارهای حرارتی روشن یا خاموش پوشانده می‌شوند. دستگاه‌های تولید ورق با سرعت rpm 1500-900 راه اندازی می‌شوند و از نوارهای گرم‌كن فقط در مرحله شروع استفاده می‌کنند. بنابراین پلاستیک تماما توسط حرارت اصطکاکی ذوب می‌شود. در هر دو مورد، سیلندر خنک می‌ماند و به همین دلیل جزء در منطقه تغذیه نیاز به سرد کردن ندارد. در ماردان‌های پرسرعت، وقتی میزان خروجی افزایش می‌یابد عملا مصرف انرژی کم می‌شود. Rainer Bobowk مدیر قسمت فیلم و ورق شرکت آلمانی Kuhne GmbH می‌گوید: با موادی مانند PS و PP وبا سرعت بالای rpm 750، با افزایش سرعت، مصرف انرژی کاهش می‌یابد. همچنین اکسترودرهای پرسرعت توسط توزیع نيرو با کاهنده‌هاي دنده‌ سبب ذخیره انرژی می‌شوند. این دستگاه‌ها از موتورهایی که مستقیما به ماردان متصل می‌شوند، تشکیل شده‌اند یا از نسبت دنده‌ي 1:1 استفاده می‌کنند. اغلب این اکسترودرها قطر بین mm 60 و 75 دارند و هیچ یک بزرگ‌تر از mm 90 نمی باشند. Kuhne تنها اندازه‌های mm 60 و 72 با نسبت L/D ،33:1 را به بازار عرضه می کند. شرکت Battenfeld Extrusionstechnik (BEX) به منظور بهینه نمودن بیشترین خروجی قطر mm 75 و نسبت L/D، 34:1 و 40:1 را پیشنهاد می کند. در قطرهای زیر mm 75، سازندگان نمی توانند عمق كانال مناسب بدون خطر شکستگی در سرعت زياد را به دست آورند. در قطر بالای mm 75، اثر بی درروئي (آدياباتيك) را از دست داده و نیاز به سرد و گرم شدن دارند. اندازه‌های کوچک‌تر این دستگاه‌های پرسرعت نیاز به واحد صنعتی بزرگی برای تولید دارند. پنج سال قبل، Bartling GmbH در آلمان اولین دستگاه پرسرعت آزمایشی BEX و سپس Kuhne را به کار گرفت كه در منطقه‌اي قرار داشت كه نمي‌توانست وسعت كارخانه را زياد كند و در ضمن مي‌توانست سريع ماشين را به اين ترتيب خاموش و روشن كند كه براي امور توليدي مناسب بود. تغییرات رنگ در دستگاه‌های کوچک سریع‌تر است و مواد کمتری به هدر می‌رود. سال گذشته شرکت Faerch Plast در دانمارک برای اولین بار ورق PP را با سرعت rpm 1500 اکسترود نمود. این ورق برای ظروف غذا از طریق گرماشکل‌دهي و به رنگ‌های سیاه، آبی، سفید و شفاف در اکسترودر 75-mm BEX استفاده گردید. ماردان تنها گنجایش 4 کیلو بسپار را دارد، به همین خاطر Faerch می‌گوید می‌تواند بر خلاف اکسترودر معمولی در حدود یک ساعت از سیاه به شفاف تغییر کند. تغییر از شفاف به سیاه تنها 3 دقیقه طول می کشد.
Huhtamaki Oyj، اداره مرکزی در فنلاند معتقد است اکسترودرهای پرسرعت در مقایسه با سایر سازندگان تولید می کند. آنها بیشتر از 10 تا از این اکسترودرها را به منظور کاهش هزینه انرژی و برای استفاده در خطوط تولید گرماشکل‌دهی و اکستروژن ورق در واحدهای صنعتی با فضای محدود عرضه کرده‌اند. هم چنین اکسترودر سرعت بالای mm 72 Kuhne را جهت ورق PP و PS در Siemianowice، Poland و مدل‌های پرسرعت mm BEX75 جهت خطوط تولید در Aunea فرانسه نصب کردند.
اساس تاریخی شركت‌هاي گرماشکل‌دهی اروپایی پیوند تاریخی با اکستروژن پرسرعت دارند. Thyssen Plastikmaschinenbau در سال 1970 اکسترودرهای mm 90 را برای Bellaplast آلمانی به منظور تولید ورق PS با سرعت rpm 450 و خروجی Ib/hr 2600 ساخت. این شرکت توسط BEX در سال 1980 خریداری شد و توسعه اکسترودر پرسرعت متوقف گردید. رییس فناوری این شرکت آلمانی می‌گوید: سازندگان اکسترودر این نگرش را دارند که چرا من یک دستگاه کوچک را بفروشم در حالی که می‌توانم بزرگ‌تر آن را بفروشم. پس BEX این نگرش را عوض کرد و شروع به تولید اکسترودر کوچک نمود. اکنون اکسترودرهای پرسرعت به تندی گسترش یافته‌اند. در حالت عادی چرخش ماردان بیشتر از m/sec 1 سرعت بالایی است اما امروزه سرعت چرخش به m/sec 3، 4 و5 رسیده است. در امریکا، گسترش اکسترودرهای تک ماردان و پرسرعت مسیر متفاوتی را طي كرده يعني براي تولید مستربچ‌های رنگی به جاي گرما‌شكل‌دهي ورق حركت كرده است. هدف اصلی اختلاط و تغییرات رنگ سریع است نه خروجی بیشتر. در سال 1960، Prodex در نیوجرسی دو اکسترودر in 2 به منظور تولید مستربچ رنگی PP با سرعت rpm 1000 عرضه نمود. Prodex بعدها بخشی از HPM گردید. در نیمه 1990 شروع به تولید اکسترودرهای in 2 و5/4 با نسبت 50:1 L/D جهت گرانول سازی مستربچ های رنگی نمود. آنها از پروانه اختراع ماردان موجی سه گانه استقاده کردتد و به سرعت‌های rpm 1000-800 دست یافتند. از جمله می‌توان به اکسترودر in 5/2 با توان موتور hp 500 و سرعت rpm 850 به همراه خروحی Ib/hr 2400 پلی‌اتیلن پرچگالي اشاره کرد. اما توجه شود روند توسعه اکسترودرهای دو ماردان از سال 1990 آغاز شده است. امروزه بعضی از دستگاه‌ها به سرعت بالای rpm 1200 و حتی به rpm 1800 رسیده‌اند.
کارنامه اولیه تولید جدید اکسترودرهای تک ماردان اروپایی و سرعت بالا در مدت 1 تا 4 سال اجرا شده است. تولید کننده‌ها اغلب شروع به توسعه اکسترودرهای پرسرعت بعلاوه ذخیره انرژی و فضا به منظور بهبود شفافیت ورق نموده‌اند. در عمل آنها شفافیت و ساختار بلوري ورق PP را بهبود دادند. روش سنتی تولید ورق نازک PP نیاز به سرد شدن آهسته و کنترل شده دارد. اما اکستروژن پرسرعت به سرد شدن سریع نیاز دارد. Faerch Plast دماهای غلتک سرد کننده در اکستروژن ورق PPمورد آزمایش قرار دادند و دریافتند که غلتک‌های سرد کننده نازک همراه با ماردان مناسب برای سرعت‌های زياد، ساختار بلوري ورق PP را بهبود می‌دهد. Frank Ostervemb مدیر تحقیقات می‌گوید: شفافیت بالاتر نتیجه سرعت بالای ماردان و سیستم سردکننده بهینه است. غلتک‌های سرد کننده با دیواره نازک و قطر بزرگ در امریکا و نه در اروپا معمولا استفاده می‌شوند. در سال گذشته، دو سازنده اروپایی چنین غلتک‌هایی را برای اکستروژن پرسرعت طراحی نمودند. دو شرکتDerichs Maschinen-und Apparatebau GmbH و Josef Van Baal GmbH غلتک‌های دیواره نازک را توسط شش یا هشت کانال ماردان در عوض چهار تا به منظور استحکام و سختی غلتک معرفی کردند. این امر اجازه می‌دهد که پوشش سخت فولاد با ضخامت نیم اینچ به جای 1 اینچ (در اروپا) ساخته شود و در نتیجه سبب افزایش انتقال حرارت از 20 درصد به 40 درصد می شود. BEX اولین مدل از غلتک‌های جدید را برای اکستروژن پرسرعت طراحی کرده است. سریع‌تر و کوچک‌تر از انواع معمولی که در نمایشگاه K2010 در Dusseldorf عرضه نمودند. در دمای ذوب PP در انتهای این اکسترودر نیروی با تنش بالا ایجاد می‌شود که در اکسترودرهای معمولی در چند درجه بالاتر این نیرو تامین می‌شود. نیروی برشی در سرعت‌های بالا گرانروي مذاب PP را کاهش می‌دهد. بعد از آزمایش‌هاي زیاد، شرکت Faerch Plast بیان کرد که سرعت‌های زياد ماردان خواص ضربه ورق را تهدید نمی‌کند. فناوری جدید و جالب دیگر در مورد اکستروژن پرسرعت می‌گوید بسپارهای Ps، ABS و غیره به دلیل زمان اقامت کوتاه‌تر کمتر تخریب می‌شوند. مدیر تولید BEX می‌گوید ورق شفاف PS رنگ بهتری دارد. BEX یک مشتری هلندی که از اکسترودر با سرعت rpm 800 جهت تولید ورق APET با خروجی Ib/hr 2200 استفاده می کند، دارد. ا ین مشتری تخریب کمتر APET را در سرعت بالا گزارش کرده است. هم چنین آزمایشات با پلاستيك PLA تخریب حرارتی کمتری را نشان می‌دهد. ورق به منظور کاربردهای غیر از بسته‌بندی توسط اکستروژن پرسرعت نیز تولید می شود. Alma Polska Wroclaw ادعا می‌کند اولین تولید کننده ورق در کاربردهای بادوام توسط این اکسترودرها است. آنها اکسترودر 75-mm BEX را در فوريه امسال برای ورق‌های ABS و PS با ضخامت 6-1 میلیمتر جهت لايه‌هاي یخچال راه اندازی کردند. بعضی از پیشگامان این فناوری شروع به استفاده از LDPE توسط ماردان‌های پرسرعت و خروجی‌های بسیار بالاتر نموده‌اند. اکسترودرهایی جهت فیلم ارتجاعی LDPE نیز موجود هستند. اولین بار دو سال قبل در شرکت آلمانی Manuil Stretch انجام گردید. هم چنین پیشگامانی در تولید لوله هستند که از این اکسترودرها استفاده می‌کنند. در سال 2006، Cincinnati Extrusion در استرالیا اکسترودر آزمایشی mm 60 و 37:1 با موتور استاندارد DC و جعبه دنده دوتایی Rehae AG آلمانی را برای تولید لوله PP خریداری نمود. اما Rehae علاوه بر سروصدای آزار دهنده، دماهای ذوب بالایی در سرعت‌های بالا نشان می‌دهد. Rehae اکنون از دستگاهی در سرعت‌های نرمال حدود rpm 10 با خروجی Ib/hr 880 استفاده می کند.
در نمایشگاه K2007 در آلمان، Cincinnati Extrusion نمونه صنعتی این اکسترودر را تحت عنوان Rapidex 1500 معرفی کرد. این نمونه موتوری با گشتاور هماهنگ و مغناطیس پایدار Oswald را که مستقیما به ماردان متصل می شود، دارد. آنها دو نمونه از این دستگاه را با خروجی تضمین شده Ib/hr 3190 برای لوله LDPE با قطر بالای 1200 میلیمتر و سرعت rpm 800 به بازار عرضه نمودند. آنها می‌گویند اکستروژنپر سرعت HDPE تحت تاثیر فشارهای معکوس تا بیشتر از 700 بار قرار نمی‌گیرد. هم چنین آنها فناوري سرد کننده لوله جدید با خروجی دو برابر در طول معین ارائه دادند. Amut SpA در ایتالیا اکسترودرهای پرسرعت GLE 9000 HS را به منظور لوله PE و PP به ترتیب با سرعت های rpm 400 و 700 به کار می برد. فیلم تخت همراني شده (coextrusion) کاربرد دیگری از اکستروژن پرسرعت است. علاوه بر خط تولید فیلم Huhtamaki در فرانسه، EDV اسپانیایی نیز فیلم تخت PP و PS را در سرعت بالا تولید می‌کند.
طراحی ماردان پرسرعت ماردان‌های اکسترودر پرسرعت به بخش ذوب طویل‌تر و L/D بزرگتر جهت خروجی بیشتر در سرعت یکسان ماردان نیاز دارند. ماردان‌های اکسترودر mm 72 Kuhne میزان خروجی Ib/hr PS 3750 یا Ib/hr PP3570 در سرعت rpm 1000 را به دست می‌دهد. در سرعت rpm 800، آنها Ib/hr PLA 3500 یا Ib/hr APET را اکسترود می کنند. Kuhne اولین اکستروژن پرسرعت را در اوایل سال 1990 عرضه نمود.
زمانی که Kurt Huth مدیر شرکت Optipack اکسترودر استاندارد mm 120 را تا سرعت rpm 450 به منظور افزایش خروجی ورقPP از Kg/hr 800 به 2600 احیا کرد. در پایان سال، جعبه دنده خراب شد اما شرکت مذکور درباره طراحی ماردان سرعت بالا تجربیات زیادی به دست آورد. برای BEX دوره یادگیری یک سال تحقیق به کمک Faerch Plast بود. وقتی Faerch اولین بار اکسترودر rpm 1500 را راه اندازی کرد، نیروی برشی بسیار زیادی در سرعت بالا ایجاد گردید. بعد از یک سال بهینه سازی، اکنون این اکسترودر می تواند Ib/hr 3000 ورق PP تولید کند. BEX ماردان مانع‌دار بهبود یافته با پنج ناحیه را طراحی کرده است. این پنج ناحیه نواحی که می شناسیم- تغذیه، ذوب، اختلاط، هواگیری و سنجش- نیستند. این نواحی شامل تغذیه، ذوب، تخلیه، هواگیری و پيمايش می باشند. نواحی تغذیه و ذوب تقریبا دو سوم از طول ماردان را در برمی‌گیرند. منطقه تغذیه برای PP شامل كانال‌‌های عمیق‌تر به سمت قسمت کم عمق که کاملا صاف است. این امر سبب می‌شود پلاستیک پرسرعت و گشتاور پایین عبور کند. ناحیه بعدی منطقه تخلیه است که شامل یک محدوده مانع‌دار برای PP می باشد و توسط نواحی هواگیری و ذوب ادامه می یابد. توجه شود منطقه اختلاط وجود ندارد. Huth رییس شرکت آلمانی Plastconsulting می‌گوید تاکنون کسی یک مخلوط کن دینامیکی که با محدوده سرعت بالا منطبق باشد تولید نکرده است. اختلاط توسط جریان گردابی انجام می‌گیرد. Faerch رنگ و مواد افزودنی را در سرعت بالای rpm 1500 توسط PP مخلوط می کند. Carina Nielson مدیر پروژه شرکت می‌افزاید اختلاط هیچ مشکلی پیش رو ندارد زیرا مقدار زیادی جریان گردابی در بسپار با سرعت rpm 1500 ایجاد می شود. مسیر ماردان در سرعت بالای rpm 800 بحرانی است. ماردان پرسرعت Kuhne توسط افزایش لقی در منطقه تغذیه اصلاح می گردد. بنابراین سرعت‌های تغذیه بالاتر سبب انحراف ماردان نمی شود. Kuhne از ماردان معمولی با قطر داخلی صاف با ناحیه ذوب طویل استفاده می کند اما به منظور کنترل دماهای بالا در ناحیه تغذیه سیستم سردکننده و گرم کننده اضافه می کند. Huth می گوید اگر ماردان برای سرعت بالا اصلاح شود، می تواند بدون سیستم سردکننده به کار رود. در ابتدا برای اکستروژن پرسرعت از ضایعات استفاده می‌شد تا اینکه ماردان در ناحیه تغذیه عمیق‌تر گردید. Bartling می‌گوید می‌توان توسط 50 درصد PP خرد شده از ضایعات گرماشکل‌دهی آمیخته شود. Faerch بیشتر از 70 درصد این کار را انجام می‌دهد. مخلوط کن مشکلاتی برای نشان دادن دما دارد. طبق گفته Faerch ذوب شدن همه مواد بسیار مهم است. توري‌عوض‌كن‌ها برای خروجی بالاتر می‌بایست توسعه داده شوند. این توري‌عوض‌كن‌ها و پمپ‌های دنده‌ای برای جلوگیری از انحراف ماردان نیز باید بهبود یابند.
چه کسی چه چیزی تولید می‌کند؟ اکسترودرهای تک ماردان پرسرعت در نمایشگاه K2004 به منظور اکسترود نمودن ورق نازک معرفی شدند. سپس BEX 25 دستگاه برای سرعت rpm 400 و بیشتر از 50 دستگاه در سرعت rpm 1500-600 عرضه نمود. HPM نیز اکسترودرهای 2 و 5/2 اینچی با سرعت به ترتیب rpm 700 و 850 و هم چنین 5/3 اینچ و سرعت بالای 500 معرفی نمود. Kuhne نیز تعداد 20 اکسترودر را در سرعت rpm 800-400 تولید کرده است. SML Maschinengesllschaft استرالیایی 10 اکسترودر 90 میلی‌متری برای فیلم PP/PS و فیلم کششی LDPE عرضه کرد. Welex Inc اکسترودر پرسرعت را منظور ورق نازک را معرفی کرده است. هم چنین Esde Maschinentechnik GmbH در آلمان 27 واحد با سرعت‌های متوسط rpm 380 و 450 عرضه نمود. دو سازنده اکسترودرهای سرعت بالا جهت تولید لوله ساختند. Cincinnati Extrusion دو اکسترودر با سرعت rpm 800 برای لوله تولید کرده است. Amut نیز دو نوع با پرسرعت rpm 700 جهت تولید لوله ارائه کرده است. چشم‌انداز اکستروژن پرسرعت در امریکا به چه صورت است؟ فیلم کششی موضوع خوبی برای ایجاد رقابت و تقویت بازار می‌باشد. در امریکا روی کاهش هزینه و خروجی بالاتر همراه با ماردان سریع‌تر متمرکز شده است. اکستروژن پرسرعت به منظور خط تولید پیاله ماست و سرپوش فنجان قهوه به روش گرماشکل‌دهی نیز می‌تواند به کار رود. Kurt Waldhauer رییس شرکت American Maplan یادآوری می‌کند که اگر کسی بخواهد خروجی را در یک واحد صنعتی محدود افزایش دهد، اکستروژن پرسرعت بهترین روش است. کیفیت و رنگ ورق مزیت دیگر این اکستروژن است بویژه وقتی طراحی‌های ماردان برای بسپار‌هایی مانند PLA و PET اصلاح شود. Kuhne می‌گوید ما فقط آزمایش با مواد دیگر را شروع کرده‌ایم. این ابتدای کار واحد تحقیق و توسعه است.

برگردان: مهندس طیبه دولت آبادی

منبع: مجله بسپار