Въвеждане на процеса
Формоване чрез екструдиранее непрекъснат производствен процес, при който термопластичният материал се разтопява в нагрят варел от въртящ се винт и след това се прокарва през оформена матрица, за да се получи профил с постоянно напречно-сечение. За разлика от шприцоването, което запълва затворена кухина на формата за създаване на отделни части, екструзионното формоване доставя непрекъсната дължина на продукт-тръби, тръби, канали, ленти, листове-, който се оразмерява, охлажда и нарязва надолу по веригата. Процесът е ценен заради високата си производителност, ниската цена на-метър и способността да работи с широка гама от полимери от обикновен PVC до инженерен-поликарбонат.
Екструзионното формоване е метод за обработка на формоване с много промени, висока производителност, силна адаптивност, широко приложение и най-голям дял в областта на обработката на пластмасови материали.
Формоването чрез екструдиране е непрекъснато оформяне на полимерната стопилка или вискозната течност през матрица с определена форма под екструзионното действие на винта или буталото на екструдера. Получените части са непрекъснати профили с постоянна форма на сечение.
Процесът на екструдиране на полимер може да бъде разделен на последователност от строго контролирани етапи, всеки от които влияе върху качеството на крайната част. Сурова смола-пелети, гранули или прах-се зарежда в гравитационно-бункер, монтиран над цевта на екструдера. Оттам материалът влиза в захранващото гърло и се транспортира напред чрез въртящ се винт. Докато смолата се движи по цевта, външните лентови нагреватели и вътрешното срязващо триене повишават температурата постепенно, докато материалът достигне напълно разтопено състояние. Конструкцията на шнека-неговата дълбочина на полета, съотношението на компресия и съотношението L/D-директно влияе върху това колко равномерно се пластифицира стопилката, поради което дизайнът на пластмасов екструдер често се счита за отправна точка на всеки преглед на DFM за проекти за екструдиране.
След като стопилката излезе от цевта, тя се изтласква през разбиваща плоча, снабдена със ситни пакети, които филтрират замърсителите и създават обратно-налягане за по-добро смесване. След това филтрираната стопилка влиза впринципи на проектиране на матрицата за екструдиране, където геометрията на канала на потока го оформя в целевото напречно-сечение. След като напусне матрицата, все още-мекият екструдат преминава през станция за оразмеряване и охлаждане-обикновено резервоар за вакуумно калибриране за кухи профили или охладени ролки за плоски листове-преди тегличът надолу по веригата да го изтегли с контролирана скорост. Накрая, летящ-трион или ротационен нож разрязва непрекъснатия профил по дължина, завършвайки етапите на процеса на екструдиране от суровината до завършената част.
Пластмасовият екструдер е основната машина във всяка линия за екструдиране. Състои се от бункер за подаване на материал, отопляем варел и един или повече винтове, които транспортират, компресират и пластифицират смолата. Едно-шнековите екструдери са най-разпространената конфигурация за производство на профили и тръби; те предлагат проста работа, ниска поддръжка и постоянна производителност за повечето термопласти. Дву{4}}шнековите екструдери осигуряват превъзходно смесване и са предпочитани за смесване, цветна дисперсия на мастербачи и обработка на чувствителни към топлина-материали като твърд PVC. Диаметърът на шнека-вариращ от 20 mm при лабораторни-уреди до над 200 mm при големи тръбопроводи-определя максималната производителност. Когато оценявате пластмасов екструдер за нов проект, ключовите спецификации за сравнение включват съотношението L/D на винта, въртящия момент на двигателя, броя на цевните зони и максималното работно налягане.
Не всички термопласти могат да се обработват чрез екструдиране.
Общите основни материали включват твърди материали и еластични материали.
Твърди материали: PVC, PC, PETG, ABS, PP, бедра, PMMA, LDPE, HDPE, POM, ASA, PA, as, EVA, PC + ABS и др
Еластични материали: PVC, TPU, TPE, Poe, TPR, TPV, TPEE и др
Изборът на правилната смола надхвърля съпоставянето на абревиатура на материал с продуктова категория. Всеки полимер има собствено поведение при стопяване, степен на свиване и стабилност на размерите след-екструдиране, като всички те се връщат обратно към DFM анализа за екструдираната пластмасова част. Твърдият PVC, например, изисква прецизен температурен контрол и напълно опростена матрица, тъй като е силно чувствителен към термично разграждане; лошо проектиран канал за поток може да доведе до стагнация на материала и черни петна по повърхността на профила. Theпълно ръководство за процеса на екструдиране на PVCсъщо така изисква специфични геометрии на винта-обикновено ниско-коефициент на-компресия, бариера-летящ винт-за избягване на прегряване на смолата.
За разлика от това, полиолефините като HDPE и PP са много по-прощаващи по отношение на прозореца за обработка, но те показват по-голямо набъбване на матрицата и по-голямо свиване при кристализация, така че еднаквостта на дебелината на стената и скоростта на охлаждане стават доминиращи проблеми при дизайна. Инженерни смоли като PC и PMMA осигуряват оптична чистота и якост на удар за осветителни дифузори и капаци на дисплеи, въпреки че по-високият им вискозитет на стопилка изисква по-здрави системи за задвижване на екструдера и закалена стомана. За приложения, изискващи както твърдост, така и меко уплътнение в един профил,ко-екструдирани PVC профилисъчетайте структурен субстрат (често твърд PVC или ABS) с еластомерна отливка (TPE или TPV), за да създадете екструдирана пластмасова част с двоен-дюрометър с едно преминаване.
Дизайн на матрици и инструменти
Екструзионната матрица преобразува 2-D профил, изтеглен във физически канал на потока, който трябва да доставя разтопен полимер с еднаква скорост през цялото напречно-сечение. Постигането на този баланс е основното предизвикателство на дизайна на матрицата за екструдиране на пластмаса. Два параметъра са най-важни: дължината на земята и дълбочината-на канала. Земята е последната успоредна секция на отвора на матрицата; той придава "памет" на стопилката, стабилизирайки формата на екструдата при излизането му. Общо начално правило е съотношение-дължина-към-дебелина на стената най-малко 10 : 1-което означава, че стена от 2 mm изисква приблизително 20 mm повърхност. По-късите дължини на повърхността правят процеса по-чувствителен към колебанията на температурата и скоростта, докато прекалено дългите дължини на повърхността могат да генерират неравномерно охлаждане и остатъчно напрежение.
Следва балансирането на потока. Когато профилът има както дебели, така и тънки участъци, по-дебелите участъци естествено ще се движат по-бързо през матрицата. Инженерите по инструментална екипировка компенсират чрез удължаване на терена в региони с бърз{2}}теч или чрез вмъкване на ограничители на потока нагоре по течението. За кръгли или пръстеновидни геометрии-като тези, открити в инструментите за екструдиране на пластмасови тръби-щифтовете на дорника се поставят вътре в матрицата, за да оформят кухия отвор, а паяжините или спираловидните разпределителни канали поддържат стопилката равномерно разпределена около щифта. Поддържането на пълна компресия в матрицата, адаптерите и преходните плочи е критично; всяка мъртва зона, където материалът може да стагнира, в крайна сметка ще се разгради и замърси екструдата, особено сериозен проблем при работа с твърд PVC или поликарбонат.
Както при проектирането на шприцовани части и алуминиеви екструдирани части, еднаквата дебелина на стената е много важна.
Ако дебелината на стената на пластмасовата екструдирана част е неравномерна, някои части са дебели, а някои части са тънки, което прави скоростта на потока на пластмасата, екструдирана в матрицата, неравномерна, което води до различни скорости на охлаждане и в крайна сметка до деформация на частта.
Ако трябва да се контролира деформацията, трябва да се добавят допълнителни процеси на охлаждане, за да се намали ефективността на производствената линия и да се увеличат производствените разходи.
Тъй като пластмасовата екструзия е непрекъснат процес, здравината на екструдираната част е ниска, когато е току-що екструдирана, и трябва да бъде поддържана от въздушно налягане и дорник, за да запази формата си и да избегне деформация, докато кухата част не може да осигури опора и сложната куха структура може да бъде реализирана само чрез отваряне на секцията.
Инструменти за тръби, тръби и гофрирани тръби
Инструмент за екструдиране на пластмасови тръбии тръбите представляват едно от-приложенията с най-голям обем на екструдирането и техните изисквания към инструментите се различават значително от плътните или отворените профили. Насоките за проектиране на инструменти за екструдиране на пластмасови тръби обикновено започват с пръстеновидната матрица и възела на дорника. Дорникът създава вътрешния отвор, докато концентричен външен пръстен определя външния диаметър; празнината между тях определя дебелината на стената. След като стопилката напусне матрицата, все още-меката тръба влиза във вакуумна оразмеряваща втулка, която поддържа външния диаметър според спецификацията, докато леко вътрешно въздушно налягане предпазва тръбата от срутване.
За гладки{0}}стенни тръби-медицински тръбопроводи, пневматични маркучи, кабелни тръбопроводи-концентричността на стените е основният показател за качество, така че дорникът трябва да бъде центриран в рамките на микрони и разпределението на стопилката трябва да бъде спираловидно или тип-закачалка, за да се избегнат заваръчни линии. Гофрираните пластмасови тръби добавят още едно ниво на сложност: набор от движещи се формовъчни блокове (или гофратор) след матрицата се отварят и затварят около екструдата последователно, образувайки редуващи се върхове и долини, които придават на тръбата нейната аксиална гъвкавост и устойчивост на смачкване. Насоките за проектиране на инструменти за екструдиране на вълнообразна форма трябва да отчитат стъпката на-блока на матрицата, времето на вакуума при всяко гофриране и способността на смолата да се разтяга в кухината на матрицата, без да изтънява прекомерно. И едно-стенният гофриран тръбопровод, и дву-стенната гофрирана дренажна тръба разчитат на тази концепция за инструменти, въпреки че конструкцията на стената-и изборът на смола (обикновено HDPE или PP) се различават между двете.
Екструдирането на пластмасови тръби с малък{0}}диаметър-да речем, под 10 mm OD-изисква по-строги толеранси на процепа на матрицата и по-отзивчиво охлаждане, тъй като всяко колебание на температурата или налягането представлява по-голям процент от напречното-сечение на стената. Когато определяте инструменти за тези приложения, струва си да се консултирате с наръчника с насоки за проектиране на доставчика на екструзии, за да потвърдите техните стандартни възможности за ексцентричност на стената, овалност и точност на-дължината на рязане, преди да се ангажирате с производството.
Острият ъгъл на екструзията ще се превърне в слабо място на екструзията поради концентрация на напрежение, което е предразположено към напукване или повреда и ще намали устойчивостта на удар на екструзията.
В екструдираните части острите ъгли трябва да се избягват, доколкото е възможно, и да се добавят заоблени ъгли в острите ъгли. Радиусът на филетата е равен на дебелината на стената на продукта, което помага на материала да тече по-гладко в процеса на екструдиране и намалява напрежението в ъглите на контура.
Острият ъгъл на екструзията ще се превърне в слабо място на екструзията поради концентрация на напрежение, което е предразположено към напукване или повреда и ще намали устойчивостта на удар на екструзията.
В екструдираните части острите ъгли трябва да се избягват, доколкото е възможно, и да се добавят заоблени ъгли в острите ъгли. Радиусът на филетата е равен на дебелината на стената на продукта, което помага на материала да тече по-гладко в процеса на екструдиране и намалява напрежението в ъглите на контура.
В пресечната точка на множество стени обикновено се генерират зони с дебела дебелина на стената, така че е лесно да се получи свиване и лош външен вид на външната повърхност на екструзията, което е много подобно на леенето под налягане.
Ако екструзията е част от външния вид, свиването може да бъде избегнато или прикрито чрез оптимизационния дизайн, показан на фигурата по-долу.
DFM стратегии за намаляване на разходите за екструдиране
Прилагането на принципите на DFM в началото на цикъла на проектиране е един от най-ефективните начини за намаляване на разходите за екструдиран пластмасов профил, без да се жертва производителността. Няколко практически стратегии обикновено се пренебрегват.
Първо, консолидирайте части. Ако даден монтаж в момента използва два или три отделни профила, закрепени заедно, преценете дали единична ко-екструдирана секция може да ги замени. По-малко части означават по-малко матрици, по-малко вторични операции и намален труд за сглобяване-пряка печалба от гледна точка на инженерството на DFM за пластмаси.
Второ, минимизирайте затворената площ на кухите профили. Всяка затворена кухина изисква дорник и усложнява балансирането на матрицата. Когато напълно затворен канал не е структурно необходим, помислете за преобразуването му в C-канал с щракаща-капачка; това опростява инструментите и съкращава времето за изпълнение на матрицата.
Трето, дизайн за стандартно оборудване надолу по веригата. Ако планираната дължина на рязане може да бъде постигната със стандартен летящ трион, а не с прецизен серво нож, цената на-единица спада. По същия начин, проектирането на функции за захващане и монтажни отвори, които могат да бъдат пробити на линия-вместо CNC-обработени офлайн-поддържа непрекъснатостта на процеса и ниското съдържание на труд.
И накрая, споделете чернови с вашия доставчик на екструзия, преди да замразите дизайна. Опитни инженери по инструментална екипировка често могат да предложат малки настройки на геометрията-добавяне на ъгъл на наклон тук, изместване на радиус там-които драстично подобряват балансирането на матрицата и-добива при първо преминаване. Този вид DFM преглед на ранен-етап за пластмасови части е това, което отличава профил, който работи гладко, от този, който изисква постоянна намеса на оператор.
Когато е възможно, трябва да се избягват строги допуски в посоката на дължината, доколкото е възможно. Термопластичните пластмаси се свиват и разширяват с температурата и нарязването на пластмасови екструзии до критични дължини може ненужно да увеличи разходите.
Като цяло толерансът е + / - 5 mm за 1000 mm дълги екструзии. Разбира се, точността на толеранса е свързана с дължината. Колкото по-къса е дължината, толкова по-висока точност може да се постигне.
Когато е възможно, трябва да се избягват строги допуски в посоката на дължината, доколкото е възможно. Термопластичните пластмаси се свиват и разширяват с температурата и нарязването на пластмасови екструзии до критични дължини може ненужно да увеличи разходите.
Като цяло толерансът е + / - 5 mm за 1000 mm дълги екструзии. Разбира се, точността на толеранса е свързана с дължината. Колкото по-къса е дължината, толкова по-висока точност може да се постигне.
Често срещани дефекти в екструдираните пластмасови части
Дори с добре{0}}разработена матрица и оптимизиран процес на формоване чрез екструдиране, дефектите могат да излязат на повърхността, ако параметрите на процеса се променят. Разбирането на основните причини спестява престой и брак.
Счупване на топенеизглежда като грапава текстура,-подобна на кожа на акула върху повърхността на профила. Причинява се от прекомерно напрежение на срязване в ръба на матрицата и е най-често срещано при смоли с висок-вискозитет като HDPE и линеен LLDPE. Намаляването на скоростта на линията, повишаването на температурата на матрицата или разширяването на междината на матрицата може да доведе до срязване под критичния праг. Линии на матрицата-тънки, непрекъснати ивици, вървящи в посоката на екструзия-обикновено се проследяват обратно към драскотини или натрупвания върху повърхността на матрицата; периодичното полиране на устните на матрицата е стандартната корекция.
Изкривяването след рязане често е резултат от асиметрично охлаждане. Ако едната страна на профила вижда повече въздушен поток или контакт с вода от другата, остатъчното напрежение се натрупва неравномерно и частта се извива, след като се отпусне. Първата стъпка е проверката на подравняването на дюзите за охлаждащ спрей и вакуумните отвори на калибратора. За сложни профили както с дебели, така и с тънки стени, добавянето на локализирани охлаждащи струи от по-дебелата страна може да изравни степента на свиване.
Празнините и мехурчетата вътре в секцията на стената обикновено сочат към влага в смолата или неадекватна вентилация в цевта на екструдера. Предварителното-изсушаване на хигроскопични материали (PA, PC, PETG) до тяхното препоръчително съдържание на влага-обикновено под 0,02 %-преди хранене е от съществено значение. Ако мехурчетата продължават, вентилационният отвор на цевта може да е запушен или скоростта на винта може да е твърде висока, за да може зоната за декомпресия на цевта да дегазира ефективно.
Операции след-екструзия и довършителни работи
Линията за екструдиране произвежда непрекъсната дължина с постоянно напречно-сечение, но повечето крайни-приложения за употреба изискват допълнителна обработка, преди профилът да е готов за сглобяване. Обичайните вторични операции включват прецизно рязане на дължина, CNC фрезоване на прорези и слотове, пробиване или пробиване на монтажни отвори и топъл печат или тампонен печат за брандиране. Някои пластмасови екструдирани части също се подлагат на огъване-или на студено огъване за леки извивки, или на топлинно огъване за тесни радиуси-, за да съответстват на геометрията на крайния продукт.
Възможностите за обработка на повърхността зависят от полимера. ABS и твърдият PVC понасят добре боята и лепилото, докато полиолефините обикновено се нуждаят от обработка с пламък или корона, за да подобрят повърхностната енергия преди печат или залепване. За приложения за осветление и дисплей,PC и PMMA капаци за дифузьор на светлинаможе да получи матова текстура чрез вградени ролки за щамповане, вместо пясъкоструене след -процеса, което поддържа операцията в линията за екструдиране и избягва повреди при работа. Планирането на тези стъпки надолу по веригата по време на първоначалния дизайн на профила-оставяне на свободни места за приспособления за затягане, добавяне на координатни точки за CNC операции-е ясна DFM практика, която предотвратява скъпоструваща преработка по-късно.
Процесът на екструдиране на пластмаса е пет{0}}етапна операция: (1) суровата смола се подава гравитационно-от бункер в цевта на екструдера; (2) въртящият се винт транспортира и разтопява материала през прогресивно по-горещи зони на цевта; (3) разтопеният полимер се филтрира и преминава през прецизна матрица, която определя формата на профила; (4) екструдатът се охлажда и стабилизира по размери във вакуумен резервоар за калибриране или на охлаждащи ролки; и (5) теглич изтегля втвърдения профил с контролирана скорост, преди да бъде отрязан до необходимата дължина. Променливи на процеса като температурен профил на цевта, обороти на шнека, налягане на стопилка и скорост на изтегляне трябва да бъдат координирани, за да се гарантира, че готовата екструзия отговаря на допустимите отклонения на размерите и стандартите за качество на повърхността. Този процес на екструдиране на полимер се прилага еднакво за прости кръгли тръби, сложни много-кухини на прозоречни рамки и тънки-капаци на дифузьори за стенно осветление.