Щоб досягти справді ефективної екструзії, необхідно запровадити багато процесів.
Щоб отримати високу якість, постійне виробництво, вам потрібні чудові люди, які б керували лінією та керували операціями, обладнання має бути в хорошому стані, має діяти комплексна програма профілактичного обслуговування, а обладнання має бути сконструйовано таким чином, щоб забезпечити ефективну роботу.
Ефективна екструзія вимагає гарної виробничої дисципліни, людської уваги до деталей і постійних зусиль для вдосконалення процесу. Успішна екструзія – це не правильні дві чи три речі --, це правильні сотні речей.
Зробіть три "М"
Для ефективної екструзії потрібне належне обладнання. Тут найбільш критичними змінними процесу є «три М»: тиск розплаву, температура розплаву та навантаження двигуна (тиск розплаву, температура розплаву, навантаження двигуна). Вони є життєво важливими ознаками процесу екструзії. Їх необхідно постійно вимірювати та контролювати. Необхідно також вимірювати та контролювати такі параметри:
●Температура стовбура,
● швидкість шнека,
● споживання електроенергії на зону нагріву або охолодження,
● температура навколишнього середовища,
● відносна вологість,
● Температура, при якій сировина надходить до екструдера,
● вміст вологи в сировині, що надходить в екструдер (якщо необхідне поглинання вологи),
● потік охолоджуючої води,
● температура води на вході,
● температура води на виході,
● Вакуум у випускному отворі (якщо є).
Отримати дані
Можливості збору даних (DA) є критично важливими для розробки надійного процесу екструзії, підтримки послідовності процесу, оптимізації процесу та ефективного усунення несправностей. На щастя, завдяки сучасним недорогим комп’ютерам і широкодоступному програмному забезпеченню DA можна встановити потужну систему DA на існуючу екструзійну лінію. На жаль (і дивно), дуже мало процесорів ефективно використовують цю функцію.
Автор працював із процесором, щоб встановити комп’ютерну систему DA на відносно старій екструзійній лінії. Система DA коштує менше 20 доларів США, 000. Приблизно за три місяці рівень брухту лінії впав приблизно з 15 відсотків до 5 відсотків. У результаті система DA окупила себе за лічені місяці і тепер допомагає переробнику працювати стабільно зі значно нижчими показниками браку на кожній лінії.
Показники браку зменшуються, оскільки процеси можна оптимізувати як ніколи раніше за допомогою системи DA. Крім того, проблеми, які можуть призвести до невідповідності продукції, можуть бути виявлені та виправлені безпосередньо перед їх фактичним виробництвом. Це не аерокосмічна техніка! Це просто та ефективно з використанням готових інструментів. Навіть старе екструзійне обладнання може виробляти якісну продукцію, якщо воно добре обслуговується та має хороші інструменти та функціональність DA.
Вибір кормів
Консистенція подачі та потік подачі до екструдера мають вирішальне значення для досягнення стабільності процесу. Зміни в подачі (наприклад, різний ступінь повторного подрібнення) завжди призводять до змін у процесі екструзії. Навіть такі, здавалося б, незначні проблеми, як розподіл частинок за розміром, можуть вплинути на процес. Загалом, більш вузький розподіл частинок за розміром підвищує стабільність процесу екструзії.
Малюнок 1. Переливна подача повністю заповнює шнековий канал і використовує всю довжину шнека. Це не вимагає додаткового живильного обладнання, але зменшує контроль процесу.
Існує два основних способи годівлі: затоплення та голодування. При переливній подачі бункер подачі заповнюється до певного рівня, і матеріал масовим потоком (більшу частину часу) надходить до екструдера, який всмоктує якомога більше матеріалу. Гвинтові канали заповнюються майже відразу (див. Малюнок 1). Результатом є те, що в переливній подачі ефективна довжина шнека більш-менш така ж, як довжина польоту шнека.
Малюнок 2 Для голодування потрібен живильник, але він забезпечує кращий контроль процесу та знижує температуру розплаву.
При голодуванні полімер дозується в екструдер через живильний пристрій (рис. 2). У бункері немає відкладень; натомість матеріал потрапляє безпосередньо в шнековий канал, який лише частково заповнений у отворі подачі. Коли матеріал транспортується вперед, шнековий канал буде повністю заповнений на певній відстані за потоком від подачі.
При голодному годуванні ефективна довжина шнека менша за довжину польоту шнека. Важливою перевагою є те, що ефективну довжину шнека можна регулювати під час роботи екструдера. Це дозволяє ширше керувати процесом, ніж потокове живлення, де ефективна довжина не регулюється. Подача голоду корисна лише в тому випадку, якщо екструдер достатньо довгий для досягнення повного розплавлення та ефективного змішування. Таким чином, голодування, як правило, не покращить процес на коротких (довжиною 25D) екструдерах. Для голодування потрібен живильник, але він зменшує навантаження на двигун, температуру розплаву та ймовірність утворення грудок, утворення мостів і розшарування в бункері.
Малюнок 3 Цей приклад операції екструзії труби показує, що деякий ступінь голодування призводить до більш рівномірної товщини стінки. Заливне живлення при 100-відсотковому заповненні; все менше - це голодне годування.
Голодне годування дозволяє оптимізувати процес, якого неможливо досягти за допомогою переливного годування. На рисунку 3 показаний приклад операції екструзії труби, де зміна товщини стінки вимірювалася на кількох рівнях заповнення. Стовідсоткове заповнення вказує на живлення повені; менше цього вказує на голодне годування. Відсоток заповнення — це фактична швидкість подачі відносно швидкості подачі переповнення.
Зрозуміло, що оптимальні умови процесу для мінімізації коливань товщини стінки – приблизно 98 відсотків заповнення. Зміна товщини стінок при оптимальному голодуванні була приблизно вдвічі меншою, ніж при переливному годуванні. Це означає, що за оптимальних умов можна використовувати менше матеріалу, оскільки товщина стінки труби може бути ближчою до мінімальної. У цьому випадку лише економія матеріалів становить приблизно 100 доларів США000/рік.
Середовище на заводі також відіграє важливу роль у процесі екструзії. Зміни кімнатної температури та відносної вологості можуть вплинути на процес, як і потік повітря: відкриття дверей або вікна може змінити умови теплообміну навколо екструдера та спричинити зміщення процесу, а ввімкнення чи вимкнення вентилятора біля екструдера може спричинити подібні зміни процесу . Оскільки події такого характеру зазвичай не відображаються на інформаційних панелях, може бути непросто знайти джерело цієї зміни процесу.
Налаштування швидкості шнека та стовбура
Екструдер працює найбільш ефективно, коли шнек забезпечує приблизно від 80 до 90 відсотків енергії, необхідної для нагрівання та плавлення пластику. У цьому випадку бочковий нагрівач дає від 10 до 20 відсотків додаткового тепла. Іноді шнек забезпечує понад 100 відсотків енергії, необхідної для нагрівання та плавлення пластику. Ми могли б назвати це «надмірно активним» гвинтом. Тут необхідне охолодження бочки для контролю температури.
Рисунок 4 Кожна смола має певне споживання енергії на нагрівання та плавлення (SEC). В ідеалі гвинт забезпечує від 80 до 90 відсотків енергії. Якщо він забезпечує більше, ніж SEC, його потрібно охолодити, щоб видалити надлишок тепла, що неефективно та може погіршити пластик. Точка самовидавлювання – це місце, де шнек забезпечує точний 100-відсотковий SEC для пластику. Усе, що вище цього, вказує на «надмірну активність» гвинта.
Охолодження бочки витрачає енергію, і енергія, очевидно, не безкоштовна. На малюнку 4 показано, як змінюється питоме споживання енергії (SEC) у кВт-год/кг залежно від швидкості шнека. Кожен пластик має певні вимоги до енергії нагріву та плавлення. Для напівкристалічних пластмас це значення становить приблизно 0,15 кВт·год/кг, а для аморфних полімерів — приблизно 0,10 кВт·год/кг.
Криві на малюнку 4 представляють комбінацію тепла тертя та в’язкого тепла, що виділяється гвинтом. Це часто називають теплом зсуву, хоча цей термін не є абсолютно правильним. При низькій швидкості шнека тепло, що виділяється шнеком, є дуже низьким, а ефект нагрівання стовбура великий. При вищих швидкостях шнека більша частина тепла (від 80 до 90 відсотків) виділяється шнеком – це оптимальний робочий діапазон.
При подальшому збільшенні швидкості гвинта вона перетинає горизонтальну лінію, що вказує на вимоги SEC для пластику. Ця точка перетину називається точкою автогенної екструзії. У цей час все тепло виділяється шнеком, і бочковий нагрівач не потребує подачі тепла. За межами цієї аутогенної точки гвинт генерує більше тепла, ніж необхідно, - він стає надмірно активним. Коли швидкість гвинта збільшується за межі точки перетину, стовбур потрібно охолодити, щоб видалити надлишок тепла, що виділяється гвинтом.
Коли стовбур охолоджується, температура розплаву в екструдері буде вищою за задану температуру стовбура, оскільки тепло тече зсередини стовбура назовні. Коли виконується невелике охолодження, температура розплаву може бути на 10–50 градусів F вищою за встановлену температуру. При помірному охолодженні температура розплаву може бути на 50–100 градусів F вище заданої температури. Коли охолодження відбувається на повній швидкості, фактична температура розплаву може бути на 100–150 градусів F вищою за встановлену температуру або навіть вище. Оскільки температуру розплаву в цей момент зазвичай неможливо виміряти, більшість переробників не знають, що ця умова може бути шкідливою.
Важливо розуміти, що необхідність охолодження означає перегрів пластику. Це збільшує ризик руйнування пластику та появи чорних плям, гелів та зміни кольору. Це також знижує міцність розплаву на виході з матриці та ускладнює охолодження екструдату. Робота екструдера з охолодженням бочки схожа на керування автомобілем із увімкненими гальмами – це витрачає енергію та спричиняє надмірний знос.
Ефективна екструзія вимагає ретельної оптимізації температури бочки. Багато компаній не приділяють достатньої уваги профілю температури стовбура. Є кілька способів встановити температуру бочки. Одним з ефективних методів є динамічна оптимізація. Цей метод передбачає внесення великих змін до заданої точки та відстеження того, як фактична температура та тиск змінюються з часом. На малюнку 5 показано, як тиск змінюється залежно від температури, коли задане значення знижується з 390 градусів F до 300 градусів F.
У випадку, показаному вище, оптимальна задана температура для зони стовбура 1 становить приблизно 330 градусів за Фаренгейтом. Цей метод пошуку оптимальної заданої точки є швидшим, ніж внесення змін до заданої точки в реальному часі та очікування, поки екструдер відреагує на змінити. Для великих екструдерів може знадобитися 30 хвилин або більше, щоб машина відреагувала на зміну заданого значення. Якщо ви внесете шість змін, екструдеру легко знадобиться три години або більше, щоб відреагувати на ці зміни.
