Ang Kasaysayan ng Mga Plastic Extrusion Machine

Ang plastic extrusion ay isang mataas na volume na proseso ng pagmamanupaktura kung saan ang hilaw na plastic ay natutunaw at nabuo sa isang tuluy-tuloy na profile. Gumagawa ang Extrusion ng mga item gaya ng pipe/tubing, weatherstripping, fencing, deck railings, window frame, plastic films at sheeting, thermoplastic coatings, at wire insulation.
Ang prosesong ito ay nagsisimula sa pamamagitan ng pagpapakain ng mga plastik na materyal (mga pellet, butil, natuklap o pulbos) mula sa isang hopper papunta sa bariles ng extruder. Ang materyal ay unti-unting natutunaw ng mekanikal na enerhiya na nabuo sa pamamagitan ng pag-ikot ng mga turnilyo at ng mga heaters na nakaayos sa kahabaan ng bariles. Ang molten polymer ay pinipilit sa isang die, na humuhubog sa polimer sa isang hugis na tumitigas sa panahon ng paglamig.

KASAYSAYAN

Pipe extrusion
Ang mga unang precursor sa modernong extruder ay binuo noong unang bahagi ng ika-19 na siglo. Noong 1820, nag-imbento si Thomas Hancock ng isang "masticator" ng goma na idinisenyo upang mabawi ang naprosesong mga scrap ng goma, at noong 1836 si Edwin Chaffee ay gumawa ng isang two-roller machine upang paghaluin ang mga additives sa goma. Ang unang thermoplastic extrusion ay noong 1935 ni Paul Troester at ng kanyang asawang si Ashley Gershoff sa Hamburg, Germany. Di-nagtagal, binuo ni Roberto Colombo ng LMP ang unang twin screw extruder sa Italy.

PROSESO
Sa extrusion ng mga plastik, ang raw compound na materyal ay karaniwang nasa anyo ng mga nurdles (maliit na butil, madalas na tinatawag na resin) na gravity na pinapakain mula sa tuktok na naka-mount na hopper papunta sa barrel ng extruder. Ang mga additives tulad ng mga colorant at UV inhibitors (sa likido man o pellet form) ay kadalasang ginagamit at maaaring ihalo sa resin bago makarating sa hopper. Ang proseso ay magkapareho sa plastic injection molding mula sa punto ng teknolohiya ng extruder, bagama't ito ay naiiba dahil ito ay karaniwang isang tuluy-tuloy na proseso. Bagama't ang pultrusion ay maaaring mag-alok ng maraming katulad na profile sa tuloy-tuloy na mga haba, kadalasang may dagdag na reinforcing, ito ay nakakamit sa pamamagitan ng paghila ng tapos na produkto mula sa isang die sa halip na i-extruding ang polymer melt sa pamamagitan ng isang die.

Ang materyal ay pumapasok sa pamamagitan ng feed throat (isang bukas na malapit sa likuran ng bariles) at napupunta sa tornilyo. Ang umiikot na turnilyo (karaniwang umiikot sa hal. 120 rpm) ay pinipilit ang mga plastic na kuwintas na pasulong sa pinainit na bariles. Ang nais na temperatura ng extrusion ay bihirang katumbas ng itinakdang temperatura ng bariles dahil sa malapot na pag-init at iba pang mga epekto. Sa karamihan ng mga proseso, ang isang heating profile ay nakatakda para sa bariles kung saan ang tatlo o higit pang independiyenteng PID-controlled heater zone ay unti-unting nagpapataas ng temperatura ng bariles mula sa likuran (kung saan pumapasok ang plastic) hanggang sa harap. Ito ay nagpapahintulot sa mga plastic na kuwintas na unti-unting matunaw habang sila ay itinutulak sa bariles at binabawasan ang panganib ng sobrang init na maaaring magdulot ng pagkasira ng polimer.

Ang sobrang init ay naidudulot ng matinding pressure at friction na nagaganap sa loob ng bariles. Sa katunayan, kung ang isang extrusion line ay nagpapatakbo ng ilang mga materyales nang sapat na mabilis, ang mga heater ay maaaring patayin at ang temperatura ng pagkatunaw ay mapanatili sa pamamagitan ng presyon at friction lamang sa loob ng bariles. Sa karamihan ng mga extruder, naroroon ang mga cooling fan upang panatilihing mababa ang temperatura sa isang itinakdang halaga kung masyadong maraming init ang nabuo. Kung hindi sapat ang sapilitang paglamig ng hangin, gagamitin ang mga cast-in cooling jacket.

Ang plastic extruder ay pinutol sa kalahati upang ipakita ang mga bahagi
Sa harap ng bariles, ang tunaw na plastik ay umaalis sa tornilyo at naglalakbay sa isang screen pack upang alisin ang anumang mga kontaminant sa natunaw. Ang mga screen ay pinalalakas ng isang breaker plate (isang makapal na metal puck na may maraming butas na binutas dito) dahil ang presyon sa puntong ito ay maaaring lumampas sa 5,000 psi (34 MPa). Ang screen pack/breaker plate assembly ay nagsisilbi ring lumikha ng back pressure sa barrel. Kinakailangan ang back pressure para sa pare-parehong pagkatunaw at tamang paghahalo ng polymer, at kung gaano karaming pressure ang nabuo ay maaaring "i-tweake" sa pamamagitan ng iba't ibang komposisyon ng screen pack (ang bilang ng mga screen, ang kanilang wire weave size, at iba pang mga parameter). Tinatanggal din ng breaker plate na ito at kumbinasyon ng screen pack ang "rotational memory" ng molten plastic at sa halip ay lumilikha ng, "longitudinal memory".
Matapos dumaan sa breaker plate ang tinunaw na plastik ay pumapasok sa die. Ang die ang nagbibigay sa panghuling produkto ng profile nito at dapat na idinisenyo upang ang tunaw na plastik ay pantay na dumadaloy mula sa isang cylindrical na profile, hanggang sa hugis ng profile ng produkto. Ang hindi pantay na daloy sa yugtong ito ay maaaring makabuo ng isang produkto na may hindi gustong mga natitirang stress sa ilang partikular na mga punto sa profile na maaaring magdulot ng warping sa paglamig. Ang isang malawak na iba't ibang mga hugis ay maaaring malikha, limitado sa tuluy-tuloy na mga profile.

Ang produkto ay dapat na ngayong palamig at ito ay karaniwang nakakamit sa pamamagitan ng paghila ng extrudate sa pamamagitan ng isang paliguan ng tubig. Ang mga plastik ay napakahusay na thermal insulator at samakatuwid ay mahirap palamig nang mabilis. Kung ikukumpara sa bakal, ang plastic ay naglalabas ng init nito nang 2,000 beses na mas mabagal. Sa isang tubo o pipe extrusion line, ang isang selyadong paliguan ng tubig ay inaaksyunan ng isang maingat na kinokontrol na vacuum upang hindi bumagsak ang bagong nabuo at natunaw na tubo o tubo. Para sa mga produkto tulad ng plastic sheeting, nakakamit ang paglamig sa pamamagitan ng paghila sa isang hanay ng mga cooling roll. Para sa mga pelikula at napakanipis na sheeting, ang paglamig ng hangin ay maaaring maging epektibo bilang paunang yugto ng paglamig, tulad ng sa blown film extrusion.
Ang mga plastic extruder ay malawakan ding ginagamit upang iproseso muli ang mga recycled na basurang plastik o iba pang hilaw na materyales pagkatapos ng paglilinis, pagbubukod-bukod at/o paghahalo. Ang materyal na ito ay karaniwang na-extruded sa mga filament na angkop para sa pagpuputol sa butil o pellet stock upang magamit bilang isang pasimula para sa karagdagang pagproseso.

DISENYO NG SCREW
Mayroong limang posibleng mga zone sa isang thermoplastic screw. Dahil hindi naka-standardize ang terminolohiya sa industriya, maaaring sumangguni ang iba't ibang pangalan sa mga zone na ito. Ang iba't ibang uri ng polymer ay magkakaroon ng magkakaibang mga disenyo ng turnilyo, ang ilan ay hindi isinasama ang lahat ng posibleng mga zone.

Isang simpleng plastic extrusion screw

Extruder screws Mula sa Boston Matthews
Karamihan sa mga turnilyo ay may tatlong zone na ito:
● Feed zone (tinatawag ding solids conveying zone): pinapakain ng zone na ito ang resin sa extruder, at ang lalim ng channel ay karaniwang pareho sa buong zone.
● Melting zone (tinatawag ding transition o compression zone): karamihan sa polymer ay natutunaw sa seksyong ito, at ang lalim ng channel ay unti-unting lumiliit.
● Metering zone (tinatawag ding melt conveying zone): tinutunaw ng zone na ito ang mga huling particle at hinahalo sa pare-parehong temperatura at komposisyon. Tulad ng feed zone, pare-pareho ang lalim ng channel sa buong zone na ito.
Bilang karagdagan, ang isang vented (dalawang yugto) na tornilyo ay may:
● Decompression zone. Sa zone na ito, humigit-kumulang dalawang-katlo pababa sa turnilyo, ang channel ay biglang lumalalim, na nagpapagaan sa presyon at nagbibigay-daan sa anumang mga nakulong na gas (moisture, hangin, solvents, o reactants) na mailabas sa pamamagitan ng vacuum.
● Pangalawang metering zone. Ang zone na ito ay katulad ng unang metering zone, ngunit may mas malaking lalim ng channel. Ito ay nagsisilbing repressurize ang matunaw upang makuha ito sa pamamagitan ng paglaban ng mga screen at ang mamatay.
Kadalasan ang haba ng tornilyo ay tinutukoy sa diameter nito bilang L:D ratio. Halimbawa, ang 6-inch (150 mm) diameter screw sa 24:1 ay magiging 144 inches (12 ft) ang haba, at sa 32:1 ito ay 192 inches (16 ft) ang haba. Ang L:D ratio na 25:1 ay karaniwan, ngunit ang ilang mga makina ay umabot sa 40:1 para sa higit pang paghahalo at higit pang output sa parehong diameter ng turnilyo. Karaniwang 36:1 ang two-stage (vented) screws para sa dalawang dagdag na zone.
Ang bawat zone ay nilagyan ng isa o higit pang mga thermocouple o RTD sa barrel wall para sa pagkontrol sa temperatura. Ang "profile ng temperatura" ibig sabihin, ang temperatura ng bawat zone ay napakahalaga sa kalidad at mga katangian ng panghuling extrudate.

MGA KARANIWANG EXTRUSION NA MATERYAL

HDPE pipe sa panahon ng pagpilit. Ang materyal na HDPE ay nagmumula sa heater, papunta sa die, pagkatapos ay sa cooling tank. Ang Acu-Power conduit pipe na ito ay co-extruded - itim sa loob na may manipis na orange jacket, upang italaga ang mga power cable.
Kasama sa karaniwang mga plastik na materyales na ginagamit sa pag-extrusion, ngunit hindi limitado sa: polyethylene (PE), polypropylene, acetal, acrylic, nylon (polyamides), polystyrene, polyvinyl chloride (PVC), acrylonitrile butadiene styrene (ABS) at polycarbonate.[4 ]

MGA URI NG MAMATAY
Mayroong iba't ibang mga dies na ginagamit sa mga plastic extrusion. Bagama't maaaring magkaroon ng makabuluhang pagkakaiba sa pagitan ng mga uri ng die at pagiging kumplikado, lahat ng dies ay nagbibigay-daan para sa tuluy-tuloy na pag-extrusion ng polymer melt, kumpara sa hindi tuloy-tuloy na pagproseso tulad ng injection molding.
Blown film extrusion

Blow extrusion ng plastic film

Ang paggawa ng plastic film para sa mga produkto tulad ng mga shopping bag at tuluy-tuloy na sheeting ay nakakamit gamit ang blown film line.
Ang prosesong ito ay kapareho ng isang regular na proseso ng extrusion hanggang sa mamatay. May tatlong pangunahing uri ng dies na ginagamit sa prosesong ito: annular (o crosshead), spider, at spiral. Annular dies ay ang pinakasimpleng, at umaasa sa polymer melt channeling sa paligid ng buong cross section ng die bago lumabas sa die; ito ay maaaring magresulta sa hindi pantay na daloy. Ang mga spider dies ay binubuo ng isang gitnang mandrel na nakakabit sa panlabas na die ring sa pamamagitan ng isang bilang ng mga "binti"; habang ang daloy ay mas simetriko kaysa sa annular dies, ang isang bilang ng mga weld lines ay ginawa na nagpapahina sa pelikula. Ang mga spiral dies ay nag-aalis ng isyu ng weld lines at asymmetrical flow, ngunit ito ang pinakamasalimuot.

Ang natunaw ay medyo pinalamig bago umalis sa mamatay upang magbunga ng mahinang semi-solid na tubo. Ang diameter ng tubo na ito ay mabilis na pinalawak sa pamamagitan ng presyon ng hangin, at ang tubo ay iginuhit pataas gamit ang mga roller, na iniuunat ang plastik sa parehong nakahalang at gumuhit ng mga direksyon. Ang pagguhit at pag-ihip ay nagiging sanhi ng film na maging mas manipis kaysa sa extruded tube, at mas gusto ring ihanay ang mga polymer molecular chain sa direksyon na nakikita ang pinaka-plastic na strain. Kung ang pelikula ay iginuhit nang higit pa kaysa ito ay hinipan (ang panghuling diameter ng tubo ay malapit sa extruded na diameter) ang mga molekula ng polimer ay lubos na nakahanay sa direksyon ng pagguhit, na gumagawa ng isang pelikula na malakas sa direksyong iyon, ngunit mahina sa nakahalang direksyon. . Ang isang pelikula na may makabuluhang mas malaking diameter kaysa sa extruded diameter ay magkakaroon ng higit na lakas sa nakahalang direksyon, ngunit mas mababa sa direksyon ng pagguhit.
Sa kaso ng polyethylene at iba pang semi-crystalline polymers, habang lumalamig ang pelikula ay nag-crystallize ito sa tinatawag na frost line. Habang ang pelikula ay patuloy na lumalamig, ito ay iginuhit sa pamamagitan ng ilang hanay ng mga nip roller upang patagin ito sa lay-flat tubing, na pagkatapos ay maaaring i-spool o gupitin sa dalawa o higit pang mga rolyo ng sheeting.

Sheet/film extrusion
Ginagamit ang extrusion ng sheet/film upang i-extrude ang mga plastic sheet o pelikula na masyadong makapal para mahipan. Mayroong dalawang uri ng dies na ginagamit: T-shaped at coat hanger. Ang layunin ng mga dies na ito ay i-reorient at gabayan ang daloy ng polymer melt mula sa isang bilog na output mula sa extruder patungo sa isang manipis, patag na daloy ng planar. Sa parehong mga uri ng die, tiyakin ang pare-pareho, pare-parehong daloy sa buong cross sectional area ng die. Ang pagpapalamig ay karaniwang sa pamamagitan ng paghila sa isang hanay ng mga cooling roll (calender o "chill" roll). Sa sheet extrusion, ang mga roll na ito ay hindi lamang naghahatid ng kinakailangang paglamig ngunit tinutukoy din ang kapal ng sheet at texture ng ibabaw.[7] Kadalasan ang co-extrusion ay ginagamit upang maglapat ng isa o higit pang mga layer sa ibabaw ng isang base na materyal upang makakuha ng mga partikular na katangian tulad ng UV-absorption, texture, oxygen permeation resistance, o energy reflection.
Ang isang karaniwang proseso ng post-extrusion para sa plastic sheet stock ay thermoforming, kung saan ang sheet ay pinainit hanggang malambot (plastic), at nabuo sa pamamagitan ng isang molde sa isang bagong hugis. Kapag ginagamit ang vacuum, madalas itong inilalarawan bilang vacuum forming. Ang oryentasyon (ibig sabihin, ang kakayahan/ available na density ng sheet na iguguhit sa molde na maaaring mag-iba sa lalim mula 1 hanggang 36 na pulgada ay karaniwang) ay napakahalaga at lubos na nakakaapekto sa pagbuo ng mga oras ng pag-ikot para sa karamihan ng mga plastik.

Tubing extrusion
Ang extruded tubing, tulad ng PVC pipe, ay ginawa gamit ang halos kaparehong dies gaya ng ginamit sa blown film extrusion. Maaaring ilapat ang positibong presyon sa mga panloob na cavity sa pamamagitan ng pin, o maaaring ilapat ang negatibong presyon sa diameter sa labas gamit ang isang vacuum sizer upang matiyak ang tamang mga huling sukat. Ang mga karagdagang lumen o butas ay maaaring ipasok sa pamamagitan ng pagdaragdag ng naaangkop na mga panloob na mandrel sa die.

Isang Boston Matthews Medical Extrusion Line
Ang mga multi-layer na tubing application ay naroroon din sa loob ng industriya ng automotive, industriya ng pagtutubero at pag-init at industriya ng packaging.

Over jacketing extrusion
Ang over jacketing extrusion ay nagbibigay-daan para sa paglalagay ng isang panlabas na layer ng plastic sa isang umiiral na wire o cable. Ito ang karaniwang proseso para sa mga insulating wire.
Mayroong dalawang magkaibang uri ng die tooling na ginagamit para sa coating sa ibabaw ng wire, tubing (o jacketing) at pressure. Sa jacketing tooling, ang polymer na natutunaw ay hindi hawakan ang panloob na kawad hanggang kaagad bago ang mga labi. Sa pressure tooling, ang natutunaw ay nakikipag-ugnayan sa panloob na kawad bago ito umabot sa mga labi; ito ay ginagawa sa isang mataas na presyon upang matiyak ang mahusay na pagdirikit ng matunaw. Kung kailangan ng intimate contact o adhesion sa pagitan ng bagong layer at kasalukuyang wire, ginagamit ang pressure tooling. Kung ang pagdirikit ay hindi ninanais/kinakailangan, jacketing tooling ang ginagamit sa halip.

Coextrusion
Ang coextrusion ay ang extrusion ng maraming layer ng materyal nang sabay-sabay. Ang ganitong uri ng extrusion ay gumagamit ng dalawa o higit pang extruder upang matunaw at maghatid ng tuluy-tuloy na volumetric throughput ng iba't ibang malapot na plastik sa iisang extrusion head (die) na maglalabas ng mga materyales sa nais na anyo. Ginagamit ang teknolohiyang ito sa alinman sa mga prosesong inilarawan sa itaas (blown film, overjacketing, tubing, sheet). Ang mga kapal ng layer ay kinokontrol ng mga kamag-anak na bilis at laki ng mga indibidwal na extruder na naghahatid ng mga materyales.

5 :5 Layer co-extrusion ng cosmetic "squeeze" tube
Sa maraming real-world na sitwasyon, hindi matutugunan ng isang polymer ang lahat ng hinihingi ng isang application. Ang compound extrusion ay nagbibigay-daan sa isang pinaghalong materyal na ma-extruded, ngunit pinapanatili ng coextrusion ang mga hiwalay na materyales bilang iba't ibang mga layer sa extruded na produkto, na nagbibigay-daan sa naaangkop na paglalagay ng mga materyales na may magkakaibang katangian tulad ng oxygen permeability, lakas, higpit, at wear resistance.
Extrusion coating
Gumagamit ang extrusion coating ng blown o cast film na proseso upang maglagay ng karagdagang layer sa isang umiiral nang rollstock ng papel, foil o pelikula. Halimbawa, ang prosesong ito ay maaaring gamitin upang mapabuti ang mga katangian ng papel sa pamamagitan ng paglalagay nito ng polyethylene upang gawin itong mas lumalaban sa tubig. Ang extruded layer ay maaari ding gamitin bilang pandikit upang pagsamahin ang dalawa pang materyales. Ang Tetrapak ay isang komersyal na halimbawa ng prosesong ito.

MGA COMPOUND EXTRUSIONS
Ang compounding extrusion ay isang proseso na naghahalo ng isa o higit pang polymer na may mga additives upang magbigay ng mga plastic compound. Ang mga feed ay maaaring mga pellet, pulbos at/o mga likido, ngunit ang produkto ay kadalasang nasa anyong pellet, na gagamitin sa iba pang mga prosesong bumubuo ng plastik tulad ng pag-extrusion at paghuhulma ng iniksyon. Tulad ng tradisyonal na pagpilit, mayroong malawak na hanay sa mga laki ng makina depende sa aplikasyon at nais na throughput. Bagama't maaaring gamitin ang alinman sa single- o double-screw extruder sa tradisyonal na extruder, ang pangangailangan ng sapat na paghahalo sa compounding extruder ay ginagawang mandatory ang twin-screw extruder.

MGA URI NG EXRUDER
Mayroong dalawang sub-uri ng twin screw extruder: co-rotating at counter-rotating. Ang nomenclature na ito ay tumutukoy sa relatibong direksyon na umiikot ang bawat turnilyo kumpara sa isa pa. Sa co-rotation mode, ang parehong mga turnilyo ay umiikot alinman sa clockwise o counter clockwise; sa counter-rotation, ang isang turnilyo ay umiikot sa clockwise habang ang isa naman ay umiikot sa counter clockwise. Ipinakita na, para sa isang naibigay na cross sectional area at antas ng overlap (intermeshing), ang axial velocity at antas ng paghahalo ay mas mataas sa co-rotating twin extruders. Gayunpaman, mas mataas ang pressure buildup sa mga counter-rotating extruder. Ang disenyo ng tornilyo ay karaniwang modular dahil ang iba't ibang mga conveying at mixing elements ay nakaayos sa mga shaft upang payagan ang mabilis na reconfiguration para sa isang proseso ng pagbabago o pagpapalit ng mga indibidwal na bahagi dahil sa pagkasira o kinakaing unti-unti. Ang mga laki ng makina ay mula sa kasing liit ng 12 mm hanggang sa kasing laki ng 380mm

MGA BENTE
Ang isang mahusay na bentahe ng pagpilit ay ang mga profile tulad ng mga tubo ay maaaring gawin sa anumang haba. Kung ang materyal ay sapat na nababaluktot, ang mga tubo ay maaaring gawin sa mahabang haba kahit na nakapulupot sa isang reel. Ang isa pang bentahe ay ang pagpilit ng mga tubo na may pinagsamang coupler kasama ang rubber seal.