Uvod v proces
Ekstruzijsko oblikovanjeje neprekinjen proizvodni proces, pri katerem se termoplastični material z vrtljivim vijakom stopi v ogrevanem sodu in nato potisne skozi oblikovano matrico, da se proizvede profil s konstantnim-presekom. Za razliko od brizganja, ki napolni zaprto votlino kalupa za ustvarjanje diskretnih delov, ekstruzijsko oblikovanje zagotavlja neprekinjeno dolžino izdelkov-cevi, cevi, kanalov, trakov, plošč-, ki se dimenzionirajo, ohladijo in razrežejo po toku. Postopek je cenjen zaradi visoke zmogljivosti, nizkih-stroškov na meter in zmožnosti obdelave širokega nabora polimerov, od običajnega PVC-ja do polikarbonata-tehnične kakovosti.
Ekstrudiranje je procesna metoda z veliko spremembami, visoko produktivnostjo, močno prilagodljivostjo, široko uporabo in največjim deležem na področju predelave plastičnih materialov.
Ekstruzijsko oblikovanje je neprekinjeno oblikovanje polimerne taline ali viskozne tekočine skozi matrico določene oblike pod ekstrudijskim delovanjem vijaka ali bata ekstruderja. Nastali deli so neprekinjeni profili s konstantno obliko preseka.
Postopek ekstrudiranja polimera je mogoče razdeliti na zaporedje strogo nadzorovanih stopenj, od katerih vsaka vpliva na kakovost končnega dela. Surovi{1}}peleti, granule ali prah-se naložijo v gravitacijski-dovodni lijak, nameščen nad sodom ekstruderja. Od tam vstopi material v dovodno grlo in se z vrtljivim polžem prenaša naprej. Ko smola potuje vzdolž cevi, zunanji grelniki trakov in notranje strižno trenje postopno dvigujejo temperaturo, dokler material ne doseže popolnoma staljenega stanja. Zasnova polža-njegova globina leta, kompresijsko razmerje in razmerje L/D-neposredno vpliva na to, kako enakomerno je talina plastificirana, zato se zasnova plastičnega ekstruderja pogosto šteje za izhodišče vsakega pregleda DFM za projekte ekstrudiranja.
Ko talina zapusti sod, se potisne skozi lomilno ploščo, opremljeno s paketi sita, ki filtrirajo onesnaževalce in ustvarijo povratni-tlak za boljše mešanje. Filtrirana talina nato vstopi vnačela zasnove ekstruzijske matrice, kjer ga geometrija pretočnega kanala oblikuje v ciljni prerez-. Ko zapusti matrico, gre še vedno{2}}mehak ekstrudat skozi postajo za kalibriranje in hlajenje-običajno vakuumsko kalibrirno posodo za votle profile ali ohlajene valje za ploščate pločevine-preden ga spodnji vlečni stroj vleče z nadzorovano hitrostjo. Končno leteča-žaga ali rotacijski rezkar razreže neprekinjen profil na dolžino in tako zaključi korake postopka iztiskanja od surovine do končnega dela.
Ekstruder za plastiko je glavni stroj v kateri koli liniji za iztiskanje. Sestavljen je iz lijaka za dovajanje materiala, ogrevanega soda in enega ali več vijakov, ki prenašajo, stiskajo in plastificirajo smolo. Eno-polžni ekstruderji so najpogostejša konfiguracija za proizvodnjo profilov in cevi; ponujajo preprosto delovanje, nizko vzdrževanje in dosleden izhod za večino termoplastov. Ekstruderji z dvojnim-polžem zagotavljajo vrhunsko mešanje in so prednostni za mešanje, disperzijo barvne masterbatch in obdelavo toplotno-občutljivih materialov, kot je trdi PVC. Premer vijaka-ki sega od 20 mm na laboratorijskih-enotah do več kot 200 mm na velikih cevovodih-določa največji pretok. Pri ocenjevanju ekstruderja plastike za nov projekt ključne specifikacije za primerjavo vključujejo razmerje L/D vijaka, navor motorja, število sodnih con in največji delovni tlak.
Vseh termoplastov ni mogoče predelati z ekstrudiranjem.
Skupni osnovni materiali vključujejo trde materiale in elastične materiale.
Trdi materiali: PVC, PC, PETG, ABS, PP, boki, PMMA, LDPE, HDPE, POM, ASA, PA, as, EVA, PC + ABS, itd
Elastični materiali: PVC, TPU, TPE, Poe, TPR, TPV, TPEE itd.
Izbira prave smole presega ujemanje okrajšave materiala s kategorijo izdelka. Vsak polimer ima lastno obnašanje pri taljenju, stopnjo krčenja in dimenzijsko stabilnost po-iztiskanju, kar se vse vrača v analizo DFM za ekstrudirani plastični del. Togi PVC, na primer, zahteva natančen nadzor temperature in popolnoma racionalizirano matrico, ker je zelo občutljiv na toplotno degradacijo; slabo zasnovan pretočni kanal lahko povzroči stagnacijo materiala in črne lise na površini profila. Theceloten vodnik za postopek iztiskanja PVC-japrav tako zahteva posebne geometrije vijakov-običajno nizko-kompresijsko-razmerje, pregradni-letalni vijak-da se prepreči pregrevanje smole.
V nasprotju s tem so poliolefini, kot sta HDPE in PP, veliko bolj prizanesljivi v smislu predelovalnega okna, vendar kažejo večje nabrekanje matrice in večje kristalizacijsko krčenje, zato postaneta enakomernost-debeline stene in hitrost ohlajanja prevladujoča pomisleka pri načrtovanju. Tehnične smole, kot sta PC in PMMA, zagotavljajo optično čistost in udarno trdnost za difuzorje razsvetljave in pokrove zaslonov, čeprav njihova višja viskoznost taline zahteva močnejše pogonske sisteme ekstruderja in utrjeno jeklo za matrice. Za aplikacije, ki zahtevajo togost in mehko tesnilo v enem samem profilu,ko-ekstrudirani PVC profilizdružite strukturni substrat (pogosto tog PVC ali ABS) z elastomernim prevleko (TPE ali TPV), da v enem prehodu ustvarite ekstrudiran plastični del z dvojno-trdometrom.
Oblikovanje matrice in orodja
Ekstruzijska matrica prevede risbo 2-D profila v fizični pretočni kanal, ki mora dovajati staljeni polimer z enakomerno hitrostjo po celotnem-prerezu. Doseganje tega ravnovesja je osrednji izziv zasnove plastične matrice za iztiskanje. Najpomembnejša sta dva parametra: dolžina kopnega in globina toka-. Zemljišče je zadnji vzporedni odsek odprtine matrice; talini daje "spomin" in stabilizira obliko ekstrudata, ko izstopi. Splošno izhodiščno pravilo je razmerje-dolžine-in-debeline stene vsaj 10 : 1 – kar pomeni, da 2 mm stene zahteva približno 20 mm površine. Pri krajših dolžinah je proces bolj občutljiv na nihanja temperature in hitrosti, medtem ko lahko pretirano dolge dolžine povzročijo neenakomerno hlajenje in preostalo napetost.
Sledi uravnoteženje pretoka. Če ima profil tako debele kot tanke dele, se bodo debelejša področja seveda hitreje premikala skozi matrico. Inženirji orodij kompenzirajo s podaljšanjem zemljišča v območjih hitrega-toka ali z vstavitvijo omejevalnikov toka gorvodno. Pri okroglih ali obročastih geometrijah-, kot so tiste, ki jih najdemo v orodjih za iztiskanje plastičnih cevi-, so zatiči za trn nameščeni znotraj matrice, da tvorijo votlo izvrtino, pajčaste noge ali spiralni razdelilni kanali pa ohranjajo talino enakomerno porazdeljeno okoli zatiča. Ohranjanje popolne kompresije skozi matrico, adapterje in prehodne plošče je ključnega pomena; vsako mrtvo območje, kjer lahko material stagnira, bo sčasoma razgradilo in onesnažilo ekstrudat, kar je še posebej resna težava pri uporabi trdega PVC-ja ali polikarbonata.
Enakomerna debelina stene je zelo pomembna, tako kot pri zasnovi brizganih delov in delov iz ekstrudiranega aluminija.
Če je debelina stene plastičnega ekstrudiranega dela neenakomerna, so nekateri deli debeli, nekateri pa tanki, zaradi česar je hitrost pretoka plastike, ekstrudirane v matrici, neenakomerna, kar povzroči različne stopnje ohlajanja in na koncu deformacijo dela.
Če je treba deformacijo nadzorovati, je treba dodati dodatne postopke hlajenja, da se zmanjša učinkovitost proizvodne linije in povečajo proizvodni stroški.
Ker je plastična ekstruzija neprekinjen proces, je trdnost ekstrudiranega dela nizka, ko je pravkar ekstrudiran, zato ga je treba podpreti z zračnim tlakom in trnom, da ohrani svojo obliko in se izogne deformaciji, medtem ko votli del ne more zagotoviti podpore, kompleksno votlo strukturo pa je mogoče realizirati le z odpiranjem odseka.
Orodje za cevi, cevi in valovite cevi
Orodje za iztiskanje plastičnih ceviin cevi predstavljajo eno-največjih količin uporabe ekstrudiranja, njihove zahteve glede orodja pa se bistveno razlikujejo od trdnih ali odprtih profilov. Smernice za načrtovanje orodja za iztiskanje plastičnih cevi se običajno začnejo s sklopom obročaste matrice in trna. Trn ustvari notranjo izvrtino, medtem ko koncentrični zunanji obroč določa zunanji premer; reža med njimi določa debelino stene. Ko talina zapusti matrico, še-mehka cev vstopi v vakuumsko kalibrirno cev, ki drži zunanji premer v skladu s specifikacijami, medtem ko rahel notranji zračni tlak preprečuje, da bi se cev sesedla.
Za gladke-stenske cevi-medicinske napeljave, pnevmatske cevi, kabelske napeljave-koncentričnost stene je primarna metrika kakovosti, zato mora biti trn centriran znotraj mikronov, porazdelitev taline pa mora biti spiralna ali tip-obešalnika, da se izognete zvarnim linijam. Valovite plastične cevi dodajo še eno plast kompleksnosti: niz potujočih blokov kalupa (ali valovitosti) dolvodno od matrice se zaporedno odpira in zapira okoli ekstrudata, pri čemer tvori izmenično vrhove in vdolbine, ki dajejo cevi aksialno prožnost in odpornost proti zmečkanju. Smernice za načrtovanje orodij za ekstruzijo valovitega materiala morajo upoštevati korak kalup-bloka, čas vakuuma na vsakem valovanju in sposobnost smole, da se raztegne v votlino kalupa, ne da bi se pretirano stanjšala. Enostenski-valovit vod in dvojno-stenska valovita odtočna cev temeljita na tem konceptu orodja, čeprav se zasnova-strukture stene in izbira smole (običajno HDPE ali PP) razlikujeta med njima.
Ekstrudiranje plastičnih cevi z majhnim{0}}premerom-recimo pod 10 mm OD-zahteva strožje tolerance za režo matrice in bolj odzivno hlajenje, ker kakršna koli nihanja temperature ali tlaka predstavljajo večji odstotek preseka-stene. Pri določanju orodij za te aplikacije je vredno prebrati dobaviteljev priročnik s smernicami za načrtovanje, da potrdite njihovo standardno zmogljivost glede ekscentričnosti stene, ovalnosti in natančnosti-dolžine reza, preden se lotite proizvodnje.
Oster vogal na iztiskanju bo postal šibka točka iztiskanja zaradi koncentracije napetosti, ki je nagnjena k pokanju ali okvari, in bo zmanjšal odpornost iztiskanja na udarce.
Pri ekstrudiranih delih se je treba čim bolj izogibati ostrim vogalom, na ostrih vogalih pa dodati zaobljene vogale. Polmer zaokrožitve je enak debelini stene izdelka, kar pripomore k bolj gladkemu pretoku materiala v procesu iztiskanja in zmanjša napetost na konturnih vogalih.
Oster vogal na iztiskanju bo postal šibka točka iztiskanja zaradi koncentracije napetosti, ki je nagnjena k pokanju ali okvari, in bo zmanjšal odpornost iztiskanja na udarce.
Pri ekstrudiranih delih se je treba čim bolj izogibati ostrim vogalom, na ostrih vogalih pa dodati zaobljene vogale. Polmer zaokrožitve je enak debelini stene izdelka, kar pripomore k bolj gladkemu pretoku materiala v procesu iztiskanja in zmanjša napetost na konturnih vogalih.
Na stičišču več sten običajno nastanejo območja z debelo debelino stene, zato je enostavno povzročiti krčenje in slab videz na zunanji površini ekstruzije, kar je zelo podobno brizganju.
Če je iztiskanje del videza, se je mogoče krčenju izogniti ali prekriti z optimizacijsko zasnovo, prikazano na spodnji sliki.
Strategije DFM za zmanjšanje stroškov ekstrudiranja
Uporaba načel DFM zgodaj v ciklu načrtovanja je eden najučinkovitejših načinov za znižanje stroškov ekstrudiranega plastičnega profila brez žrtvovanja zmogljivosti. Nekaj praktičnih strategij je pogosto spregledanih.
Najprej utrdite dele. Če sestav trenutno uporablja dva ali tri ločene profile, pritrjene skupaj, ocenite, ali bi jih lahko nadomestil en ko-ekstrudiran odsek. Manj delov pomeni manj rezil, manj sekundarnih operacij in zmanjšano delo pri sestavljanju-neposredna zmaga z vidika inženiringa plastike DFM.
Drugič, zmanjšajte zaprto površino votlih profilov. Vsaka zaprta praznina zahteva trn in otežuje uravnoteženje matrice. Kjer popolnoma zaprt kanal strukturno ni potreben, razmislite o pretvorbi v C-kanal z zaskočno-kapo; to poenostavi orodje in skrajša čas priprave matrice.
Tretjič, zasnova za standardno nadaljnjo opremo. Če je predvideno dolžino reza mogoče doseči s standardno letečo žago namesto z natančnim servo rezalnikom, se stroški na-enoto znižajo. Podobno načrtovanje zaskočnih funkcij in pritrdilnih lukenj, ki jih je mogoče prebijati v liniji-namesto CNC-strojne obdelave brez povezave-ohranja neprekinjen proces in nizko porabo dela.
Nazadnje delite osnutke s svojim dobaviteljem iztiskanja, preden zamrznete načrt. Izkušeni inženirji orodij lahko pogosto predlagajo manjše prilagoditve geometrije-tukaj dodajo vlečni kot, tja premaknejo polmer-kar dramatično izboljša uravnoteženje matrice in-izkoristek prvega prehoda. Ta nekak-pregled DFM v zgodnji fazi za plastične dele je tisto, kar loči profil, ki deluje gladko, od profila, ki zahteva nenehno posredovanje operaterja.
Kjer je mogoče, se je treba čim bolj izogibati strogim tolerancam v smeri dolžine. Termoplasti se s temperaturo krčijo in širijo, rezanje plastičnih ekstruzij na kritične dolžine pa lahko po nepotrebnem poveča stroške.
Na splošno je toleranca + / - 5 mm pri 1000 mm dolgih ekstruzijah. Seveda je tolerančna natančnost povezana z dolžino. Čim krajša je dolžina, večjo natančnost je mogoče doseči.
Kjer je mogoče, se je treba čim bolj izogibati strogim tolerancam v smeri dolžine. Termoplasti se s temperaturo krčijo in širijo, rezanje plastičnih ekstruzij na kritične dolžine pa lahko po nepotrebnem poveča stroške.
Na splošno je toleranca + / - 5 mm pri 1000 mm dolgih ekstruzijah. Seveda je tolerančna natančnost povezana z dolžino. Čim krajša je dolžina, večjo natančnost je mogoče doseči.
Pogoste napake v ekstrudiranih plastičnih delih
Tudi z dobro-izdelano matrico in optimiziranim postopkom iztiskanja lahko nastanejo napake, če parametri postopka zanihajo. Razumevanje temeljnih vzrokov prihrani izpade in odpadke.
Zlom talineje videti kot groba tekstura,-podobna koži morskega psa na površini profila. Povzroča ga prekomerna strižna napetost na robu matrice in je najpogostejša pri smolah z visoko-viskoznostjo, kot sta HDPE in linearni LLDPE. Zmanjšanje hitrosti linije, zvišanje temperature matrice ali povečanje reže matrice lahko povzroči strig pod kritično mejo. Črte matrice-tanke, neprekinjene proge, ki tečejo v smeri iztiskanja-običajno sledijo praskam ali kopičenju na površini matrice; občasno poliranje robov matrice je standardni popravek.
Zvijanje po rezanju je pogosto posledica asimetričnega hlajenja. Če je na eni strani profila večji stik z zrakom ali vodo kot na drugi strani, se preostala napetost neenakomerno poveča in del se upogne, ko se sprosti. Preverjanje poravnave hladilnih razpršilnih šob in vakuumskih vrat kalibratorja je prvi korak. Za kompleksne profile z debelimi in tankimi stenami lahko dodajanje lokaliziranih hladilnih curkov na debelejšo stran izenači stopnjo krčenja.
Praznine in mehurčki znotraj odseka stene običajno kažejo na vlago v smoli ali neustrezno odzračevanje v sodu ekstruderja. Bistveno je pred-sušenje higroskopskih materialov (PA, PC, PETG) na njihovo priporočeno vsebnost vlage-običajno pod 0,02 %-pred hranjenjem. Če mehurčki ne izginejo, je odprtina za odzračevanje soda morda zamašena ali pa je hitrost vijaka previsoka, da bi dekompresijsko območje soda lahko učinkovito razplinilo.
Po-iztiskanje in končna obdelava
Ekstrudijska linija proizvaja neprekinjeno dolžino s konstantnim-presekom, vendar večina aplikacij za končno-uporabo zahteva dodatno obdelavo, preden je profil pripravljen za sestavljanje. Običajni sekundarni postopki vključujejo natančno rezanje na dolžino, CNC-rezkanje zarez in rež, vrtanje ali luknjanje montažnih lukenj ter vroče žigosanje ali tamponski tisk za blagovno znamko. Nekatere plastične ekstrudirane dele tudi upogibamo-bodisi hladno krivljenje za nežne krivulje ali toplotno krivljenje za ozke polmere-za skladnost z geometrijo končnega izdelka.
Možnosti površinske obdelave so odvisne od polimera. ABS in trdi PVC dobro sprejemata barvo in lepilo, medtem ko poliolefini običajno potrebujejo plamensko ali koronsko obdelavo za izboljšanje površinske energije pred tiskanjem ali lepljenjem. Za osvetlitev in zaslonske aplikacije,Pokrovi difuzorja svetlobe PC in PMMAlahko prejme mat teksturo z vtisnjenimi valji v liniji namesto s peskanjem po-postopku, s čimer ostane operacija znotraj ekstruzijske linije in se izogne poškodbam pri rokovanju. Načrtovanje teh spodnjih korakov med začetnim načrtovanjem profila-opuščanje prostora za vpenjalne elemente, dodajanje referenčnih točk za CNC operacije-je enostavna praksa DFM, ki preprečuje poznejše drago predelavo.
Postopek iztiskanja plastike je pet{0}}stopenjski postopek: (1) surova smola se gravitacijsko -dovaja iz lijaka v cev ekstrudorja; (2) vrtljivi polž prenaša in tali material skozi postopoma bolj vroča območja cevi; (3) staljeni polimer se filtrira in potisne skozi natančno matrico, ki definira obliko profila; (4) ekstrudat se ohladi in dimenzijsko stabilizira v vakuumski kalibracijski posodi ali na hladilnih valjih; in (5) vlečenje strjenega profila vleče z nadzorovano hitrostjo, preden ga odrežemo na zahtevano dolžino. Procesne spremenljivke, kot so temperaturni profil cevi, število vrtljajev vijaka, tlak taline in hitrost izvleka, morajo biti usklajene, da se zagotovi, da končni iztis izpolnjuje tolerance dimenzij in standarde kakovosti površine. Ta postopek iztiskanja polimera se enako uporablja za preproste okrogle cevi, zapletene okenske okvirje z več-votlinami in tanko{11}}stenske pokrove difuzorjev za razsvetljavo.