مارپیچ های تک و دو ، قلب فرایند اکستروژن هستند که می توانند مواد خام را به پلت ، ورق، لوله یا پروفیل تبدیل کنند. این قطعات مهندسی شده برای فشرده سازی، اختلاط، گرم کردن، خنک کاری، برش و پمپاژ مواد ویسکوز از طریق قالب ها ضروری هستند. بنابراین مارپیچ ها فاکتوری اصلی در خروجی تولید و کیفیت محصول نهایی هستند.

با توجه به نقش مهمی که مارپیچ ها در فرایند اکستروژن ایفا می کنند، هنگامی که زمان تعویض آنها فرا می رسد، بسیاری از تولیدکنندگان تاثیر طراحی بهینه مارپیچ را دست کم می گیرند. با توجه به تنوع در مواد خام، دستورالعمل ها ، مواد افزودنی و پرکننده های مورد استفاده، مارپیچ ها قطعاتی نیستند که به سادگی بتوان آنها را تعویض کرد.

شایان معین رئیسUniSol، که دارای مدرک کارشناسی ارشد در رشته مهندسی پلیمر و تامین کننده پلیمرهای  تخصصی در انتاریو با تخصص در تولید سیلندر و مارپیچ است ، در مورد مزایای استفاده از طراحی تخصصی مارپیچ متناسب با کاربرد که می تواند به طور موثر طول عمر، کیفیت و بهره وری را بهبود بخشد، صحبت کرد.

طراحی بهینه مارپیچ چیست و چگونه محقق می شود؟

در طراحی بهینه مارپیچ، هر پارامتر فرایند برای ایجاد یک رویکرد سفارشی متناسب با کاربرد ارزیابی می شود. هنگامی که با یک تامین کننده مارپیچ جایگزین با دانش گسترده از طراحی ها و درک دقیق فرایندهای اکستروژن همراه می شوید، جایگزینی مارپیچ، فرصتی برای اکسترودرها خواهد بود تا فرایند خود را اصلاح کنند، مشکلات کیفیت را حل کنند و حتی اطمینان حاصل شود که جایگزینی بعدی در آینده دورتر است.

معمولا چند وقت یکبار تعویض مارپیچ برای مواد ساینده رخ می دهد؟

اگر چه تولیدکنندگان محصولات ساخته شده از پلی اتیلن و یا پلی پروپیلن ممکن است فقط نیاز به تعویض مارپیچ ها در 10 سال یکبار با بیشتر داشته باشند،  برای مواد اکسترود شده خورنده و یا ساینده اغلب هر دو یا سه سال یکبار باید مارپیچ ها را تعویض کرد.

برای مثال PVC حاوی پرکننده هایی مانند تالک یا کربنات کلسیم است که سایش مارپیچ را تسریع می کند. کامپوزیت های چوب پلاستیک نیز خورنده هستند. حتی مواد خام بازیافتی می‌توانند حاوی ناخالصی‌هایی باشند که به مارپیچ‌ها آسیب می‌رسانند و عمر قابل استفاده را کوتاه می‌کنند.

علائم سایش مارپیچ چیست؟ چه مشکلاتی می تواند ایجاد کند؟

در بیشتر موارد شواهد سایش مارپیچ واضح است حتی اگر خیلی ناچیز باشد.سایش مارپیچ می تواند بر روی پردازش یا کیفیت محصول تاثیر بگذارد. این علائم شامل کاهش خروجی، افزایش استفاده از گرمای الکتریکی، نیاز به افزودنی های بیشتر یا بوی مواد سوخته در طول تولید است. سایش همچنین ممکن است باعث ایجاد انسداد در درگاه خوراک اصلی، در فیدرهای جانبی و در ناحیه فشار شود که همگی باعث کاهش بیشتر در بهره وری می شود.

چگونه می توان سایش مارپیچ را به بهترین نحو برطرف کرد؟

در حالی که می توان سرعت خوراک دهی را به عنوان یک راه حل موقت کاهش داد، اما راه حل بهتر تعویض مارپیچ های فرسوده است. در عوض اکسترودرها اغلب با استفاده از افزودنیهای اضافی وضعیت را مدیریت می کنند. با توجه به اینکه 80 درصد هزینه ها در فرمولاسیون است، کاهش تعداد و کمیت افزودنی ها می تواند هزینه های عملیاتی را کاهش دهد.

در بیشتر مواقع تولیدکننده واقعا به افزودنی های اضافه نیاز ندارد و فقط باید فرایند را با مارپیچ های جایگزین که به خوبی طراحی شده اند، بهینه کند. برای یک اکسترودر، ما هم سیلندر و هم مارپیچ را جایگزین کردیم و توانستیم مواد افزودنی را از 1.3 درصد به کمتر از 1 درصد کاهش دهیم و 30% بیشتر صرفه جویی کنیم و با توجه به قیمت های بالای مواد افزودنی، هزینه این جایگزینی در کمتر از یک سال پرداخت شد.

چگونه مشکلات سایش با طراحی مارپیچ بهینه برطرف می شود؟

به طور متداول، تولیدکنندگان مارپیچ از طریق انتخاب مواد و با اعمال پوشش های مقاوم در برابر سایش، مشکلات سایش را برطرف می کنند. اگر چه این تکنیک ها عمر مارپیچ را افزایش می دهد اما بهینه سازی طراحی، متناسب با کاربرد می تواند سایش را تا 50  یا 60% کاهش دهد.

سایش در اکثر موارد منجر به افزایش ناگهانی فشار می شود که منجر به ایجاد تلاطم در مذاب شده و به مارپیچ آسیب می زند. اکسترودرها می توانند با طراحی مناسب، سایش را کاهش دهند که می تواند این افزایش فشار ناگهانی را حذف کند.

برای طراحی و ساخت سیلندر و مارپیچ، شرکت UniSol با GermanTwinscrewS (GTS) سازنده آلمانی با چندین دهه تجربه در زمینه اکستروژن پلاستیک همکاری می کند. GTS با تولید و تحویل ده ها هزار مارپیچ به بیش از 100 کشور در سراسر جهان، پایگاه داده ای از مواد، فرمول ها، پارامترها و طرح های OEM را جمع آوری کرده است. علاوه بر این، این شرکت، نرم افزار شبیه سازی اختصاصی را برای بهینه سازی طراحی مارپیچ همسوگرد بر اساس مواد خام، ترکیبات، فرمول‌بندی، دما و شرایط عملیاتی خاص توسعه داده است. در نهایت اطلاعات حاصل از شبیه سازی ها برای تعیین فشار مذاب مواد در نقاط مختلف در امتداد مارپیچ ها استفاده می شود. فشار مذاب برای طراحی مارپیچ و محافظت از سایش و اطمینان از مذاب یکنواخت و اختلاط مناسب مواد خام، کلیدی است.

آیا ماشین کاری مارپیچ می تواند بر طول عمر تاثیر داشته باشد؟

علاوه بر طراحی، ماشین کاری مارپیچ نیز از اهمیت بالایی برخوردار است. بیشتر مارپیچ های موجود در بازار بین عناصر مختلف اختلاط دارای یک شکاف یک اینچی هستند که مواد در آنجا جمع می شود.موادی که در شکاف باقی می مانند می توانند فشار را افزایش داده و باعث سایش یا حتی سوختن شوند و مشکلات کیفی  ایجاد کنند. برای افزایش طول عمر مارپیچ و بهبود کیفیت محصول، GTS مارپیچ های بدون شکاف بین عناصر اختلاط را طراحی کرده است تا از ماندن مواد جلوگیری کند.

عدم وجود شکاف باعث می شود مواد به طور مستقیم از یک کانال به کانال بعدی در طراحی جدید جریان یابد. ماند مواد و زمان انتظار وجود ندارد و از سایش مارپیچ و تجزیه پلیمر جلوگیری می شود.

مزایایی واقعی پیاده سازی طراحی بهینه مارپیچ چیست؟

برای اکسترودرهایی که به دنبال طراحی بهینه مارپیچ هستند، افزایش تولید اغلب قابل توجه است. برای یک اکسترودر، مارپیچ های  OEM  برای تولید 4.5 تن در هر شیفت طراحی شده بودند که با گذشت زمان به 3.5 تن کاهش یافت. با مارپیچ های جایگزین جدید، تولید بلافاصله دو برابر شد و به 8.5 تن رسید. حتی جزئیاتی مانند مکان می تواند عاملی در افزایش بهره وری باشد زیرا رطوبت و دمای محیط بر فرآیند اکستروژن تأثیر می گذارد.

یک اکسترودر در تورنتو تجهیزاتی را از یک شرکت در فلوریدا خریداری کرد. با توجه به اینکه تورنتو به میزان قابل توجهی رطوبت کمتری دارد، وقتی سیلندر و مارپیچ تعویض شد، یک پورت هواکش را حذف کردیم . با استفاده از یک پورت هواکش به جای دو پورت، آنها توانستند خروجی تولید را تا 35% افزایش دهند.

طراحی بهینه مارپیچ همچنین پردازش پنجره را گسترش می دهد که به معنای انعطاف بیشتر در استفاده از مواد با شاخص های مذاب مختلف و همچنین توانایی استفاده از طیف وسیع تری از افزودنی ها و تثبیت کننده ها است. این طرح همچنین می تواند برای تغییر ویژگی های محصول برای افزایش سودآوری مانند فوم پی وی سی استفاده شود.

کاهش چگالی فوم پی وی سی مهم است زیرا بر اساس طول فروخته می شود نه براساس وزن. هنگامی که چگالی فوم کمتر است، همچنان می توان آن را با همان قیمت فروخت و در عین حال از مواد کمتری استفاده کرد - که سود بیشتری دارد.برای یک تولید کننده فوم، هدف کاهش چگالی از بالای 50 به 48 بدون تغییر خواص فیزیکی و مکانیکی محصول نهایی بود.

چرا باید امروزه بهینه سازی طراحی مارپیچ را در اکسترودرها در نظر گرفت؟

معین: اگرچه اکسترودرهای پلاستیک ممکن است طول عمر نسبتاً کوتاه مارپیچ ها را به عنوان هزینه انجام کار پذیرفته باشند و با استفاده از افزودنی های بیشتر برای کنترل فرآیند خود سازگار شده باشند، اما بهینه سازی طراحی مارپیچ های جایگزین می تواند راه مقرون به صرفه تری برای دستیابی به اهداف عملکرد آنها باشد. در این راستا، کار با یک متخصص مارپیچ جایگزین برای تطبیق طرح با کاربرد می تواند به طور قابل توجهی موثر باشد.