درک مشکلات رایج تغذیه در فرآیند اکستروژن نوار شکست حرارتی

علائم رایج مشکلات تغذیه در اکستروژرهای تک پیچ

وقتی مواد نوار شکست حرارتی به درستی وارد سیستم نمی‌شوند، اپراتورها معمولاً به سرعت متوجه بروز مشکل می‌شوند. نرخ خروجی شروع به نوسان غیرقابل پیش‌بینی می‌کند و بار موتور نیز به طور نامنظم تغییر می‌کند. با نگاه کردن به ت hopper، می‌توان دندانه‌های پیچ را مشاهده کرد که به دلیل کشیده نشدن حجم کافی از ماده، بیرون زده‌اند. علاوه بر این، تخلخل سطحی قابل توجهی روی نماهای اکسترود شده دیده می‌شود — این تخلخل به طور واضح نشان می‌دهد که هوا در حین فرآیند به دلیل مناطق پرنشده ناقص، به دام افتاده است. تمام این مشکلات معمولاً به معنای کاهش کارایی تولید در حدود ۱۲ تا ۱۸ درصد در بیشتر خطوط تولید نوار شکست حرارتی است. این میزان از دست‌دادن در هر محیط تولیدی به سرعت جمع می‌شود.

نقش خواص مواد در عملکرد تغذیه نوار شکست حرارتی

شکل مواد پلیمری نقش بزرگی در نحوه قابل اعتماد بودن عبور آنها از تجهیزات فرآوری دارد. به عنوان مثال، دانه‌های بازیافتی PET که دارای لبه‌های تیز هستند، تمایل دارند حدود سه برابر بیشتر از ذرات نرم و خالص (اولیه) به هم بچسبند و مانع جریان شوند که این موضوع توسط تحقیقات رئولوژیکی در طول زمان تأیید شده است. هنگام کار با مواد با اصطکاک بالا مانند PVC حاوی فیلر شیشه، تنظیم چگالی توده‌ای در محدوده ۰٫۴۵ تا ۰٫۵۵ گرم بر سانتی‌متر مکعب، برای حفظ جریان مناسب تحت نیروی گرانش به سمت ناحیه کانال مارپیچ، امری کاملاً حیاتی می‌باشد. امروزه اکثر تولیدکنندگانی که با مشکلات گسستگی جریان (بریجینگ) دست و پنجه نرم می‌کنند، از طراحی‌های سیلوی مخروطی استفاده می‌کنند، زیرا این طراحی‌ها به شکسته شدن قفل شدن ذرات به یکدیگر کمک کرده و به طور کلی حرکت مواد را در تمام سیستم بهبود می‌بخشند. با این حال، همواره مسائل معامله‌ای وجود دارند که بسته به الزامات خاص تولید و ویژگی‌های مواد متفاوت است.

تأثیر محتوای رطوبت بر یکنواختی جریان پلیمر

پلیمرهای جاذب رطوبت در عرض هشت ساعت از زمان قرار گرفتن در معرض هوا، رطوبت محیط را جذب کرده و حباب‌های بخاری ایجاد می‌کنند که فرآیند اکستروژن را مختل می‌کنند. نایلون 6/6 با درصد رطوبت 0.03% دارای تغییرات ویسکوزیته‌ای 27% بیشتر از ماده به‌درستی خشک‌شده (<0.01%) است. این ناهمگونی اغلب منجر به طراحی مجدد پیچ با کانال‌های عمیق‌تر در ناحیه تغذیه می‌شود تا بتواند تغییرات ناگهانی ویسکوزیته در حین فرآوری را تحمل کند.

شناسایی علل مکانیکی تغذیه نامناسب در اکستروژنرهای پیچ تکی

سایش و فرسودگی در گلویی تغذیه که بر ورودی نوار شکست حرارتی تأثیر می‌گذارد

سایش در داخل دهانه‌های تغذیه تمایل دارد تا عامل اصلی اما اغلب نادیده گرفته‌شده‌ای برای مشکلات تغذیه باشد، به‌ویژه هنگام کار با پلاستیک‌های مسلح‌شده با شیشه. هنگامی که فرسایش رخ می‌دهد، فضاهای نامنظمی ایجاد می‌شود که جریان مواد را مختل کرده و انتقال نیروهای فشاری را ضعیف می‌کند. تحقیقات منتشرشده در سال گذشته نشان داد که دهانه‌های تغذیه که نشانه‌های سایش دارند، در عملیات نوار شکست حرارتی، کارایی جذب پلیمر را حدود ۳۵٪ کاهش می‌دهند. اکثر متخصصان پیشنهاد می‌کنند هر شش ماه یکبار بازرسی لیزری انجام شود تا هرگونه تغییر شکل بیش از نیم میلی‌متر شناسایی گردد. این موضوع زمانی که با مواد مرکب حاوی مواد معدنی سروکار داریم، اهمیت بیشتری پیدا می‌کند.

محدودیت‌های طراحی پیچ برای ویسکوزیته بالا  مواد نوار شکست حرارتی

اشکال پیچ استانداردی که معمولاً مشاهده می‌کنیم، وقتی با مواد بسیار ضخیمی سروکار داریم که بیش از ۶۰٪ ترکیب سرامیکی دارند، عملکرد خوبی ندارند. هنگامی که نسبت فشردگی به زیر حدود ۲٫۵ به ۱ برسد، نیروی برشی کافی در حین فرآوری ایجاد نمی‌شود و این امر هم ذوب شدن و هم تعادل مناسب روان‌کاری را مختل می‌کند. برخی مطالعات اخیر نشان داده‌اند که استفاده از طراحی‌های پیچ مانع‌دار (باریر اسکرو) می‌تواند مشکلات تغذیه را در مقایسه با سیستم‌های تک‌مرحله‌ای معمولی تقریباً ۴۰ درصد کاهش دهد. همچنین اگر فردی به طور خاص با شکست‌های حرارتی مبتنی بر سیلیکون کار می‌کند، کاهش تدریجی عمق پروانه‌ها (فلایت) در محدوده حدود ۱۵ تا شاید ۲۰ میلی‌متر به پایداری بهتر بستر مواد جامد کمک می‌کند. این بهبود در حدود ۲۸ درصد مشاهده شده است، مطابق با برخی شبیه‌سازی‌های انجام‌شده در سال ۲۰۲۰ در مورد نحوه جریان این مواد.

گرادیان دمایی مخزن که انتقال ماده را مختل می‌کند

وقتی تفاوت‌های دمایی محوری در منطقه تغذیه بیش از ۱۵ درجه سانتی‌گراد در هر متر باشند، تمایل به تشکیل لایه‌های مذاب اولیه دارند که واقعاً بر نحوه انتقال مواد جامد از طریق سیستم تأثیر می‌گذارند. برخی تحقیقات انجام‌شده در سال ۲۰۰۴ نشان دادند که این گرادیان‌های دمایی با تغییرات حدود ۱۵ درصدی در نرخ جریان برای نوارهای حرارتی پلی‌آمید مرتبط هستند. امروزه، اکثر تجهیزات اکستروژن مدرن این مشکل را با استفاده از سیستم‌های گرمایشی تکه‌ای کنترل‌شده توسط PID حل می‌کنند. این امر به حفظ ثبات دما در محدوده مثبت یا منفی ۲ درجه سانتی‌گراد کمک می‌کند که برای حفظ ساختار کریستالی در مواد با کیفیت بالای مانع حرارتی که در کاربردهای مهندسی استفاده می‌شوند، ضروری است.

هندسه منطقه تغذیه و تأثیر آن بر کارایی انتقال مواد جامد

نسبت بهینه L/D از 28 تا 30 :1 افزایش تدریجی فشار را بدون ایجاد پل‌زنی مواد تضمین می‌کند. بخش‌های آویزدار ماندربار باعث افزایش ضریب اصطکاک به میزان ۴۰ تا ۶۰ درصد برای مواد با چگالی کم می‌شوند. پیچ‌های تغذیه با گام متغیر، بهره‌وری ۲۵ درصدی را در پردازش دانه‌های بازیافتی نامنظم نشان داده‌اند که با تحقیقات دانه‌بندی در مورد کارایی انتقال هماهنگ است.

بهینه‌سازی آماده‌سازی مواد و شرایط فرآیند برای تغذیه پایدار

تکنیک‌های اختلاط جهت اطمینان از یکنواختی اندازه و چگالی دانه‌ها

هندسه یکنواخت خوراک از پل‌زدن و تغذیه نامنظم جلوگیری می‌کند:

• توزیع اندازه : حفظ قطر دانه‌ها در محدوده ۱ تا ۳ میلی‌متر با استفاده از الک کردن چندمرحله‌ای
• تطابق چگالی : پرکننده‌ها را با رزین پایه در مخلوط‌کن دوار (۱۵ تا ۲۰ دور در دقیقه به مدت ۳۰ دقیقه) مخلوط کنید
• ادغام افزودنی‌ها : رنگ‌ها و پایدارکننده‌ها را از قبل ترکیب کنید تا از جدایش آنها در حین تغذیه جلوگیری شود

استفاده از کمک‌های تغذیه و مواد افزایش‌دهنده روانی در فرمول‌بندی‌های چالش‌برانگیز

برای مواد جاذب رطوبت، الک‌های مولکولی در پدهای هاپر رطوبت محیط را در حین تغذیه جذب می‌کنند و اختلالات در جریان را به حداقل می‌رسانند.

تنظیم پروفایل‌های دقیق دما در ناحیه تغذیه

حفظ شیب دمایی 50 تا 60 درجه سانتی‌گراد در سه ناحیه اول مخزن برای جلوگیری از ذوب زودهنگام و کمک به انتقال کارآمد مواد جامد. تصویربرداری مادون قرمز نشان می‌دهد که انحراف‌های ±5 درجه سانتی‌گراد از این محدوده می‌تواند تا 20٪ نوسان در نرخ تغذیه ایجاد کند.

کنترل سرعت پیچ و فشار معکوس برای خروجی ذوب منسجم

بهینه‌سازی دور پیچ (معمولاً 30 تا 60) همراه با کنترل فشار PID، باعث رسیدن به حالت پایدار در فرآیند اکستروژن در عرض 8 تا 12 دقیقه می‌شود. داده‌های به‌دست‌آمده از 127 خط تولید نوار شکست حرارتی نشان می‌دهد که زمانی که فشار معکوس بین 8 تا 12 مگاپاسکال باقی بماند، پایداری خروجی به 98٪ می‌رسد.

پایش زمان ماند برای جلوگیری از ذوب زودهنگام

محدود کردن زمان ماند ماده در ناحیه تغذیه به کمتر از 45 ثانیه از ذوب جزئی که منجر به نوسان می‌شود، جلوگیری می‌کند. مخازن تهویه‌شده با نسبت طول به قطر (L/D) بهینه‌شده (2 8:1 تا 30:1) کاهش زمان اقامت به میزان ۳۵٪ نسبت به طراحی‌های استاندارد.

سیستم‌های بازخورد لحظه‌ای برای کنترل تطبیقی تغذیه

سلول‌های بارگیری (با دقت ±۰٫۵٪) همراه با سنسورهای گشتاور، امکان تنظیمات پویا را فراهم می‌کنند تا از تغییرات تراکم بالک تا حد ۱۵٪ جبران شود. آزمایش‌ها نشان می‌دهند که این سیستم‌ها زمان توقف ناشی از تغذیه را در تولید نوار شکست حرارتی تا ۶۰٪ کاهش می‌دهند.

اعتبارسنجی راه‌حل‌ها از طریق یک مطالعه موردی واقعی در تولید نوار شکست حرارتی

تشخیص جریان نامنظم پلت در یک تولیدکننده نمایه آلومینیوم اروپایی

یک کارخانه اروپایی با مشکلات مداوم در خط تولید خود مواجه بود که به دلیل فرآیندهای تغذیه نامنظم، تقریباً یک سوم مواد به صورت ضایعات دور ریخته می‌شد. پس از انجام برخی تشخیص‌ها، مهندسان دریافتند که در واقع دو عامل اصلی عقب‌نشینی این وضعیت هستند. اول اینکه دمای کارگاه به طور منظم از ۲۷ درجه سانتی‌گراد فراتر می‌رفت که باعث می‌شد گرانول‌ها در حین فرآوری به هم بچسبند. دوم اینکه هنوز مقدار قابل توجهی رطوبت (حدود ۰٫۱۲ درصد وزنی) در این گرانول‌های پلیمری بازیافتی وجود داشت، علیرغم اینکه باید مراحل خشک‌کردن مناسب انجام شده باشد. هنگامی که آزمایش‌ها را بیشتر انجام دادند و از حسگرهای مادون قرمز همراه با تکنیک‌های رئومتری گشتاوری استفاده کردند، چیزی را مشاهده کردند که نگران‌کننده بود و بسیار زودتر از انتظار رخ داد. تخریب حرارتی در این دسته‌های مشکل‌دار حدود ۱۸ درصد زودتر از شرایط ایده‌آل آغاز شد که این مطلب مطابق با تحقیقات منتشر شده در مجله اروپایی پلیمر در سال ۲۰۲۳ بود.

اجرا کردن راه‌حل دهانه تغذیه خنک‌شونده برای پایداری نوار شکست حرارتی

تیم منطقه تغذیه را با موارد زیر مجدداً طراحی کرد:

• پوسته خنک‌شونده با آب که دمای دهانه را در محدوده 18 تا 20 درجه سانتی‌گراد حفظ می‌کند
• پوشش ضد الکتریسیته ساکن که چسبندگی مواد را 57٪ کاهش می‌دهد
• هندسه پیچ تغذیه مارپیچ که نرخ جریان جرمی را 22٪ بهبود می‌بخشد

آزمایش‌های انجام‌شده پس از اصلاحات، جریان یکنواخت پلیمر را در تمام شیفت‌ها نشان داد و ضریب تغییرات (CV%) تخلیه هاپر از 14.3 به 3.8 کاهش یافت.

هاپرهای هوشمند با سلول‌های بار و نظارت بر لرزش

طراحی‌های جدیدتر هاپرها اکنون مجهز به سلول‌های بار و حسگرهای ارتعاشی هستند که مقدار مواد داخل هاپر را پیگیری کرده و مشکلات ناشی از تشکیل قوس (bridging) در موادی مانند پودر PVC اصلاح‌شده با سیلیکا را شناسایی می‌کنند. هنگامی که این سیستم‌های هوشمند ناهنجاری را تشخیص می‌دهند، بلافاصله سرعت تکان‌دهنده (agitation) را تنظیم کرده و مکانیسم‌های اصلاح جریان را فعال می‌کنند، پیش از آنکه مسدودشدگی واقعی رخ دهد. بر اساس آزمایش‌های میدانی در حدود ۱۸ سیستم مختلف، نیاز اپراتورها به دخالت دستی در خطوط نوار شکست حرارتی (thermal break strip) در مقایسه با مدل‌های قدیمی‌تر تنها نصف شده است. یک گزارش اخیر که در سال ۲۰۲۴ در مجله Plastics Technology منتشر شده، این یافته را تأیید می‌کند و بهبود قابل توجهی در کارایی عملیاتی هنگام استفاده از این سیستم‌های پیشرفته نظارتی نشان می‌دهد.

نگهداری پیش‌بینانه مبتنی بر هوش مصنوعی برای سیستم‌های تغذیه اکسترودر تک‌پیچ

ابزارهای هوشمند یادگیری ماشین، تغییرات گشتاور را در طول زمان بررسی کرده و الگوهای جریان موتور را تحلیل می‌کنند تا نشانه‌های پیچ‌های فرسوده یا مخازن آسیب‌دیده را خیلی قبل از تبدیل شدن به مشکل، شناسایی کنند. طبق تحقیقی که سال گذشته در مجله Industrial AI منتشر شد، یک شرکت در این صنعت شاهد کاهش حدود ۴۰ درصدی توقف‌های غیرمنتظره خود پس از پیاده‌سازی سیستم‌های هوش مصنوعی بود که جهش‌های ناگهانی دمای دریچه تغذیه را به انسداد بالقوه مواد مرتبط می‌کردند. آنچه این سیستم‌های پیش‌بینی‌کننده را واقعاً ارزشمند می‌کند، توانایی آنها در تنظیم خودکار پارامترها یا برنامه‌ریزی تعمیر و نگهداری در زمانی است که خط تولید در حال کار نیست؛ این امر باعث می‌شود همه چیز بدون وقفه‌های پرهزینه‌ای که برنامه‌های تولید را مختل می‌کنند، به‌خوبی پیش برود.