ปัจจัยใดบ้างที่มีผลต่อประสิทธิภาพของเครื่องอัดรีดแบบสกรูเดี่ยวในการผลิตแถบกันความร้อน?

การออกแบบสกรู: เรขาคณิต อัตราส่วน L/D และเส้นผ่านศูนย์กลางที่มีผลต่อประสิทธิภาพการอัดรีด

รูปทรงเรขาคณิตของสกรูมีอิทธิพลต่อการหลอม การผสม และความสม่ำเสมอของวัสดุอย่างไร

รูปร่างและดีไซน์ของสกรูมีบทบาทสำคัญอย่างมากต่อประสิทธิภาพในการหลอมวัสดุ และชนิดของผลิตภัณฑ์ที่ออกมาจากเครื่องอัดรีดแบบสกรูเดี่ยว ปัจจัยต่างๆ เช่น ระยะเกลียว ความลึกของร่องที่ถูกกัด และส่วนผสมพิเศษ ล้วนมีผลต่อพฤติกรรมของพอลิเมอร์ในระหว่างกระบวนการผลิต เมื่อกล่าวถึงร่องที่ตื้นในบริเวณการอัดแน่น จะทำให้เกิดแรงเฉือนมากขึ้น ซึ่งช่วยเร่งกระบวนการหลอม ขณะที่ร่องที่ลึกขึ้นในส่วนการป้อนวัสดุจะช่วยให้วัสดุในรูปของแข็งเคลื่อนตัวได้ดีขึ้น สำหรับการผสม บริเวณเฉพาะบางส่วนที่มีลักษณะเช่น ดีไซน์แบบร่องฟันเลื่อย หรือแหวนบลิสเตอร์ จะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการผสมแบบกระจายตัวได้อย่างมาก ตามการวิจัยอุตสาหกรรมบางส่วนจากโพนีแมนในปี 2023 สิ่งนี้สามารถลดความแตกต่างของอุณหภูมิได้ประมาณ 12% ขณะผลิตแถบกันความร้อน สกรูที่มีบล็อกคลึงแบบเรียงซ้อนกัน (staggered kneading blocks) มักจะได้ความสม่ำเสมอของวัสดุประมาณ 92% ในขณะที่ระบบทั่วไปจะอยู่ที่ประมาณ 78% ซึ่งความแตกต่างนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งในการป้องกันการเกิดสะพานความร้อน (thermal bridges) ที่ไม่พึงประสงค์ในผลิตภัณฑ์สำเร็จรูป

บทบาทของอัตราส่วน L/D ต่อระยะเวลาการพักตัว ความสม่ำเสมอของอุณหภูมิ และความคงที่ของผลผลิต

อัตราส่วนความยาวต่อเส้นผ่านศูนย์กลาง (L/D) มีบทบาทสำคัญในหลายด้าน ได้แก่ ระยะเวลาที่วัสดุอยู่ในระบบ ความเสถียรของเนื้อพลาสติกในระหว่างการแปรรูป และการใช้พลังงานโดยรวม เมื่อเปรียบเทียบระบบอัตราส่วน L/D ที่มากกว่า 30:1 กับระบบประมาณ 20:1 จะพบว่าระยะเวลาการพักตัวเพิ่มขึ้นประมาณร้อยละ 40 ระยะเวลาที่เพิ่มขึ้นนี้ช่วยให้วัสดุที่ยากต่อการหลอม เช่น PA66 ได้รับความร้อนอย่างเพียงพอและกลายเป็นเนื้อพลาสติกอย่างทั่วถึงก่อนการแปรรูป อย่างไรก็ตาม หากอัตราส่วนเกิน 40:1 จะทำให้ต้นทุนด้านพลังงานเพิ่มขึ้น โดยทั่วไปการใช้พลังงานจะเพิ่มขึ้นประมาณร้อยละ 18 โดยที่ความสม่ำเสมอของวัสดุไม่ดีขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ ผู้เชี่ยวชาญส่วนใหญ่ในอุตสาหกรรมระบุว่าช่วงอัตราส่วนระหว่าง 28:1 ถึง 32:1 เป็นจุดที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการใช้งานที่ต้องการการแยกความร้อนอย่างมีประสิทธิภาพ ที่อัตราส่วนเหล่านี้ ผู้ผลิตสามารถควบคุมความเสี่ยงจากการเสื่อมสภาพของวัสดุได้ ในขณะเดียวกันก็ยังสามารถบรรลุเป้าหมายการผลิตได้ โดยทั่วไปอยู่ในช่วง 120 ถึง 150 กิโลกรัมต่อชั่วโมง

เส้นผ่านศูนย์กลางสกรูและผลกระทบต่อความสามารถในการผลิตและความเข้มข้นของแรงเฉือน

ปริมาณการผลิตจะเพิ่มขึ้นตามกำลังสองของขนาดสกรู โดยพิจารณาจากตัวเลข: สกรูขนาด 120 มม. สามารถผลิตได้มากกว่าสกรูขนาด 90 มม. ประมาณ 2.6 เท่าต่อการหมุนหนึ่งรอบ สกรูที่ใหญ่ขึ้นยังหมายถึงการผลิตวัสดุได้มากและเร็วกว่า (เช่น ประมาณ 280 กิโลกรัมต่อชั่วโมง เมื่อเทียบกับเพียง 170 กิโลกรัมต่อชั่วโมง เมื่อเปลี่ยนจากขนาด 100 มม. ลงมาเป็น 80 มม.) แต่ก็มีข้อเสียอยู่ตรงนี้ ยิ่งสกรูมีขนาดใหญ่ แรงเฉือนที่เกิดขึ้นก็จะยิ่งลดลง อยู่ในช่วงระหว่าง 30% ถึง 40% ซึ่งอาจส่งผลต่อความสม่ำเสมอในการผสมวัสดุ การเลือกขนาดที่เหมาะสมจึงขึ้นอยู่กับชนิดของวัสดุที่ใช้ สำหรับวัสดุเหลว เช่น PVC ผู้ใช้ส่วนใหญ่พบว่าขนาด 90 ถึง 110 มม. ทำงานได้ดี ในขณะที่ TPUs ที่มีความหนืดสูงจำเป็นต้องใช้ขนาดเล็กกว่า โดยทั่วไปอยู่ระหว่าง 60 ถึง 80 มม. เพื่อให้เกิดการผสมอย่างเพียงพอและกระจายตัวได้อย่างเหมาะสม

การควบคุมอุณหภูมิ: การจัดการโปรไฟล์ความร้อนเพื่อการอัดรีดที่เสถียร

โซนอุณหภูมิของบาร์เรลและผลกระทบต่อความหนืดของพอลิเมอร์และความเสถียรของการไหล

การตั้งค่าโซนอุณหภูมิให้เหมาะสมตลอดความยาวของบาร์เรลคือสิ่งที่ควบคุมการไหลของพอลิเมอร์ขณะผลิตแถบกันความร้อน โดยในบริเวณโซนป้อนวัสดุ การรักษาระดับอุณหภูมิให้ต่ำกว่าจุดที่เรียกว่าจุดเปลี่ยนเฟสแก้ว (glass transition point) จะช่วยให้วัสดุถูกอัดตัวโดยไม่หลอมเหลวก่อนกำหนด เมื่อวัสดุเคลื่อนเข้าสู่โซนอัด จำเป็นต้องให้ความร้อนอย่างควบคุมได้ โดยปกติประมาณ 170 ถึง 190 องศาเซลเซียส สำหรับวัสดุประเภท PA66 ซึ่งจะช่วยลดความหนืด เพื่อให้วัสดุผสมกันอย่างสม่ำเสมอ จากนั้นจะเข้าสู่โซนวัดปริมาณ ซึ่งต้องมีการปรับสมดุลระหว่างความร้อนที่เกิดจากการเฉือน กับความร้อนเสริมที่เราป้อนเพิ่มเข้าไป การรักษาน้ำหนักดุลนี้จะช่วยให้การไหลมีเสถียรภาพ ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งหากต้องการควบคุมขนาดตามค่าความคลาดเคลื่อนที่แคบภายใน ±1.5 เปอร์เซ็นต์ การศึกษาที่เผยแพร่เมื่อปีที่แล้วแสดงให้เห็นว่าเกือบสองในสามของปัญหาทั้งหมดที่เกิดขึ้นในการอัดรีด มาจากเกรเดียนต์ความร้อนที่ไม่เหมาะสม จึงไม่น่าแปลกใจที่โรงงานจำนวนมากกำลังลงทุนในระบบตรวจสอบสภาพต่าง ๆ เหล่านี้แบบเรียลไทม์

การปรับอุณหภูมิในโซนป้อนวัตถุดิบ โซนอัดแน่น และโซนให้อาหารอย่างเหมาะสมสำหรับแถบกันความร้อน

เมื่อทำงานกับแถบตัดความร้อน PA66 GF25 การตั้งค่าโซนโปรไฟล์ให้เหมาะสมมีความสำคัญอย่างยิ่งในการเพิ่มประสิทธิภาพการผลิต พร้อมทั้งรักษาคุณสมบัติทางกลให้อยู่ในสภาพสมบูรณ์ โซนป้อนวัตถุดิบควรคงอุณหภูมิไว้ที่ประมาณ 160 ถึง 170 องศาเซลเซียส เพื่อป้องกันปัญหาการเกิดสะพานของวัสดุ (bridging) ส่วนโซนอัดแน่นนั้นมีความซับซ้อนกว่า โดยควรตั้งอุณหภูมิไว้ระหว่าง 185 ถึง 200 องศาเซลเซียส เพื่อจัดการกับการเปลี่ยนแปลงผลึกที่มีความเข้มข้นสูงถึง 85% ได้อย่างมีประสิทธิภาพ จากนั้น โซนวัดปริมาณจะอยู่ที่ประมาณ 190 ถึง 205 องศาเซลเซียส ซึ่งช่วยรักษากดดันหลอมละลายไว้ที่ 25 ถึง 35 เมกะพาสกาล เพื่อให้วัสดุไหลผ่านแม่พิมพ์ได้อย่างสม่ำเสมอ ข้อมูลเชิงอุตสาหกรรมที่น่าสนใจแสดงให้เห็นว่า มีความสัมพันธ์ที่ค่อนข้างชัดเจนระหว่างความแม่นยำของการควบคุมอุณหภูมิในโซนอัดแน่นภายในช่วง ±2 องศา กับความสม่ำเสมอของค่า R-value และนี่คือประเด็นที่น่าพิจารณาสำหรับผู้ผลิตที่ต้องการลดต้นทุน: ความแม่นยำระดับนี้สามารถลดการใช้พลังงานได้เกือบ 18% เมื่อเทียบกับระบบเครื่องอัดรูดรุ่นเก่า ตามผลการศึกษาล่าสุดด้านการแปรรูปโพลิเมอร์ในช่วงต้นปี 2024

ป้องกันการเสื่อมสภาพของวัสดุด้วยการควบคุมอุณหภูมิอย่างแม่นยำ

การเกินช่วงอุณหภูมิที่เหมาะสมเพียงแค่ 10 ถึง 15 องศาเซลเซียส อาจก่อให้เกิดปัญหาร้ายแรงกับวัสดุที่เสื่อมจากความร้อน เนื่องจากเร่งกระบวนการตัดโซ่ (chain scission) ซึ่งในท้ายที่สุดจะลดความแข็งแรงต่อแรงกระแทกได้ประมาณ 40 เปอร์เซ็นต์ ตามมาตรฐาน ASTM D256-23 อุปกรณ์สมัยใหม่ในปัจจุบันจึงใช้ระบบระบายความร้อนแบบวงจรปิด ที่สามารถตอบสนองต่อปัญหาความร้อนจากการเฉือนได้ภายในเวลาไม่ถึงครึ่งวินาที ปลอกทำความเย็นที่ติดตั้งไว้ในตำแหน่งยุทธศาสตร์บริเวณที่แรงเฉือนสูงที่สุด จะช่วยควบคุมอุณหภูมิของเนื้อพลาสติกหลอมเหลวให้ไม่เบี่ยงเบนเกิน 5 องศาจากค่าที่กำหนด ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งต่อการคงคุณสมบัติทนไฟ โดยเฉพาะเมื่อทำงานกับสารประกอบที่ไม่มีฮาโลเจน การทดสอบภาคสนามแสดงให้เห็นว่า เมื่อผู้ผลิตใช้วิธีการให้ความร้อนที่ควบคุมด้วย PID ร่วมกับการปรับค่าความเร็วของสกรู จะทำให้อัตราการเสื่อมสภาพจากความร้อนลดลงประมาณสองในสาม ส่วนปริมาณการผลิตยังคงอยู่ที่ประมาณ 85 กิโลกรัมต่อชั่วโมง

การจัดการความเร็วของสกรูและแรงเฉือน: การปรับสมดุลระหว่างผลผลิตกับคุณภาพของเนื้อพลาสติกที่หลอมละลาย

ความเร็วของสกรูมีผลอย่างมากต่อปริมาณการผลิต โดยทั่วไปแล้ว ผลผลิตจะเพิ่มขึ้นอย่างสม่ำเสมอเมื่อทำงานที่รอบต่ำ แต่เมื่อเกินประมาณ 70 รอบต่อนาที สถานการณ์จะเริ่มน่าสนใจ ในกรณีที่ผู้ใช้งานเพิ่มความเร็วจาก 50 เป็น 100 รอบต่อนาที ผลผลิตจะเพิ่มขึ้นเพียงประมาณ 65% เท่านั้น ยิ่งไปกว่านั้น อุณหภูมิจะเกิดการแปรปรวนอย่างมีนัยสำคัญ บางครั้งอาจสูงเกิน 40 องศาเซลเซียส เนื่องจากแรงเสียดทานและการหลอมละลายบางส่วนที่เกิดขึ้นภายใน สำหรับผู้ที่ทำงานกับระบบเหล่านี้ในแต่ละวัน การจับคู่ค่ารอบต่อนาทีให้เหมาะสมกับชนิดของวัสดุที่กำลังประมวลผลจึงมีความสำคัญอย่างยิ่ง ตัวอย่างเช่น HDPE ซึ่งเป็นหนึ่งในพลาสติกกึ่งผลึก วัสดุประเภทนี้จำเป็นต้องใช้ความเร็วที่ช้าลงประมาณ 15 ถึง 20 เปอร์เซ็นต์ เมื่อเทียบกับวัสดุแบบไม่มีระเบียบ เช่น ABS หากต้องการรักษารอยแตกหักจากความร้อนให้มีลักษณะสม่ำเสมอตลอดกระบวนการผลิต

คุณสมบัติของวัสดุ: พฤติกรรมเชิงเรอโลยีและพฤติกรรมทางความร้อนในพลวัตของการอัดรีด

ลักษณะเชิงเรอโลยีที่มีผลต่อการพัฒนาความดันและการไหลที่สม่ำเสมอในแม่พิมพ์

ลักษณะการตอบสนองของพอลิเมอร์ในแง่ของความหนาและความยืดหยุ่น มีผลอย่างมากต่อการสะสมแรงดันระหว่างกระบวนการผลิต และช่วยรักษาความสม่ำเสมอของการไหลตลอดทั้งกระบวนการ ตามงานวิจัยของอาเบยกูนและคณะในปี ค.ศ. 2020 วัสดุที่มีลักษณะบางลงเมื่อถูกแรงเครียดสามารถลดการใช้พลังงานได้ประมาณ 18 เปอร์เซ็นต์ เมื่อเทียบกับของเหลวแบบนิวโทเนียนทั่วไป เมื่อทำงานกับพีวีซีที่ผ่านการปรับปรุงแล้วซึ่งมีความยืดหยุ่นของมวลหลอมสูง โดยทั่วไปจะพบปรากฏการณ์การบวมของแม่พิมพ์ (die swell) เพิ่มขึ้นระหว่าง 30 ถึง 40 เปอร์เซ็นต์ ซึ่งหมายความว่าผู้ปฏิบัติงานจำเป็นต้องควบคุมความเร็วสกรูอย่างระมัดระวัง หากต้องการให้ชิ้นส่วนมีคุณสมบัติด้านมิติตรงตามข้อกำหนด ปัญหาเกี่ยวกับความเสถียรของการไหล เช่น การแตกร้าวของมวลหลอม (melt fracture) มักเกิดขึ้นเมื่อแรงเฉือนที่ผนังเกินประมาณ 0.25 เมกะพาสกาล เพื่อหลีกเลี่ยงปัญหาดังกล่าวและรักษาระบบการผลิตให้ดำเนินไปอย่างราบรื่น ผู้ผลิตจำเป็นต้องให้ความสนใจอย่างใกล้ชิดต่อการออกแบบโซนอัดตัวในอุปกรณ์ของตน

คุณสมบัติทางความร้อนที่ควบคุมการดูดซับความร้อน การถ่ายโอนความร้อน และความเสถียรของมวลหลอม

ความแตกต่างของค่าการนำความร้อนในสารเติมแต่งมีผลอย่างมากต่อการถ่ายเทความร้อนผ่านวัสดุ เส้นใยแก้วมีช่วงการนำความร้อนต่ำกว่ามากอยู่ที่ประมาณ 0.8 ถึง 1.2 วัตต์ต่อเมตรเคลวิน เมื่อเทียบกับแคลเซียมคาร์บอเนตที่มีค่าสูงกว่าประมาณ 2.6 วัตต์ต่อเมตรเคลวิน ความแตกต่างนี้ทำให้การถ่ายเทความร้อนผ่านบาร์เรลเปลี่ยนแปลงไปโดยประมาณ 22 ถึง 35 เปอร์เซ็นต์ สำหรับพอลยามายด์ 66 แล้ว ความจุความร้อนจำเพาะที่ค่อนข้างต่ำที่ 1.7 กิโลจูลต่อกิโลกรัมเคลวิน หมายความว่ามันหลอมละลายได้อย่างรวดเร็วในระหว่างกระบวนการ อย่างไรก็ตาม คุณสมบัตินี้เองก็ทำให้มันเสื่อมสภาพได้ง่ายเมื่ออุณหภูมิเกิน 295 องศาเซลเซียส ดังนั้นผู้ปฏิบัติงานจึงจำเป็นต้องควบคุมอุณหภูมิอย่างเข้มงวดภายในช่วงบวกหรือลบ 2 องศา ส่วนปัญหาส่วนใหญ่ที่พบในกระบวนการอัดรีดมักเกิดจากอัตราการระบายความร้อนที่ไม่เหมาะสม งานวิจัยแสดงให้เห็นว่ามากกว่าสองในสามของข้อบกพร่องทั้งหมดเกิดจากการระบายความร้อนที่ไม่สามารถตามความเร็วการตกผลึกของวัสดุได้ ส่งผลให้เกิดปัญหาการบิดงอ โดยเฉพาะในแอปพลิเคชันแถบตัดความร้อน