Екструдерни технологии – новости

МашиниСп. Инженеринг ревю - брой 8/2019 • 28.11.2019

Производството на пластмасови изделия се развива с динамични темпове в контекста на дигитализацията и в предприятията от сектора се налагат изисквания за все по-комплексни, ефективни, интелигентни и висококачествени технологични решения. Тази тенденция обхваща и екструдирането на термопластични полимери, при което се наблюдава непрекъсната оптимизация на оборудването, материалите, процесите и техниките. В ролята си на утвърден и широко прилаган производствен метод, екструдирането е поле за внедряване на множество иновативни разработки, подобряващи процеса на разтопяване на изходния полимерен материал и екструдирането на пластичната маса с цел формоването й в изделие с обемен или плосък профил. Традиционно чрез екструдиране се произвеждат тръби, плочи, фолиа, тънкослойни покрития за различни повърхности, както и кабелна изолация.

 

Технологично развитие в сегмента

Съвременните машини за екструдиране на термопластични полимери позволяват прецизно и високообемно производство на пластмасови изделия. Водещ фокус от страна на производителите е подобряването на енергийната ефективност на оборудването. Агенциите за маркетингови проучвания докладват за устойчив ръст на глобалния пазар на машини в сегмента в комбинация с непрекъснато нарастващо търсене на пластмасови изделия за различни цели в световен мащаб. Все повече екструдирани продукти намират приложение в автомобилния сектор, опаковъчната индустрия, електрониката, различни потребителски стоки и др. Предимство на екструдерните технологии е, че служат за производството на широк асортимент от опаковъчни решения, включително за крехки, комплексни и специфични изделия, например хранителни продукти, електронни компоненти, мобилни телефони и т. н.

Сред новостите при оборудването са двушнековите екструдери и моделите с подобрен дизайн на предавателните механизми, при които се постигат високи икономии на енергия.

Важна тенденция в сектора е отговорното използване на пластмасите и оползотворяване на отпадъците, което стимулира производителите да предлагат цялостни производствени линии с опции за рециклиране на отпадъчния материал. Оптимизацията на изходните суровини продължава да е фокус на технологичното развитие. Все по-малко екструдерни линии обработват сурови материали поради високите разходи и екологичните съображения. Възможностите за повторна употреба на рециклирана пластмаса водят до ръст при системите за пречистване на полимерните сплави от примеси и замърсители.

По данни на Allied Market Research, глобалният пазар на екструдерни машини е надминал 6 млн. щатски долара през 2017 г. и се очаква достигне 8,2 млн. долара през 2025 г. По отношение на вида машини, делът на едношнековите екструдери е представлявал около две пети от общите продажби за 2017 г., като в сегмента се очаква устойчив ръст до края на прогнозния период. Най-високи печалби през 2017 г. са реализирали производителите на двушнекови екструдерни машини – приблизително две трети от общите приходи, като експертите очакват стабилен растеж и в този сектор до края на 2025 г.

 

Екструдерни технологии и Industry 4.0

Екструдирането на термопластични полимери е сред промишлените приложения, които качествено се трансформират в хода на повсеместна дигитализация на индустрията. Множеството възможности за събиране и анализ на данни от процесите се превръщат в двигател за внедряването на технологии като Big Data и IoT в оборудването. Свързването на всяко устройство и система в комуникационна мрежа с останалите елементи на производственото оборудване позволява генериране на големи информационни масиви, на чиято база да се изготвят доклади в реално време за статуса, ефективността и производителността на технологичните линии за екструдиране. Данните от измерванията на различни параметри като температура и налягане се събират, съхраняват, изпращат и обработват с цел адаптиране и оптимизиране на производствените цикли спрямо зададените цели.

Интересни приложения намират Industry 4.0 технологиите например при ситата за разтопен полимер, които са част от системите за филтриране във формоващите глави на екструдерите. Модерните системи за смяна на ситата, предназначени за отстраняване на замърсители и подпомагане на разделянето на полимерната смес, разполагат с интелигентни функции, които позволяват автоматизиране и визуализиране на процеса. С нарастващото рециклиране на отпадъчната пластмаса нововъведенията при филтриращите и другите спомагателни системи непрекъснато се увеличават.

Свързаните и интелигентни решения позволяват по-висока гъвкавост, бързина и производителност, повишена енергийна и ресурсна ефективност на екструдерното оборудване. Разработването на “зелени” технологии в областта е в синхрон с глобалния стремеж към повишаване на екологичната пригодност и намаляване на въглеродния отпечатък на полимерната индустрия. Иновации се разработват не само по отношение на отделни елементи на оборудването, но и по посока оптимизиране на самия принцип и техники за обработка на термопластични полимери.

 

Новости в производствения метод

От структурна гледна точна ключови за подобряване на ефективността на процеса се явяват подобренията в дизайна на корпусите и шнековите устройства на шнековите екструдери. Това са двата основни компонента на системата, които играят важна роля за компресирането, загряването, пластифицирането и хомогенизирането на полимерния материал преди подаването му към формоващата глава. Макар шнековите екструдери да са най-популярни в практиката, сравнително дългият и енергоемък процес на разтопяване и транспортиране, обемната конструкция на системата и зависимостта от характеристиките на изходния материал подлежат на оптимизация. Някои производители залагат на безшнекови системи за пластифициране, базирани на принципите на вибрационната обработка, удължаването на материала и реологията (която изучава зависимостта между приложените напрежения и последващите деформации в някои пластични твърди материали като стъклото и пластмасата, които се разглеждат като флуиди на база тяхната еластичност и хидродинамика). Експериментира се и с други традиционни конструкции като буталните и дисковите екструдери.

В практиката се появяват високотехнологични разработки като три- и четиришнекови екструдери, както и модели с планетарни шнекови устройства, които осигуряват редица предимства пред конвенционалните решения. Сред тях са повишената гъвкавост, по-малкото отношение между дължината и външния диаметър (L/D) на шнека, по-голямата площ на зацепване на винта, по-високата производителност и ефективност и подобрените възможности за хомогенизиране.

На пазара се предлагат и т. нар. мултиротационни екструдерни системи с по-голяма площ и подобрен капацитет за обезгазяване, които са способни директно да обработват люспи от рециклирани PET бутилки и да ги екструдират във филм или плочи без предварително сушене или пелетизиране. Такива конструкции значително намаляват енергийната консумация на системата.

Популярни стават и технологии като вибрационното екструдиране с помощта на вибрационно силово поле, което ускорява разпадането на молекулните вериги. Поради намаления вискозитет и налягане на стопилката, т. нар. ефект на Барус (подуването на екструдата – често срещано явление при обработката на полимери, свързано с увеличаване на площта на напречното сечение на струята, изтласкана от дюзата, в сравнение с площта на отвора на дюзата, наричано още еластично възстановяване на стопилката) намалява, което води до подобрени механични свойства на крайния продукт.

Стабилният и равномерен пренос на топлина, който зависи пряко от структурата и дизайна на корпуса на екструдера, е важен елемент от процеса на екструдиране. Разработват се нови модели със спирално или аксиално набраздяване на повърхността на корпуса, подобряващ пропускателната й способност по отношение на топлината. Конструкцията включва и преграден (бариерен) винт, проектиран специално според дизайна на секцията за разтопяване и пластифициране.

Интересните разработки в областта през последните години включват едношнекови екструдери с ротационни цилиндри, при които се експериментира с различни форми и текстури на вътрешността на корпуса и секцията за стопяване и как те влияят върху ефективността на екструдиране. При тях спираловидното набраздяване отново се оказва най-ефективно, а въртящият се цилиндър за смесване допълнително оптимизира разпределението на топлината и налягането, подобрява потока на полимерната смес и енергийната ефективност.

Въртящият се корпус на шнека с непрекъснато спирално набраздяване, оборудван със самостоятелно задвижване, спомага за намаляване на кривата и вибрациите по време на процеса на въртене, като по този начин води до по-добра ефективност на нагряване. Високата стабилност на конструкцията осигурява и по-дълъг жизнен цикъл на целия екструдерен механизъм. Комбинацията от ротационен корпус и шнек има потенциал да изпълнява ролята на отделен блок за пластифициране при екструдиране и инжекционно формоване, като така позволява по-компактен корпус на машината и по-ефикасно оползотворяване на суровините.

 

Иновации при оборудването

Предизвикателство за производителите е и повишаването на производителността на екструдерните системи. Един високопроизводителен екструдер традиционно е с честота на въртене от порядъка на 500 об./мин. и производителност около 250 кг/ч. Подобряване на тези показатели обаче трудно може да бъде постигнато само чрез повишаване на скоростта на въртене, тъй като това ще съкрати времето на престой на материала в отделните секции на екструдера и ще доведе до лошо смесване и пластифициране. В резултат могат да се влошат свойствата на материала при рязкото покачване на температурата в етапа на смилане. Това не само ще компрометира пространствената стабилност на готовите изделия, но може да повреди и ключови системни компоненти като самия корпус, шнековото устройство, редуктора и лагерите.

Ето защо високоскоростните и високопроизводителните екструдери се проектират с особено внимание към качеството и издръжливостта на компонентите. При тях са необходими и система за прецизно управление на процеса, както и предавателен механизъм с висок въртящ момент.

Проучванията в областта показват, че при една и съща скорост на въртене на шнека един високоскоростен екструдер трябва да има по-дълга секция за разтопяване и по-голямо съотношение между обща дължина и външен диаметър на корпуса в сравнение с традиционните системи. Това означава увеличаване на дължината на корпуса с около една трета. Така високоскоростните системи имат и по-дълги зони за захранване с изходен материал от бункера (под формата на гранули, ленти или прах и различни добавки като оцветители и UV инхибитори), както и по-дълги участъци за компресиране и дозиране. Някои производители посочват като оптимален диаметър на шнека 75 мм. На пазара се предлагат 60-милиметрови (D) модели с производителност 1000/800 кг/ч. при екструдирането съответно на полиетилен и полипропилен.

Водеща тенденция на развитие по отношение на оборудването за екструдиране е производството на специализирани машини за специфични материали или продукти като аналог на универсалните решения. Те изискват подобрени характеристики, например устойчивост на високи температури, корозия и износване, в зависимост от вида на обработвания материал.

Сред нестандартните продукти, произвеждани чрез специализирани екструдерни системи, е кабелната изолация от омрежен F40 етилен-тетрафлуоретилен XETFE. Кабели с такъв изолационен слой се използват масово в космическата и отбранителната индустрия. Спецификите на материала изискват адекватно пластифициране при изключително кратък престой на материала в цилиндъра с цел осигуряване на гладко екструдиране.

Друг пример са т. нар. WPC панели, пръти и профили (от дървено-пластмасов композит), които се използват за направата на подови и външни настилки, облицовки, парапети и огради, мебели, врати, прозорци, опаковъчни кутии и др. На базата на двушнекови екструдери с непрекъснато смесване се проектират смесителни линии за WPC, при които е елиминиран етапът на предварително сушене. Влагата от материала се изпарява под въздействие на високите температури във фазата на смилане, като така се осигурява равномерно подаване и високо съдържание на дървесина в композита от порядъка на 75%.

Много нови възможности за производствения сектор създават и функционалните вариации на технологията коекструдиране. Достъпни са системи за коекструдиране на гъвкави и твърди материали, на пяна, на отпадъчни материали, както и за двукомпонентна коекструзия. Развитието при полимерните опаковъчни филми повишава търсенето на специализирани машини за коекструдиране на многослойни (до 9 слоя) филми с множество екструдери. От ключово значение е дизайнът на матриците за формоване на крайния продукт. Разработките в областта са фокусирани върху проектирането на по-ефективни матрици и формоващи глави за многослоен филм с помощта на най-съвременния CAD/CAE софтуер.

 

Решения за прецизно екструдиране

Приложение с нарастващо значение за ръста на глобалния пазар на екструдерни технологии е прецизното екструдиране. Чрез този метод се произвеждат високоточни изделия и компоненти за високотехнологични продукти. В допълнение, подобрената прецизност на процеса намалява загубите на материал и пести ресурси и разходи.
С цел повишаване точността на процеса се използват усъвършенствани системи за управление на машините с възможности за събиране и обработка на данни за критични процесни параметри като температурата, налягането и скоростта. Системата осъществява и непрекъснат мониторинг онлайн, като незабавно реагира дори на най-малките отклонения, проблеми и неизправности. Други иновации в областта са електромагнитните нагревателни системи, които осигуряват прецизно разпределение на топлината и увеличават надеждността и енергийната ефективност на процеса, като същевременно намаляват нуждата от поддръжка.

На пазара се предлагат системи с високопрецизни матрици и формоващи глави, способни да произведат чрез екструдиране тръби, по-тънки от човешки косъм, използвани например в минимално инвазивни артроскопски хирургични процедури.

Сред технологиите, появили се през последните две десетилетия, които продължават да набират популярност, е екструдирането с помощта на газ. При него се намалява сцеплението между стопилката и матрицата за екструдиране, като се ограничава падът на налягането и по този начин се предпазват готовите изделия от вътрешен стрес и изкривяване. Освен че подобрява качеството, технологията спомага и за намаляване на консумацията на енергия и предлага платформа за автоматичен прецизен контрол на процеса на екструдиране. Методът притежава огромен потенциал за производството на високотехнологични изделия като оптични влакна, медицински диализни тръби, изкуствени кръвоносни съдове и др.

 

Мониторинг и управление

Чрез оптимизиране работата на нагревателните, охлаждащите, задвижващите системи и матриците, съвременните блокове за управление на процеса по екструдиране подобряват ефективността, консумацията на енергия и прецизността. Това е възможно благодарение на подобренията при софтуера и хардуера за управление.
Все повече производители на оборудване за екструдиране предлагат модерни машини с възможности за онлайн мониторинг на ключови параметри като налягането и температурата, скоростта на въртене на шнека и др. Чрез усъвършенствани микроконтролери в системи със затворен контур на управление се поддържат устойчивостта и прецизността на производствения процес.

С помощта на иновациите при информационните и комуникационните технологии все повече екструдерни машини разполагат и с възможности за отдалечено управление. Линиите за екструдиране стават все по-интегрирани, свързани и интелигентни. Управлението на процесните параметри, количествата и дори поръчките е възможно директно през ERP системата за ресурсно планиране.

В резултат на все по-широкия асортимент от технологични полимери, които се разработват и произвеждат, са възможни и по-голяма свобода и разнообразие при свойствата и характеристиките на готовите изделия. Това води до бурно технологично развитие и при технологиите за екструдиране, като се експериментира непрекъснато с нови конструкции и компоненти, геометрии, процесни параметри и т. н. В сегмента навлизат и технологии като цифровото моделиране и симулация, машинното обучение и изкуствения интелект.

Посредством данни за физични параметри, като скорост на потока, налягане, сила и честота на смилане, вискозитет, температура и др., могат да се изчислят различни променливи на полимерните стопилки при отделните модели оборудване. Така е възможно да се намери оптималната формула на полимерния материал за всяка конструкция, както и най-подходящата машинна конфигурация по отношение на структурния дизайн (на корпуса, шнека, матриците и т н.) и работните параметри.

 

ЕКСКЛУЗИВНО

Top