Układ uplastyczniający wytłaczarki - Plastnews - Iwko, PWR-W10 - MiBM, semestr IV, Tworzywa sztuczne - Dr ...

[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Poradnik
przetwórcy tworzyw sztucznych
Wybrane problemy procesu Wytłaczania
tWorzyW polimeroWych
cz. 1.
układ uplastyczniający
wytłaczarki
Popularną metodą przetwórstwa tworzyw sztucznych jest wytłaczanie. Nie jest wbrew pozorom pro-
cesem prostym do przeprowadzenia w praktyce i może się wiązać z problemami związanymi z ukła-
dem uplastyczniającym wytłaczarki lub z procesem formowania materiału polimerowego. Te pierw-
sze trudności związane są z mechanicznym zużyciem elementów maszyn przetwórczych, stabilnością
całego procesu oraz jego optymalizacją, tzn. doborem odpowiednich parametrów procesu oraz pa-
rametrów geometrycznych elementów wytłaczarki.
Wytłaczanie
Jest to ciągły proces otrzymy-
wania wyrobów lub półwyro-
bów z tworzyw polimerowych,
polegający na uplastycznieniu
materiału w układzie uplastycz-
niającym wytłaczarki, a następ-
nie jego uformowaniu poprzez
wyciśnięcie przez głowicę za-
kończoną odpowiednio ukształ-
towanym ustnikiem.
Wytłaczanie ślimakowe jest
jedną z najbardziej rozpowszech-
nionych metod przetwórstwa two-
rzyw polimerowych, znajdującą
zastosowanie przede wszystkim
do produkcji różnego typu kształ-
towników, takich jak rury, płyty,
taśmy, folie. Proces wykorzystuje
się ponadto do produkcji różnego
typu pojemników, butelek oraz do
powlekania kabli elektrycznych.
Proces wytłaczania nie jest
wbrew pozorom procesem pro-
stym do przeprowadzenia w prak-
tyce. Lepkosprężyste właściwości
stopionych polimerów oraz czę-
sto złożone lub duże gabarytowo
kształty otrzymywanych profili
sprawiają różnorodne problemy
w procesie ich otrzymywania,
szczególnie z punktu widzenia
odwzorowania kształtu oraz sta-
czynników, związanych z układem
ślimak – cylinder wytłaczarki.
bilności wymiarowej. Wytłaczar-
ka jest obiektem trudnym do ste-
rowania. Pojawiające się niestabil-
ności są często wywołane czynni-
kami niezależnymi od przetwór-
cy, jak np. wahaniami napięcia za-
silającego maszynę. Agresywne
warunki panujące w maszynie,
tj. wysoka temperatura, duże ci-
śnienie, znaczne naprężenia ści-
nające oraz często obecność róż-
nych napełniaczy, jak włókna
szklane, kaolin i inne powodują
przyśpieszone zużycie maszyn
przetwórczych.
Producenci sprzętu do prze-
twórstwa tworzyw polimero-
wych oraz przetwórcy muszą,
zatem zmagać się z różnego typu
problemami, które podzielić
można umownie na dwie grupy:
1. problemy związane z układem
uplastyczniającym wytłaczar-
ki, tj. jej zużyciem mechanicz-
nym, stabilnością całego pro-
cesu oraz jego optymalizacją,
tzn. doborem odpowiednich
parametrów procesu oraz pa-
rametrów geometrycznych
elementów wytłaczarki,
2. problemy związane z proce-
sem formowania materiału
polimerowego, tzn. kon-
strukcją głowicy oraz ustni-
ka kształtującego wyrób
(efekt pęcznienia strugi) oraz
skurczem wytłaczarskim, jak
również odpowiednią kon-
strukcją kalibratorów.
zużycie mecha-
niczne układu upla-
styczniającego wy-
tłaczarki
Układ uplastyczniający wytła-
czarki to jeden z jej najważniej-
szych układów, spełniający czte-
ry podstawowe funkcje:
1. ogrzewanie tworzywa do
stopienia i do wymaganej
przez proces temperatury,
2. sprężanie tworzywa w celu
usunięcia powietrza spomię-
dzy jego ziaren i wytworzenia
w nim ciśnienia wystarczają-
cego dla pokonania oporów
przepływu przez głowicę,
3. mieszanie stopionego two-
rzywa w celu zapewnienia
jednorodności jego składu
i temperatury,
4. dostarczanie tworzywa do
głowicy ze stałą prędkością.
W wytłaczarkach najczęściej
stosuje się ślimakowe układy
uplastyczniające, zbudowane
z cylindra, ślimaka, leja zasypo-
wego, układu grzewczego oraz
chłodzącego. Spośród tych ele-
W niniejszym artykule omó-
wiona zostanie pierwsza grupa
52
PlastNews 7/8’2008
Poradnik
przetwórcy tworzyw sztucznych
mentów największemu zużyciu
ulegają ślimaki.
warunkach, ślimaki oraz cylin-
dry ulegają różnym rodzajom zu-
życia, które ze względu na jego
przyczyny podzielić można na:
zużycie ścierne, spowodowa-
ne tarciem tworzywa w stanie
stałym o ślimak i cylinder; ma
miejsce głównie w strefach za-
silania (zawsze) i dozowania
(przetwórstwo polimerów
z napełniaczami stałymi),
zużycie erozyjne, mające miej-
sce głównie w procesach wy-
tłaczania polimerów z twardy-
mi napełniaczami stałymi
w warunkach dużych szybko-
ści obrotowych ślimaka; wy-
stępuje w strefach uplastycz-
niania i dozowania, a zużyciu
podlegają głównie krawędzie
boczne zwojów ślimaka,
zużycie korozyjne, stanowiące
wynik reakcji chemicznej po-
między metalem a uwalnianą
z materiału parą wodną, pro-
duktami degradacji polime-
rów jak tlen czy chlorowodór
czy wreszcie niektórymi do-
datkami, jak plastyikatory czy
antypireny polimerowe; zaata-
kowane korozyjnie powierzch-
nie stali są szczególnie podat-
ne na zrywanie ścierne, które
powodują przede wszystkim
napełniacze mineralne; zjawi-
ska te obserwowane są głow-
nie w streie dozowania,
zużycie zmęczeniowe, które
może mieć miejsce w wyniku
niewłaściwego wyboru mate-
riału konstrukcyjnego lub nie-
odpowiednich warunków
w procesie wytwarzania ślima-
ków; prawdopodobieństwo
uszkodzeń wzmaga się, gdy
brak jest strefy przejściowej
pomiędzy utwardzoną war-
stwą wierzchnią ślimaka a ma-
teriałem podłoża - wskutek
wielokrotnego odkształcania
warstwy wierzchniej w trakcie
pracy tworzą się szczeliny pod-
powierzchniowe, co powoduje
wykruszenie twardej, ale kru-
chej warstwy wierzchniej.
Typową krzywą zużycia śli-
maka wytłaczarki jednoślimako-
wej na jego długości przedstawio-
no na rys. 1. Maksimum zużycia
występujące mniej więcej pod ko-
niec strefy zasilania wynika
z wzrastającego ciśnienia mate-
riału w tej streie, a więc z wzra-
stającymi oddziaływaniami ścier-
nymi pomiędzy stałymi cząstka-
mi polimeru a materiałem ślima-
ka. W streie uplastyczniania za-
czyna tworzyć się materiał w sta-
nie płynnym, który działając jak
smar zmniejsza zużycie ślimaka.
Ponowny wzrost zużycia pod ko-
niec strefy dozowania tłumaczo-
ny jest wzrostem oddziaływań ko-
rozyjnych dla polimerów niena-
pełnianych oraz zużyciem ścier-
nym dla tworzyw napełnionych,
będących m.in. wynikiem wzro-
stu intensyikacji warunków prze-
pływu, jak również możliwym
2YS
3CHEMATYCZNAKRZYWAZUYCIA
yLIMAKAWYTACZARSKIEGO
WPROCESIEWYTACZANIA0%
ZZAWARTOyCITWARDEGO
NAPENIACZAMINERALNEGO
tarcia
Zużywanie się elementów ukła-
du uplastyczniającego wytłaczar-
ki, głównie zużycie ścierne, sta-
nowi istotne zagadnienie zarów-
no z punktu widzenia zapewnie-
nia odpowiednich warunków
technologicznych, jak również
ekonomiki całego procesu. Pod-
czas pracy układu uplastycznia-
jącego, główną rolę odgrywa tar-
cie pomiędzy tworzywem a śli-
makiem oraz cylindrem, wystę-
puje również tarcie pomiędzy śli-
makiem a cylindrem.
Analizując proces tarcia po-
między tworzywem a elementami
układu uplastyczniającego, należy
rozróżnić tarcie w streie transpor-
tu tworzywa stałego (zasilania) od
tarcia w strefach uplastyczniania
i dozowania, gdzie materiał wystę-
puje już w stanie plastycznopłyn-
nym. Bardzo istotne jest również
oddziaływanie napełniaczy oraz
ewentualnych zanieczyszczeń wy-
stępujących w tworzywie. Nato-
miast tarcie pomiędzy ślimakiem
a cylindrem może wystąpić szcze-
gólnie w momencie rozruchu ma-
szyny, jak również w przypadku
tzw. wyboczenia ślimaka, które
mogło mieć miejsce np. w wyniku
zamontowania w wytłaczarce gło-
wicy o znacznym ciężarze bez jej
podparcia lub też w wyniku nie-
odpowiedniego wykonania, czy
też montażu poszczególnych ele-
mentów układu.
ZUYCIE;MM=
POOENIENADUGOyCI
UKADUUPLASTYCZNIAJCEGO
tarciem swobodnego końca śli-
maka o cylinder. Bardzo duży
wpływ na stopień zużycia ma
obecność i ilość materiału wtór-
nego w polimerze (obecność
ściernych zanieczyszczeń), rodzaj
i ilość napełniacza oraz rodzaj
materiału powierzchniowego,
zużycie
Tworzywo podczas procesu prze-
twórstwa poddawane jest oddzia-
ływaniom cieplnym i mechanicz-
nym, których charakter na dłu-
gości ślimaka ulega zmianie –
materiał ulega stopieniu, zmienia
się temperatura i ciśnienie mate-
riału transportowanego w kanale
ślimaka, może następować uwol-
nienie wody z materiału lub jego
degradacja. W tak zmiennych
PlastNews 7/8’2008
53
Poradnik
przetwórcy tworzyw sztucznych
np. ślimaki azotowane mają kil-
kukrotnie większe zużycie od śli-
maków napawanych odpowied-
nimi stopami odpornymi na ście-
ranie.
Zużycie zwojów ślimaka jest
kilkakrotnie (3-6 razy) większe
niż jego rdzenia. W układach
uplastyczniających zużywają się
również cylindry, choć ich zuży-
cie jest 2-4-krotnie mniejsze niż
ślimaków.
pulsacje ciśnienia,
homogenizacja termiczna
tworzywa opuszczającego
wytłaczarkę,
homogenizacja materiałowa
(mechaniczna) materiału
opuszczającego układ.
czyny. Jeżeli proil temperatury
stopu jest stały (brak pulsacji),
wahania w ciśnieniu (i natęże-
niu przepływu) prawdopodob-
nie pochodzą od jednej albo
więcej następujących przyczyn:
wahania przy podawaniu
materiału w leju zasypowym
(zwykle do poprawienia
przez transport wymuszony
w zasobniku),
wahania szybkości obroto-
wej ślimaka (łatwo dostrze-
galne),
wahania temperatury cylin-
dra (wahania długotrwałe),
nieprawidłowe zaprojekto-
wanie ślimaka i / lub warun-
ków przetwórstwa.
rowe modelowanie procesów
przetwórczych. Stanowi ono nie-
drogie oraz efektywne narzędzie
projektowania i badań. Pakiety
programowe służące do tego celu
można najogólniej podzielić na
dwie grupy: ogólnie zorientowa-
ne (o ogólnym przeznaczeniu,
mające zastosowanie w zasadzie
do dowolnego procesu przetwór-
czego) oraz zorientowane na
określoną technikę przetwórczą
(np. programy modelujące tylko
proces wytłaczania jednoślima-
kowego, wtryskiwania czy zapeł-
niania formy wtryskowej).
Obecnie znanych jest kilka
programów służących do mo-
delowania procesu wytłaczania
jednoślimakowego :
Extrud (Scientiic Process &
Research Inc., NJ, USA)
Extrucad (Mc Master Uni-
versity, Hamilton, Kanada)
REX (Padeborn University,
Niemcy)
Cemextrud (Centre of Ma-
terials Processing, Sophia
Antipolis, Francja)
SSEM (Politechnika War-
szawska)
Fluktuacja temperatury
Jest to wahanie temperatury
o danym okresie i amplitudzie.
W przetwórstwie tworzyw wy-
stępują zarówno luktuacje krót-
kookresowe (o okresie ok. kilku
sekund i amplitudzie do kilku-
nastu °C), jak również niezależ-
ne od nich luktuacje długookre-
sowe (o okresie od kilku do kil-
kudziesięciu minut i amplitudzie
również do kilkunastu °C). Nie
jest jeszcze do końca wyjaśnione
powstawanie wahań temperatu-
ry. Fluktuacja krótkookresowa
należy do podstawowych miar
poprawności procesu uplastycz-
niania, dla danego tworzywa
wzrasta ona wraz ze wzrostem
wysokości kanału w streie do-
zowania oraz natężenia przepły-
wu materiału, maleje natomiast
wraz ze wzrostem długości stre-
fy dozowania.
problemy niestabil-
ności procesu upla-
styczniania tworzyw
przy wytłaczaniu
Ocena efektywności procesu upla-
styczniania może być dokonana
na dwa podstawowe sposoby, tj.
poprzez analizę tzw. wskaźników
bezpośrednich oraz pośrednich.
Wskaźniki bezpośrednie do-
tyczą wielkości izycznych, któ-
re charakteryzują proces upla-
styczniania pod kątem całościo-
wym oraz jego stabilności. Moż-
na dokonywać ich pomiaru bez-
pośrednio w procesie wytłacza-
nia lub wymagają prostych prze-
liczeń innych mierzonych wiel-
kości. Najważniejsze z nich to:
wydajność procesu upla-
styczniania (masowe lub ob-
jętościowe natężenie prze-
pływu tworzywa opuszczają-
cego układ uplastyczniający),
jednostkowe zużycie energii
(zużycie energii na jednostkę
masy tworzywa opuszczają-
cego układ uplastyczniający),
proile ciśnienia i temperatury
na długości kanału ślimaka,
proil względnej szerokości
złoża stałego (lub stopu) na
długości kanału ślimaka.
programy komputerowe
Oferowane są również różne pro-
gramy komputerowe dla diagno-
zy i usuwania błędów w procesie
wytłaczania. Jednym z nich jest
Xtru-Xpert opracowany przez ir-
mę Polydynamics we współpracy
z Polyexpert. Użytkuje on dwa po-
ziomy wiedzy: praktyczną wiedzę
z zakładu produkcyjnego i szybkie
obliczenia matematyczne realizo-
wane przez równania algebraiczne
i formuły przybliżeń.
Program ten analizuje proble-
my dotyczące zarówno układu
uplastyczniającego wytłaczarki
(niestabilności, zużycie mecha-
niczne i inne), jak również trud-
ności związane z otrzymanym
proilem (np. efekt „skóry rekina”,
widoczne linie łączenia lub smu-
gi płynięcia) oraz posiada dodat-
kowy moduł dla procesu współ-
wytłaczania.
Wskazuje on przyczynę pro-
blemu poprzez szczegółowe za-
pytania, obliczenia lub symula-
cję pakietem Extrucad.
pulsacja ciśnienia
Jest to wahanie ciśnienia materia-
łu o amplitudzie do kilku MPa.
Zależy głównie od właściwości
tworzywa, średnicy ślimaka oraz
jego prędkości obrotowej.
Na ogół dla danego materia-
łu pulsacja rośnie, a następnie
w streie dozowania maleje osią-
gając niewielkie wartości na
końcu tej strefy. Pulsacja ciśnie-
nia zwykle wywołuje pulsację
natężenia przepływu.
Systemy te umożliwiają pro-
gnozowanie przebiegu procesu
wytłaczania na podstawie danych
warunków technologicznych tego
procesu, geometrii układu upla-
styczniającego i głowicy oraz wła-
ściwości przetwarzanego tworzy-
wa. Jako rezultat otrzymuje się
przede wszystkim wartość natę-
żenia przepływu tworzywa, zuży-
cie mocy oraz proile temperatu-
ry, ciśnienia i względnej szeroko-
ści złoża stałego na długości ka-
nału ślimaka. Programy te nie
rozwiązują jednak zadania od-
wrotnego, tj. nie umożliwiają
przewidywania wartości wejścio-
wych na podstawie zadanych
wielkości wyjściowych, nie stwa-
rzając możliwości optymalizacji
procesu. W ostatnich latach pod-
jęto jednak szereg prac, w tym
również w literaturze polskoję-
Wskaźniki pośrednie mówią
o wielkościach izycznych opi-
sujących proces uplastyczniania
z punktu widzenia szczegóło-
wego i niestabilności. Należą do
nich przede wszystkim:
luktuacje temperatury ma-
teriału,
pulsacja natężenia
przepływu
Jest jednym z najważniejszych
wskaźników poprawności pro-
cesu wytłaczania. Pulsacja natę-
żenia przepływu przekłada się
w prosty sposób na pogorszenie
stabilności wymiarowej wytło-
optymalizacja
procesu
wytłaczania
Jednym z głównych kierunków
rozwoju przetwórstwa tworzyw
sztucznych jest obecnie kompute-
54
PlastNews 7/8’2008
Poradnik
przetwórcy tworzyw sztucznych
zycznej, które umożliwiają roz-
wiązanie takiego zadania, tzn.
problemu optymalnego doboru
temperatur stref grzejnych cylin-
dra, prędkości obrotowej ślimaka
oraz wysokości kanału w streie
dozowania pod kątem maksy-
malnej wydajności wytłaczania,
minimalnego zużycia mocy itp.
Generalnie ocena jakości pro-
cesu wytłaczania jest bardzo zło-
żona. Jednym z głównych czynni-
ków odpowiedzialnych za cechy
doraźne oraz odporność na sta-
rzenie wyrobu są warunki, w ja-
kich tworzywo przebywało w wy-
tłaczarce. Warunki te to przede
wszystkim ciśnienie, temperatura
oraz czas przebywania tworzywa
w maszynie. Czas wytłaczania
określony jest głównie poprzez
konstrukcję oraz wymaganą wy-
dajność wytłaczarki. Jedynym, za-
tem bezpośrednio regulowalnym
parametrem pozostaje tempera-
tura. W tym celu niezbędna jest
optymalizacja mocy, liczby, wy-
miarów oraz rozmieszczenia stref
grzejnych wytłaczarki oraz ukła-
dów nimi sterujących. W literatu-
rze polskojęzycznej znaleźć moż-
na informacje o sposobach prze-
prowadzenia takich analiz, pro-
ponując zamiast konwencjonal-
nego układu regulacji temperatu-
2YS
+RZYWEPULSACJICIyNIENIAWPROCESIEWYTACZANIA,$0%.OBRMIN
syLIMAKTYPOWYsyLIMAKNIEKONWENCJONALNY
podsumowanie
Wytłaczanie tworzyw sztucz-
nych może wiązać się z różnymi
problemami, w tym związanymi
z układem uplastyczniającym
wytłaczarki. Aktualnie badane
są procesy symulacji m.in. pro-
cesów wytłaczania z rozdmu-
chiwaniem oraz wytłaczania
dwuślimakowego. Wydaje się,
że w przyszłości większy nacisk
powinien zostać położony na
rozwój nowych technologii pro-
jektowania maszyn i zgłębiania
narzędzi sztucznej inteligencji.
Jacek Iwko
Politechnika Wrocławska
literatura:
1. E.Bociąga,Podstawoweproblemytrybologiczneukładów
uplastyczniającychmaszynprzetwórczych,Polimery,2001,
46,107
2. M.Hebda,A.Wachal,Trybologia,WNT,Warszawa,1980
3. Z. Lawrowski, Tribologia. Tarcie, zużycie, smarowanie,
PWN,Warszawa,1993
4. R. Sikora, Przetwórstwo tworzyw wielkocząsteczkowych,
Wyd.EdukacyjneZofiiDobkowskiej,Warszawa,1993
5. B.H.Maddock,Measurementandanalysisofextrudersta-
bility,SPEJournal,1964,20,1277
6. T.Sterzyński,Instabilitiesofthesingle-screwextrusionpro-
cess,Polimery,1999,44,558
7. AndersonJ.iin.,Troubleshootingextrusionproblems,AN-
TEC,1997,1,127
8. C.Rauwendaal,PolymerExtrusion,HanserPubl.,Munich,1990
9. K.Wilczyński,Reologiawprzetwórstwietworzywsztucznych,
WNT,Warszawa,2001
10.K.Wilczyńskiiin.,Optymalizacjaprocesuwytłaczaniajed-
noślimakowegotworzywsztucznych.Metodastatystyczna,
Mechanik,2003,10,618
11.K.Wilczyńskiiin.,Optymalizacjaprocesuwytłaczaniajed-
noślimakowegotworzywsztucznych.Metodasiecineurono-
wych,Mechanik,2004,7,470
12.K.Wilczyńskiiin.,Optymalizacjaprocesuwytłaczaniajed-
noślimakowegotworzywsztucznych.Metodaalgorytmów
genetycznych,Mechanik,2005,7,606
13.B.Broel-Plater,Optymalizacjasterowaniaprocesemwytła-
czania,Polimery,1997,42,386
14.Xtru-Xpert,www.polydynamics.com
15.J.Vlachopoulos,Mat.Konf.ATV-SemappMeeting,Odense,
Dania,1998
P
-0A
$MM
0
,MM
Rys. 3. Przykładowe możliwości programu Xtru-Xpert
ry (termopary) - tzw. układu hie-
rarchicznego regulacji temperatu-
ry, którego zastosowanie umożli-
wia stosunkowo łatwą optymali-
zację całego procesu pod kątem
wspomnianych wyżej warunków.
PlastNews 7/8’2008
55
[ Pobierz całość w formacie PDF ]

  • zanotowane.pl
  • doc.pisz.pl
  • pdf.pisz.pl
  • emaginacja.xlx.pl

    •