چگونه مشکلات رایج کیفیت در فرآیند اکستروژن لوله‌های پلاستیکی را حل کنیم؟

علت‌های اصلی نقص‌های کیفیت در اکستروژن لوله‌های پلاستیکی

رطوبت، تخریب حرارتی و ناپایداری ذوب: رطوبت باقی‌مانده در دانه‌های پلاستیکی باعث ایجاد بخار در حین اکسترودر می‌شود که منجر به تشکیل حباب‌ها و خالی‌ها در محصول می‌گردد. اگر دمای تحمل‌پذیری پلاستیک از حد مجاز فراتر رود، زنجیره‌های پلیمری ممکن است تجزیه شوند و رنگ پلاستیک تغییر کند. رطوبت، دما و شکل دانه‌ها می‌توانند انواع عیوب سطحی را ایجاد کنند. در مجله فرآورش پلیمرها گزارش شده است که حدود ۳۷ مورد از هر ۱۰۰ مشکل اکسترودر ناشی از مسائل مربوط به مواد است.

عوامل مرتبط با تجهیزات: سایش دای، عدم تراز صحیح ابزار و کارتن‌های تنظیم اندازه خلأ کثیف

تغییر فاصله‌ی قالب به دلیل سایش قالب، منجر به نامنظم‌بودن و تغییرپذیری ضخامت دیواره‌ی لوله‌ی PVC بیش از ۰٫۳ میلی‌متر می‌شود. عدم هم‌محوری محوری ابزارها حتی به میزان تنها ۰٫۵ درجه، توزیع جرمی شعاعی را مختل می‌کند؛ به‌همین ترتیب، جعبه‌های اندازه‌گیری خلأ کثیف یا مسدود، نمی‌توانند مکش مناسبی برای کنترل شکل‌دهی فراهم کنند. این امر برای اندازه‌گیری حجمی و پرداخت سطحی محصول مشکل‌ساز است. گزارش‌های صنعتی نشان می‌دهد که حدود ۳ مورد از هر ۵ عیب ابعادی در محصولات، ناشی از تجهیزات است و نزدیک به ۳۰ درصد از عیوب سطحی نیز ناشی از سیستم‌های خلأ نامناسب است. مسائل مکانیکی مستلزم آن است که تولیدکنندگان تنظیمات، نظارت بر سایش، تعمیر و نگهداری و همچنین تمیزکاری را به‌موقع برنامه‌ریزی کنند.

نقایص سطحی در اکسترود کردن لوله‌های پلاستیکی و راه‌حل‌های آن

پدیده‌ی شکست ذوب: پوست کوسه، پوست پرتقال و کثیف‌شدن لبه‌ی قالب

نقایص سطحی از نوع پوست کوسه و پوست نارنج در خروجی قالب به دلیل بازیابی کشسانی و ناپایداری‌های جریان رخ می‌دهند. مشکلات موجود در لبه قالب ناشی از آلودگی و توزیع نامناسب گرما در سراسر قالب ممکن است تشدید شوند. هنگامی که تجزیه پلیمر به دلیل گرما و برش بیش از حد رخ می‌دهد، این نقایص برجسته‌تر می‌شوند. بر اساس گزارش‌های اخیر صنعتی منتشرشده توسط مجله Plastics Today در سال ۲۰۲۳، یک‌سوم خطوط تولید HDPE این نقایص کیفی را گزارش کرده‌اند. خوشبختانه گزینه‌هایی برای کاهش این نقایص وجود دارد، اما باید این گزینه‌ها را به‌طور دقیق بررسی کنیم.

گزینه‌های اصلاحی شامل موارد زیر است:

۱. صیقل‌دهی لبه‌های قالب برای حذف رسوبات و بازگرداندن جریان لایه‌ای
۲. کاهش سرعت خط تولید به منظور کاهش برش بدون تأثیر بر ظرفیت تولید
۳. تنظیم دقیق‌تر دمای ذوب به‌گونه‌ای که در تمام مناطق قالب در محدوده ±۵°سانتی‌گراد باشد
۴. پایش بلادرنگ رئولوژی ذوب و ادغام آن با سیستم‌های کنترل، در مطالعات آزمایشی منجر به کاهش ۴۰ درصدی وقوع شکست ذوب شده است.

نقص‌های ناشی از ارتعاش مکانیکی: حلقه‌ها و شیارهای لرزشی ناشی از مشکلات سیستم خلأ و سیستم خنک‌کننده

حلقه‌های لرزشی و شیارهای هلیکال نشان‌دهنده‌ی تشدید مکانیکی هستند که بیشتر اوقات ناشی از عدم تراز بودن کالیبراتورهای خلأ یا جریان‌های آشفته در سیستم خنک‌کننده می‌باشند. در سال ۲۰۲۳، یک مطالعه‌ی segu صنعتی نشان داد که ۶۸٪ از نقص‌های فوق‌الذکر به دلیل عدم تعادل در همگام‌سازی پولرها و یاتاقان‌های پمپ خلأ رخ داده است که منجر به نوسانات دوره‌ای فشار شده‌اند.

برخی از اقداماتی که می‌توان انجام داد عبارتند از:

- ترازدهی لیزری غلاف‌های اندازه‌گیری و کالیبراتورهای خلأ

- نصب جاذب‌های نوسان در خطوط تأمین خلأ

- حذف آشفتگی از طریق بهینه‌سازی سرعت جریان و توزیع سیال خنک‌کننده

حفظ فشار خلأ در محدوده‌ی تغییرات ۰٫۵ بار، کاهش ضایعات مرتبط با شیارها را تا ۷۵٪ پایدار می‌کند. ناسازگانی‌های ابعادی در اکسترود کردن لوله‌های پلاستیکی

علت‌ها و کنترل‌های فرآیندی

تغییرات در قطر خارجی (OD) و ضخامت دیواره می‌تواند به‌طور قابل‌توجهی رتبه‌بندی فشار و نصب‌های میدانی را پیچیده کند. عوامل اصلی ایجاد این مشکلات عبارتند از: نوسان حجمی در تغذیه که منجر به نوسانات فشار در حین ذوب شدن می‌شود، سردشدن نامتجانس که باعث می‌شود بخش‌های مختلف با نرخ‌های متفاوتی منقبض شوند، و عدم هم‌ترازی قالب‌های فرسوده. همه این عوامل به ایجاد هندسه‌ای مشکل‌زا کمک می‌کنند. علاوه بر این، ناپایداری مکش در سیستم خلاء باعث می‌شود کل لوله به‌صورت طولی جابه‌جا شود. تحقیقات انجام‌شده در زمینه مهندسی اکسترودر نشان داده است که تغییر به سیستم تغذیه گرانومتریک، تغییرپذیری تغذیه و ناهماهنگی‌های مواد را تا ۷۰٪ کاهش می‌دهد. برای شرکت‌های اکسترودر که به‌دنبال تولید اکسترودر با کیفیت بالاتر هستند، کنترل دقیق فرآیند عامل کلیدی محسوب می‌شود.

بازرسی‌های دوره‌ای قالب‌ها و تنظیمات مبتنی بر لیزر برای حفظ یکپارچگی شکاف قالب، همچنین بازخورد بلادرنگ ضخامت دیواره و تنظیم خودکار پیچ‌های قالب از طریق میکرومتری لیزری در خط تولید، امروزه به استانداردهای صنعتی تبدیل شده‌اند. سیستم‌های خنک‌کننده مهندسی‌شده (با استفاده از جعبه‌های اندازه‌گیری خلأ) همراه با صاف‌کننده‌های جریان و مناطق تقسیم‌شده جریان آب نیز در دستیابی به کیفیت مورد نیاز نقش دارند.

این اقدامات در مجموع، به‌طور پایدار تلرانس‌های ابعادی را در محدوده ±۰٫۵٪ نگه می‌دارند و ضایعات را بیش از ۳۰٪ کاهش می‌دهند.

خرابی‌های مدیریت حرارتی در حین اکسترود کردن لوله‌های پلاستیکی

گرمایش و سردکردن نامتعادل: گرم‌شدن بیش از حد باعث تخریب زنجیره‌های پلیمری حرارتی و آزاد شدن پلیمر PVC می‌شود که منجر به ایجاد رگه‌های زرد و لکه‌های تاریک پلی‌اتیلن (PE) می‌گردد. تنش‌های داخلی در صورت سردکردن ناکافی ایجاد می‌شوند و هنگامی که ماده ترموپلاستیک تحت پردازش یا ذخیره‌سازی قرار می‌گیرد، دچار تاب خوردن شده و به شکل بیضوی درمی‌آید. میزان ضایعات ماده ترموپلاستیک در صورت حفظ دمای بخش‌های سردکردن و/یا گرمایش در فرآیند اکسترودر بالاتر یا پایین‌تر از ۸ درجه سانتی‌گراد، بیش از ۳۰٪ خواهد بود. این امر ناشی از آن است که محدوده‌های دمایی متفاوت باعث جریان یکنواخت ماده در بخش‌های مختلف می‌شوند و منجر به سفت‌شدن نامساوی و ناقص ماده ترموپلاستیک می‌گردند؛ همچنین این امر باعث ایجاد جریان نامتعادل ماده بین بخش‌های مختلف قالب می‌شود. مشکلات مربوط به دما تشخیص و رفع آن‌ها ساده نیست، اما ممکن است با یکی یا چند مورد از رایج‌ترین مشکلات کنترل فرآیند مرتبط باشد.

شناسایی نقاط داغ از طریق نقشه‌برداری حرارتی مادون قرمز از انتقالات سطل و منطقه(های) قالب.

تصویرسازی جریان و تحلیل دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) از هیدرولیک حمام(های) خنک‌کننده به منظور حذف مناطق مرده و دستیابی به خنک‌سازی یکنواخت.

بررسی سالانه کنترل‌کننده دما بر اساس استانداردهای NIST با قابلیت ردیابی تا ±۱٪.

تنطیم PID خاص هر منطقه و جریان آب خنک‌کننده بر اساس پویایی دمای ذوب، به منظور دستیابی و بازگرداندن تعادل حرارتی (جلوگیری از تخریب، تاب‌خوردگی و حفظ ابعاد).

سوالات متداول

علت عیوب مرتبط با رطوبت در فرآیند اکسترود کردن لوله‌های پلاستیکی چیست؟

عیوب ناشی از رطوبت زمانی رخ می‌دهند که رطوبت موجود در دانه‌های پلاستیکی در حین اکسترود به بخار تبدیل شده و منجر به تشکیل حباب/حفره در محصول نهایی می‌شود.

مشکلات مربوط به تجهیزات چگونه منجر به عیوب در فرآیند اکسترود می‌شوند؟

عیوب ناشی از سایش قالب اکسترود، عدم تراز بودن ابزارها و آلودگی جعبه اندازه‌گیری خلأ، منجر به ناهمگونی ضخامت دیواره، اندازه‌گیری و صافی سطح(ها) می‌شوند.

چه عیوبی روی سطح لوله‌های پلاستیکی اکسترود شده مشاهده می‌شوند؟

نواقص سطحی شامل پدیده‌های شکست ذوب هستند: پوست کوسه، پوست پرتقال و ارتعاشات مکانیکی، حلقه‌های لرزشی و شیارهای مکانیکی.

چه عاملی ناسازگانی‌های ابعادی را که در طول فرآیند اکستروژن رخ می‌دهند، توضیح می‌دهد؟

ناسازگانی‌های ابعادی شامل نوسانات حجمی در تغذیه، سردکردن نامنظم و ناپایداری سیستم خلأ می‌شوند. این ناسازگانی‌ها بر قطر خارجی، بیضوی‌بودن و ضخامت دیواره تأثیر می‌گذارند.

مدیریت حرارتی بر کیفیت لوله‌های پلاستیکی تأثیر می‌گذارد.

مدیریت حرارتی ناکارآمد می‌تواند منجر به گرم‌شدن بیش از حد، تغییر رنگ، تاب‌خوردگی یا حتی عدم تعادل دما شود؛ که این امر باعث افزایش نرخ ضایعات محصول در طول تولید و تأثیر بر صحت ابعادی آن می‌شود.