Як вирішити поширені проблеми з якістю у процесі екструзії пластикових труб?

Основні причини дефектів якості при екструзії пластикових труб

Вологість, термічне розкладання та нестабільність розплаву. Залишкова волога в пластикових гранулах призводить до утворення пари під час екструзії, що спричиняє утворення бульбашок і порожнин у готовому виробі. Якщо температурна стійкість пластика перевищена, полімерні ланцюги можуть руйнуватися, а сам пластик — змінювати колір. Вологість, температура та форма гранул можуть викликати різноманітні дефекти поверхні. У журналі «Polymer Processing» повідомляється, що близько 37 із 100 проблем, пов’язаних з екструзією, зумовлені проблемами, пов’язаними з матеріалом.

Чинники, пов’язані з обладнанням: знос матриці, неправильне вирівнювання інструментів та забруднені вакуумні калібрувальні камери

Зміщення зазору матриці через її зношення призводить до непостійної та змінної товщини стінок ПВХ-труби більше ніж на 0,3 мм. Осьове несуміщення інструментів лише на 0,5 градуса порушує радіальний розподіл маси; аналогічно забруднені або засмічені вакуумні калібрувальні камери не забезпечують належного вакуумного всмоктування для контролю формування. Це створює проблеми щодо об’ємного калібрування та якості поверхні продукту. Згідно з промисловими звітами, приблизно 3 із 5 дефектів у розмірах продукту пов’язані з обладнанням, а майже 30 % поверхневих дефектів — з неефективними вакуумними системами. Механічні несправності змушують виробників своєчасно планувати регулювання, моніторинг зносу, технічне обслуговування та очищення.

Поверхневі дефекти при екструзії пластикових труб та їх усунення

Явища розриву розплаву: «шкіра акули», «шкіра апельсина» та забруднення кромки матриці

Дефекти поверхні, що нагадують шкіру акули та шкіру апельсина, виникають на виході матриці через пружне відновлення та нестабільність потоку. Проблеми на кромці матриці, спричинені забрудненням та нерівномірним розподілом тепла по матриці, можуть погіршуватися. Коли відбувається розклад полімеру через перегрів і надмірне зсувне навантаження, ці дефекти стають більш вираженими. Згідно з останніми промисловими звітами журналу Plastics Today (2023 р.), якісні дефекти такого типу спостерігаються на третині ліній для виробництва HDPE. На щастя, існують способи зменшення цих дефектів, однак їх слід розглянути детально.

Коригувальні заходи включають:

1. Полірування кромок матриці для видалення насаджень, що відновлює ламінарний потік
2. Зниження швидкості роботи лінії для зменшення зсувного навантаження без втрати продуктивності
3. Уточнення контролю температури розплаву в межах ±5 °C у всіх зонах матриці
4. Використання системи реального часу для моніторингу реології розплаву, інтегрованої в системи керування, у пілотних дослідженнях показало зниження частоти виникнення розплавного розтріскування на 40 %.

Механічні дефекти, пов’язані з вібрацією: кільця та канавки від проблем із вакуумною та системою охолодження

Кільця та гелікоподібні канавки свідчать про механічний резонанс, який найчастіше виникає через неправильне вирівнювання вакуумних калібраторів або турбулентні потоки в системі охолодження. У 2023 році в промисловому дослідженні встановлено, що 68 % зазначених вище дефектів спричинені невідповідністю синхронізації витягувальних пристроїв та підшипниками вакуумного насоса, що призводить до циклічних коливань тиску.

Деякі заходи, які можна вжити:

- Лазерне вирівнювання калібрувальних рукавів та вакуумних калібраторів

- Встановлення демпферів пульсацій на магістральних лініях подачі вакууму

- Усунення турбулентності шляхом оптимізації швидкості потоку та розподілу охолоджуючої рідини

Підтримка вакуумного тиску в межах допустимого відхилення 0,5 бар забезпечує стабілізацію зниження браку, пов’язаного з канавками, на рівні 75 %. Розмірні невідповідності при екструзії пластикових труб

Причини та процесний контроль

Відхилення зовнішнього діаметра (OD) та товщини стінки можуть значно ускладнювати визначення робочого тиску та монтаж у польових умовах. Основними причинами цих проблем є: нестабільність об’ємної подачі, що призводить до коливань тиску під час плавлення; нерівномірне охолодження, внаслідок якого різні частини виробу стискуються з різною швидкістю; а також невідповідність (перекіс) зношених матриць. Усі ці фактори спричиняють порушення геометричних параметрів виробу. Крім того, нестабільність розрідження в вакуумній системі призводить до повздовжнього зміщення всього трубопроводу. Дослідження в галузі інженерії екструзії показали, що перехід на гравіметричну подачу зменшує варіації подачі та неоднорідність матеріалу аж на 70 %. Для компаній, що займаються екструзією й прагнуть підвищити якість своєї продукції, надійний контроль технологічного процесу є ключовим чинником.

Регулярні огляди матриць і лазерні коригування для збереження цілісності зазору матриці, а також зворотний зв’язок у реальному часі щодо товщини стінки й автоматичне регулювання болтів матриці за допомогою лінійної лазерної мікрометрії стали галузевими стандартами. Інженерне охолодження (за допомогою вакуумних калібрувальних коробок) із вирівнювачами потоку та сегментованими зонами водяного потоку також сприяє досягненню необхідної якості.

У сукупності ці заходи постійно забезпечують дотримання розмірних допусків у межах ±0,5 % і знижують відходи більш ніж на 30 %.

Несправності термокерування під час екструзії пластикових труб

Диференційне нагрівання та охолодження: перегрів призводить до деградації теплостійкого полімерного ланцюга й виділення полівінілхлориду (PVC), що викликає жовтуваті смугасті та темні плями з поліетилену (PE). Внутрішні напруження виникають у разі недостатнього охолодження; коли термопластичний матеріал піддається обробці або зберігається, він деформується й набуває овальної форми. Кількість термопластичного матеріалу, що буде втрачена, перевищує 30 %, якщо температура підтримується вище або нижче 8 °C у зонах охолодження та/або нагрівання під час процесу екструзії. Це пов’язано з тим, що різні температурні діапазони спричиняють нерівномірне протікання матеріалу в різних секціях, що призводить до його затвердіння в різних і неповних темпах, а також до різниці в швидкості протікання матеріалу між окремими секціями матриці. Проблеми, пов’язані з температурою, не завжди легко виявити або усунути, однак вони можуть бути пов’язані з однією або кількома типовими проблемами контролю процесу.

Визначення «гарячих точок» за допомогою інфрачервоного теплового картографування переходів корпусу екструдера та зони(зон) матриці.

Візуалізація потоку та CFD-аналіз гідравліки ванни(ванн) охолодження для усунення «мертвих зон» та забезпечення рівномірного загартування.

Щорічна верифікація температурного контролера відповідно до стандартів NIST, що мають похибку ±1%.

Специфічне для кожної зони налаштування ПІД-регулятора та регулювання витрати охолоджувальної води на основі динаміки температури розплаву забезпечують досягнення та відновлення теплової рівноваги (запобігання деградації, коробленню та збереженню розмірів).

ЧаП

Що спричиняє дефекти, пов’язані з вологістю, у процесі екструзії пластикових труб?

Дефекти, пов’язані з вологістю, виникають, коли волога в пластикових гранулах перетворюється на пару під час екструзії, утворюючи бульбашки/пори в кінцевому продукті.

Як проблеми, пов’язані з обладнанням, призводять до дефектів у процесі екструзії?

Дефекти, спричинені зносом екструзійної матриці, неправильним положенням інструментів та забрудненням вакуумної калібрувальної камери, призводять до неоднорідності товщини стінок, неточностей у розмірах та порушень рівності поверхні(поверхонь).

Які дефекти спостерігаються на поверхні пластикових труб, отриманих методом екструзії?

Поверхневі дефекти включають явище розриву розплаву: «шкіру акули», «шкіру апельсина» та механічні вібрації, дрожжові кільця та механічні борозни.

Що пояснює розбіжності у розмірах, що виникають під час процесу екструзії?

Розбіжності у розмірах включають нестабільну об’ємну подачу матеріалу, нерівномірне охолодження та нестабільність вакуумної системи. Ці розбіжності впливають на зовнішній діаметр, овалізацію та товщину стінки.

Термокерування впливає на якість пластикових труб.

Недостатнє термокерування може призводити до перегріву, зміни кольору, деформації або навіть температурного дисбалансу, що спричиняє зростання частки браку продукції під час виробництва та порушує розмірну точність.