Понимание процесса экструзии: основное руководство по современному производству

Экструзия является краеугольным камнем современного производства и предлагает универсальный метод производства широкого спектра материалов и продуктов. Цель этого руководства — предоставить читателям целостное понимание экструзии, изложив ее основные принципы, различные типы используемых материалов и различные применения в промышленности. Мы рассмотрим технические детали, такие как процессы нагрева, формования и охлаждения, которые задействованы в экструзии, чтобы выявить ее эффективность с точки зрения скорости, размера и точности. Изучая сложности, окружающие эту технологию, читатели смогут оценить, как она повлияла на проектирование и разработку продукции, что привело к инновациям и познакомило их с этим важным промышленным процессом.

Что такое экструзия и как она работает?

Как функционирует процесс экструзии

Процесс экструзии начинается с подачи сырья в бункер, который затем транспортирует его в цилиндр. В этом цилиндре материалы нагреваются и подвергаются давлению до тех пор, пока они не размягчатся и не станут податливыми. Обычно в этой транспортировке помогает вращающийся винтовой механизм, одновременно смешивая и сжимая материал. Когда он становится достаточно гибким, его проталкивают через матрицу, где он принимает желаемую форму. После выхода из матрицы его охлаждают, чтобы его новая форма затвердела на месте. Эти этапы гарантируют точность, гарантируя, что каждое изделие имеет одинаковые размеры на протяжении любого производственного цикла.

Роль трения в экструзии

Трение имеет большое значение во время экструзии, поскольку оно влияет как на поток материала, так и на общую эффективность операций. Вращающийся шнек перемещает сырье вниз по стволу, одновременно генерируя тепло за счет трения между собой, стволом и этими веществами. Это тепло служит для их размягчения, тем самым делая возможным их переход из одного состояния (твердого) в другое, более пластичное (жидкое). Но избыточное трение может вызвать перегрев, в результате чего некоторые детали могут деградировать или привести к неравномерному конечный продукт, тем самым указывая на то, что сдвигающие силы также должны хорошо контролироваться; следовательно, необходим тщательный контроль над такими переменными, как размер диаметра и т. д. среди прочих, иначе известный как управление сдвигающими силами. Таким образом, тщательный контроль трения становится важным аспектом достижения оптимальной производительности во время экструзии, особенно при работе с пластиком.

Значение экструдерных головок

Ключевым компонентом любой экструдерной системы являются ее матрицы, поскольку эти устройства определяют, какую форму и размеры приобретут объекты после прохождения через них, а также их размеры, которые в конечном итоге сами становятся конечными продуктами, пройдя определенные процессы по ходу процесса. производственная линия до достижения этой точки, называемой зоной выхода из матрицы. Точность изготовления матрицы обеспечивает равномерность по всем сечениям, полученным в ходе метода теплой обработки, когда материал течет равномерно, не прилипая ни к чему внутри устройства, используемого для удержания заготовки, подвергаемой формованию; поэтому, если мы хотим, чтобы все было правильно, то наши матрицы должны быть сделаны правильно, гарантируя, что материалы оставляют постоянно контролируемую ширину при прохождении через них, чтобы полностью избежать неравномерности толщины. Кроме того, хорошая конструкция матрицы помогает сократить отходы, поскольку она способствует эффективному использованию материалов в производственных процессах, что, в свою очередь, способствует экономии времени, затрачиваемого на такие действия, следовательно, делая экструзию более рентабельной. В конечном счете, эти факторы служат ориентирами, необходимыми для поддержания высоких стандартов в экструзии, поскольку не остается места для ошибок из-за отсутствия точности на протяжении всей процедуры.

Какие виды экструзии существуют?

Горячая и холодная экструзия

При выполнении горячей экструзии материалы обрабатываются при температурах, которые выше точки рекристаллизации экструдированного металла или полимера. Это означает, что тепло используется в процессе экструзии для получения лучших результатов. Этот подход также помогает улучшить пластичность материала, тем самым облегчая деформацию и позволяя производить формы, которые в противном случае потребовали бы значительных усилий для формования. Поэтому он обычно применяется в металлах, поскольку это может привести к лучшим механическим свойствам конечного продукта.

С другой стороны, холодная экструзия происходит при комнатной температуре или немного выше, когда металлы не обладают достаточной пластичностью, что требует применения повышенного давления из-за сниженной пластичности. Хорошая сторона этого метода заключается в том, что он позволяет изготавливать высокоточные детали с узкими допусками, поскольку сниженные тепловые эффекты могут обеспечить лучшую размерную точность. Такая отделка поверхности и прочность (механические свойства) обычно являются критическими факторами для многих полимеров и некоторых металлов при их выборе для использования с холодной экструзией. Каждый метод имеет свои собственные уникальные приложения в зависимости от свойств материала и желаемых результатов в процессе экструзии.

Объяснение прямой и непрямой экструзии

Прямой (также известный как форвард) экструзия подразумевает выталкивание материала через матрицу в соответствии с приложенным давлением, так что обеспечивается непрерывный поток, в результате чего получается цельное изделие однородной формы, в то время как непрямой (обратный) тип подразумевает перемещение матрицы к заготовке, а не наоборот, в результате чего возникают меньшие потери на трение вместе с меньшими требованиями к усилию, тем самым обеспечивая более точные допуски на отделку за счет уменьшенных сил трения, возникающих во время процедур обратной экструзии, принимаемых в зависимости от конкретных потребностей, обусловленных различными применениями, характеризующимися различными материалами.

Преимущества гидростатической экструзии по сравнению с другими методами

Гидростатический метод отличается от обычных методов, поскольку он облегчает обработку сложных геометрий без большого трения, что в свою очередь снижает используемые силы формования, обеспечивая при этом однородность потока, тем самым повышая точность размеров, а также способствуя получению качественных поверхностей; кроме того, такой подход позволяет выдавливать чрезвычайно пластичные вещества при гидростатическом давлении, не вызывая заметного упрочнения, тем самым сохраняя их наилучшие механические свойства. Кроме того, этот метод позволяет работать с теми материалами, которые нелегко обработать обычными средствами, расширяя области его применения и подчеркивая задействованные силы сдвига.

Какие материалы можно экструдировать?

Экструзия металла для производства

Для производства компонентов с определенными профилями поперечного сечения металлическая экструзия является ключевым методом в промышленности. Алюминий, медь и магний входят в число металлов, которые часто подвергаются экструзии из-за их хороших механических свойств и пластичности. Эта технология используется в различных секторах, таких как аэрокосмическая промышленность, автомобилестроение и строительство, где точность и однородность материалов имеют наибольшее значение. Металлическая экструзия является важным процессом для современного производства из-за его способности создавать сложные формы, сохраняя при этом жесткие допуски.

Экструзия пластика: процесс и применение

По сравнению с первым запатентованным процессом экструзии Bramah, экструзия пластика включает расплавление исходных пластиковых материалов и их последующее продавливание через матрицу для формирования непрерывных профилей определенной формы. Первый этап начинается с подачи гранул пластика в нагретый бункер, который постепенно расплавляет их с помощью шнека внутри цилиндра в форме бочки, называемого винтовым конвейером или камерой плавления. Затем эти расплавленные пластики проталкиваются вперед шнеками или плунжерами через матрицы, разработанные специально для этой цели, тем самым создавая трубы, листы и т. д. во время того, что можно описать как усовершенствованный процесс объемного потока.

Применение пластиковой экструзии многогранно, начиная от упаковочных материалов, строительной промышленности и заканчивая автомобильной промышленностью и т. д. Полиэтилен (ПЭ), полипропилен (ПП) и поливинилхлорид (ПВХ) представляют собой некоторые из наиболее часто используемых термопластиков в этих процессах, но каждый из них имеет свой собственный уникальный набор свойств, подходящих для конкретных применений, основанных на требованиях, налагаемых внешними условиями, такими как изменения температуры во время операций или временные рамки воздействия, необходимые до возникновения отказа из-за деградации и т. д., поэтому необходимы легкость, долговечность и экономическая эффективность, особенно потому, что это и то, и другое — также и метод формовки металла!

Экструзия резины в промышленности

Продавливание резинового материала через матрицу для придания ему формы известно как экструзия резины, которая относится к категории критических производственных процессов. Этот метод использует принципы, схожие с теми, которые применяются при экструзии пластика, где сырая резина нагревается, а затем выдавливается под давлением экструдером до тех пор, пока не примет желаемую форму. Натуральные каучуки вместе с их синтетическими аналогами, такими как силиконы и неопрены, являются обычно используемыми типами для изготовления экструдированных резин из-за их эластичности и износостойкости, среди прочих свойств. Различные секторы, включая автомобильную, аэрокосмическую и строительную промышленность, полагаются на экструзию резины для уплотнений, прокладок, шлангов и т. д., потому что без этих вещей они вообще не смогли бы нормально функционировать. Единственный способ гарантировать, что ваша продукция соответствует высочайшим стандартам, — это точные измерения на каждом этапе производства, отсюда и необходимость точности в процессе экструзии резины.

Как пищевая промышленность используется для экструзии?

Основы пищевой экструзии

Пищевая экструзия — это производственный процесс, включающий комбинирование ингредиентов, обычно в виде муки, крахмалов и белков, для получения желаемых форм и текстур с использованием экструдера при высоких температурах и давлении. Этот метод приготовления помогает готовить, формировать и текстурировать продукты, такие как закуски, макароны и корма для домашних животных. Точность имеет значение в пищевой экструзии, поскольку она влияет на консистенцию конечного продукта, его пищевую ценность, а также текстуру, тем самым обеспечивая равномерность в массовом производстве. Такие особенности, как температура, давление или содержание влаги, следует учитывать при достижении идеальных результатов во время процедуры экструзии.

Экструзионная варка и ее преимущества

Экструзионная кулинарная обработка относится к процессу, в котором характеристики пищевых продуктов улучшаются за счет изменения текстуры, вызванного воздействием на них высоких температур в сочетании с давлением внутри экструдера; это подчеркивает, насколько важными могут быть сдвигающие усилия. Это позволяет желатинизировать крахмал и денатурировать белок, среди прочего, как различные добавки, которые включаются. Это делает блюда легкоусвояемыми, одновременно улучшая их питательные профили, а также позволяя создавать уникальные вкусы, формы и т. д. Чтобы обеспечить однородность качества на протяжении всего процесса приготовления, скорость шнека должна поддерживаться постоянной во время каждого запуска; в противном случае ее следует регулировать в соответствии с установленными стандартами. Например, температура не должна изменяться более чем на 5 градусов по Цельсию в любой момент времени, уровень относительной влажности должен оставаться в пределах 30% – 40% в зависимости от типа целевого продукта.

Применение в производстве кормов для домашних животных

Использование метода экструзии при изготовлении кормов для животных связано со многими преимуществами, включая повышенную усвояемость, благодаря чему больше питательных веществ может быть усвоено организмом, тем самым улучшая состояние здоровья в целом, а также более высокие уровни доступности, когда большинство, если не все компоненты, становятся биологически полезными после потребления, что приводит к лучшим результатам производительности, касающимся коэффициента эффективности использования биологической ценности и т. д. Кроме того, домашним животным нравятся разные продукты; поэтому производители должны убедиться, что эти предметы привлекательны визуально, особенно на этом этапе, поскольку это определяет, будут ли животные есть или нет. Не менее важен точный мониторинг параметров экструзии, таких как температура, которая должна быть установлена в диапазоне от 80 до 180 градусов по Цельсию в зависимости от желаемого эффекта; содержание влаги в диапазоне относительной влажности от 15% до 20%; контроль скорости подачи, среди прочего, для сохранения питательной ценности в течение всего периода хранения, а также достижения желаемых вкусовых предпочтений при соблюдении определенных диетических требований для животных.

Каковы некоторые области применения экструзии в производстве?

Изучение экструдированных продуктов

Изделия, которые подвергаются экструзии, могут использоваться во многих различных отраслях промышленности, таких как пищевая, пластмассовая и текстильная. Например, экструзия используется для производства закусок, таких как чипсы, хлопьев для завтрака, таких как кукурузные хлопья, или корма для домашних животных, где каждый раз необходимо добиться одинаковой текстуры. Производство пластмасс также использует этот метод: трубы можно изготавливать путем экструзии в форму, в то время как пленки должны сохранять свою целостность во время растяжения, поэтому температуру необходимо тщательно контролировать; листы требуют равномерного распределения давления по всей длине и т. д. — все это требует пристального внимания к температуре и давлению во время производства. Текстильная промышленность также использует экструзию при изготовлении синтетических волокон из полимеров, что демонстрирует, насколько универсальной может быть эта технология. Для того чтобы такой широкий диапазон свойств был возможен с различными материалами, необходимы точные настройки в экструдере.

Экструзия в процессах обработки металлов давлением

Процессы формовки металла, использующие экструзию, деформируют металлические заготовки в желаемые формы с поперечными сечениями, определяемыми штампами; строгий контроль температуры, геометрии конструкции и скорости процесса являются одними из ключевых факторов, необходимых для достижения желаемых механических свойств или точности размеров, тем самым гарантируя стандарты качества изготовления во время производственных циклов, в основном для деталей автомобильного сектора, которые могут потребовать более высокого отношения прочности к весу по сравнению с компонентами аэрокосмической промышленности, где материалы с меньшей плотностью, такие как алюминиевые сплавы, могут быть достаточными без ущерба для уровней прочности, при этом все еще соблюдая правила безопасности, предусмотренные в различных строительных нормах, применяемых на национальном/международном уровне. Это означает, что любые ошибки, допущенные на любом этапе, могут оказаться действительно очень дорогостоящими; следовательно, это окупается сторицей, когда все идет правильно с первого раза.

Как процесс экструзии используется в производстве пластмасс

Процесс производства пластика, известный как «экструзия», включает расплавление сырых пластиковых гранул, а затем проталкивание их через формованное отверстие, называемое матрицей, так что они выходят с другой стороны непрерывно сформированными в один длинный кусок — вместо того, чтобы разрезать его на более короткие отрезки, как при других методах, таких как литье под давлением, где предметы изготавливаются путем охлаждения расплавленного материала после впрыскивания его под давлением в формы. Эта непрерывная форма может быть чем угодно: от плоских листов (например, пищевой пленки), круглых труб, квадратных прутков и т. д., но какой бы ни была ее форма, она должна быть равномерной по всей длине, иначе некоторые части будут охлаждаться быстрее других, что приведет к изменениям толщины, которые могут ослабить конечный продукт. По этой причине контроль температуры по всей длине должен оставаться постоянным во время процесса экструзии; аналогично, давление внутри системы также должно оставаться постоянным; в противном случае могут возникнуть неравномерные скорости потока, вызывающие дефекты, такие как пузырьки воздуха, застрявшие между слоями, что впоследствии может привести к расслоению — отслаиванию на границе между различными областями внутри затвердевшего пластикового продукта.

Справочные источники

Экструзия

Металл

Сталь

Часто задаваемые вопросы (FAQ)

В: Что представляет собой процесс экструзии в современном производстве?

A: Самоочевидная техника строительства относится к действию или процессу выдавливания чего-либо через узкое отверстие. Это делается путем приложения давления, обычно только с одной стороны, таким образом заставляя обрабатываемый материал проходить через отверстие или матрицу, имеющую форму поперечного сечения, которая приблизительно соответствует желаемой для готового продукта. Обычно это используется с металлами, но также может хорошо работать с пластиком и другими материалами.

В: Как происходит процесс экструзии?

A: Процесс работает путем сжатия нагретого или ненагретого металла в определенную форму. Когда мы говорим о холодной формовке, это означает работу при комнатной температуре, в то время как теплая формовка подразумевает работу при температурах ниже красного каления, хотя иногда этот термин может использоваться взаимозаменяемо с горячей обработкой, которая относится конкретно к нагреву перед деформацией. Затем детали продавливаются через штампы под высоким давлением, пока не примут свои окончательные формы, которые могут иметь различные профили в зависимости от того, что было задумано на этапе проектирования.

В: Какие типы процессов экструзии обычно используются?

A: Существуют различные методы, которые можно использовать при выполнении экструзии, такие как горячая экструзия, холодная экструзия, шнековая экструзия, двухшнековая экструзия, фрикционная экструзия и профилированная экструзия, среди прочих, каждый из которых имеет свои собственные уникальные области применения в обрабатывающей промышленности.

В: Как работает горячая экструзия?

A: Они начинают с нагрева металлов до тех пор, пока они не станут достаточно мягкими, чтобы не требовалось чрезмерного усилия во время операций формования, после чего эти материалы будут пропущены через соответствующие фасонные штампы для получения желаемых конечных продуктов с фиксированным поперечным сечением.

В: Что такое холодная экструзия и когда она применяется?

A: Холодная формовка часто выполняется при температурах, близких к температуре окружающей среды, поскольку это вызывает меньшее окисление, которое может ослабить детали, изготовленные из определенных сплавов, таких как сталь и т. д. В дополнение к улучшенным характеристикам отделки поверхности, полученным с помощью холодной формовки, также достигаются лучшие механические свойства из-за измельчения зерна, которое ее возникновение также влечет за собой. Эти преимущества обычно не видны при использовании других методов, таких как горячая обработка или литье, поскольку эти процессы связаны с более высокими температурами, при которых металлы имеют тенденцию терять свои полезные микроструктуры.

В: Какова цель экструзионного оборудования в процессе производства?

A: Для каждой операции экструзии требуется экструдер. Он состоит из пресса, матрицы и вспомогательных компонентов, которые обеспечивают надлежащий нагрев заготовки перед ее продавливанием через матрицу для достижения желаемых форм.

В: Что такое шнековая экструзия в процессах экструзии?

A: В системах винтового типа используются вращающиеся винты внутри цилиндрического корпуса, которые толкают материалы вперед, тем самым заставляя их вступать в контакт с одним или несколькими отверстиями, пока они, наконец, не выйдут в виде готовых изделий с заданными размерами, в то время как конфигурации с двумя винтами помогают равномерно смешивать различные компоненты на этапах производства пластмасс, среди прочих, таких как приготовление резиновых смесей и т. д.

В: В чем разница между обычной экструзией и экструзией трением?

A: Традиционный процесс подразумевает прямое давление на материал, продавливая его через штампы, в то время как тепло от трения, возникающее при трении между заготовками, которые формуются вместе, приводит к их размягчению, что облегчает их формование без приложения дополнительных сил, подобных тем, которые используются во время типичных операций прессования, когда металлические пластины сжимаются между двумя тяжелыми наковальнями, например.

В: Какие виды продукции можно изготавливать с использованием процесса экструзии?

A: Экструзия широко используется на протяжении многих лет, позволяя производителям изготавливать широкий ассортимент изделий, включая трубы, трубки, листы, стержни, профили и т. д., изготовленных из таких металлов, как алюминий, латунь, бронза, медь, сталь, нержавеющая сталь, титан, цинк, никель, серебро, золото, платина, палладий, полимеров, таких как полиэтилен, полипропилен, полистирол, акрил, ПВХ, АБС, нейлон 6/6, тефлон, ПТФЭ, делрин, ацетальный сополимер и т. д.; композитов, включающих стекловолокно, углеродное волокно, кевлар, арамидную ткань, армированную эпоксидными смолами, фанеру, ламинаты, термореактивные материалы, термопласты и т. д.

В: Какое значение имеет коэффициент экструзии в процессе экструзии?

A: Отношение площади поперечного сечения заготовки к площади окончательной экструзии определяет, какое усилие необходимо для проталкивания через матрицы. Оно также влияет на потребление энергии и механические свойства, такие как предел прочности на разрыв, твердость, пластичность и т. д., которые требуются от экструдированных материалов.