Қалыптау арқылы ұзын пішіндес заттар жасау процесі

Кіріспе

Материалды қалып арқылы итеріп, ұзын симметриялық нысандар жасау процесі.

Экструзия – материалды қажетті көлденең қимасы бар қалып арқылы итеріп, белгілі бір көлденең қима профиліне ие нысандар жасауға қолданылатын процесс. Оның басқа өндіріс процестеріне қарағанда екі басты артықшылығы бар: өте күрделі көлденең қималарды жасау мүмкіндігі; және материал тек қысым мен серпімді деформацияға түсетіндіктен, морт материалдармен жұмыс істеу мүмкіндігі. Бұл сонымен қатар, өте жақсы беттік өңдеуді қамтамасыз етеді және жобалау процесінде пішінге қатысты үлкен еркіндік береді. Сызу – осыған ұқсас процесс, материалдың созу беріктігін пайдаланып, оны қалып арқылы тарту арқылы жасалады. Бұл бір ретте жасалатын өзгерістердің мөлшерін шектейді, сондықтан ол қарапайым пішіндермен ғана шектеледі және көбінесе бірнеше кезең қажет болады. Сызу – сым өндірудің негізгі тәсілі. Металл таяқшалар мен түтіктер де көбінесе сызылады. Экструзия үздіксіз (теориялық тұрғыдан алғанда, шексіз ұзын материал өндіру) немесе жартылай үздіксіз (көптеген бөліктер өндіру) болуы мүмкін. Оны ыстық немесе суық материалмен жүргізуге болады. Көбінесе экструзияға түсетін материалдарға металдар, полимерлер, керамика, бетон, қалыптау саз және тағамдық өнімдер жатады. Экструзиядан алынған өнімдер экструдаттар деп аталады. Сондай-ақ, "ішкі жиектеу" деп те аталады. Экструзияланған материалдың ішіндегі қуыстарды қарапайым жалпақ қалыппен жасау мүмкін емес, себебі қалыптың орталық бөлігін қолдауға ешқандай мүмкіндік болмайды. Оның орнына, қалып тереңдігі бар блок пішінін алады, алдымен орталық бөлікті қолдайтын пішін профилімен басталады. Содан кейін қалыптың ұзындығы бойында ішкі пішіні соңғы пішінге өзгереді, ал орталық бөліктер қалыптың артқы жағынан тіреліп тұрады. Материал тіректердің айналасында ағып, қажетті жабық пішін құру үшін біріктіріледі. Металдарды экструзиялау олардың беріктігін арттыруға мүмкіндік береді.

Тарих

1797 жылы Джозеф Брама жұмсақ металдардан құбыр жасау үшін алғашқы экструзия процесін патенттеді. Ол металды алдын ала қыздырып, содан кейін оны қолмен басқарылатын поршень арқылы қалыпқа (өлшегішке) итеруді қамтиды. 1820 жылы Томас Берр осы процесті қорғасын құбырларын жасау үшін гидравликалық пресспен (ол да Джозеф Браманың өнертабысы) қолданды. Сол кезде бұл процеске "сығу" деген ат қойылған. 1894 жылы Александр Дик экструзия процесін мыс және мыс қорытпаларына қарай кеңейтті.

Экструзияның түрлері

Процесс бастапқы материалды қыздырудан басталады (ыстық немесе жылы экструзия үшін). Содан кейін ол престегі контейнерге салынады. Материалдың артынан итергіш блок орналастырылады, содан кейін пресстің итергіші материалды қалыптан шығарып тарту үшін оған қысым жасайды. Экструзия соңынан түзу үшін созылады. Егер жақсырақ қасиеттер қажет болса, оны жылумен өңдеуге немесе суық өңдеуге болады. Жылы экструзия бөлме температурасынан жоғары, бірақ материалдың қайта кристалдану температурасынан төмен температурада жүзеге асырылады, температура диапазоны 800-ден 1800 °F (424-тен 975 °C) аралығында. Ол әдетте қажетті күштердің, пластикалық қасиеттердің және соңғы экструзияның қасиеттерінің дұрыс тепе-теңдігін қамтамасыз ету үшін қолданылады. Сүргіш экструзия дәстүрлі экструзиядан зарядтың (заготовка немесе басқа да алдын ала дайындама) экструзиялық қалыпқа қатысты айналуымен ерекшеленеді. Зарядты қалыпқа итеру үшін экструзия күші қолданылады. Практикада, қалып немесе заряд айналуы мүмкін, немесе олар бір-біріне қарсы айналуы мүмкін. Заряд пен қалып арасындағы салыстырмалы айналу қозғалысы процеске бірнеше маңызды әсер етеді. Біріншіден, айналу жазықтығындағы салыстырмалы қозғалыс үлкен серпімдік кернеулерге, демек, қалыппен жанасқан және жақын орналасқан заряд қабатында пластикалық деформацияға әкеледі. Бұл пластикалық деформация қалпына келтіру және қайта кристалдану процестері арқылы таратылады, нәтижесінде деформацияланатын зарядтың айтарлықтай қызуына себеп болады. Деформациялық қыздырудың арқасында сүргіш экструзияда зарядты қосымша құралдармен алдын ала қыздырудың қажеті болмайды, бұл энергияны тиімді пайдалануға мүмкіндік береді. Екіншіден, салыстырмалы айналу қозғалысы аймағындағы пластикалық деформацияның жоғары деңгейі ұнтақтарды немесе басқа да ұсақ бөлінген алдын ала дайындамаларды, мысалы, қабықшаларды және сынықтарды, экструзиядан бұрын зарядты тиімді консолидациялауға (сүргіш консолидациясы) және қатты күйде дәнекерлеуді ынталандыруға болады.

Микроэкструзия

Микроэкструзия – миллиметрден кішкентай өлшемде жүзеге асырылатын микроформалау экструзиясының бір түрі. Экструзия сияқты, металл қалып тесігі арқылы итеріледі, бірақ алынған өнімнің көлденең қимасы 1 мм² көлемдегі шаршыға сыяды. 1990 жылы микроформалау идеясы туғаннан бері бірнеше микроэкструзия процестері әзірленді. Алға (пуансон мен заготовка бір бағытта қозғалады) және кері (пуансон мен заготовка қарама-қарсы бағытта қозғалады) микроэкструзия әдістері алғашқыда енгізілді, содан кейін алдыңғы таяқша, кері стакан және қос стакан экструзия әдістері пайда болды. Әдіс маңызды емес, сәтті микроэкструзия машинасы жасаудағы ең үлкен қиындық – қалыпты және пуансонды жасау болып табылады. "Қалыптың және пуансонның кішкентай өлшемдері, сонымен қатар жоғары дәлдік талаптары, тиісті өндіріс процестерін қажет етеді".

Тікелей экструзия

Тікелей экструзия, сондай-ақ алдыңғы экструзия деп аталады, ең көп қолданылатын экструзия процесі. Ол металл қоймасын қалың қабырғалы ыдысқа салу арқылы жүзеге асырылады. Металл қоймасы пресс немесе бұранда көмегімен қалып арқылы итеріледі. Пресс пен металл қоймасын бөлек ұстау үшін олардың арасында қайта қолданылатын манекен блок орналастырылады. Бұл процестің басты кемшілігі – металл қоймасын экструзиялау үшін қажетті күш, металл қоймасы ыдыстың бүкіл ұзындығымен өтуіне байланысты туындайтын үйкеліс күштері салдарынан, кері экструзия процесіне қарағанда жоғары болады. Осы себепті, процесс басында ең көп күш қажет болады және металл қоймасы қолданылған сайын біртіндеп азаяды. Металл қоймасының соңында күш күрт артады, себебі металл қоймасы жұқа болады және материалды қалыптан шығу үшін радиалды бағытта ағуы қажет. Осы себепті металл қоймасының соңғы бөлігі (бұт соңы деп аталады) пайдаланылмайды.

Үлгілеу

Экструзия профилінің дизайны оның экструзияға қаншалықты оңай түсуіне үлкен әсер етеді. Экструзияның максималды көлемі, көлденең қимаға сыятын ең кішкентай шеңберді табу арқылы анықталады, бұл шеңберге орау шеңбері деп аталады. Бұл диаметр, өз кезегінде, қажетті пресс формасының мөлшерін анықтайды, бұл соңында бөлшектің берілген пресске сыйып-сыймайтынын шешеді. Мысалы, үлкен пресс алюминий үшін диаметрге орау шеңберлерін және болат пен титан үшін 55 см (22 дюйм) диаметрлі шеңберлерді қабылдай алады. Жұқа бөлімдерге көбінесе бөлімнің көлемін ұлғайту қажет. Материалдың дұрыс ағуы үшін тіреулер олардың қалыңдығынан он еседен артық болмауы керек. Егер көлденең қима симметриясыз болса, жапсарлас бөлімдер мүмкіндігінше бірдей мөлшерде болуы керек. Дөңгелек бұрыштардан аулақ болу керек; алюминий және магний үшін ең төменгі радиус 0,4 мм (1/64 дюйм) болуы керек, ал болат бұрыштарында және филеттерде дөңгелек болуы керек. Төмендегі кестеде әртүрлі материалдар үшін ең төменгі көлденең қима және қалыңдық көрсетілген. Алюминий ең көп экструзияланатын материал. Алюминий ыстық немесе суық экструзия арқылы өңделеді. Егер ол ыстық экструзияланса, онда 575-1100 °F (300-600 °C) дейін қыздырылады. Өнімдердің мысалдары: рельстер, рамалар, тіреулер, шұңқырлар және жылу таратушылар үшін профильдер. Латунь коррозияға төзімді таяқтарды, автомобиль бөліктерін, құбырларды, инженерлік бөлшектерді экструзиялау үшін қолданылады. Мыс (1100-1825 °F (600-1000 °C)) құбырлар, сымдар, таяқтар, сымдар, құбырлар және дәнекерлеу электродтары. Мысты экструзиялау үшін көбінесе 100 ksi (690 МПа) күш қажет. Қорғасын және қалайы (максималды 575 °F (300 °C)) құбырлар, сымдар, құбырлар және кабель қаптамасы. Ерітілген қорғасын тік экструзия престеріндегі заготовкалардың орнына да қолданылуы мүмкін. Магний (575-1100 °F (300-600 °C)) ұшақтардың бөліктері және ядролық өнеркәсіптегі бөліктер. Магний алюминий сияқты экструзияланады. Мырыш (400-650 °F (200-350 °C)) таяқшалар, штангалар, құбырлар, аппараттық бөлшектер, фитингтер және тұтқалар. Болат (1825-2375 °F (1000-1300 °C)) таяқшалар мен рельстер. Әдетте таза көміртекті болат экструзияланады, бірақ қорытпа болатты және тот баспайтын болатты да экструзиялауға болады. Титан (1100-1825 °F (600-1000 °C)) ұшақ құрамдастары, оның ішінде орындықтардың рельстері, қозғалтқыш сақиналары және басқа да конструкциялық бөліктер. Магний және алюминий қорытпалары әдетте RMS немесе одан да жақсы беттік өңдеуге ие. Титан мен болат RMS беттік өңдеуге жете алады. Ugine Sejournet немесе Sejournet процесі қазір болаттан жоғары балқу температурасы бар немесе экструзиялау үшін тар температура диапазоны қажет болатын басқа материалдар үшін қолданылады, мысалы, килограммдық масса стандарттарын жасау үшін қолданылатын платина-иридий қорытпасы. Процесс материалдарды экструзия температурасына дейін қыздырудан басталады, содан кейін оны шыны ұнтағында орау. Шыны балқып, оны камера қабырғаларынан бөліп, майлау құралы ретінде әрекет етуге мүмкіндік беру үшін 20-30 мил (0,5-0,75 мм) қалыңдықтағы жұқа пленка құрайды. Пресс формасына 0,25-тен 0,75 дюймге (6-дан 18 мм) дейін қалыңдықтағы қатты шыны сақина қойылады, ол экструзияны пресс формасы арқылы итеру кезінде майлау үшін. Осы шыны сақинаның тағы бір артықшылығы - оның заготовканың жылуын пресс формасынан оқшаулау қабілеті. Экструзия 1 мил қалыңдықтағы шыны қабатына ие болады, оны салқындатқаннан кейін оңай алып тастауға болады. Майлаудағы тағы бір жаңалық - фосфаттық жабындарды қолдану. Осы процесс, шыны майлаумен бірге, болатты суық экструзиялауға мүмкіндік береді. Фосфаттық жабын сұйық шыныны сіңіріп алып, одан да жақсы майлау қасиеттерін ұсынады. Полимерлер пластикалық құбырлар, торлар, таяқтар, рельстер, тығыздағыштар және парақтар немесе пленкалар өндірісінде қолданылады.

The design of an extrusion profile has a large impact on how readily it can be extruded. The maximum size for an extrusion is determined by finding the smallest circle that will fit around the cross section, this is called the circumscribing circle. This diameter, in turn, controls the size of the die required, which ultimately determines if the part will fit in a given press. For example, a larger press can handle diameter circumscribing circles for aluminium and 55 cm (22 in) diameter circles for steel and titanium. Thicker sections generally need an increased section size. In order for the material to flow properly legs should not be more than ten times longer than their thickness. If the cross section is asymmetrical, adjacent sections should be as close to the same size as possible. Sharp corners should be avoided; for aluminium and magnesium the minimum radius should be 0.4 mm (1/64 in) and for steel corners should be and fillets should be The following table lists the minimum cross section and thickness for various materials. Aluminium is the most commonly extruded material. Aluminium can be hot or cold extruded. If it is hot extruded it is heated to 575 to 1100 °F (300 to 600 °C). Examples of products include profiles for tracks, frames, rails, mullions, and heat sinks. Brass is used to extrude corrosion free rods, automobile parts, pipe fittings, engineering parts. Copper (1100 to 1825 °F (600 to 1000 °C)) pipe, wire, rods, bars, tubes, and welding electrodes. Often more than 100 ksi (690 MPa) is required to extrude copper. Lead and tin (maximum 575 °F (300 °C)) pipes, wire, tubes, and cable sheathing. Molten lead may also be used in place of billets on vertical extrusion presses. Magnesium (575 to 1100 °F (300 to 600 °C)) aircraft parts and nuclear industry parts. Magnesium is about as extrudable as aluminum. Zinc (400 to 650 °F (200 to 350 °C)) rods, bar, tubes, hardware components, fitting, and handrails. Steel (1825 to 2375 °F (1000 to 1300 °C)) rods and tracks. Usually plain carbon steel is extruded, but alloy steel and stainless steel can also be extruded. Titanium (1100 to 1825 °F (600 to 1000 °C)) aircraft components including seat tracks, engine rings, and other structural parts. Magnesium and aluminium alloys usually have a RMS or better surface finish. Titanium and steel can achieve a RMS. The Ugine Sejournet, or Sejournet, process is now used for other materials that have melting temperatures higher than steel or that require a narrow range of temperatures to extrude, such as the platinum iridium alloy used to make kilogram mass standards. The process starts by heating the materials to the extruding temperature and then rolling it in glass powder. The glass melts and forms a thin film, 20 to 30 mils (0.5 to 0.75 mm), in order to separate it from chamber walls and allow it to act as a lubricant. A thick solid glass ring that is 0.25 to 0.75 in (6 to 18 mm) thick is placed in the chamber on the die to lubricate the extrusion as it is forced through the die. A second advantage of this glass ring is its ability to insulate the heat of the billet from the die. The extrusion will have a 1 mil thick layer of glass, which can be easily removed once it cools. Another breakthrough in lubrication is the use of phosphate coatings. With this process, in conjunction with glass lubrication, steel can be cold extruded. The phosphate coat absorbs the liquid glass to offer even better lubricating properties. Polymers are used in the production of plastic tubing, pipes, rods, rails, seals, and sheets or films.

Керамикалық

Керамика экструзия арқылы түрлендірілуі мүмкін. Терракота экструзиясы құбырлар жасау үшін қолданылады. Көптеген заманауи кірпіштер де кірпіш экструзиясы процесі арқылы өндіріледі.

Тағам

Өнеркәсіптік өндіріс пайда болғаннан бастап, экструзия пластик және металл өңдеумен қатар, жылдам дайындалатын тағамдар мен снэктерді өңдеуде де қолданыс тапты. Экструзияның бастапқы негізгі рөлі өңделген шикізаттың сұйық формаларын жеткізу және қалыптастыру үшін қалыптастырылған. Бүгінгі таңдағы экструзиялық пісіру технологиялары мен мүмкіндіктері араластыру, тасымалдау, кесу, бөлу, қыздыру, салқындату, пішіндеу, қоса экструзия, ұшқыш заттар мен ылғалдылықты сығу, капсулалау, дәм беру және стерильдеу сияқты күрделі өңдеу функцияларына жетті. Белгілі бір макарон өнімдері, көптеген таңғы астықтар, дайын печенье қамыры, кейбір картоп фри, кейбір балалар тағамы, құрғақ немесе жартылай ылғалды жануарларға арналған тағамдар және жеуге дайын снэктер көбінесе экструзия арқылы өндіріледі. Сондай-ақ, ол модификацияланған крахмал өндіруге және мал азығын гранулалауға қолданылады. Әдетте, жеуге дайын снэктерді өндіру үшін жоғары температуралық экструзия қолданылады, ал макарон және кейін пісіруге және тұтынуға арналған ұқсас өнімдерді өндіру үшін салқын экструзия қолданылады. Өңделген өнімдердің ылғалдылығы төмен болғандықтан, олардың сақталу мерзімі ұзақ, сонымен қатар тұтынушыларға әртүрлілік пен ыңғайлылық ұсынады. Экструзия процесінде шикізаттарды алдымен қажетті бөлшек мөлшеріне дейін ұнтақтайды. Құрғақ қоспаны алдын ала кондиционерден өткізеді, онда басқа ингредиенттер қосылуы мүмкін, ал пісіру процесін бастау үшін бу жіберіледі. Алдын ала дайындалған қоспа экструдер арқылы өткізіледі, онда ол қалып арқылы итеріліп, қажетті ұзындықта кесіледі. Пісіру процесі экструдерде жүзеге асады, онда өнімнің өзіндік үйкелісі мен қысымның тудыруынан (10-20 бар) пайда болатын жылу өндіріледі. Экструзиямен пісіру кезінде негізгі тәуелсіз параметрлер: азықтандыру жылдамдығы, шикізаттың бөлшектерінің мөлшері, цилиндр температурасы, бұранда жылдамдығы және ылғалдылық деңгейі. Экструзия процесі ингредиенттер мен параметрлерге байланысты ақуыздың денатурациялануына және крахмалдың желатинизациялануына әкелуі мүмкін. Кейде, мысалы, текстураланған өсімдік ақуыздарын (ТӨА) өндіру кезінде катализатор қолданылады.

With the advent of industrial manufacturing, extrusion found application in food processing of instant foods and snacks, along with its already known uses in plastics and metal fabrication. The main role of extrusion was originally developed for conveying and shaping fluid forms of processed raw materials. Present day, extrusion cooking technologies and capabilities have developed into sophisticated processing functions including: mixing, conveying, shearing, separation, heating, cooling, shaping, co extrusion, venting volatiles and moisture, encapsulation, flavor generation and sterilization. Products such as certain pastas, many breakfast cereals, premade cookie dough, some french fries, certain baby foods, dry or semi moist pet food and ready to eat snacks are mostly manufactured by extrusion. It is also used to produce modified starch, and to pelletize animal feed. Generally, high temperature extrusion is used for the manufacture of ready to eat snacks, while cold extrusion is used for the manufacture of pasta and related products intended for later cooking and consumption. The processed products have low moisture and hence considerably higher shelf life, and provide variety and convenience to consumers. In the extrusion process, raw materials are first ground to the correct particle size. The dry mix is passed through a pre conditioner, in which other ingredients may be added, and steam is injected to start the cooking process. The preconditioned mix is then passed through an extruder, where it is forced through a die and cut to the desired length. The cooking process takes place within the extruder where the product produces its own friction and heat due to the pressure generated (10–20 bar). The main independent parameters during extrusion cooking are feed rate, particle size of the raw material, barrel temperature, screw speed and moisture content. The extruding process can induce both protein denaturation and starch gelatinization, depending on inputs and parameters. Sometimes, a catalyst is used, for example, when producing texturised vegetable proteins (TVP).

Есірткі тасымалдаушылар

Фармацевтикалық өнімдерде қолдану үшін, липидтік көпіршіктердің – липосомалар немесе трансферсомалардың белгілі бір мөлшерімен, тар мөлшерлік таралуға ие суспензияларын алу үшін нанокеуекті полимерлік сүзгілер арқылы экструзия қолданылады. Мысалы, липосомалар арқылы жеткізілетін қатерлі ісікке қарсы препарат Доксорубицин экструзия әдісімен жасалады. Ыстық балқыту арқылы экструзия, дәрілік заттардың қатты пероральдық дозасын өңдеуде де қолданылады, бұл нашар ерігіштігі және биожетімділігі бар дәрілерді жеткізуге мүмкіндік береді. Ыстық балқыту арқылы экструзияның нашар ерігіш дәрілерді полимерлік тасымалдағышта молекулалық деңгейде таратып, ерігіштік жылдамдығы мен биожетімділікті арттыратыны дәлелденген. Бұл процесте материалдарды араластыру үшін жылу, қысым және араластыру қолданылады, содан соң олар қалып арқылы "экструзияланады". Екі шынжырлы, жоғары жылдамдықты араластырғыш экструдерлер материалдарды араластырып, бір мезгілде бөлшектерді ұсатады. Соның нәтижесінде алынған бөлшектер таблетка жасауға қосымша заттармен араластырылып, таблеткаларға қысылады немесе бір дозалық капсулаларға салынады.

Биомасса брикеттері

Отын брикеттерін экструзиямен өндіру технологиясы – экструзия бұрандасынан шыққан қалдықтар (сабан, күнбағыс қабығы, гречиха және т.б.) немесе ұсақталған ағаш қалдықтарын (үрме) 160-350 °C температурада жоғары қысыммен қыздыру процесі болып табылады. Нәтижесінде алынған отын брикеттеріне ешқандай қосымша байланыстырғыш заттар қосылмайды, тек өсімдік қалдықтарының жасушаларында табиғи түрде қамтылған лигнин ғана қолданылады. Қысым кезіндегі температура брикеттердің бетін балқытып, оларды нығайтады, бұл брикеттерді тасымалдау үшін өте маңызды.

Тоқыма бұйымдары

Текстильдегі синтетикалық материалдардың көп бөлігі тек экструзия арқылы өндіріледі. Экструзияда талшық құрауға қабілетті заттар түрлі синтетикалық жіптер жасау үшін қолданылады. Ерітілген материалдар жіптерді қалыптастыруға көмектесетін фильер арқылы өткізіледі.