Экструзия: Процесс формования изделий путем выдавливания через фильеру.

Введение

Процесс проталкивания материала через фильеру для создания длинных симметричных изделий.

Экструзия – это процесс, используемый для создания объектов с фиксированным профилем поперечного сечения путем проталкивания материала через фильеру желаемого поперечного сечения. Два основных преимущества этого процесса перед другими методами производства заключаются в возможности создания очень сложных поперечных сечений и в обработке хрупких материалов, поскольку материал подвергается только сжимающим и касательным напряжениям. Экструзия также обеспечивает превосходную чистоту поверхности и значительную свободу формы при проектировании. Восчершивание – похожий процесс, в котором материал протягивается через фильеру, используя его прочность на растяжение. Он ограничивает степень изменения формы за один проход, поэтому подходит для более простых форм и обычно требует нескольких этапов. Восчершивание является основным способом производства проволоки. Металлические прутки и трубы также часто подвергаются восчершиванию. Экструзия может быть непрерывной (теоретически производя материал неограниченной длины) или полунепрерывной (производя множество изделий). Она может выполняться с горячим или холодным материалом. К наиболее распространенным материалам, подвергаемым экструзии, относятся металлы, полимеры, керамика, бетон, пластилин и продукты питания. Изделия, полученные методом экструзии, обычно называются экструдатами. Полые полости внутри экструдированного материала, также известные как "отбортовка отверстий", невозможно получить с помощью простой плоской фильеры, поскольку не будет возможности поддерживать центральный барьер фильеры. Вместо этого фильера имеет форму блока с глубиной, начинающегося с профиля, поддерживающего центральную часть. Затем форма фильеры внутренне изменяется по длине, принимая окончательную форму, при этом центральные элементы поддерживаются с задней стороны. Материал обтекает опоры и сплавляется, образуя желаемую замкнутую форму. Экструзия металлов также может повысить их прочность.

История

В 1797 году Джозеф Брама запатентовал первый процесс экструзии для изготовления труб из мягких металлов. Он заключался в предварительном нагреве металла и последующем продавливании его через фильеру с помощью плунжера, приводимого в движение вручную. В 1820 году Томас Берр применил этот процесс для изготовления свинцовых труб, используя гидравлический пресс (также изобретенный Джозефом Брамой). В то время этот процесс называли "выдавливанием". В 1894 году Александр Дик расширил процесс экструзии на медные и латунные сплавы.

Типы экструзий

Процесс начинается с нагрева исходного материала (для горячей или теплой экструзии). Затем он загружается в контейнер пресса. За ним помещается пуансон, на который пресс затем давит, выталкивая материал через фильеру. После этого экструзию вытягивают для выпрямления. Если требуются улучшенные свойства, ее могут подвергнуть термообработке или холодной обработке. Теплая экструзия выполняется при температуре выше комнатной, но ниже температуры рекристаллизации материала, в диапазоне от 800 до 1800 °F (424–975 °C). Обычно ее используют для достижения оптимального баланса необходимых усилий, пластичности и конечных свойств экструзии. Фрикционная экструзия отличается от обычной тем, что заготовка (пруток или другой прекурсор) вращается относительно экструзионной фильеры. Прикладывается сила экструзии, которая прижимает заготовку к фильере. На практике может вращаться либо фильера, либо заготовка, либо они могут вращаться в противоположных направлениях. Относительное вращательное движение между заготовкой и фильерой оказывает несколько существенных воздействий на процесс. Во-первых, относительное движение в плоскости вращения приводит к высоким касательным напряжениям, а следовательно, к пластической деформации в слое заготовки, контактирующем с фильерой и расположенном рядом с ней. Эта пластическая деформация рассеивается процессами восстановления и рекристаллизации, что приводит к значительному нагреву деформируемой заготовки. Благодаря нагреву деформации фрикционная экструзия обычно не требует предварительного нагрева заготовки внешними средствами, что потенциально делает процесс более энергоэффективным. Во-вторых, значительная степень пластической деформации в области относительного вращательного движения может способствовать сварке в твердом состоянии порошков или других мелкодисперсных прекурсоров, таких как стружка и пластины, эффективно уплотняя заготовку (фрикционная консолидация) перед экструзией.

Микроэкструзия

Микроэкструзия – это процесс микроформования, выполняемый в субмиллиметровом диапазоне. Как и при экструзии, металл продавливается через отверстие инструмента, но поперечное сечение получаемого изделия может поместиться в квадрат размером 1 мм. С момента появления концепции микроформования в 1990 году было разработано несколько процессов микроэкструзии. Первыми были представлены прямая (пуансон и заготовка движутся в одном направлении) и обратная (пуансон и заготовка движутся в противоположных направлениях) микроэкструзия, а позднее – методы прямой экструзии с последующим получением задней и двойной чаши. Независимо от метода, одной из главных задач при создании эффективной машины для микроэкструзии является изготовление инструмента и пуансона. "Малые размеры инструмента и пуансона, а также высокие требования к точности, обуславливают необходимость применения подходящих производственных процессов."

Прямая экструзия

Прямая экструзия, также известная как экструзия с продвижением, является наиболее распространенным методом экструзии. Процесс заключается в помещении заготовки в контейнер с толстыми стенками. Заготовка продавливается через фильеру с помощью пуансона или шнека. Между пуансоном и заготовкой располагается многоразовый подпорный блок, чтобы они не соприкасались. Основной недостаток этого процесса заключается в том, что усилие, необходимое для экструзии заготовки, выше, чем при непрямой экструзии из-за сил трения, возникающих при движении заготовки по всей длине контейнера. В связи с этим максимальное усилие требуется в начале процесса и постепенно уменьшается по мере расхода заготовки. В конце заготовки усилие резко возрастает, поскольку заготовка становится тонкой и материал должен течь радиально для выхода через фильеру. Поэтому конец заготовки (так называемый остаток) не используется.

Конструкция штампа

Конструкция профиля экструзии оказывает большое влияние на легкость его экструзии. Максимальный размер экструзии определяется по наименьшей окружности, в которую можно вписать поперечное сечение – она называется описанной окружностью. Этот диаметр, в свою очередь, определяет размер необходимой оснастки, что в конечном итоге определяет, поместится ли деталь в заданный пресс. Например, пресс большего размера может обрабатывать описанные окружности диаметром до 55 см (22 дюйма) для стали и титана. Для более толстых сечений обычно требуется увеличение размера сечения. Чтобы материал текла должным образом, длина ответвлений не должна превышать десятикратную толщину. Если поперечное сечение асимметрично, соседние сечения должны быть максимально близки по размеру. Следует избегать острых углов; для алюминия и магния минимальный радиус должен быть 0,4 мм (1/64 дюйма), а для стальных углов – и скруглений. В следующей таблице приведены минимальные размеры поперечного сечения и толщина для различных материалов. Алюминий – наиболее часто экструдируемый материал. Алюминий можно экструдировать как горячим, так и холодным способом. При горячей экструзии его нагревают до 575–1100 °F (300–600 °C). Примеры продукции включают профили для направляющих, рам, рельсов, стоек и радиаторов. Латунь используется для экструзии коррозионностойких стержней, деталей автомобилей, фитингов для труб, инженерных деталей. Медь (1100–1825 °F (600–1000 °C)) для труб, проволоки, стержней, прутков, трубок и электродов для сварки. Для экструзии меди часто требуется усилие более 100 ksi (690 МПа). Свинец и олово (максимальная температура 575 °F (300 °C)) для труб, проволоки, трубок и кабельной оболочки. Расплавленный свинец также может использоваться вместо заготовок на вертикальных экструзионных прессах. Магний (575–1100 °F (300–600 °C)) для деталей самолетов и деталей ядерной промышленности. Магний экструдируется примерно так же легко, как и алюминий. Цинк (400–650 °F (200–350 °C)) для стержней, прутков, трубок, компонентов оборудования, фитингов и поручней. Сталь (1825–2375 °F (1000–1300 °C)) для стержней и рельсов. Обычно экструдируется обычная углеродистая сталь, но также можно экструдировать легированную и нержавеющую сталь. Титан (1100–1825 °F (600–1000 °C)) для компонентов самолетов, включая рельсы сидений, кольца двигателей и другие конструктивные детали. Сплавы магния и алюминия обычно имеют шероховатость поверхности Ra не более RMS или лучше. Титан и сталь могут достигать Ra RMS. Процесс Ужина-Сежурне, или Сежурне, теперь используется для других материалов, имеющих температуру плавления выше, чем у стали, или требующих узкого диапазона температур для экструзии, таких как сплав платины и иридия, используемый для изготовления эталонных килограммовых гирь. Процесс начинается с нагрева материалов до температуры экструзии, а затем их прокатки в стеклянном порошке. Стекло плавится и образует тонкую пленку толщиной 20–30 мил (0,5–0,75 мм), чтобы отделить его от стенок камеры и обеспечить смазку. Толстое стекло кольцом толщиной от 0,25 до 0,75 дюйма (6–18 мм) помещается в камере на оснастку для смазки экструзии при ее выдавливании через отверстие. Второе преимущество этого стеклянного кольца – его способность изолировать тепло от заготовки от оснастки. На экструзии образуется слой стекла толщиной 1 мил, который можно легко удалить после охлаждения. Еще одним прорывом в смазке является использование фосфатных покрытий. В сочетании с использованием стеклянной смазки этот процесс позволяет холодно экструдировать сталь. Фосфатное покрытие поглощает жидкое стекло, обеспечивая еще лучшие смазывающие свойства. Полимеры используются для производства пластиковых труб, прутков, рельсов, уплотнений, листов или пленок.

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.

Керамика

Керамика также может быть отформована в изделия методом экструзии. Экструзия терракоты используется для производства труб. Многие современные кирпичи также производятся методом экструзии кирпича.

Еда

С появлением промышленного производства экструзия нашла применение в пищевой промышленности при производстве быстрого питания и закусок, наряду с уже известными областями применения в производстве пластмасс и металлов. Изначально основная роль экструзии заключалась в транспортировке и формовании текучих форм переработанного сырья. В настоящее время технологии и возможности экструзионной обработки развились в сложные производственные функции, включающие в себя: смешивание, транспортировку, сдвиг, разделение, нагрев, охлаждение, формование, коэкструзию, удаление летучих веществ и влаги, инкапсулирование, генерацию аромата и стерилизацию. Такие продукты, как некоторые виды макаронных изделий, многие завтрачные хлопья, готовое тесто для печенья, отдельные виды картофеля фри, определенные детские продукты питания, сухие или полувлажные корма для домашних животных и готовые к употреблению закуски, в основном производятся методом экструзии. Она также используется для производства модифицированного крахмала и гранулирования кормов для животных. Как правило, высокотемпературная экструзия применяется для производства готовых к употреблению закусок, а холодная экструзия – для производства макаронных изделий и связанных с ними продуктов, предназначенных для последующей кулинарной обработки и потребления. Переработанные продукты имеют низкое содержание влаги и, следовательно, значительно более длительный срок хранения, а также обеспечивают потребителям разнообразие и удобство. В процессе экструзии сырье сначала измельчается до необходимого размера частиц. Сухая смесь проходит через предварительный кондиционер, в который могут добавляться другие ингредиенты, и впрыскивается пар для начала процесса приготовления. Затем предварительно подготовленная смесь поступает в экструдер, где она продавливается через фильеру и разрезается на нужную длину. Процесс приготовления происходит внутри экструдера, где продукт генерирует собственное трение и тепло за счет создаваемого давления (10–20 бар). Основными независимыми параметрами при экструзионной обработке являются скорость подачи, размер частиц сырья, температура цилиндра, скорость шнека и содержание влаги. Процесс экструзии может вызывать как денатурацию белка, так и желатинизацию крахмала, в зависимости от исходных материалов и параметров. Иногда используется катализатор, например, при производстве текстурированных растительных белков (TVP).

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).

Носители наркотиков

Для использования в фармацевтических продуктах применяется экструзия через нанопористые полимерные фильтры для получения суспензий липидных везикул, липосом или трансферсомов с определенным размером и узким распределением по размерам. Например, противораковый препарат доксорубицин в липосомной системе доставки создается методом экструзии. Экструзия расплава также используется в фармацевтической обработке твердых пероральных лекарственных форм для обеспечения доставки препаратов с низкой растворимостью и биодоступностью. Показано, что экструзия расплава обеспечивает молекулярное диспергирование плохо растворимых препаратов в полимерном носителе, что повышает скорость растворения и биодоступность. Процесс включает в себя воздействие тепла, давления и перемешивания для смешивания материалов и их выдавливания через фильеру. Двухшнековые экструдеры с высоким сдвигом смешивают материалы и одновременно разрушают частицы. Полученные частицы можно смешивать с веществами, облегчающими прессование, и прессовать в таблетки или заполнять в капсулы с дозированным содержанием.

Брикеты из биомассы

Технология экструзионного производства топливных брикетов – это процесс прессования отходов экструзии (соломы, лузги подсолнечника, гречихи и т.д.) или мелко измельченных древесных отходов (опилок) под высоким давлением при нагревании от 160 до 350 °C. Полученные топливные брикеты не содержат никаких искусственных связующих веществ, а используют только естественное – лигнин, содержащийся в клетках растительных отходов. Температура, возникающая при сжатии, вызывает расплавление поверхности брикетов, делая их более прочными, что важно для транспортировки.

Текстиль

Большинство синтетических материалов в текстильной промышленности производятся только методом экструзии. При экструзии используются вещества, формирующие волокна, для получения различных синтетических нитей. Расплавленные материалы пропускаются через фильеру, которая способствует формированию волокон.