Ολόκληρο το πεδίο της θερμοπλαστικής εξώθησης έχει γίνει πιο περίπλοκο από ό,τι περίμενε κανείς. Όταν έχετε να κάνετε με υλικά που αποικοδομούνται σε συγκεκριμένες θερμοκρασίες, το παράθυρο επεξεργασίας γίνεται εκπληκτικά στενό. Οι περισσότεροι κατασκευαστές δεν μιλούν αρκετά για αυτό - υπάρχει αυτή η υπόθεση ότι απλώς θερμαίνεις το υλικό και το σπρώχνεις μέσα από μια μήτρα, αλλά η θερμοπλαστική εξώθηση είναι πολύ πιο λεπτή από αυτήν.
Ο έλεγχος της θερμοκρασίας έχει μεγαλύτερη σημασία από ό,τι αντιλαμβάνονται οι άνθρωποι. Πάρτε για παράδειγμα το LDPE - έρευνα από την Plastics Technology δείχνει ότι με ρυθμό διάτμησης 100 sec-1, το ιξώδες βρίσκεται γύρω στα 700 Pa·s, αλλά οι αλλαγές θερμοκρασίας δεν το επηρεάζουν τόσο όσο νομίζετε. Οι καμπύλες ιξώδους παραμένουν σχετικά κοντά μεταξύ τους σε διαφορετικές θερμοκρασίες, κάτι που είναι περίεργο όταν το συγκρίνετε με HDPE ή LLDPE όπου η θερμοκρασία κάνει τεράστια διαφορά. Αυτό δεν είναι μόνο ακαδημαϊκό - αλλάζει τον τρόπο με τον οποίο ρυθμίζετε ολόκληρη τη γραμμή διέλασης.
Επεξεργασία Windows για την οποία κανείς δεν σας προειδοποιεί
Η ενέργεια που απαιτείται για την επεξεργασία αυτών των υλικών αυξάνεται γρήγορα. Η θέρμανση ενός κιλού LDPE από τη θερμοκρασία δωματίου (περίπου 25 μοίρες ) σε τυπικές θερμοκρασίες εξώθησης 210 βαθμών απαιτεί περίπου 138 Kilocalories, αν και οι πραγματικές{4}}παγκόσμιες εφαρμογές συνήθως χρειάζονται διπλάσιο από αυτό λόγω θερμικών απωλειών - πηγή: plasticstoday.com. Και αυτό είναι μόνο για το LDPE. Όταν μετακινείστε σε άλλα πολυαιθυλένια ή πιο πολύπλοκα θερμοπλαστικά, όλα αλλάζουν.
Διαφορετικά υλικά χρειάζονται εντελώς διαφορετικές προσεγγίσεις. Σύμφωνα με δεδομένα που δημοσιεύθηκαν στο pubs.acs.org, τα μείγματα LDPE με κερί αναμίχθηκαν-με χρήση πλαστογράφου Brabender στους 140 βαθμούς, ενώ το LLDPE απαιτούσε 150 μοίρες και το HDPE χρειαζόταν 160 μοίρες. Αυτές δεν είναι απλώς προτάσεις - να πάτε κάτω από αυτές τις θερμοκρασίες και να έχετε ατελές λιώσιμο, να υπερβείτε και να κινδυνεύετε να υποβαθμιστείτε θερμικά. Το παράθυρο επεξεργασίας είναι πραγματικό και είναι πιο στενό από ό,τι παραδέχονται οι περισσότεροι προμηθευτές εξοπλισμού.
Αυτό που είναι ενδιαφέρον είναι πόσο λίγο τυποποιεί ο κλάδος γύρω από αυτούς τους αριθμούς. Θα βρείτε έναν επεξεργαστή να τρέχει LDPE στις 180 μοίρες, έναν άλλο στις 240 μοίρες και και οι δύο να διεκδικούν βέλτιστα αποτελέσματα. Η αλήθεια είναι κάπου στη μέση και εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τον χρόνο παραμονής, τον σχεδιασμό της βίδας και τα πρόσθετα που υπάρχουν στη σύνθεση.
Τα ευαίσθητα στη θερμότητα υλικά αλλάζουν τα πάντα
Όταν η θερμοπλαστική διέλαση επεξεργάζεται ευαίσθητα στη θερμότητα υλικά, δεν μπορείτε απλώς να αυξήσετε τη θερμοκρασία για να βελτιώσετε τη ροή. Ορισμένα υλικά αρχίζουν να διασπώνται σε θερμοκρασίες που είναι μόλις πάνω από το σημείο τήξης τους. Το PVC είναι διαβόητο για αυτό - το παράθυρο επεξεργασίας μεταξύ "πολύ στερεού" και "απελευθερώνοντας υδροχλωρικό οξύ" είναι άβολα μικρό. Το ίδιο ισχύει για ορισμένα βιολογικά-πολυμερή για τα οποία όλοι είναι ενθουσιασμένοι τώρα. Υπέροχη περιβαλλοντική ιστορία, εφιάλτης για συνεχή επεξεργασία.
Η πλευρά του εξοπλισμού των πραγμάτων δεν έχει προσεγγίσει την επιστήμη των υλικών. Οι σύγχρονοι εξωθητήρες εξακολουθούν να χρησιμοποιούν την ίδια βασική τεχνολογία θερμαντήρα κάννης πριν από δεκαετίες, μόνο με πιο φανταχτερούς ελεγκτές. Αλλά όταν εργάζεστε με-συνθέσεις ευαίσθητες στη θερμότητα, χρειάζεστε κάτι περισσότερο από ακριβείς ενδείξεις θερμοκρασίας - χρειάζεστε άμεσους χρόνους απόκρισης και τη δυνατότητα αντιστάθμισης της θέρμανσης τριβής σε πραγματικό-χρόνο.
Οι πραγματικές-Παγκόσμιες εφαρμογές δείχνουν το χάσμα
Το τμήμα οδικής σήμανσης της 3M κατάλαβε μερικά από αυτά μέσω δοκιμής και λάθους. Το All Weather Thermoplastic σύστημα λειτουργεί σε μια σφιχτή ζώνη θερμοκρασίας 400-440 βαθμών F (204-}227 βαθμών F) με θερμοστατικά ελεγχόμενη θέρμανση - αυτές οι προδιαγραφές προέρχονται κατευθείαν από την τεχνική τους τεκμηρίωση στο 3m.com. Πηγαίνετε κάτω από τους 400 βαθμούς F και το υλικό δεν ρέει σωστά μέσα από τον εξοπλισμό εφαρμογής. Πιέστε πάνω από τους 440 βαθμούς F και αρχίζετε να υποβαθμίζετε το σύστημα συνδετικού υλικού, το οποίο σκοτώνει τη μακροπρόθεσμη αντοχή των σημάνσεων του δρόμου.
Έρευνα από το academia.edu κατέγραψε κάτι εκπληκτικό σχετικά με τα προσχηματισμένα θερμοπλαστικά σημάδια τους όταν τοποθετήθηκαν σε δρόμους - υπήρχε μια επίδραση μείωσης ταχύτητας κατά 20-31% αμέσως μετά την εγκατάσταση ανάλογα με τον τύπο του οχήματος, πέφτοντας στο 9-17% μετά από ένα χρόνο. Αυτό δεν σχετίζεται άμεσα με τη διαδικασία εξώθησης, αλλά δείχνει πώς οι ιδιότητες του υλικού από την επεξεργασία επηρεάζουν την πραγματική απόδοση μήνες αργότερα.
Η βιομηχανία σήμανσης πεζοδρομίων επεξεργάζεται τόνους θερμοπλαστικού υλικού καθημερινά και έχει αναπτύξει μερικές ενδιαφέρουσες λύσεις για ευαίσθητες στη θερμότητα σκευάσματα-. Τα φορτηγά εφαρμογών για φορητές συσκευές πρέπει να διατηρούν σταθερές θερμοκρασίες ενώ κινούνται, πράγμα που σημαίνει ότι αντιμετωπίζουν πτώσεις θερμοκρασίας στις γραμμές τροφοδοσίας, απώλεια θερμότητας στο περιβάλλον και τη θερμική μάζα του ίδιου του υλικού. Τα περισσότερα συστήματα χρησιμοποιούν πλέον μεταφορά θερμότητας με βάση το πετρέλαιο αντί για άμεση θέρμανση με φλόγα, επειδή οι διαβαθμίσεις θερμοκρασίας προκαλούσαν υποβάθμιση του υλικού σε εντοπισμένες ζώνες.
Η συμπεριφορά του ιξώδους γίνεται περίεργη στις θερμοκρασίες επεξεργασίας
Οι άνθρωποι υποθέτουν ότι τα τήγματα πολυμερών συμπεριφέρονται προβλέψιμα, αλλά αυτό ισχύει μόνο εντός συγκεκριμένων ορίων ταχύτητας διάτμησης. Σε χαμηλούς ρυθμούς διάτμησης, το LDPE και το HDPE μπορεί να φαίνονται παρόμοια, αλλά αυξάνουν τη διάτμηση και ξαφνικά το LDPE ρέει τρεις φορές ευκολότερα. Αυτό είναι εξαιρετικά σημαντικό για τον σχεδιασμό της μήτρας - ό,τι λειτουργεί για την εξώθηση σωλήνων HDPE θα αποτύχει θεαματικά με το LDPE, εκτός εάν λάβετε υπόψη αυτές τις ρεολογικές διαφορές.
Και δεν έχουμε καν αγγίξει πώς τα πρόσθετα αλλάζουν τα πάντα. Προσθέστε χρωστικές ουσίες, σταθεροποιητές UV ή επιβραδυντικά φλόγας στη ρητίνη βάσης και η συμπεριφορά του ιξώδους αλλάζει. Μερικές φορές δραματικά. Έχω δει σκευάσματα όπου η προσθήκη 2% ενός βοηθήματος επεξεργασίας έπεσε την απαιτούμενη θερμοκρασία εξώθησης κατά 15 βαθμούς. Άλλες φορές το ίδιο βοήθημα επεξεργασίας μετά βίας έκανε τη διαφορά επειδή ήταν ασυμβίβαστο με το βασικό πολυμερές.
Περιορισμοί εξοπλισμού που οι επιστήμονες υλικών αγνοούν
Υπάρχει αυτή η αποσύνδεση μεταξύ των ανθρώπων που αναπτύσσουν νέα θερμοπλαστικά-ευαίσθητα και των ανθρώπων που πρέπει να τα επεξεργαστούν πραγματικά. Ένας επιστήμονας υλικών μπορεί να δημιουργήσει ένα καταπληκτικό νέο βιολογικό-πολυμερές που επεξεργάζεται "ψιλά" σε έναν εργαστηριακό εξωθητήρα διπλού-βιδώματος με ταχύτητα 5 kg/ώρα. Στη συνέχεια, η παραγωγή προσπαθεί να την κλιμακώσει στα 500 kg/ώρα σε μία-βιδωτή γραμμή και ανακαλύπτει ότι η θερμική διαχείριση είναι εντελώς διαφορετική.
Οι εξωθητήρες μονής-βίδας παράγουν το μεγαλύτερο μέρος της θερμότητάς τους από την τριβή και όχι από τους θερμαντήρες κάννης. Αυτό είναι συνήθως εντάξει, αλλά με ευαίσθητα στη θερμότητα υλικά{2}}δημιουργεί προβλήματα. Καταλήγετε να πρέπει να τρέξετε τις ζώνες της κάννης πιο ψυχρές από την επιθυμητή θερμοκρασία τήξης μόνο για να αποτρέψετε την υπερθέρμανση από τη διάτμηση της βίδας. Τότε θα έχετε ασυνεπή τήξη στη ζώνη τροφοδοσίας επειδή δεν είναι αρκετά ζεστή. Είναι μια πράξη εξισορρόπησης που συχνά απαιτεί προσαρμοσμένα σχέδια βιδών.
Οι εξωθητήρες διπλού κοχλία-διαχειρίζονται καλύτερα τα θερμικά-ευαίσθητα υλικά θεωρητικά - καλύτερη ανάμειξη, μικρότεροι χρόνοι παραμονής, περισσότερες ζώνες ελέγχου θερμοκρασίας. Αλλά είναι ακριβά και πολύπλοκα. Και ακόμα δεν μπορείς να εξαπατήσεις τη φυσική. Εάν το υλικό σας αρχίζει να υποβαθμίζεται στις 200 μοίρες και πρέπει να βρίσκεται στις 190 μοίρες για να ρέει μέσα από τη μήτρα, έχετε ίσως ένα παράθυρο 10 μοιρών για να εργαστείτε. Η ακρίβεια του εξοπλισμού έχει μεγαλύτερη σημασία από ό,τι οι περισσότερες λειτουργίες έχουν ρυθμιστεί για παράδοση.
Σχέδιο μήτρας για ευαίσθητα στη θερμότητα υλικά
Η μήτρα είναι όπου πολλά ευαίσθητα στη θερμότητα υλικά αποτυγχάνουν. Έχετε το πολυμερές συμπιεσμένο, κινούμενο μέσα από στενά κανάλια, δημιουργώντας θερμότητα από την ίδια τη ροή. Τα τυπικά σχέδια καλουπιών συχνά έχουν νεκρά σημεία όπου το υλικό κάθεται πολύ και υποβαθμίζεται. Για ευαίσθητες στη θερμότητα σκευάσματα{4}}χρειάζεστε βελτιωμένες διαδρομές ροής με ελάχιστη πτώση πίεσης, κάτι που συνήθως σημαίνει θυσία κάποιου ρυθμού παραγωγής.
Οι μήτρες κρεμάστρας παλτό-για εξώθηση φύλλων είναι ιδιαίτερα προβληματικές. Τα τμήματα πολλαπλής δημιουργούν περιοχές χαμηλής διάτμησης όπου το υλικό μπορεί να υπερθερμανθεί μόνο από την αγωγιμότητα. Ορισμένοι κατασκευαστές έχουν προχωρήσει σε σχέδια σπειροειδούς ατράκτου ή πολυ-μπλοκ ανατροφοδότησης για να μειώσουν τον χρόνο παραμονής στο καλούπι, αλλά αυτές είναι ακριβές λύσεις που πολλοί επεξεργαστές δεν μπορούν να δικαιολογήσουν.
Η παρακολούθηση της θερμοκρασίας στο καλούπι είναι συχνά ανεπαρκής. Οι περισσότερες ρυθμίσεις έχουν θερμοστοιχεία στο σώμα της μήτρας, αλλά αυτά μετρούν τη θερμοκρασία του μετάλλου και όχι την πραγματική θερμοκρασία τήξης του πολυμερούς. Μέχρι τη στιγμή που η θερμοκρασία του σώματος της μήτρας ανεβαίνει αρκετά ψηλά για να ειδοποιήσει, έχετε ήδη εξωθήσει υποβαθμισμένο υλικό για ποιος ξέρει πόσο καιρό.
Πού κατευθύνεται η βιομηχανία
Υπάρχει αυξανόμενη πίεση για επεξεργασία περισσότερων-ευαίσθητων υλικών - βιολογικών-πολυμερών, ανακυκλωμένου περιεχομένου με άγνωστο θερμικό ιστορικό, ειδικών σκευασμάτων για συγκεκριμένες εφαρμογές. Ο εξοπλισμός δεν έχει εξελιχθεί αρκετά γρήγορα για να το χειριστεί εύκολα.
Ορισμένες εταιρείες πειραματίζονται με εναλλακτικές μεθόδους θέρμανσης. Η επαγωγική θέρμανση της μήτρας παρέχει ταχύτερους χρόνους απόκρισης και πιο ακριβή έλεγχο. Η υπέρυθρη θέρμανση των ζωνών του κυλίνδρου μπορεί να μειώσει τη διαβάθμιση θερμοκρασίας μεταξύ της επιφάνειας του κυλίνδρου και του τήγματος πολυμερούς. Αυτά δεν είναι ακόμα mainstream επειδή είναι ακριβά και απαιτούν σημαντική ανάπτυξη διαδικασίας.
Η παρακολούθηση σε πραγματικό χρόνο-γίνεται καλύτερη, αργά. Τα ενσωματωμένα ροόμετρα μπορούν να πιάσουν αλλαγές ιξώδους που υποδεικνύουν θερμική υποβάθμιση προτού γίνει σημαντικό πρόβλημα ποιότητας. Οι μετατροπείς πίεσης σε όλη την κάννη και τη μήτρα μπορούν να εντοπίσουν νωρίς τα προβλήματα επεξεργασίας. Αλλά όλα αυτά κοστίζουν χρήματα και απαιτούν χειριστές που καταλαβαίνουν τι σημαίνουν τα δεδομένα, κάτι που είναι μεγαλύτερη πρόκληση από την ίδια την τεχνολογία.
Το θεμελιώδες ζήτημα παραμένει: η θερμοπλαστική διέλαση επεξεργάζεται υλικά ευαίσθητα στη θερμότητα μέσα σε σφιχτά παράθυρα που ο εξοπλισμός δεν είχε σχεδιαστεί αρχικά για να συντηρεί. Έως ότου οι κατασκευαστές εξωθητών και οι προγραμματιστές υλικών συνεργαστούν πιο στενά, θα συνεχίσουμε να αντιμετωπίζουμε αυτές τις προκλήσεις επεξεργασίας. Τα υλικά γίνονται όλο και πιο απαιτητικά και ο εξοπλισμός δυσκολεύεται να συμβαδίσει. Εκεί ακριβώς βρισκόμαστε αυτή τη στιγμή.
Οι προδιαγραφές του Τμήματος Μεταφορών της Νέας Υόρκης για τα εξωθημένα θερμοπλαστικά σημάδια απαιτούν θερμοκρασίες εφαρμογής μεταξύ 400-450 βαθμών F που μετρώνται στο πέδιλο εξώθησης, με συγκεκριμένες απαιτήσεις σχετικά με την ικανότητα εξοπλισμού και τη συντήρηση θερμοκρασίας - που τεκμηριώνονται στο nyc.gov. Αυτά τα είδη άκαμπτων προδιαγραφών υπάρχουν επειδή οι εταιρείες έμαθαν μέσω αστοχιών ότι οι παράμετροι επεξεργασίας για θερμοπλαστικά θερμοευαίσθητα δεν μπορούν να είναι κατά προσέγγιση. Είτε ελέγχετε με ακρίβεια τη θερμοκρασία είτε έχετε ασυνεπή απόδοση.
Αυτό μας φέρνει πίσω στην βασική πρόκληση - εξισορρόπησης θερμικών απαιτήσεων με σταθερότητα υλικού. Κάθε θερμοπλαστικό έχει αυτό το γλυκό σημείο όπου ρέει καλά χωρίς να υποβαθμίζεται, και η εύρεση αυτού του σημείου διατηρώντας την αποδοτικότητα παραγωγής είναι αυτό που κάνει την επεξεργασία εξώθησης περισσότερο τέχνη παρά επιστήμη, ακόμη και με όλα τα σύγχρονα όργανα και τον έλεγχο της διαδικασίας.