Экструзия — это процесс, используемый для создания объектов фиксированного профиля поперечного сечения путем проталкивания материала через матрицу желаемого поперечного сечения. Двумя его основными преимуществами перед другими производственными процессами являются способность создавать очень сложные поперечные сечения; и обрабатывать хрупкие материалы, поскольку материал испытывает только сжимающие и сдвиговые напряжения. Он также обеспечивает превосходное качество поверхности и дает значительную свободу формы в процессе проектирования. [1]
Рисование — это аналогичный процесс, в котором используется сила растяжения материала, чтобы протянуть его через матрицу. Он ограничивает количество изменений, которые можно выполнить за один шаг, поэтому ограничивается более простыми формами, и обычно требуется несколько этапов. Волочение является основным способом изготовления проволоки . Также часто рисуют металлические прутья и трубы .
Экструзия может быть непрерывной (теоретически производится материал неопределенной длины) или полунепрерывной (производится множество деталей). Это можно сделать с горячим или холодным материалом. Обычно экструдированные материалы включают металлы , полимеры , керамику , бетон , глину для лепки и пищевые продукты. Продукты экструзии обычно называют экструдатами .
Полые полости в экструдированном материале, также называемые «отбортовкой отверстий», невозможно создать с помощью простой плоской экструзионной матрицы, поскольку не будет возможности поддерживать центральный барьер матрицы. Вместо этого матрица принимает форму блока с глубиной, начиная с профиля формы, поддерживающего центральную часть. Затем форма матрицы внутренне изменяется по своей длине и принимает окончательную форму, при этом подвешенные центральные части поддерживаются задней частью матрицы. Материал обтекает опоры и плавится, создавая желаемую замкнутую форму.
Экструзия металлов также может повысить их прочность.
В 1797 году Джозеф Брама запатентовал первый процесс экструзии труб из мягких металлов. Он включал предварительный нагрев металла, а затем продавливание его через матрицу с помощью плунжера с ручным приводом. В 1820 году Томас Берр применил этот процесс для свинцовых труб с помощью гидравлического пресса (также изобретенного Джозефом Брамой). В то время этот процесс назывался «сквиртинг». В 1894 году Александр Дик расширил процесс экструзии на медные и латунные сплавы. [2]
Процесс начинается с нагрева исходного материала (для горячей или теплой экструзии). Затем его загружают в контейнер в прессе. За ним помещается блок-заглушка, где плунжер затем нажимает на материал, чтобы вытолкнуть его из матрицы. После этого экструзия растягивается, чтобы выпрямить ее. Если требуются лучшие свойства, его можно подвергнуть термической или холодной обработке . [2]
Коэффициент экструзии определяется как начальная площадь поперечного сечения, деленная на площадь поперечного сечения конечной экструзии. Одним из основных преимуществ процесса экструзии является то, что это соотношение может быть очень большим при производстве качественных деталей.
Горячая экструзия — это процесс горячей обработки , что означает, что она выполняется при температуре выше температуры рекристаллизации материала, чтобы предотвратить затвердевание материала и облегчить проталкивание материала через матрицу. Большая часть горячей экструзии выполняется на горизонтальных гидравлических прессах мощностью от 230 до 11 000 метрических тонн (от 250 до 12 130 коротких тонн). Давление варьируется от 30 до 700 МПа (от 4400 до 101 500 фунтов на квадратный дюйм), поэтому требуется смазка, которая может быть маслом или графитом для экструзии при более низких температурах или стеклянным порошком для экструзии при более высоких температурах. Самым большим недостатком этого процесса является стоимость оборудования и его обслуживания. [1]
Процесс экструзии, как правило, экономичен при производстве от нескольких килограммов (фунтов) до многих тонн, в зависимости от экструдируемого материала. Существует точка пересечения, когда профилирование становится более экономичным. Например, прокатку некоторых сталей становится более экономичной при выпуске более 20 000 кг (50 000 фунтов). [2]
Холодная экструзия проводится при комнатной температуре или температуре, близкой к комнатной. Преимуществами этого метода по сравнению с горячей экструзией являются отсутствие окисления, более высокая прочность за счет холодной обработки , более жесткие допуски, лучшее качество поверхности и высокая скорость экструзии, если материал подвержен ломкости в горячем состоянии . [1]
К материалам, которые обычно подвергаются холодной экструзии, относятся: свинец , олово , алюминий , медь , цирконий , титан , молибден , бериллий , ванадий , ниобий и сталь .
Примерами продуктов, производимых этим процессом, являются: складные трубы, корпуса огнетушителей , цилиндры амортизаторов и заготовки шестерен .
В марте 1956 года в США был подан патент на «процесс теплой экструзии металла». В патенте US3156043 A указано, что при горячей экструзии как черных, так и цветных металлов и сплавов можно достичь ряда важных преимуществ, если физические свойства экструдируемой заготовки изменяются в ответ на физические силы путем нагревания до температуры ниже критическая температура плавления. [3] Теплая экструзия проводится при температуре выше комнатной, но ниже температуры рекристаллизации материала температура колеблется от 800 до 1800 ° F (от 424 до 975 ° C). Обычно его используют для достижения надлежащего баланса необходимых сил, пластичности и свойств окончательной экструзии. [4]
Фрикционная экструзия была изобретена в Институте сварки в Великобритании и запатентована в 1991 году. Первоначально она предназначалась в первую очередь как метод получения однородных микроструктур и распределения частиц в композиционных материалах с металлической матрицей. [5] Экструзия трением отличается от обычной экструзии тем, что шихта (заготовка или другой исходный материал) вращается относительно экструзионной головки. Прикладывают силу экструзии, чтобы прижать заготовку к матрице. На практике либо матрица, либо заряд могут вращаться или вращаться в противоположных направлениях. Относительное вращательное движение между шихтой и матрицей оказывает несколько существенных эффектов на процесс. Во-первых, относительное движение в плоскости вращения приводит к большим напряжениям сдвига, а значит, и к пластической деформации в слое шихты, контактирующем со штампом и вблизи него. Эта пластическая деформация рассеивается за счет процессов восстановления и рекристаллизации, приводящих к существенному нагреву деформирующей шихты. Из-за деформационного нагрева экструзия трением обычно не требует предварительного нагрева шихты с помощью вспомогательных средств, что потенциально приводит к более энергоэффективному процессу. Во-вторых, значительный уровень пластической деформации в области относительного вращательного движения может способствовать сварке в твердом состоянии порошков или других мелкодисперсных предшественников, таких как хлопья и стружка, эффективно консолидируя шихту (консолидацию трением) перед экструзией. [6]
Микроэкструзия — это процесс экструзии микроформования , выполняемый в субмиллиметровом диапазоне. Как и при экструзии, металл проталкивается через отверстие матрицы, но поперечное сечение полученного продукта может поместиться в квадрат со стороной 1 мм. С тех пор, как в 1990 году была задумана микроформовка, было разработано несколько процессов микроэкструзии. [7] [8] [9] Впервые была внедрена микроэкструзия вперед (плунжер и заготовка движутся в одном направлении) и назад (плунжер и заготовка движутся в противоположном направлении). позже были разработаны методы экструзии чашки вперед-назад и двойной чашки. [8] [10] Независимо от метода, одной из самых больших проблем при создании успешной микроэкструзионной машины является изготовление матрицы и плунжера. «Небольшой размер матрицы и плунжера, а также строгие требования к точности требуют подходящих производственных процессов». [8] Кроме того, как отметили Фу и Чан в обзоре современных технологий 2013 года, еще необходимо решить несколько проблем, прежде чем микроэкструзия и другие технологии микроформования могут быть внедрены более широко, включая деформационную нагрузку и дефекты , систему формования. стабильность, механические свойства и другие размерные воздействия на структуру и границы кристаллитов (зерен). [8] [9]
Существует множество различных вариантов экструзионного оборудования. Они различаются по четырем основным характеристикам: [1]
Одно- или двухвинтовой шнек, приводимый в движение электродвигателем или плунжером, приводимый в движение гидравлическим давлением (часто используется для стали и титановых сплавов), давлением масла (для алюминия) или в других специализированных процессах, например, при использовании роликов внутри перфорированного барабана. для производства множества одновременных потоков материала.
Типичные экструзионные прессы стоят более 100 000 долларов, тогда как штампы могут стоить до 2 000 долларов.
Существует несколько методов формирования внутренних полостей при экструзии. Один из способов — использовать полую заготовку, а затем использовать фиксированную или плавающую оправку . Фиксированная оправка, также известная как немецкий тип, означает, что она интегрирована в заглушку и шток. Плавающая оправка, также известная как французский тип, плавает в пазах заглушки и выравнивается в матрице при экструзии. Если в качестве исходного материала используется твердая заготовка, то перед экструзией через матрицу ее необходимо сначала пробить оправкой. Для управления оправкой независимо от плунжера используется специальный пресс. [1] Твердую заготовку также можно использовать с матрицей-пауком, матрицей для иллюминатора или матрицей для моста. Все эти типы матриц включают оправку в матрицу и имеют «ноги», которые удерживают оправку на месте. Во время экструзии металл разделяется, обтекает ножки, затем сливается, оставляя в конечном изделии линии сварки. [11]
Прямая экструзия, также известная как прямая экструзия, является наиболее распространенным процессом экструзии. Он работает путем помещения заготовки в контейнер с толстыми стенками. Заготовка проталкивается через матрицу с помощью плунжера или шнека. Между плунжером и заготовкой имеется многоразовая заглушка, позволяющая держать их отдельно. Основным недостатком этого процесса является то, что сила, необходимая для экструзии заготовки, больше, чем сила, необходимая в процессе непрямой экструзии, из-за сил трения , возникающих из-за необходимости прохождения заготовки по всей длине контейнера. По этой причине наибольшая требуемая сила приходится на начало процесса и постепенно уменьшается по мере изнашивания заготовки. На конце заготовки сила значительно возрастает, поскольку заготовка тонкая и материал должен течь радиально, чтобы выйти из матрицы. Конец заготовки (называемый торцом) по этой причине не используется. [12]
При непрямой экструзии, также известной как обратная экструзия, заготовка и контейнер движутся вместе, в то время как матрица неподвижна. Матрица удерживается на месте «стержнем», длина которого должна превышать длину контейнера. Максимальная длина экструзии в конечном итоге определяется прочностью колонны стержня. Поскольку заготовка движется вместе с контейнером, силы трения устраняются. Это приводит к следующим преимуществам: [13]
Недостатками являются: [13]
В процессе гидростатической экструзии заготовка полностью окружена жидкостью под давлением, за исключением тех мест, где заготовка контактирует со матрицей. Этот процесс можно проводить горячим, теплым или холодным, однако температура ограничена стабильностью используемой жидкости. Процесс необходимо проводить в герметичном цилиндре, чтобы содержать гидростатическую среду. Жидкость может находиться под давлением двумя способами: [13]
К преимуществам этого процесса относятся: [13]
Недостатками являются: [13]
Большинство современных прессов прямой или непрямой экструзии имеют гидравлический привод, но все еще используются небольшие механические прессы. Гидравлические прессы бывают двух типов: масляные с прямым приводом и аккумуляторные с водяным приводом.
Масляные прессы с прямым приводом являются наиболее распространенными, поскольку они надежны и прочны. Они могут выдавать давление более 35 МПа (5000 фунтов на квадратный дюйм). Они обеспечивают постоянное давление по всей заготовке. Недостатком является то, что они медленные, от 50 до 200 мм/с (2–8 дюймов в секунду). [14]
Аккумуляторные гидроприводы дороже и крупнее масляных прессов с прямым приводом, теряют около 10% давления за ход, но работают гораздо быстрее, до 380 мм/с (15 дюймов в секунду). По этой причине их используют при экструзии стали. Они также используются с материалами, которые из соображений безопасности необходимо нагревать до очень высоких температур. [14]
В гидростатических экструзионных прессах обычно используется касторовое масло под давлением до 1400 МПа (200 фунтов на квадратный дюйм). Касторовое масло используется потому, что оно обладает хорошей смазывающей способностью и свойствами высокого давления. [15]
Конструкция экструзионного профиля оказывает большое влияние на то, насколько легко его можно экструдировать. Максимальный размер выдавливания определяется путем нахождения наименьшего круга, который соответствует поперечному сечению, это называется описывающей окружностью . Этот диаметр, в свою очередь, определяет размер требуемого штампа, который в конечном итоге определяет, поместится ли деталь в данный пресс. Например, пресс большего размера может обрабатывать описывающие круги диаметром 60 см (24 дюйма) для алюминия и круги диаметром 55 см (22 дюйма) для стали и титана. [1]
Сложность экструдированного профиля можно грубо оценить количественно, рассчитав коэффициент формы , который представляет собой количество площади поверхности, образуемой на единицу массы экструзии. Это влияет на стоимость оснастки, а также на скорость производства. [16]
Для более толстых секций обычно требуется увеличенный размер секции. Для того чтобы материал хорошо растекался, ножки не должны быть длиннее их толщины более чем в десять раз. Если поперечное сечение асимметрично, соседние секции должны быть как можно ближе к одному размеру. Следует избегать острых углов; для алюминия и магния минимальный радиус должен составлять 0,4 мм (1/64 дюйма), а для стальных углов — 0,75 мм (0,030 дюйма), а скругления — 3 мм (0,12 дюйма). В следующей таблице указаны минимальное поперечное сечение и толщина для различных материалов. [1]
К металлам, которые обычно экструдируются, относятся: [17]
Сплавы магния и алюминия обычно имеют среднеквадратическую чистоту поверхности 0,75 мкм (30 мкдюйм) или лучше. Титан и сталь могут достигать среднеквадратичного значения 3 микрометра (120 мкдюйма). [1]
В 1950 году Южин Сежурне из Франции изобрел процесс, в котором стекло используется в качестве смазки при экструзии стали. [18] Процесс Южин-Сежурне, или Сежурне, теперь используется для других материалов, температура плавления которых выше, чем у стали, или для экструдирования которых требуется узкий диапазон температур, таких как платино- иридиевый сплав , используемый для изготовления килограммовых стандартов массы. [19] Процесс начинается с нагрева материалов до температуры экструзии и последующего раскатывания их в стеклянном порошке. Стекло плавится и образует тонкую пленку толщиной от 20 до 30 мил (от 0,5 до 0,75 мм), которая отделяет его от стенок камеры и позволяет ему действовать как смазка. Толстое кольцо из цельного стекла толщиной от 0,25 до 0,75 дюйма (от 6 до 18 мм) помещается в камеру на матрице для смазки экструзии, когда она проходит через матрицу. Вторым преимуществом этого стеклянного кольца является его способность изолировать тепло заготовки от матрицы. Экструзия будет иметь слой стекла толщиной 1 мил, который можно будет легко удалить после остывания. [4]
Еще одним прорывом в области смазывания является использование фосфатных покрытий. С помощью этого процесса в сочетании со смазкой стекла сталь можно подвергать холодной экструзии. Фосфатное покрытие поглощает жидкое стекло, обеспечивая еще лучшие смазывающие свойства. [4]
При экструзии пластмасс обычно используются пластиковые крошки или гранулы, которые обычно сушат в бункере для удаления влаги перед подачей на подающий шнек. Полимерная смола нагревается до расплавленного состояния за счет сочетания нагревательных элементов и сдвигового нагрева экструзионного шнека. Шнек или шнеки, как в случае с двухшнековой экструзией, проталкивают смолу через матрицу, придавая смоле желаемую форму. Экструдат охлаждается и затвердевает, когда его протягивают через фильеру или резервуар для воды. «Гусеничный тяговый механизм» (называемый в США «тянущим устройством») используется для обеспечения натяжения экструзионной линии, что важно для общего качества экструдата. Грануляторы также могут создавать это натяжение, втягивая экструдированные пряди для резки. Гусеничный тяговый механизм должен обеспечивать постоянное тяговое усилие; в противном случае это приведет к изменению длины нарезки или деформации продукта. В некоторых случаях (например, при изготовлении трубок, армированных волокном) экструдат протягивают через очень длинную головку в процессе, называемом «пультрузия». Конфигурация внутренних винтов является движущей силой, зависящей от применения. Смесительные элементы или элементы транспортировки используются в различных формациях. Экструзия широко распространена при добавлении красителя в расплавленный пластик, создавая таким образом особый цвет.
Множество п.
Экструзия резины – это метод изготовления резиновых изделий. В этом процессе синтетический или натуральный каучук, который еще не затвердел, проходит через машину, называемую экструдером. Эта машина имеет форму желаемой формы и систему конвейеров под давлением. Резина нагревается и размягчается в экструдере, что делает ее гибкой. Затем его проталкивают через форму, что придает ему окончательную форму.
Экструдер состоит из двух основных частей: шнека, который перемещает резину по конвейеру при добавлении других материалов, и формы, в которую выдавливается мягкая резина. После того, как резина приобретает форму из формы, ее вулканизируют, чтобы затвердеть и превратить в пригодный к употреблению продукт.
Этот метод эффективен для больших кусков резины, длинных и одинаковой формы, а штампы, используемые в этом процессе, недороги. Его часто используют для изготовления резиновых уплотнений или шлангов. [20] [21] [22] [23] Полимеры используются в производстве пластиковых труб, труб, стержней, рельсов, уплотнений, а также листов или пленок.
Керамике также можно придать форму посредством экструзии. Терракотовая экструзия используется для производства труб. Многие современные кирпичи также производятся с использованием процесса экструзии кирпича. [24]
С появлением промышленного производства экструзия нашла применение в пищевой промышленности, в производстве продуктов быстрого приготовления и закусок, а также в производстве пластмасс и металлов. Основная роль экструзии изначально была разработана для транспортировки и формования жидких форм перерабатываемого сырья. Сегодня технологии и возможности экструзионного приготовления превратились в сложные технологические функции, включая: смешивание, транспортировку, резку, разделение, нагрев, охлаждение, формование, совместную экструзию, удаление летучих веществ и влаги, инкапсуляцию, создание аромата и стерилизацию. [25] Такие продукты, как некоторые макаронные изделия , многие сухие завтраки , готовое тесто для печенья , некоторые виды картофеля фри , некоторые виды детского питания , сухие или полувлажные корма для домашних животных и готовые к употреблению закуски, в основном производятся методом экструзии. Его также используют для производства модифицированного крахмала и гранулирования кормов для животных .
Как правило, высокотемпературная экструзия применяется для изготовления готовых к употреблению закусок, а холодная – для изготовления макаронных изделий и сопутствующих продуктов, предназначенных для последующего приготовления и употребления. Переработанные продукты имеют низкую влажность и, следовательно, значительно более длительный срок хранения, а также обеспечивают разнообразие и удобство для потребителей.
В процессе экструзии сырье сначала измельчается до нужного размера частиц. Сухая смесь проходит через устройство предварительного кондиционирования, в которое могут быть добавлены другие ингредиенты, и впрыскивается пар, чтобы начать процесс приготовления. Предварительно подготовленную смесь затем пропускают через экструдер, где она проталкивается через матрицу и разрезается на нужную длину. Процесс приготовления происходит внутри экструдера, где продукт производит собственное трение и тепло за счет создаваемого давления (10–20 бар). Основными независимыми параметрами при экструзионной варке являются скорость подачи, размер частиц сырья, температура барабана, скорость шнека и содержание влаги. Процесс экструзии может вызывать как денатурацию белка , так и желатинизацию крахмала , в зависимости от исходных данных и параметров. Иногда используют катализатор, например, при производстве текстурированных растительных белков (ТВП).
Для использования в фармацевтических продуктах используется экструзия через нанопористые полимерные фильтры для получения суспензий липосом или трансферсом липидных везикул определенного размера с узким распределением размеров . Противораковый препарат доксорубицин в системе доставки липосом получают, например, путем экструзии. Экструзия горячего расплава также используется при производстве твердых фармацевтических доз для перорального применения, чтобы обеспечить доставку лекарств с плохой растворимостью и биодоступностью. Было показано, что экструзия горячего расплава позволяет молекулярно диспергировать плохо растворимые лекарственные средства в полимерном носителе, увеличивая скорость растворения и биодоступность. Этот процесс включает в себя применение тепла, давления и перемешивания для смешивания материалов и «экструзии» их через матрицу. Двухшнековые экструдеры с высоким сдвиговым усилием смешивают материалы и одновременно измельчают частицы. Полученные частицы можно смешать со средствами для сжатия и спрессовать в таблетки или заполнить капсулы с единичной дозой. [26]
Экструзионная технология производства топливных брикетов представляет собой процесс экструзии шнековых отходов (соломы, лузги подсолнечника, гречки и т.п.) или мелкоизмельченных древесных отходов (опилок) под высоким давлением при нагреве от 160 до 350 °С. В состав получаемых топливных брикетов не входят никакие связующие вещества, а только одно природное – лигнин, содержащийся в клетках растительных отходов. Температура при сжатии вызывает плавление поверхности кирпича, делая его более твердым, что важно при транспортировке брикетов.
Большинство синтетических материалов в текстиле производятся только методом экструзии. Волокнообразующие вещества используются при экструзии для формирования различных синтетических нитей. Расплавленные материалы пропускают через фильеру, которая помогает формировать волокна. [27] [28]
Затем кованую заготовку доставляют в Национальную физическую лабораторию, где ее экструдируют при температуре 1200 °C с использованием стекла в качестве смазки в цилиндр диаметром около 43 мм.