Экструзия — это процесс, используемый для создания объектов с фиксированным профилем поперечного сечения путем проталкивания материала через матрицу желаемого поперечного сечения. Два его главных преимущества перед другими производственными процессами — это способность создавать очень сложные поперечные сечения; и обрабатывать хрупкие материалы, поскольку материал сталкивается только с напряжениями сжатия и сдвига . Он также создает превосходную отделку поверхности и дает значительную свободу формы в процессе проектирования. [1]
Вытягивание — это похожий процесс, использующий прочность материала на разрыв для его протягивания через матрицу. Он ограничивает количество изменений, которые могут быть выполнены за один шаг, поэтому он ограничен более простыми формами, и обычно требуется несколько этапов. Вытягивание — это основной способ производства проволоки . Металлические прутки и трубки также часто вытягиваются.
Экструзия может быть непрерывной (теоретически производящей бесконечно длинный материал) или полунепрерывной (производящей множество деталей). Она может быть выполнена с горячим или холодным материалом. Обычно экструдируемыми материалами являются металлы , полимеры , керамика , бетон , глиняная масса и пищевые продукты. Продукты экструзии обычно называются экструдатами .
Также называемые «отбортовкой отверстий», полые полости внутри экструдированного материала не могут быть получены с помощью простой плоской экструзионной головки, поскольку не было бы возможности поддерживать центральный барьер головки. Вместо этого головка принимает форму блока с глубиной, начиная сначала с профиля формы, который поддерживает центральную секцию. Затем форма головки внутренне изменяется по ее длине в окончательную форму, с подвешенными центральными частями, поддерживаемыми с задней стороны головки. Материал обтекает опоры и сплавляется, создавая желаемую замкнутую форму.
Экструзия металлов также может повысить их прочность.
В 1797 году Джозеф Брама запатентовал первый процесс экструзии для изготовления труб из мягких металлов. Он включал предварительный нагрев металла и последующее продавливание его через матрицу с помощью ручного плунжера. В 1820 году Томас Берр реализовал этот процесс для свинцовых труб с помощью гидравлического пресса (также изобретенного Джозефом Брама). В то время этот процесс назывался «squirting». В 1894 году Александр Дик расширил процесс экструзии до медных и латунных сплавов. [2]
Процесс начинается с нагрева исходного материала (для горячей или теплой экструзии). Затем он загружается в контейнер в прессе. За ним размещается фиктивный блок, где плунжер затем надавливает на материал, чтобы вытолкнуть его из матрицы. После этого экструзия растягивается, чтобы выпрямить ее. Если требуются лучшие свойства, то она может быть подвергнута термической обработке или холодной обработке . [2]
Коэффициент экструзии определяется как начальная площадь поперечного сечения, деленная на площадь поперечного сечения конечной экструзии. Одним из главных преимуществ процесса экструзии является то, что этот коэффициент может быть очень большим, при этом все еще производя качественные детали.
Горячая экструзия — это процесс горячей обработки , что означает, что он выполняется выше температуры рекристаллизации материала , чтобы предотвратить деформационное упрочнение материала и облегчить проталкивание материала через матрицу. Большинство горячей экструзии выполняется на горизонтальных гидравлических прессах , которые варьируются от 230 до 11 000 метрических тонн (от 250 до 12 130 коротких тонн). Давление варьируется от 30 до 700 МПа (от 4 400 до 101 500 фунтов на кв. дюйм), поэтому требуется смазка, которая может быть маслом или графитом для экструзии при более низкой температуре или стеклянным порошком для экструзии при более высокой температуре. Самым большим недостатком этого процесса является его стоимость для оборудования и его обслуживание. [1]
Процесс экструзии обычно экономичен при производстве от нескольких килограммов (фунтов) до многих тонн, в зависимости от экструдируемого материала. Существует точка пересечения, где профилирование становится более экономичным. Например, некоторые стали становятся более экономичными для прокатки при производстве более 20 000 кг (50 000 фунтов). [2]
Холодная экструзия выполняется при комнатной температуре или близкой к комнатной. Преимуществами этого метода по сравнению с горячей экструзией являются отсутствие окисления, более высокая прочность из-за холодной обработки , более жесткие допуски, лучшая отделка поверхности и более высокая скорость экструзии, если материал подвержен горячей короткости . [1]
Материалы, которые обычно подвергаются холодной экструзии, включают: свинец , олово , алюминий , медь , цирконий , титан , молибден , бериллий , ванадий , ниобий и сталь .
Примерами продукции, производимой с помощью этого процесса, являются: складные трубки, 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 ряд важных преимуществ может быть достигнут с помощью теплой экструзии как черных, так и цветных металлов и сплавов, если заготовка, подлежащая экструзии, изменяет свои физические свойства в ответ на физические силы путем нагревания до температуры ниже критической точки плавления. [3] Тепловая экструзия выполняется при температуре выше комнатной, но ниже температуры рекристаллизации материала температура составляет от 800 до 1800 °F (от 424 до 975 °C). Обычно она используется для достижения надлежащего баланса требуемых сил, пластичности и конечных свойств экструзии. [4]
Фрикционная экструзия была изобретена в Институте сварки в Великобритании и запатентована в 1991 году. Первоначально она была задумана в первую очередь как метод производства однородных микроструктур и распределений частиц в композиционных материалах с металлической матрицей. [5] Фрикционная экструзия отличается от обычной экструзии тем, что загрузка (заготовка или другой прекурсор) вращается относительно экструзионной матрицы. Сила экструзии применяется таким образом, чтобы прижимать загрузку к матрице. На практике либо матрица, либо загрузка могут вращаться или они могут вращаться в противоположных направлениях. Относительное вращательное движение между загрузкой и матрицей имеет несколько существенных эффектов на процесс. Во-первых, относительное движение в плоскости вращения приводит к большим напряжениям сдвига, следовательно, пластической деформации в слое загрузки, контактирующем с матрицей и вблизи нее. Эта пластическая деформация рассеивается процессами восстановления и рекристаллизации, приводящими к существенному нагреву деформирующей загрузки. Из-за нагрева при деформации фрикционная экструзия обычно не требует предварительного нагрева загрузки вспомогательными средствами, 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 прекурсоров, таких как чешуйки и стружка, эффективно консолидируя заряд (консолидация трением) перед экструзией. [6]
Микроэкструзия — это процесс микроформовочной экструзии, выполняемый в субмиллиметровом диапазоне. Как и при экструзии, металл проталкивается через отверстие матрицы, но поперечное сечение полученного продукта может пройти через квадрат размером 1 мм. С момента изобретения микроформовки в 1990 году было разработано несколько процессов микроэкструзии. [7] [8] [9] Сначала были представлены прямая (плунжер и заготовка движутся в одном направлении) и обратная (плунжер и заготовка движутся в противоположных направлениях) микроэкструзия, а позже были разработаны методы экструзии с прямым стержнем и обратной чашкой и двойной чашкой. [8] [10] Независимо от метода, одной из самых больших проблем создания успешной машины для микроэкструзии является изготовление матрицы и плунжера. «Небольшой размер матрицы и плунжера, а также строгие требования к точности требуют соответствующих производственных процессов». [8] Кроме того, как отметили Фу и Чан в обзоре современных технологий за 2013 год, еще предстоит решить несколько вопросов, прежде чем микроэкструзия и другие технологии микроформования смогут быть внедрены более широко, включая деформационную нагрузку и дефекты , стабильность системы формования, механические свойства и другие эффекты, связанные с размером, на структуру и границы кристаллитов (зерен). [8] [9]
Существует множество различных вариантов экструзионного оборудования. Они различаются по четырем основным характеристикам: [1]
Одно- или двухшнековый шнек, приводимый в действие электродвигателем или плунжером, приводимым в действие гидравлическим давлением (часто используется для стали и титановых сплавов), давлением масла (для алюминия) или в других специализированных процессах, например, роликами внутри перфорированного барабана для производства множества одновременных потоков материала.
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 фиктивный блок и шток. Плавающая оправка, также известная как французский тип, плавает в пазах в фиктивном блоке и выравнивается в матрице при экструзии. Если в качестве исходного материала используется сплошная заготовка, то ее сначала необходимо проткнуть оправкой перед экструзией через матрицу. Специальный пресс используется для того, чтобы управлять оправкой независимо от плунжера. [1] Твердая заготовка также может использоваться с крестовиной, иллюминаторной или мостовой матрицей. Все эти типы матриц включают оправку в матрицу и имеют «ноги», которые удерживают оправку на месте. Во время экструзии металл разделяется, обтекает ноги, затем сливается, оставляя линии сварки в конечном продукте. [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 находится многоразовый фиктивный блок, чтобы держать их разделенными. Основным недостатком этого процесса является то, что сила, необходимая для экструзии заготовки, больше, чем та, которая необходима в процессе непрямой экструзии из-за сил трения , возникающих из-за необходимости прохождения заготовки по всей длине контейнера. Из-за этого наибольшая требуемая сила приходится на начало процесса и медленно уменьшается по мере использования заготовки. В конце заготовки сила значительно увеличивается, 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 «штоком», который должен быть длиннее длины контейнера. Максимальная длина экструзии в конечном итоге определяется прочностью колонны штока. Поскольку заготовка движется вместе с контейнером, силы трения устраняются. Это приводит к следующим преимуществам: [13]
Недостатки: [13]
В процессе гидростатической экструзии заготовка полностью окружена жидкостью под давлением, за исключением тех мест, где заготовка контактирует с матрицей. Этот процесс может быть выполнен горячим, теплым или холодным, однако температура ограничена стабильностью используемой жидкости. Процесс должен осуществляться в герметичном цилиндре для удержания гидростатической среды. Жидкость может быть нагнетена двумя способами: [13]
Преимущества этого процесса включают в себя: [13]
Недостатки: [13]
Большинство современных прессов прямой или непрямой экструзии имеют гидравлический привод, но некоторые небольшие механические прессы все еще используются. Гидравлические прессы бывают двух типов: масляные прессы с прямым приводом и приводы от аккумуляторной воды.
Масляные прессы с прямым приводом являются наиболее распространенными, поскольку они надежны и прочны. Они могут выдавать 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 водяные приводы дороже и больше, чем масляные прессы с прямым приводом, и они теряют около 10% своего давления за ход, но они намного быстрее, до 380 мм/с (15 дюймов в секунду). Из-за этого они используются при экструзии стали. Они также используются для материалов, которые должны нагреваться до очень высоких температур по соображениям безопасности. [14]
Гидростатические экструзионные прессы обычно используют касторовое масло под давлением до 1400 МПа (200 ksi). Касторовое масло используется, поскольку оно обладает хорошей смазывающей способностью и свойствами высокого давления. [15]
Конструкция профиля экструзии оказывает большое влияние на то, насколько легко его можно экструдировать. Максимальный размер для экструзии определяется путем нахождения наименьшего круга, который будет соответствовать поперечному сечению, это называется описывающей окружностью . Этот диаметр, в свою очередь, контролирует размер требуемой матрицы, которая в конечном итоге определяет, поместится ли деталь в данный пресс. Например, более крупный пресс может обрабатывать описывающие окружности диаметром 60 см (24 дюйма) для алюминия и круги диаметром 55 см (22 дюйма) для стали и титана. [1]
Сложность экструдированного профиля можно приблизительно оценить, вычислив коэффициент формы , который представляет собой площадь поверхности, полученную на единицу массы экструзии. Это влияет на стоимость инструмента, а также на скорость производства. [16]
Более толстые секции обычно требуют увеличенного размера сечения. Для того чтобы материал тек правильно, ножки не должны быть длиннее своей толщины более чем в десять раз. Если поперечное сечение асимметрично, смежные секции должны быть как можно ближе к одному размеру. Следует избегать острых углов; для алюминия и магния минимальный радиус должен быть 0,4 мм (1/64 дюйма), а для стальных углов — 0,75 мм (0,030 дюйма), а галтели — 3 мм (0,12 дюйма). В следующей таблице перечислены минимальное поперечное сечение и толщина для различных материалов. [1]
Металлы, которые обычно подвергаются экструзии, включают: [17]
Магниевые и алюминиевые сплавы обычно имеют 0,75 мкм (30 мкдюйм) RMS или лучше. Титан и сталь могут достигать 3 мкм (120 мкдюйм) RMS. [1]
В 1950 году Южин Сежурне из Франции изобрел процесс, в котором стекло используется в качестве смазки для экструзии стали. [18] Процесс Южин-Сежурне, или Sejournet, теперь используется для других материалов, которые имеют температуру плавления выше, чем у стали, или которым требуется узкий диапазон температур для экструзии, например, сплав платины и иридия, используемый для изготовления стандартов массы килограмма . [19] Процесс начинается с нагрева материалов до температуры экструзии, а затем прокатки их в стеклянном порошке. Стекло плавится и образует тонкую пленку, 20–30 мил (0,5–0,75 мм), чтобы отделить его от стенок камеры и позволить ему действовать как смазка. Толстое сплошное стеклянное кольцо толщиной 0,25–0,75 дюйма (6–18 мм) помещается в камеру на матрице для смазки экструзии, когда она продавливается через матрицу. Второе преимущество этого стеклянного кольца — 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 смазке является использование фосфатных покрытий. С помощью этого процесса, в сочетании со смазкой стекла, сталь может быть подвергнута холодной экструзии. Фосфатное покрытие поглощает жидкое стекло, обеспечивая еще лучшие смазочные свойства. [4]
Для экструзии пластмасс обычно используют пластиковые чипсы или гранулы, которые обычно высушивают, чтобы удалить влагу, в бункере перед подачей в подающий шнек. Полимерная смола нагревается до расплавленного состояния с помощью комбинации нагревательных элементов и нагрева сдвига от экструзионного шнека. Шнек или шнеки, как в случае двухшнековой экструзии, продавливают смолу через фильеру, придавая ей желаемую форму. Экструдат охлаждается и затвердевает по мере протягивания через фильеру или резервуар с водой. «Гусеничное тянущее устройство» (в США его называют «пулером») используется для обеспечения натяжения на линии экструзии, что необходимо для общего качества экструдата. Грануляторы также могут создавать это натяжение, протягивая экструдированные нити для резки. Гусеничное тянущее устройство должно обеспечивать постоянное натяжение; в противном случае возникнут различия в длине резки или искажение продукта. В некоторых случаях (например, армированные волокном трубы) экструдат протягивается через очень длинную матрицу в процессе, называемом «пултрузией». Конфигурация внутренних шнеков является движущей силой, зависящей от области применения. Смесительные элементы или элементы конвейера используются в различных формациях. Экструзия распространена в применении добавления красителя к расплавленному пластику, таким образом создавая определенный индивидуальный цвет.
Экструзия также является процессом, используемым в 3D-принтерах с наплавляемым волокном , где экструдер часто состоит из редукторного двигателя, проталкивающего пластиковую нить через сопло.
Экструзия резины — это метод, используемый для изготовления резиновых изделий. В этом процессе синтетический или натуральный каучук, который еще не затвердел, пропускается через машину, называемую экструдером. Эта машина имеет форму желаемой формы и систему конвейера под давлением. Резина нагревается и размягчается в экструдере, что делает ее гибкой. Затем ее проталкивают через форму, которая придает ей окончательную форму.
Экструдер состоит из двух основных частей: винта, который перемещает резину по конвейеру, добавляя другие материалы, и формы, в которую выдавливается мягкая резина. После того, как резина получает свою форму из формы, ее вулканизируют, чтобы затвердеть и превратить в пригодный к использованию продукт.
Этот метод эффективен для больших резиновых деталей, которые длинные и имеют постоянную форму, а штампы, используемые в этом процессе, недороги. Он часто используется для изготовления таких вещей, как резиновые уплотнения или шланги. [20] [21] [22] [23] Полимеры используются в производстве пластиковых трубок, труб, стержней, рельсов, уплотнений и листов или пленок.
Керамика также может быть сформирована в формы 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 для приготовления продуктов быстрого приготовления и закусок, наряду с уже известными применениями в производстве пластмасс и металлов. Основная роль экструзии изначально была разработана для транспортировки и формования жидких форм обработанного сырья. В настоящее время технологии и возможности экструзионной кулинарной обработки развились в сложные функции обработки, включая: смешивание, транспортировку, сдвиг, разделение, нагрев, охлаждение, формование, совместную экструзию, удаление летучих веществ и влаги, инкапсуляцию, генерацию вкуса 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. Он также используется для производства модифицированного крахмала и гранулирования кормов для животных .
Как правило, высокотемпературная экструзия используется для производства готовых к употреблению закусок, тогда как холодная экструзия используется для производства макаронных изделий и связанных с ними продуктов, предназначенных для последующего приготовления и потребления. Обработанные 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 пропускается через предварительный кондиционер, в который могут быть добавлены другие ингредиенты, и впрыскивается пар для начала процесса приготовления. Затем предварительно кондиционированная смесь пропускается через экструдер, где она продавливается через фильеру и разрезается на требуемую длину. Процесс приготовления происходит в экструдере, где продукт производит собственное трение и тепло из-за создаваемого давления (10–20 бар). Основными независимыми параметрами во время экструзионной готовки 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 входных данных и параметров. Иногда используется катализатор, например, при производстве текстурированных растительных белков (TVP).
Для использования в фармацевтических продуктах экструзия через нанопористые полимерные фильтры используется для получения суспензий липидных везикул липосом или трансферсом с определенным размером узкого распределения размеров . Например, противораковый препарат доксорубицин в системе доставки липосом формулируется путем экструзии. Экструзия горячего расплава также используется в фармацевтической обработке твердых пероральных доз для обеспечения доставки лекарств с плохой растворимостью и биодоступностью. Было показано, что экструзия горячего расплава молекулярно диспергирует плохо растворимые лекарства в полимерном носителе, увеличивая скорость растворения и биодоступность. Процесс включает применение тепла, давления и перемешивания для смешивания материалов вместе и «выдавливания» их через фильеру. Двухшнековые экструдеры с высоким сдвигом смешивают материалы и одновременно разбивают частицы. Полученную частицу можно смешивать с компрессионными добавками и прессовать в таблетки или заполнять в капсулы с единичной дозой. [26]
Технология производства топливных брикетов методом экструзии представляет собой процесс экструзии шнеком отходов (соломы, лузги подсолнечника, гречихи и т. д.) или мелкоизмельченных древесных отходов (опилок) под высоким давлением при нагревании от 160 до 350 °С. В состав получаемых топливных брикетов не входят никакие связующие вещества, кроме одного природного – лигнина, содержащегося в клетках растительных отходов. Температура при прессовании вызывает оплавление поверхности брикетов, делая ее более прочной, что важно для транспортировки брикетов.
Большинство синтетических материалов в текстиле производятся только методом экструзии. Волокнообразующие вещества используются при экструзии для формирования различных синтетических нитей. Расплавленные материалы пропускаются через фильеру, которая помогает формировать волокна. [27] [28]
Затем кованая заготовка доставляется в Национальную физическую лабораторию, где ее прессуют при температуре 1200 °C, используя стекло в качестве смазки, в цилиндр диаметром около 43 мм.