تاريخ ماكينات بثق البلاستيك

إن بثق البلاستيك عبارة عن عملية تصنيع كبيرة الحجم يتم فيها صهر البلاستيك الخام وتشكيله في صورة مستمرة. ينتج البثق عناصر مثل الأنابيب / الأنابيب، والتعرية الجوية، والسياج، وسور السطح، وإطارات النوافذ، والأفلام والأغطية البلاستيكية، والطلاءات البلاستيكية الحرارية، وعزل الأسلاك.
تبدأ هذه العملية بتغذية المواد البلاستيكية (الكريات أو الحبيبات أو الرقائق أو المساحيق) من القادوس إلى أسطوانة الطارد. يتم ذوبان المادة تدريجيًا بواسطة الطاقة الميكانيكية المتولدة عن طريق تدوير البراغي والسخانات المرتبة على طول البرميل. يتم بعد ذلك دفع البوليمر المنصهر إلى قالب، والذي يشكل البوليمر في شكل يتصلب أثناء التبريد.

تاريخ

قذف الأنابيب
تم تطوير السلائف الأولى للطارد الحديث في أوائل القرن التاسع عشر. في عام 1820، اخترع توماس هانكوك "آلة المضغ" المطاطية المصممة لاستعادة قصاصات المطاط المعالجة، وفي عام 1836، طور إدوين تشافي آلة ذات بكرتين لخلط المواد المضافة إلى المطاط. أول عملية بثق لدن بالحرارة كانت في عام 1935 على يد بول تروستر وزوجته آشلي غيرشوف في هامبورغ، ألمانيا. بعد فترة وجيزة، قام روبرتو كولومبو من شركة LMP بتطوير أول آلة بثق ثنائية اللولب في إيطاليا.

عملية
في عملية بثق البلاستيك، تكون المادة المركبة الخام عادة على شكل خرزات صغيرة (خرزات صغيرة، غالبًا ما تسمى الراتنج) يتم تغذيتها بالجاذبية من قادوس مثبت في الأعلى إلى برميل الطارد. غالبًا ما يتم استخدام المواد المضافة مثل الملونات ومثبطات الأشعة فوق البنفسجية (في شكل سائل أو حبيبات) ويمكن خلطها في الراتنج قبل وصولها إلى القادوس. تشترك هذه العملية كثيرًا مع قولبة حقن البلاستيك من حيث تقنية الطارد، على الرغم من أنها تختلف في أنها عادة ما تكون عملية مستمرة. في حين أن البولتروس يمكن أن يقدم العديد من الأشكال المشابهة بأطوال متواصلة، عادة مع تعزيز إضافي، يتم تحقيق ذلك عن طريق سحب المنتج النهائي من القالب بدلاً من بثق ذوبان البوليمر من خلال القالب.

تدخل المادة من خلال فتحة التغذية (فتحة بالقرب من الجزء الخلفي للبرميل) وتتلامس مع المسمار. يقوم المسمار الدوار (الذي يدور عادة بسرعة 120 دورة في الدقيقة على سبيل المثال) بدفع الخرزات البلاستيكية للأمام داخل البرميل الساخن. نادرًا ما تكون درجة حرارة البثق المطلوبة مساوية لدرجة الحرارة المحددة للبرميل بسبب التسخين اللزج والتأثيرات الأخرى. في معظم العمليات، يتم تعيين نمط تسخين للبرميل حيث تعمل ثلاث مناطق تسخين مستقلة أو أكثر يتم التحكم فيها بواسطة PID على زيادة درجة حرارة البرميل تدريجيًا من الخلف (حيث يدخل البلاستيك) إلى الأمام. وهذا يسمح للخرزات البلاستيكية بالذوبان تدريجيًا أثناء دفعها عبر البرميل ويقلل من خطر ارتفاع درجة الحرارة الذي قد يتسبب في تدهور البوليمر.

الحرارة الإضافية تساهم في الضغط الشديد والاحتكاك الذي يحدث داخل البرميل. في الواقع، إذا كان خط البثق يقوم بتشغيل مواد معينة بسرعة كافية، فيمكن إيقاف تشغيل السخانات والحفاظ على درجة حرارة الذوبان عن طريق الضغط والاحتكاك وحدهما داخل البرميل. في معظم أجهزة البثق، توجد مراوح تبريد للحفاظ على درجة الحرارة أقل من قيمة محددة في حالة توليد الكثير من الحرارة. إذا ثبت أن تبريد الهواء القسري غير كافٍ، يتم استخدام سترات التبريد المصبوبة.

قطع البلاستيك الطارد إلى نصفين لإظهار المكونات
في الجزء الأمامي من البرميل، يترك البلاستيك المصهور المسمار وينتقل عبر حزمة غربلة لإزالة أي ملوثات في المصهور. يتم تعزيز الشاشات بواسطة لوحة تكسير (قرص معدني سميك مع العديد من الثقوب المحفورة من خلالها) نظرًا لأن الضغط عند هذه النقطة يمكن أن يتجاوز 5000 رطل لكل بوصة مربعة (34 ميجا باسكال). تعمل مجموعة لوحة الشاشة / الكسارة أيضًا على خلق ضغط خلفي في البرميل. الضغط الخلفي مطلوب من أجل الذوبان الموحد والخلط المناسب للبوليمر، ويمكن "تعديل" مقدار الضغط المتولد عن طريق تغيير تكوين حزمة الشاشة (عدد الشاشات، وحجم نسج الأسلاك، وغيرها من المعالم). تعمل مجموعة لوحة الكسارة وحزمة الشاشة هذه أيضًا على التخلص من "الذاكرة الدورانية" للبلاستيك المنصهر وإنشاء "ذاكرة طولية" بدلاً من ذلك.
بعد المرور عبر لوحة الكسارة، يدخل البلاستيك المنصهر إلى القالب. القالب هو ما يعطي المنتج النهائي شكله الجانبي ويجب تصميمه بحيث يتدفق البلاستيك المنصهر بالتساوي من الشكل الأسطواني إلى الشكل الجانبي للمنتج. يمكن أن يؤدي التدفق غير المتساوي في هذه المرحلة إلى إنتاج منتج به ضغوط متبقية غير مرغوب فيها عند نقاط معينة في الملف الشخصي مما قد يسبب تشوهًا عند التبريد. يمكن إنشاء مجموعة واسعة من الأشكال، وتقتصر على الملفات الشخصية المستمرة.

يجب الآن تبريد المنتج ويتم تحقيق ذلك عادةً عن طريق سحب المادة البثق خلال حمام مائي. يعتبر البلاستيك عوازل حرارية جيدة جدًا، وبالتالي يصعب تبريده بسرعة. بالمقارنة مع الفولاذ، يقوم البلاستيك بتوصيل الحرارة بعيدًا بمعدل 2000 مرة أبطأ. في خط بثق الأنبوب أو الأنبوب، يتم عمل حمام مائي محكم بواسطة فراغ يتم التحكم فيه بعناية للحفاظ على الأنبوب أو الأنبوب المتكون حديثًا والذي لا يزال منصهرًا من الانهيار. بالنسبة لمنتجات مثل الأغطية البلاستيكية، يتم التبريد عن طريق السحب من خلال مجموعة من بكرات التبريد. بالنسبة للأغشية والصفائح الرقيقة جدًا، يمكن أن يكون تبريد الهواء فعالاً كمرحلة تبريد أولية، كما هو الحال في عملية بثق الأغشية المنفوخة.
تُستخدم آلات بثق البلاستيك أيضًا على نطاق واسع لإعادة معالجة النفايات البلاستيكية المعاد تدويرها أو المواد الخام الأخرى بعد التنظيف و/أو الفرز و/أو المزج. عادةً ما يتم بثق هذه المادة في شكل خيوط مناسبة للتقطيع في الحبيبات أو مخزون الكريات لاستخدامها كمقدمة لمزيد من المعالجة.

تصميم المسمار
هناك خمس مناطق محتملة في المسمار البلاستيكي الحراري. وبما أن المصطلحات ليست موحدة في الصناعة، فقد تشير أسماء مختلفة إلى هذه المناطق. سيكون للأنواع المختلفة من البوليمر تصميمات لولبية مختلفة، وبعضها لا يتضمن جميع المناطق الممكنة.

برغي بثق بلاستيكي بسيط

مسامير الطارد من بوسطن ماثيوز
تحتوي معظم البراغي على هذه المناطق الثلاث:
● منطقة التغذية (وتسمى أيضًا منطقة نقل المواد الصلبة): تقوم هذه المنطقة بتغذية الراتينج داخل الطارد، وعادةً ما يكون عمق القناة هو نفسه في جميع أنحاء المنطقة.
● منطقة الانصهار (وتسمى أيضًا منطقة الانتقال أو منطقة الضغط): يتم ذوبان معظم البوليمر في هذا القسم، ويصبح عمق القناة أصغر تدريجيًا.
● منطقة القياس (وتسمى أيضًا منطقة نقل الذوبان): تعمل هذه المنطقة على إذابة الجزيئات الأخيرة وخلطها إلى درجة حرارة وتركيبة موحدة. مثل منطقة التغذية، يكون عمق القناة ثابتًا في جميع أنحاء هذه المنطقة.
بالإضافة إلى ذلك، يحتوي المسمار المهووس (على مرحلتين) على ما يلي:
● منطقة تخفيف الضغط. في هذه المنطقة، حوالي ثلثي أسفل المسمار، تصبح القناة أعمق فجأة، مما يخفف الضغط ويسمح بسحب أي غازات محاصرة (الرطوبة، الهواء، المذيبات، أو المواد المتفاعلة) عن طريق الفراغ.
● منطقة القياس الثانية. تشبه هذه المنطقة منطقة القياس الأولى، ولكن بعمق أكبر للقناة. إنه يعمل على إعادة ضغط المصهور لتمريره من خلال مقاومة الشاشات والقالب.
غالبًا ما يُشار إلى طول المسمار بقطره كنسبة L:D. على سبيل المثال، يبلغ طول المسمار اللولبي بقطر 6 بوصات (150 ملم) عند 24:1 144 بوصة (12 قدمًا)، وعند 32:1 يبلغ طوله 192 بوصة (16 قدمًا). تعد نسبة L:D 25:1 أمرًا شائعًا، لكن بعض الآلات تصل إلى 40:1 لمزيد من الخلط والمزيد من الإخراج بنفس قطر المسمار. تكون البراغي ذات المرحلتين (المهواة) عادةً بنسبة 36:1 لحساب المنطقتين الإضافيتين.
وقد تم تجهيز كل منطقة بواحدة أو أكثر من المزدوجات الحرارية أو RTDs في جدار البرميل للتحكم في درجة الحرارة. "ملف درجة الحرارة" أي أن درجة حرارة كل منطقة مهمة جدًا لجودة وخصائص البثق النهائي.

مواد البثق النموذجية

أنابيب HDPE أثناء البثق. تأتي مادة HDPE من المدفأة إلى القالب ثم إلى خزان التبريد. يتم بثق أنبوب قناة Acu-Power هذا بشكل مشترك - باللون الأسود من الداخل مع سترة برتقالية رقيقة لتعيين كابلات الطاقة.
تشمل المواد البلاستيكية النموذجية المستخدمة في البثق على سبيل المثال لا الحصر: البولي إيثيلين (PE)، والبولي بروبيلين، والأسيتال، والأكريليك، والنايلون (البولي أميدات)، والبوليسترين، والبولي فينيل كلورايد (PVC)، وأكريلونيتريل بوتادين ستايرين (ABS) والبولي كربونات.[4 ]

أنواع القوالب
هناك مجموعة متنوعة من القوالب المستخدمة في قذف البلاستيك. في حين أنه يمكن أن يكون هناك اختلافات كبيرة بين أنواع القوالب وتعقيدها، فإن جميع القوالب تسمح بالبثق المستمر لذوبان البوليمر، على عكس المعالجة غير المستمرة مثل القولبة بالحقن.
قذف الفيلم المنفوخ

ضربة قذف الفيلم البلاستيكي

يتم تصنيع الأفلام البلاستيكية لمنتجات مثل أكياس التسوق والأغطية المستمرة باستخدام خط الأفلام المنفوخ.
هذه العملية هي نفس عملية البثق العادية حتى القالب. هناك ثلاثة أنواع رئيسية من القوالب المستخدمة في هذه العملية: القالب الحلقي (أو المتقاطع)، والعنكبوتي، واللولبي. القوالب الحلقية هي الأبسط، وتعتمد على توجيه ذوبان البوليمر حول المقطع العرضي الكامل للقالب قبل الخروج من القالب؛ هذا يمكن أن يؤدي إلى تدفق غير متساو. تتكون القوالب العنكبوتية من شياق مركزي متصل بحلقة القالب الخارجية عبر عدد من "الأرجل"؛ في حين أن التدفق أكثر تناسقًا مما هو عليه في القوالب الحلقية، يتم إنتاج عدد من خطوط اللحام التي تضعف الفيلم. تعمل القوالب الحلزونية على إزالة مشكلة خطوط اللحام والتدفق غير المتماثل، ولكنها الأكثر تعقيدًا على الإطلاق.

يتم تبريد المادة المنصهرة إلى حد ما قبل مغادرة القالب للحصول على أنبوب شبه صلب ضعيف. يتم توسيع قطر هذا الأنبوب بسرعة عن طريق ضغط الهواء، ويتم سحب الأنبوب للأعلى باستخدام بكرات، مما يؤدي إلى تمديد البلاستيك في كلا الاتجاهين العرضي والرسم. يؤدي السحب والنفخ إلى أن يكون الفيلم أرق من الأنبوب المبثوق، كما يقوم أيضًا بمحاذاة سلاسل البوليمر الجزيئية بشكل تفضيلي في الاتجاه الذي يرى معظم السلالات البلاستيكية. إذا تم سحب الفيلم أكثر مما تم نفخه (قطر الأنبوب النهائي قريب من القطر المبثوق) فإن جزيئات البوليمر ستكون محاذية بشكل كبير مع اتجاه السحب، مما يؤدي إلى تكوين فيلم قوي في هذا الاتجاه، ولكنه ضعيف في الاتجاه العرضي . سيكون للفيلم الذي يبلغ قطره أكبر بكثير من القطر المبثوق قوة أكبر في الاتجاه العرضي، ولكن أقل في اتجاه السحب.
في حالة البولي إيثيلين والبوليمرات شبه البلورية الأخرى، عندما يبرد الفيلم فإنه يتبلور عند ما يعرف بخط الصقيع. مع استمرار الفيلم في التبريد، يتم سحبه من خلال عدة مجموعات من بكرات التنقيط لتسويته في أنابيب مسطحة، والتي يمكن بعد ذلك لفها مؤقتًا أو تقطيعها إلى لفتين أو أكثر من الأغطية.

قذف الورقة/الفيلم
يتم استخدام بثق الصفائح/الأغشية لقذف الصفائح البلاستيكية أو الأفلام السميكة جدًا بحيث لا يمكن نفخها. هناك نوعان من القوالب المستخدمة: على شكل حرف T وشماعة المعطف. الغرض من هذه القوالب هو إعادة توجيه وتوجيه تدفق ذوبان البوليمر من مخرج دائري واحد من الطارد إلى تدفق مستوي رفيع ومسطح. في كلا النوعين من القالب، يتم ضمان تدفق ثابت وموحد عبر كامل مساحة المقطع العرضي للقالب. يتم التبريد عادة عن طريق سحب مجموعة من لفات التبريد (لفات التقويم أو لفات "البرد"). في عملية بثق الصفائح، لا توفر هذه اللفات التبريد اللازم فحسب، بل تحدد أيضًا سماكة الصفائح وملمس السطح.[7] غالبًا ما يتم استخدام البثق المشترك لتطبيق طبقة واحدة أو أكثر فوق المادة الأساسية للحصول على خصائص محددة مثل امتصاص الأشعة فوق البنفسجية، أو الملمس، أو مقاومة تخلل الأكسجين، أو انعكاس الطاقة.
عملية ما بعد البثق الشائعة لمخزون الألواح البلاستيكية هي التشكيل الحراري، حيث يتم تسخين الورقة حتى تصبح ناعمة (بلاستيكية)، ويتم تشكيلها عبر قالب إلى شكل جديد. عند استخدام الفراغ، غالبًا ما يوصف هذا بأنه تشكيل الفراغ. يعد الاتجاه (أي القدرة / الكثافة المتاحة للورقة المراد سحبها إلى القالب والتي يمكن أن تختلف في الأعماق من 1 إلى 36 بوصة عادةً) أمرًا مهمًا للغاية ويؤثر بشكل كبير على أوقات دورة التشكيل لمعظم المواد البلاستيكية.

قذف الأنابيب
يتم تصنيع الأنابيب المبثوقة، مثل الأنابيب البلاستيكية، باستخدام قوالب مشابهة جدًا لتلك المستخدمة في بثق الأفلام المنفوخة. يمكن تطبيق الضغط الإيجابي على التجاويف الداخلية من خلال الدبوس، أو يمكن تطبيق الضغط السلبي على القطر الخارجي باستخدام جهاز قياس الفراغ لضمان الأبعاد النهائية الصحيحة. يمكن إدخال وحدات لومن أو ثقوب إضافية عن طريق إضافة الشياق الداخلية المناسبة إلى القالب.

خط البثق الطبي في بوسطن ماثيوز
توجد أيضًا تطبيقات الأنابيب متعددة الطبقات في صناعة السيارات وصناعة السباكة والتدفئة وصناعة التعبئة والتغليف.

أكثر من سترة النتوء
يسمح بثق الغلاف الزائد بتطبيق طبقة خارجية من البلاستيك على سلك أو كابل موجود. هذه هي العملية النموذجية لعزل الأسلاك.
هناك نوعان مختلفان من أدوات القالب المستخدمة للطلاء فوق الأسلاك والأنابيب (أو الغلاف) والضغط. في أدوات التغليف، لا يلمس البوليمر المصهور السلك الداخلي إلا قبل شفاه القالب مباشرةً. في أدوات الضغط، يتصل المصهور بالسلك الداخلي قبل وقت طويل من وصوله إلى شفاه القالب؛ ويتم ذلك تحت ضغط عالٍ لضمان التصاق جيد للمصهور. إذا كان الاتصال الحميم أو الالتصاق مطلوبًا بين الطبقة الجديدة والسلك الموجود، يتم استخدام أدوات الضغط. إذا لم يكن الالتصاق مرغوبًا/ضروريًا، يتم استخدام أدوات التغليف بدلاً من ذلك.

البثق المشترك
البثق المشترك هو بثق طبقات متعددة من المواد في وقت واحد. يستخدم هذا النوع من البثق اثنين أو أكثر من الطاردات لإذابة وتقديم إنتاجية حجمية ثابتة من مواد بلاستيكية لزجة مختلفة إلى رأس بثق واحد (قالب) والذي سوف يقوم ببثق المواد بالشكل المطلوب. يتم استخدام هذه التقنية في أي من العمليات الموضحة أعلاه (الفيلم المنفوخ، التغليف الزائد، الأنابيب، الصفائح). يتم التحكم في سماكة الطبقة من خلال السرعات والأحجام النسبية للطاردات الفردية التي تقوم بتوصيل المواد.

5 :5 طبقة من البثق المشترك لأنبوب "الضغط" التجميلي
في العديد من سيناريوهات العالم الحقيقي، لا يستطيع بوليمر واحد تلبية جميع متطلبات التطبيق. يسمح البثق المركب ببثق المادة المخلوطة، لكن البثق المشترك يحتفظ بالمواد المنفصلة كطبقات مختلفة في المنتج المبثوق، مما يسمح بوضع مناسب للمواد ذات خصائص مختلفة مثل نفاذية الأكسجين، والقوة، والصلابة، ومقاومة التآكل.
طلاء البثق
يستخدم طلاء البثق عملية فيلم منفوخ أو مصبوب لتغليف طبقة إضافية على مجموعة من الورق أو الرقائق أو الأفلام الموجودة. على سبيل المثال، يمكن استخدام هذه العملية لتحسين خصائص الورق عن طريق تغليفه بمادة البولي إيثيلين لجعله أكثر مقاومة للماء. يمكن أيضًا استخدام الطبقة المبثوقة كمادة لاصقة لدمج مادتين أخريين معًا. Tetrapak هو مثال تجاري لهذه العملية.

السحب المركب
البثق المركب هو عملية يتم فيها خلط واحد أو أكثر من البوليمرات مع المواد المضافة لإنتاج مركبات بلاستيكية. قد تكون التغذية عبارة عن كريات و/أو مسحوق و/أو سوائل، ولكن المنتج عادة ما يكون في شكل كريات، لاستخدامه في عمليات تشكيل البلاستيك الأخرى مثل البثق وقولبة الحقن. كما هو الحال مع البثق التقليدي، هناك مجموعة واسعة من أحجام الماكينات اعتمادًا على التطبيق والإنتاجية المطلوبة. في حين يمكن استخدام آلات البثق أحادية أو مزدوجة اللولب في البثق التقليدي، فإن ضرورة الخلط المناسب في البثق المركب تجعل آلات البثق المزدوجة اللولب إلزامية.

أنواع الطارد
هناك نوعان فرعيان من أجهزة البثق ذات اللولب المزدوج: الدوران المشترك والدوران المضاد. تشير هذه التسميات إلى الاتجاه النسبي الذي يدور فيه كل برغي مقارنة بالآخر. في وضع الدوران المشترك، يدور كلا المسمارين إما في اتجاه عقارب الساعة أو عكس اتجاه عقارب الساعة؛ في الدوران المعاكس، يدور أحد المسمارين في اتجاه عقارب الساعة بينما يدور الآخر في عكس اتجاه عقارب الساعة. لقد ثبت أنه بالنسبة لمنطقة مقطع عرضي معينة ودرجة تداخل (تداخل)، تكون السرعة المحورية ودرجة الخلط أعلى في أجهزة البثق المزدوجة الدوارة المشتركة. ومع ذلك، يكون تراكم الضغط أعلى في الطاردات ذات الدوران المعاكس. عادةً ما يكون تصميم اللولب معياريًا حيث يتم ترتيب عناصر النقل والخلط المختلفة على الأعمدة للسماح بإعادة التكوين السريع لتغيير العملية أو استبدال المكونات الفردية بسبب التآكل أو التلف الناتج عن التآكل. تتراوح أحجام الماكينة من 12 ملم إلى 380 ملم

المزايا
من المزايا الرائعة للبثق أنه يمكن تصنيع المقاطع مثل الأنابيب بأي طول. إذا كانت المادة مرنة بدرجة كافية، فيمكن تصنيع الأنابيب بأطوال طويلة حتى يتم لفها على بكرة. ميزة أخرى هي بثق الأنابيب مع قارنة التوصيل المتكاملة بما في ذلك الختم المطاطي.