شاید برای شما این سوال پیش آمده است که دستگاه اکسترودر چیست؟
اگر در حوزه پرینترهای سه بعدی ورود کرده باشید حتما با این اسم برخورد کرده‌اید. اکسترودر دستگاهی است که مواد اولیه وارد شده به پرینترهای سه بعدی را با ایجاد فشار از درون محفظه خود خارج می‌کند و مواد خروجی از طریق نازل موجود در اکسترودر بر روی صفحه چاپ، پرینت می‌شوند و مدل سه بعدی به دست می‌آید. در ادامه بیشتر با این موضوع و انواع اکسترودرها آشنا خواهیم شد. پس با ما همراه باشید.
اکسترودر (Extruder)
تکنولوژی اکستروژن در پرینترهای سه بعدی به فرآیندی گفته می شود که برای ایجاد و شکل دهی یک محصول، ماده اولیه تحت فشار از دستگاه اکسترودر خارج گشته و بر روی صفحه چاپ شکل می گیرد.
اکسترودر (Extruder) نیز به دستگاهی صنعتی گفته می‌شود که می‌تواند با استفاده از هدایت نیروهای حرکتی و حرارتی برای خروج مواد گرانولی، موادی به حالت خمیری و یا نواری شکل تولید نماید. این ماشین‌ها با کاربردهای متنوع بطور گسترده در صنعت چینی، سرامیک، ساختمان سازی و … مورد استفاده قرار می‌گیرند. اکسترودر از سه قسمت اصلی زیر تشکیل شده است:
- ناحیه تغذیه
- ناحیه تراکم و فشردگی
- ناحیه اندازه گیری
ناحیه تغذیه (Feed Zone)
عملکرد ناحیه تغذیه در اکسترودر به این صورت است که به مواد موجود در درون این ناحیه، گرمای اولیه داده می‌شود و سپس مواد به نواحی بعدی انتقال داده می‌شوند. طراحی ناحیه تغذیه در این وسیله دارای اهمیت زیادی است؛ چرا که برای جمع کردن به اندازه مواد، به صورتی که ماردون در حالت گرسنه یا لبریز نباشد، نیاز است که عمق ماردون دستگاه به اندازه کافی باشد. داشتن یک طراحی بهینه و مناسب به پارامترهای زیر وابسته است:
- طبیعت و شکل مواد تغذیه شونده
- شکل هندسی ماردون
- خواص اصطکاکی پلاستیک نسبت به ماردون و محفظه
لازم است که بدانید رفتار مواد تغذیه شونده، می‌تواند به صورت قابل توجهی بر روی آهنگ ذوب شدن مواد اثرگذار باشد.
ناحیه تراکم و فشردگی (Compression Zone)
در ناحیه تراکم و فشردگی اکسترودر با کم شدن عمق ماردون، عملیات فشردگی و متراکم شدن مواد صورت می‌گیرد. انجام تراکم دو نتیجه را در بر خواهد داشت:
- راندن و انتقال هوای محبوس درون مواد
- بهبود عملکرد انتقال حرارت مواد از طریق کاهش دادن ضخامت مواد
ناحیه اندازه گیری و سنجش
در این ناحیه، عمق ماردون نسبت به ناحیه تغذیه بسیار کمتر بوده و به صورت ثابت و یکسان است. مواد مذاب درون این ناحیه همگون و یکنواخت با آهنگ ثابتی تحت یک فشار یکسان ثابت و در یک درجه حرارت مشخص هستند.
انواع اکسترودر
همانطور که گفته شد اکسترودر یک دستگاه صنعتی ماردون شکل است که مواد تحت حرارت و فشار ثابتی به صورت خمیری از آن خارج می‌گردد. اکسترودرهای متداول به دو دسته کلی زیر تقسیم‌بندی می‌شوند:
- اکسترودر تک ماردونه
- اکسترودر دو ماردونه
البته دسته بندی‌های متفاوتی برای اکسترودرها می‌توان در نظر گرفت که یکی از آن‌ها، دسته‌بندی از نظر دمای تغذیه یا همان ماده اولیه است.
در ادامه بیشتر با انواع این دستگاه آشنا می‌شویم.
اکسترودر تک ماردونه (Single Screw Extruder)
همانطور که می‌دانید اکستروژن یکی از روش‌های متداول برای شکل‌دهی پلاستیک است که از یک ماردون تشکیل می‌شود. مدل اکسترود تک ماردونه قادر است که فرآیند اکستروژن مواد را بدون تلورانس انجام دهد و نیز می‌تواند به صورت همزمان مصرف مواد و انرژی را بهینه سازی کند.
روش کار دستگاه تک ماردونه به این صورت است که مواد اولیه به صورت خاک نرم یا گرانول از طریق قیف وارد ماردونه می‌شوند. مواد اولیه تحت حرارت گرم کننده‌های دستگاه (Barrel Heaters) قرار می‌گیرند و نیز در اثر حرکت بر روی لبه‌های ماردون و ایجاد نیروی برشی گرم می‌شوند. در مرحله بعد عمق ماردون کاهش می‌یابد و مواد فشرده می‌شوند. در ادامه مواد به قالب رسیده و متناسب با شکل قالب موردنظر به صورت محصول نهایی از اکسترود خارج می‌شوند. از اکسترودرهای تک ماردونه معمولا برای تولید لوله‌های پلی اتیلن استفاده می‌شود.
از ویژگی های مهم این دستگاه می‌توان به نسبت طول به قطر آن (L/D) اشاره کرد. این نسبت به طور مستقیم با خروجی در ارتباط است؛ یعنی اگر دو اکسترودر با قطر یکسان داشته باشیم و نسبت L/D آن با هم متفاوت باشد، دارای خروجی کاملا متفاوتی با یکدیگر هستند.
اکسترودرهایی که بلندتر هستند می‌توانند با سرعت بیشتری حرکت کنند و دارای ظرفیت ذوب و مخلوط کردن بیشتری هستند. به طور کلی می‌توان گفت که اکسترودرهای با قطر بزرگتر، سرعت خروجی بالاتری دارند از این رو نوع تک ماردونه نسبت به نوع دو ماردونه سرعت خروج بیشتری دارند. ذکر این نکته لازم است که نوع تک ماردونه به نسبت دو ماردونه قدرت همگام سازی کمتری دارند به همین دلیل برای سیستم‌های تک ماردونه معمولا از دو اکسترود پشت سرهم استفاده می‌کنند تا بتوانند از اولی فرآیند ترکیب و همگام سازی مناسب و از دومی فرآیند اکسترود را دریافت کنند.
اکسترودر دو ماردونه (Twin Screw Extruder)
اکسترودر دو ماردونه از انواع دیگر این دستگاه است که به اکسترودر دوقلو نیز معروف است اما الزاما ابعاد دو ماردون به یک اندازه نیست. این ماردون‌ها می‌توانند در یک جهت مخالف و یا در دو جهت مخالف هم قرار بگیرند و نیز امکان استفاده از ماردون‌ها در حالت جفت شده یا Conjugated و جفت نشده یا Non-Conjugated وجود دارد. با فرض اینکه قطر و سرعت یک اکسترودر تک ماردونه و یک اکسترودر دو ماردونه یکسان باشد، ظرفیت تولیدنوع دو ماردونه در حدود 3 برابر تک ماردونه است و می‌تواند در حدود 6 تن بر ساعت محصول تولید کند.
در مدل‌هایی که ماردونه‌ها در خلاف یکدیگر می‌چرخند، مانند آنچه در غلتک‌ها اتفاق می‌افتد، مواد بین غلتک‌ها دچار برش و فشردگی می‌شوند. در مدل‌هایی که با جهت چرخش یکسان کار می‌کنند، مواد از درون ماردون اول به ماردون دوم انتقال پیدا می‌کند. از این نوع اکسترودر بیشتر برای مواد حساس به حرارت استفاده می‌شود چرا که این مواد بدون کم‌ترین حالت ته نشینی موضعی (Entrapment) و با سرعت بالا انتقال داده می‌شوند. همچنین در ماردون‌های جفت نشده سرعت حرکت مواد به دلیل حرکت بین ماردون‌ها پایین‌تر است و نیازمند نیروی پیشران بزرگتری هستند.
از ویژگی های مدل دو ماردونه می‌توان به انعطاف‌پذیری بالای آن برای تولید اشاره کرد چرا که مواد با رطوبت بالا درون دستگاه‌های تک ماردونه می‌لغزند و نمی‌توانند به خوبی منتقل شوند. همچنین فشار را در مخزن این دستگاه می‌توان کنترل نمود و از عقب و جلو رفتن دستگاه جلوگیری کرد.
اکسترودر تغذیه گرم و تغذیه سرد
همانطور که در بخش انواع اکسترودرها اشاره شد، یکی دیگر از تقسیم‌بندی‌های اکسترودرها، دسته بندی بر اساس دمای مواد اولیه یا تغذیه ورودی است. در این دسته اکسترودرهای با تغذیه گرم و اکسترودرهای با تغذیه سرد را خواهیم داشت.
در دستگاه با تغذیه گرم به طور معمول مواد اولیه از پیش گرم می‌شوند. هدف از این کار به حداقل رساندن زمان تعویض مواد، پاکسازی سریع و آسان دستگاه برای زدودن آلودگی‌ها به حداقل‌ترین مقدار ممکن و بازگردانی اکسترودر به وضعیت عملیاتی مناسب است.
در اکسترودر تغذیه سرد از یک نوار لاستیکی یا لاستیک‌های دانه‌ای مانند گرانول پلی پروپیلن یا گرانول پلی اتیلن استفاده می‌شود و دمای این مواد برابر با دمای محیط کار است. مواد در درون این دستگاه توسط دستگاه های حرارت دهنده گرم می‌شوند.
تفاوت اصلی میان اکسترودر سرد و گرم در نسبت طول به قطر (D/L) ماردون‌ها است. در اکسترودرهای با تغذیه گرم بخش قابل توجهی از انرژی برای ایجاد حالت لاستیکی مواد روی میل و گرم کردن آن صرف می‌شود و ماردون اکسترودر تنها وظیفه انتقال و اعمال فشار را خواهد داشت؛ به همین دلیل دستگاه‌ها در سایز کوچکتری ساخته می‌شود و طول آن‌ها با توجه به قطرشان در حدود 3D تا 5D است.
در اکستروردهای با تغذیه سرد ماردون وظیفه دارد علاوه بر عملیات فشار و انتقال، بتواند عملیات هایی نظیر بالا بردن دما و ایجاد درجه حرارت لازم را انجام دهد. از این رو طول ماردون‌ها در این نوع اکسترودرها بیشتر بوده و در محدوده 9D تا 15D قرار می‌گیرد.
طبقه بندی انواع اکسترودرها بر اساس مواد مصرفی
از انواع این دستگاه با توجه به مواد مصرفی اولیه می‌توان به موارد زیر اشاره نمود:
- اکسترودر فیلامنت
- اکسترودر سرامیک
- اکسترودر سیمان
- اکسترودر بتن
- اکسترودر ECC یا کامپوزیت سیمانی مهندسی شده
در ادامه بیشتر با آن ها آشنا می‌شویم:
اکسترودر فیلامنت
فیلامنت یکی از پرکاربردترین متریال‌های مصرفی در پرینترهای سه بعدی می‌باشد که به صورت رول در بازار به فروش می‌رسد. فیلامنت‌ها رشته‌هایی از جنس ترموپلاستیک‌ها هستند که با توجه به ساختاری که دارند به آسانی در اکسترودر ذوب شده و پس از خروج از آن می‌تواند سرد و سخت گردد و مدل سه بعدی مورد نظر را ایجاد کند.
اکسترودر فیلامنت دستگاهی است که به فیلامنت ورودی، فشار وارد می کند تا فیلامنت پس از عبور از محفظه با فشار از انتهای دستگاه خارج شود و با توجه به مدل نرم افزاری بر روی صفحه پرینت چاپ گردد. از ویژگی‌های مهم استفاده از فیلامنت دوستی آن با مسائل زیست محیطی است که به همین دلیل در تکنولوژی پرینت سه بعدی بسیار مورد توجه قرار گرفته است.
اکسترودر سرامیک
سرامیک و رس یکی دیگر از مواد مصرفی پرینترهای سه بعدی به شمار می‌روند. در فن سرامیک سازی و سفالگری ابتدا به ماده خام اولیه (عمدتا خاک رس) حرارت داده و سپس با پختن به فرم دلخواه در می‌آورند. تکنولوژی مناسب جایگزین این فرآیند می‌تواند استفاده از اکسترودرها باشد که در این حوزه می‌توان دستگاه های پرینتر سه بعدی از سایز رومیزی تا سایزهای بزرگتر صنعتی را تهیه نمود.
این دستگاه نیز مانند آن چه در فیلامنت بیان شد، با دریافت مواد خام اولیه و انجام عملیات‌هایی درون اکسترودر، می‌تواند به خوبی لایه‌هایی از سرامیک و رس را تولید کند که دارای مقاومت و کیفیت قابل قبولی هستند.
اکسترودر سیمان
همانطور که می‌دانید سیمان یکی از مهم‌ترین مواد تشکیل دهنده بتن است که با توجه به ساختار شیمیایی و فیزیکی خود به عنوان ماده چسبنده برای اتصال سایر مواد بتن عمل می‌کند. در روند تولید این ماده پرمصرف در صنعت ساختمان سازی و عمرانی، CO2 بسیاری تولید می‌شود که یکی از جدی‌ترین خطرات برای محیط زیست به شمار می رود؛ به همین دلیل باید به دنبال راه حلی برای کاهش میزان مصرف آن بود. یکی از بهترین گزینه‌ها برای حصول به این مهم، کاهش میزان مصرف سیمان با استفاده از تکنولوژی پرینت سه بعدی است که می تواند به خوبی میزان سیمان مصرفی را متناسب با میزان مورد نیاز پروژه کنترل کند.
اکسترودر سیمان می‌تواند با کنترل میزان مصرف سیمان، از فرآیند اکستروژن استفاده کند و مصالحی را به صورت لایه به لایه از طریق نازل خارج کند و مدل سه بعدی مدنظر را تولید نماید.
اکسترودر بتن
استفاده از اکسترودر بتن می‌تواند بسیار مهم و کاربردی باشد. تولید اشکال پیچیده با مقاومتی مشابه روش‌های سنتی، ایجاد سطوحی صاف و هموار و مواردی از این دست، باعث پیشرفت چشمگیر این دستگاه در صنعت ساخت و ساز شده است.
استفاده از پرینترهای بتن چنان پیشرفتی داشته است که قادر است قطعاتی بتن با مقاومت فشاری و خمشی بالایی نسبت به سایر روش‌ها تولید کند و به دلیل تولید افزایشی که این تکنولوژی دارد از دورریز مواد جلوگیری می‌کند. از این دستگاه برای انجام پروژه‌های بزرگی در سرتاسر دنیا استفاده شده است که توانسته جایگاه خوبی در بازار ساخت و ساز به خود اختصاص دهد.
اکسترودر ECC
ECC یا کامپوزیت سیمانی مهندسی شده حاصل افزودن الیاف‌های میکرو به ماتریس بتن است که به خوبی توانسته است ضعف های بتن را بهبود بخشد. ECC که با اسم بتن انعطاف پذیر نیز شناخته می‌شود دارای ساختاری بر پایه سیمان است که به آسانی می‌توان آن را به هر شکل دلخواهی فرم داد. اکسترودر ECC رشته ای از ملات سیمانی را با مشخص بودن مقطع آن از نازل خارج کرده و متناسب با مدل و با استفاده از رباتیک های متحرک، شی مورد نظر را پرینت می‌کند.
