فرآیند اکستروژن (اکسترود)
فرآیند اکستروژن یا اکسترود یکی از روش‌های مهم شکل‌دهی مواد است که در صنایع گوناگون به کار می‌رود. این روش به طور خلاصه شامل اعمال فشار و یا حرارت به مواد خام و عبور آنها از داخل قالبی با مقطع ثابت برای ایجاد محصولات با مقطع ثابت و طول دلخواه است. بر اساس مقاله نشریه The Engineers Post، اکستروژن فرآیندی است که طی آن ماده در محفظه بسته قرار گرفته و تحت فشار از یک حفره کوچک در قالب عبور می‌کند تا به شکل موردنظر برسد . این روش علاوه بر فلزات غیرآهنی مانند آلومینیوم، مس و برنج، برای تولید برخی قطعات فولادی، مواد پلاستیکی و حتی مواد غذایی استفاده می‌شود . اکستروژن به دلیل امکان تولید پیوسته، قابلیت ایجاد مقاطع پیچیده و یکنواخت و کاهش هزینه‌های تولید، اهمیت زیادی یافته است.
اجزای اصلی سیستم اکستروژن
یک سیستم اکستروژن معمولاً از سه جزء اصلی تشکیل می‌شود:
1. اکسترودر یا پرس: این دستگاه، مرکز اصلی عملیات است و ماده خام را از طریق یک پیچ یا پیستون به حرکت درمی‌آورد. اکسترودر با اعمال فشار و حرارت مناسب، ماده را برای عبور از قالب آماده می‌کند. سایت TFGUSA بیان می‌کند که اکسترودر دستگاهی است که دارای یک پیچ یا پیستون بوده و مواد خام را حمل کرده و برای عبور از قالب آماده می‌سازد .
2. قالب (Die): قالب ابزاری دقیق است که شکل مقطع نهایی را تعیین می‌کند. هنگامی که ماده نرم شده از روزنه قالب عبور می‌کند، مقطع نهایی را به دست می‌آورد .
3. سیستم خنک‌کننده: پس از خروج ماده از قالب، محصول باید سریعاً خنک شود تا شکل خود را حفظ کند. سیستم خنک‌کننده می‌تواند شامل حمام آب، هوا یا ترکیب هر دو باشد و وظیفه آن تثبیت اندازه محصول و جلوگیری از تغییر شکل است .
در اکستروژن پلاستیک، بخش‌های دیگری نظیر قیف تغذیه (hopper) و پیچ چند منطقه‌ای وجود دارد که به تغذیه یکنواخت مواد و کنترل دما کمک می‌کنند. مقاله Xometry اشاره می‌کند که فرآیند اکستروژن پلاستیک شامل چهار مرحله اصلی است: اضافه کردن مواد افزودنی، ذوب ماده، شکل‌دهی با استفاده از قالب و خنک کردن .
فرآیند انجام اکستروژن
به صورت کلی شامل مراحل زیر است:
1. آماده‌سازی ماده خام: در اکستروژن فلزات، ماده خام معمولاً به شکل بیلت یا شمش بوده و ممکن است پیش از فرآیند تا دمای مشخصی گرم شود. در اکستروژن پلاستیک، مواد پلیمری به صورت گرانول یا پودر در قیف ریخته شده و با مواد افزودنی مانند رنگ، پایدارکننده و پرکننده مخلوط می‌شوند .
2. اعمال فشار و حرارت: با استفاده از پیستون یا پیچ، ماده خام تحت فشار قرار می‌گیرد و در صورت نیاز، دمای آن تا حد مناسب افزایش می‌یابد. در مقاله The Engineers Post آمده است که بیلت در یک پرس اکستروژن قرار گرفته و سپس با فشار توسط پیستون از قالب عبور می‌کند تا شکل قالب را به خود بگیرد .
3. عبور از قالب: ماده نرم شده از روزنه قالب عبور کرده و مقطع نهایی را به دست می‌آورد. کیفیت و دقت مقطع به طراحی قالب و کنترل پارامترهای فرآیند بستگی دارد .
4. خنک‌کاری و عملیات پایانی: پس از خروج محصول از قالب، باید سریعاً خنک شود تا شکل خود را حفظ کند. در فلزات ممکن است عملیات حرارتی یا پرداخت سطحی انجام شود و در پلاستیک نیز عملیات مثل برش، چاپ و آنیل ممکن است انجام شود .
انواع روش‌های اکستروژن
به دلیل تنوع مواد و نیازهای مختلف، اکستروژن به روش‌های مختلفی تقسیم می‌شود:
مستقیم (Forward/Direct) و غیرمستقیم (Indirect)
در اکستروژن مستقیم، ماده خام در یک محفظه قرار می‌گیرد و با فشار به سمت جلو از قالب عبور داده می‌شود. این روش برای تولید میله‌ها و مقاطع جامد متداول است . در مقابل، اکستروژن غیرمستقیم شامل حرکت قالب همراه با پیستون است که اصطکاک بین ماده و دیواره محفظه را کاهش داده و امکان تولید مقاطع پیچیده‌تر را فراهم می‌کند .
گرم و سرد
اکستروژن گرم در دماهای بالا انجام می‌شود تا ماده خام نرم و قابل جریان شود. این روش برای فلزات و ترموپلاستیک‌ها به کار می‌رود و باعث سهولت شکل‌دهی می‌شود . در مقابل، اکستروژن سرد در دمای اتاق یا نزدیک به آن انجام می‌شود و برای موادی مناسب است که در دماهای بالا خواص خود را از دست می‌دهند . اکستروژن سرد نیاز به نیروی بیشتری دارد اما محصولات تولید شده دارای دقت و مقاومت بالاتری هستند .
اصطکاکی (Friction Extrusion)
در اصطکاکی، ابزار چرخان درون قطعه ثابت قرار گرفته و گرمای لازم از طریق اصطکاک ایجاد می‌شود. این گرما موجب نرم شدن ماده و جریان پلاستیک آن می‌شود. مزیت این روش کاهش مصرف انرژی و امکان استفاده از مواد بازیافتی یا ترکیب مواد مختلف است؛ اما نیاز به انرژی اضافی برای تولید گرما و احتمال ایجاد لایه‌های اکسیدی، عملیات تکمیلی مانند پرداخت سطحی را ضروری می‌کند .
هیدروستاتیک
در هیدروستاتیک، یک بیلت فلزی توسط فشار سیال هیدرولیک از قالب عبور می‌کند. این فرآیند باعث تغییر شکل یکنواخت و دقیق ماده می‌شود و می‌توان آن را در دماهای مختلف انجام داد . مزیت این روش کاهش اصطکاک و امکان اکستروژن موادی است که در روش‌های دیگر دشوار هستند.
ضربه‌ای و جانبی
اکستروژن ضربه‌ای شامل وارد کردن ضربه سریع توسط یک پانچ به قطعه فلزی است. این ضربه باعث جریان ماده به شکل قالب می‌شود و معمولاً برای تولید قوطی‌ها و ظروف کوچک فلزی به کار می‌رود .
اکستروژن جانبی (لترال) در سیستم‌هایی که محفظه به صورت عمودی قرار دارد، انجام می‌شود و فشار از کنار به ماده وارد می‌گردد. این روش برای تولید پروفیل‌ها، میله‌ها و بخش‌های دقیق در صنایع ساخت‌وساز و خودرو کاربرد دارد .
مواد مورد استفاده در اکستروژن
فلزات
اکستروژن فلزات معمولاً برای فلزات نرم‌تر مانند آلومینیوم، مس و برنج به کار می‌رود، زیرا این فلزات در حالت گرم به راحتی شکل می‌گیرند. با این وجود، برخی فلزات دیگر مانند فولاد، فولاد ضدزنگ، تیتانیوم، منیزیم و روی نیز قابل اکستروژن هستند . انتخاب روش اکستروژن (گرم یا سرد) به نوع فلز، ابعاد محصول و خواص مکانیکی مورد انتظار بستگی دارد.
پلیمرها و پلاستیک‌ها
در اکستروژن پلاستیک، انواع متنوعی از ترموپلاستیک‌ها استفاده می‌شوند. برخی از مهم‌ترین آنها عبارت‌اند از:
• پلی‌پروپیلن (PP): این پلیمر ارزان و در دسترس است و به دلیل نیمه‌بلورین بودن، دارای استحکام خمشی بالا و مقاومت در برابر رطوبت و مواد شیمیایی است . از این ماده برای تولید پروفیل‌ها، لوله‌ها و قطعات خودرو استفاده می‌شود.
• نایلون (Polyamide): نایلون دارای مقاومت شیمیایی خوب، نسبت استحکام به وزن بالا و عملکرد مناسب در دماهای بالا است. معمولاً برای تولید مخازن موتور خودرو و لوله‌های فشار متوسط به کار می‌رود .
• اکریلیک: این رزین شفاف با مقاومت ضربه‌ای خوب و قیمت مناسب، در ساخت پنل‌های تزیینی و قطعات روشنایی به کار می‌رود .
• پلی‌اتیلن (PE): پلی‌اتیلن دارای انعطاف‌پذیری و مقاومت شیمیایی بالا است و در تولید فیلم‌های بسته‌بندی، لوله‌ها و ظروف استفاده می‌شود. البته این ماده پایداری حرارتی و ابعادی پایینی دارد .
• پلی‌استایرن (Polystyrene): پلی‌استایرن اکسترود شده (XPS) به عنوان عایق ساختمانی استفاده می‌شود و دارای وزن کم و نصب آسان است .
• پلی‌کربنات (PC): این پلاستیک شفاف با مقاومت ضربه‌ای بالا در ساخت قطعات الکتریکی و خودرو به کار می‌رود .
• ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene): ABS پلاستیکی سخت و مقاوم در برابر سایش است که در پوشش سیم‌ها، بدنه لوازم خانگی و قسمت‌هایی از خودرو استفاده می‌شود .
مزایا و معایب اکستروژن
مزایا
1. تولید مقاطع پیچیده: اکستروژن امکان تولید قطعات با مقاطع پیچیده و اندازه‌های متنوع را فراهم می‌کند .
2. یک‌مرحله‌ای بودن: این فرآیند معمولاً در یک مرحله انجام می‌شود و قالب‌ها نسبتاً ساده و ارزان هستند .
3. هزینه پایین: به دلیل پیوسته بودن فرآیند و نیاز به توقف کمتر، هزینه تولید هر قطعه کمتر است .
4. سطح و دقت بالا: محصولات اکسترود شده دارای پرداخت سطحی خوب و دقت ابعادی مناسب هستند .
5. افزایش استحکام: در اکستروژن فلزات، جریان دانه‌ها در جهت طولی باعث افزایش استحکام قطعه می‌شود .
6. بازیافت ضایعات: در اکستروژن پلاستیک، ضایعات قابل بازیافت هستند و می‌توان آنها را مجدداً استفاده کرد .
معایب
1. محدودیت مقطع: هر قالب تنها یک نوع مقطع را ایجاد می‌کند و برای تولید مقاطع مختلف باید قالب جدیدی طراحی شود .
2. هزینه اولیه بالا: تجهیزات اکستروژن و طراحی قالب‌ها نیاز به سرمایه‌گذاری اولیه دارند .
3. تغییرات ابعادی: ممکن است محصول پس از خروج از قالب به علت انقباض یا انبساط، تغییر اندازه دهد .
4. محدودیت طراحی: در اکستروژن پلاستیک، پیچیدگی طراحی به نوع دستگاه و قالب محدود است و نمی‌توان تمامی اشکال سه‌بعدی را تولید کرد .
5. نیاز به روان‌کاری و کنترل اصطکاک: به ویژه در اکستروژن گرم فلزات، اصطکاک بالا باید با روان‌کننده‌هایی مانند روغن یا پودر شیشه کاهش یابد .
کاربردهای اکستروژن
اکستروژن به دلیل انعطاف‌پذیری بالا و قابلیت تولید پیوسته، کاربردهای گسترده‌ای دارد:
تولید مقاطع توخالی و پروفیل‌ها
یکی از مهم‌ترین کاربردهای اکستروژن، تولید لوله‌ها و پروفیل‌های توخالی است. مقاله The Engineers Post بیان می‌کند که اکستروژن در تولید لوله‌های بزرگ، پروفیل‌های توخالی و قطعات با دیواره نازک بسیار مؤثر است .
بخش ساختمان
در صنعت ساختمان، برای تولید پروفیل‌های آلومینیومی و فولادی مانند قاب پنجره، در و تیرآهن به کار می‌رود . این قطعات به دلیل مقاومت بالا و وزن کم، در سازه‌ها و نماهای مدرن استفاده می‌شوند.
محصولات مصرفی و خودرویی
در تولید قطعات مبلمان، دوچرخه، لوازم خانگی و بسیاری از محصولات مصرفی دیگر کاربرد دارد . در صنعت خودرو نیز از پروفیل‌های اکسترود شده برای ساخت قاب‌ها، درها و قطعات داخلی استفاده می‌شود .
صنعت الکترونیک و دریایی
در صنعت الکترونیک، برای ساخت هیت‌سینک‌ها، محفظه‌ها و اجزای رسانا استفاده می‌شود . در صنعت دریایی نیز به دلیل مقاومت در برابر خوردگی، پروفیل‌های اکسترود شده برای ساخت اجزای کشتی و تجهیزات دریایی کاربرد دارند .
پلاستیک و بسته‌بندی
در اکستروژن پلاستیک، محصولات متنوعی مانند فیلم‌های بسته‌بندی، ورق‌های پلاستیکی، پوشش سیم و کابل، و لوله‌های پلاستیکی تولید می‌شود . همچنین فرآیند اکستروژن برای پوشش‌دهی به سطوح مختلف مانند کاغذ و فویل فلزی در صنایع بسته‌بندی به کار می‌رود .
جمع‌بندی
اکستروژن به عنوان یکی از پایه‌ای‌ترین و کارآمدترین روش‌های شکل‌دهی، نقش بسیار مهمی در تولید محصولات صنعتی، ساختمانی، خودرویی و مصرفی ایفا می‌کند. این فرآیند با عبور دادن مواد از قالب، امکان تولید مقاطع متنوع با طول نامحدود، دقت بالا و هزینه پایین را فراهم می‌آورد. انواع مختلف اکستروژن مانند پیشرو، معکوس، گرم، سرد، اصطکاکی، هیدروستاتیک، ضربه‌ای و جانبی، پاسخگوی نیازهای متفاوت بوده و انتخاب روش مناسب به نوع ماده و خصوصیات مورد انتظار بستگی دارد .
مزایای این فرآیند شامل تولید مقاطع پیچیده، کارایی بالا، صرفه‌جویی اقتصادی و امکان بازیافت مواد هستند، در حالی که محدودیت‌هایی نظیر هزینه اولیه بالای تجهیزات و محدودیت در طراحی مقطع نیز وجود دارد .
به طور کلی، اکستروژن با ارائه مزایای متعدد و امکان تطبیق با مواد مختلف، همچنان به عنوان یک فرآیند حیاتی در صنایع مختلف باقی خواهد ماند و با پیشرفت فناوری و توسعه مواد جدید، کاربردهای آن گسترش خواهد یافت.
جهت کسب اطلاعات بیشتر با کارشناسان نگاه کمپانی در تماس باشید.
