plastik-ambalaj.com

Ekstrüderler için uygun vida ve kovan tasarımları

Özet

Günümüzde bilimsel araştırmalar, makine parçalarının fonksiyonel ömürlerini sağlıklı bir şekilde yerine getirebilmelerini sağlamak adına yapılmaktadır. Maliyetlerde artışı önlemek için bu fonksiyonel ömürler mümkün olduğunca uzatılmak istenmektedir. Plastik ürünlerin imalatının gerçekleştirildiği ekstrüderlerde, vida ve kovan sistemlerindeki mekanik aşınma ve yorulma hataları yüzünden kullanım ömürlerinde düşüşler görülmektedir. Böylesi hasarların önlenmesi ve bu parçaların kullanım ömürlerini arttırmak amacıyla, literatürde sunulmuş farklı tasarımları ve çözüm önerilerini derlemek, bu çalışmanın temel amacını oluşturmaktadır. 

1. Giriş

Ekstrüder vidalarında aşınma davranışlarının takip edilmesi büyük önem taşımaktadır. Ekstrüder vidalarının ve kovan sistemlerinin aşınmalarına yol açacak onlarca sebep sayılabilmektedir. Geçmişten buyana ve günümüzde de araştırmacılar yoğun bir şekilde bu parçaların fonksiyonel ömürlerini sağlıklı bir şekilde yerine getirebilmelerini sağlamak ve mümkünse bu ömürleri uzatabilmek adına birçok bilimsel araştırma yürütmektedirler. 

Uygun mil tasarımı ve montaj işlemleri sırasında uygun yağlayıcılar ile yağlama tekniklerinin de seçilmesiyle Ekstrüder vidalarındaki, malzeme yorulma hata davranışları azaltılarak kullanım ömürlerinin arttırılabildiği bilinmektedir. Tüm bunların yanı sıra yüzeylere uygulanan değişik kaplama türleri ve teknikleri ile ısıl işlemlerin de iş parçalarının fonksiyonel ömürleri üzerinde çoğunlukla olumlu etkiler yarattığı bilimsel bir gerçektir [1]. Bu çalışma, tek veya çift vidalı ektrüderlerde, malzeme hasarlarının önlenmesi ve bu parçaların kullanım ömürlerini arttırmak amacıyla literatürde sunulmuş farklı tasarımları ve çözüm önerilerini derlemektedir. 

2. Vida ve kovan tasarımlarının araştırılması

Dünyada ekstrüzyon teknolojisinde özellikle boru ve profil imalatında standart vidalar kullanılmakta ve birim kg ürün imalatı için ne kadar enerji harcandığı yaklaşık olarak belirli bir değerdedir. Oysa değişik vida geometrileri ile hammaddeye uygun reolojik özelliklerden yararlanarak enerji sarfiyatının düşürülmesini sağlamak mümkündür. Dahası, mevcut vidalarda sabit bir kesit kullanılmakta; besleme, erime ve basınçlandırma bölgeleri bulunmaktadır. Bu bölgelerde vida hatvelerini değiştirerek farklı vida geometrileri elde edilebilmektedir. Rauwendaal [2], yeni nesil bariyer vida tasarımları hakkında çalışmalar yürütmüştür. Klasik bariyerlerin belirli limitlerde geri basınca sahip oldukları ve vidalardaki katı kesit geri besleme olayının hassasiyeti bilinmektedir. Bu durumlar dolayısıyla, proses stabilitesi bozulmaktadır. Bu çalışmada, daha doğru ve optimum bir bariyer tasarımının erime ve katılaşma özelliklerini de dikkate alarak nasıl olması gerektiği hakkında çalışılmıştır. Farklı yükseklikteki iki ağızlı vida formasyonu ile katıyı iten ve erimiş akışkanı da iki vida arasında sürükleyen bir bariyer vida tasarımı yapılmıştır. Ayrıca çok küçük açılı, yükseklikleri farklı kanatlara sahip olan vida optimizasyonu da geliştirilmiştir (Şekil 1). Bu bariyerler, çentikli yapıda ve farklı yüksekliklerde tasarlanabilmektedir. Optimizasyondan önce kWh/kg değerleri 0.26 değerlerinde iken, optimizasyondan sonra 0.18-0.20 seviyelerine düşmektedir [2].

Roos ve diğerlerinin çift vidalı, eş dönüşlü ekstrüderler için geliştirdikleri yeni tasarımlarında, vida kesit alanı ve serbest hacmi arttırılmıştır. Yeni tasarım vidanın kendini temizleme özelliği mevcut olup, vidadaki her bir segmentin tasarımı farklı olarak yapılmıştır. Temelde serbest hacim bırakma stratejisi öngörülmüş ve bu durum çıktı miktarını arttırmıştır [3].

Kovanlar çoğu zaman bir bütün olarak kullanılmaktadır. Sadece ortadan açılan tipleri bulunmaktadır. Hâlbuki kovanların modüler yan yana parçalardan oluşturulması mümkündür. Bunun sağlanmasıyla kesiti değişen ve birkaç parçadan oluşan vida ve kovan sistemlerini yapmak mümkün olmaktadır. Her bir bölge ayrı geometrilerden oluşabilecektir. Doğal olarak her bölgeden elde edilen malzeme ve prosesin karakteri de farklı olacaktır. Sıkıştırma ve kovan içindeki akışa bağlı fiziksel parametreler olan debi ve basınç değerleri de bunlara bağlı olarak değişecektir. Dolayısıyla tasarımı yapılan vida  ve kovanların her türü için oluşturulan ekstrüderlerin çalışma koşulları farklılık gösterecektir. Bu sebeple ekstrüderlerin geliştirilmesi ve fiziksel değişkenlerinin ölçülüp izlenebilir olması mümkün olmalıdır. Gordon ve diğerleri, “upper bound” modelleme ile optimal bir kalıp kafa tasarımı için çalışmışlardır. Bu modelleme özellikle çift kesitli kafalarda başarılı analizler yapabilmektedir. Ekstrüzyon prosesindeki akışın tanımlanması ve izlenmesi, bu modelleme ile daha gerçekçi şekilde yapılabilmiştir. Modelin çözüm metodu olarak sonlu elemanlar metodu kullanılmıştır [4].

Stasiek [5], PP ekstrüzyonu için çift vidalı bir karışım ekstrüderini optimize etmiştir. Birçok tasarımı içeren çalışmada örneğin; 3 gaz alma ve 2 karıştırma segmenti olan modifiye edilmiş bir vida tasarımına sahip, gaz alma sistemli eş dönüşlü çift vidali bir ekstrüder sistemi geliştirilmiştir (Şekil 2). Mevcut eşdönüşlü ekstrüder tasarımları, yüksek kesme gerilmesinden dolayı, mevcut termoplastiğin yapısının değişmesine neden olabilmektedir. Bu da polimer degredasyonu anlamına gelmektedir. Plastizite bölgede doğan yüksek ısıl ve mekanik yüklemeler de bu durumun sebebidir [5].  

Şekil 2: Modifiye edilmiş eş dönüşlü çift vidalı sistem :1-silindir , 2- vida , 3-iletim, 4-karıştırma , 5-yoğurma, 6-basınçlı yoğurma, 7-basınçlı iletim ,8-gazalma; Bölgeler: A-plastisite, B-gazalma, C-dozajlama, D-besleme, E–ön basınçlandırma ve ısıtma, F-ön plastisite, G-son plastisite [5]

Huang ve diğerleri, ekstrüzyon prosesinde kafa tasarımı üzerine çalışmışlar ve analizlerini gerçekleştirmişlerdir. Profili oluşturan çıkış kafasının tasarımı hesaplamalı akışkanlar dinamiği ile yapılmıştır. Eriyik akışı bir boru için modellenmiş ve eriyiğin akış sınırları belirlenmiştir. Bu tür proseslerde uygun olmayan kafa tasarımından dolayı, malzemenin ısıl olarak stabil kalmama ihtimali bulunmaktadır. Akışın uygun şekilde yönlendirilmesiyle, stabilizasyon sağlanabilir. Bunu sağlayan tasarım ilkeleri üç boyutlu olarak çalışmada verilmektedir. Boru kafası ve sıkışma bölgesinin modellenmesi yapılmıştır. Kafanın tümündeki kesitlerdeki malzeme akış davranışı ve akış yollarının birbiri üzerine binerek ilerleyişleri sonlu elemanlar yöntemi ile modellenmiştir [6]. 

Ayrıca hammaddenin reolojik özellikleri ve diğer termal karakteristikleri ile malzemenin geçirdiği proseslerin de ürün özellikleri ile ilişkileri bulunmaktadır. Kullanılan hammaddelerin farklı vida-kovan geometrilerinde nasıl bir değişim gösterdikleri izlenmelidir. Böylece malzeme proses ilişkileri ve buna bağlı olarak optimum vida kovan sisteminin seçimi için gerekli veri toplanabilmektedir. Kumar ve diğerlerinin yaptığı bir çalışmada, laboratuar ekstrüderi üzerindeki direnç zamanı dağılımının ekstrüzyon prosesinde belirlenmesi için metot geliştirmişlerdir. Renk parametreleri üzerinde, malzemedeki erimemiş fazların konsantrasyonunu kalorimetre yerine görüntü işleme metodu ile belirlemişlerdir. Kovan sıcaklığı ve vida hızının etkisi de bu yolla belirlenebilmiştir. Uygulama, özellikle biyolojik bileşenleri ve gıda endüstrisinde karışmamış fazları ayırmak açısından çok iyi bir kontrol sistemi sunmaktadır [7]. 

Unutulmamalıdır ki;  vida geometrisi ve tasarımı vida yüzeylerine gelen yüksek basınca ve sürtünme etkilerine karşı da yüksek dayanımlı bir yapıya sahip olmalıdır. Çekirdek ve yüzey sertliklerinin farklı olgular olması, her malzemenin bu iki ısıl işlem özelliğine birden sahip olmaması, tokluğu yüksek ve yüzey sertleştirme işlemi uygulanabilen bir malzeme türü seçimini gerektirmektedir. Yüzey sertleştirilirken vida çekirdeğinin tokluk ve sertlik yönünden belirli bir özelliğe gelebilmesi beklenmektedir. Bunun için fiziksel ve kimyasal özellikleri farklı malzemelerin, farklı gaz karışım ortamlarında farklı sıcaklık zaman eğrilerine tabi tutularak çekirdek ve yüzey sertlik değişimlerinin incelenmesi ve farklı fırın atmosfer kontrol sistemi ve sıcaklık reçeteleri etkilerinin görülerek amaçlara uygun optimum bir malzeme-tavlama reçetesinin oluşturulması gerekmektedir. 

Bir ekstrüzyon prosesindeki tüm çalışmalar yüksek verimlilikle iyi bir ürün kalitesine ulaşmak için yürütülmektedir. Kaliteli ürün eldesi için girdi hammadde plastiğe ve tasarlanan kalitede bir ürüne ulaşılıp ulaşılmadığın belirlenmesi için çıktı ürüne uygulanması gereken bazı testler Tablo 1’de verilmiştir.

Tablo 1. Yaygın olarak kullanılan hammadde ve ürün testlerinden bazıları

3. Sonuçlar

Ekstrüder vidaları yüksek işlem sıcaklıklarında ve sürekli yük altında çalışan makine elemanlarıdır. Ekstrüder vidaları ile sürüklenen malzeme, özellikle vidanın ana gövdesini zorlamaktadır. Burada meydana gelen mekanik zorlamalara, vida gövdesinin dayanabilmesi için kesit büyütülmelidir. Ancak konstrüksiyon durumu buna her zaman izin vermemektedir. Dolayısıyla mümkün olan en küçük kesit alanlarında, olabildiğince büyük zorlamalara dayanabilecek nitelikte bir vida tasarımına ihtiyaç duyulmaktadır. 

Kovanların modüler parçalardan oluşturulmasıyla kesiti değişen ve birkaç parçadan oluşan vida ve kovan sistemlerini yapmak mümkün olmaktadır. Böylece her bir bölge ayrı geometrilerden oluşabilecektir. Doğal olarak her bölgeden elde edilen malzeme ve proses karakteri de farklı olacaktır. Vida-kovan sistemi içindeki akışa bağlı fiziksel parametreler de bunlara bağlı olarak değişecektir. Dolayısıyla tasarımı yapılan vida ve kovanların her türü için, oluşturulan ekstrüderlerin çalışma koşulları farklılık gösterecektir. Bu sebeple ekstrüderlerin geliştirilmesi ve fiziksel değişkenlerinin ölçülüp izlenebilir olması, proses verimliliği ve ürün kalitesi açısından kaçınılmazdır.

Referanslar

1.Akdoğan A. vd., Plastik Ekstrüzyon Vidalarında Aşınma ve Yorulma Davranışlarının Nedenleri ve Çözüm Önerileri, Makina Teknolojileri Elektronik Dergisi, Teknik Not, Cilt:3, Sayı:3, Sayfa: 65-71, 2006.

2.Rauwendaal C., Plastics Additives & Compounding, September/October 2005,  ISSN1464-391X/05, 36-39.

3.Roos E., Steffens M., and Zimmermann D.,  Plastics Additives & Compounding March/April 2004, ISSN1464-391X/04, 38-41.

4.Gordon W.A., Van Tyne C.J.,. Moon Y.H., A model for an adaptable axisymmetric extrusion die with a bearing length, Journal of Materials Processing Technology 191 (2007) 11–15.

5.Stasiek J., Design features optimize twin screw plasticizing system for polypropylene extrusion, Plastics Additives & Compounding January/February 2004, ISSN1464-391X/04, 44-49.

6.Huang Y., Gentle C.R., Lacey M., Prentice P. Analysis and improvement of die design for the processing of extruded plastic pipes, Materials and Design 21_2000.465-475.

7.Kumar A., Ganjyal G.M., Jones D.D., Hanna M.A., Digital image processing for measurement of residence time distribution in a laboratory extruder, Journal of Food Engineering, 75 (2006) 237–244.

Anıl AKDOĞAN- Ali Serdar VANLI

Yıldız Teknik Üniversitesi, Makina Mühendisliği Bölümü