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Progettazione e miscelazione delle viti per estrusori bivite: una guida ingegneristica

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Design della vite di estrusione a doppia vite

Quali controlli di progettazione della vite nell'estrusione

In un estrusore bivite co-rotante, la configurazione delle viti è la leva principale per convertire la potenza del motore e la temperatura del cilindro in una trasformazione controllata del materiale. Il modo in cui si configurano gli elementi delle viti determina non solo la portata raggiunta, ma anche le modalità di fusione, miscelazione, devolatilizzazione e pressurizzazione del polimero o del composto.

Al livello più elementare, la progettazione delle viti controlla:

Questi risultati derivano dal modo in cui gli elementi di trasporto, i blocchi di impasto e altri elementi speciali della vite interagiscono con il materiale. Le variazioni di passo, profondità della spirale, larghezza del disco di impasto e angolo di sfalsamento modificano i modelli di flusso locali, i livelli di taglio e l'accumulo di pressione, che a loro volta influenzano il comportamento del materiale.

Una tipica vite di estrusione bivite può essere considerata come una sequenza di zone di processo, ciascuna definita dai suoi elementi a vite:

Lo stesso componente dell'estrusore può quindi comportarsi in modo molto diverso a seconda del design della vite. Per un ingegnere di processo, comprendere come ogni tipo di elemento modella il flusso e la deformazione per taglio è essenziale per un ampliamento di scala prevedibile e per la risoluzione dei problemi.

Perché la scelta degli ingredienti per la miscelazione è importante

All'interno di queste zone, gli elementi di miscelazione determinano l'efficacia con cui i componenti vengono distribuiti e se gli agglomerati e i cluster di particelle vengono disgregati. Scelte errate portano direttamente a difetti visibili, funzionamento instabile e persino a un degrado cronico.

Gli elementi di miscelazione distributiva sono progettati per dividere, allungare e ricombinare ripetutamente il flusso senza necessariamente applicare sollecitazioni di taglio estremamente elevate. Promuovono una buona distribuzione spaziale di coloranti, additivi e riempitivi in tutta la massa fusa. Alcuni esempi includono:

Gli elementi di miscelazione dispersivi vengono utilizzati quando è necessario disgregare gli agglomerati o deagglomerati le particelle fini. Questi elementi impongono maggiori sollecitazioni di taglio e di estensione locali, forzando la frammentazione degli aggregati. Le opzioni tipiche includono:

Il compromesso consiste nel fatto che una miscelazione dispersiva più intensa crea un riscaldamento più viscoso e una temperatura di fusione più elevata, il che può essere inaccettabile per polimeri termosensibili o cariche delicate. L'uso eccessivo di elementi di miscelazione aggressivi può anche ridurre eccessivamente il tempo di permanenza nelle zone a valle e portare a picchi elevati di coppia e pressione.

Per questo motivo, la progettazione delle viti di ebollizione prevede quasi sempre la combinazione di zone di miscelazione distributiva e dispersiva. Comprendere le differenze tra queste modalità di miscelazione è fondamentale per una configurazione razionale della vite.

Miscelazione distributiva vs miscelazione dispersiva

Definizioni chiare di entrambe le modalità di miscelazione

Nell'estrusione bivite, la “miscelazione” non è un concetto univoco. Gli ingegneri di processo distinguono tipicamente tra distributivo E dispersivo miscelazione:

Vista dal punto di vista del flusso:

Le configurazioni di coclee ben progettate solitamente garantiscono una miscelazione distributiva sufficiente nelle fasi iniziali per ottenere una composizione uniforme, per poi applicare una miscelazione dispersiva mirata laddove è necessaria la deagglomerazione.

Quando è necessario ciascun tipo

È possibile considerare il tipo di miscelazione richiesto in termini di sistema di materiali e delle relative problematiche:

In questi casi, una miscelazione dispersiva intensa non solo è superflua, ma può essere dannosa a causa del calore eccessivo e del degrado meccanico. Un design caratterizzato da elementi di miscelazione distributiva e blocchi di impasto a basso sfalsamento risulta generalmente più robusto.

In questo caso, la progettazione della vite deve includere zone in grado di generare sufficienti sollecitazioni di taglio e fluttuazioni di pressione per rompere gli agglomerati. Blocchi di impasto sfalsati ad alta densità ed elementi di miscelazione dispersivi specializzati sono posizionati strategicamente dove la viscosità è sufficientemente elevata da trasmettere le sollecitazioni, ma non così elevata da superare i limiti di coppia.

In pratica, lo stesso estrusore può richiedere diverse configurazioni della vite per diverse formulazioni, soprattutto quando si passa da mescole ad alto contenuto di riempitivo a mescole non riempite o leggermente riempite.

Come la forza di taglio e il tempo di residenza influenzano i risultati

Entrambe le modalità di miscelazione dipendono da quanto taglio viene applicato e per quanto tempo il materiale vi è esposto (tempo di permanenza). Tuttavia, reagiscono in modo diverso a questi parametri.

Per miscelazione distributiva, vuoi:

In questo caso, i blocchi impastatori a basso dislivello e gli elementi di miscelazione distributiva eccellono perché generano un notevole riarrangiamento del flusso a livelli di stress relativamente moderati. Tempi di permanenza troppo brevi o un numero insufficiente di sezioni di miscelazione lasceranno striature visibili e una distribuzione del colore non uniforme.

Per miscelazione dispersiva, la chiave è raggiungere livelli di stress al di sopra della forza coesiva degli agglomerati, anche se solo per breve tempo:

L'angolo di sfalsamento dei blocchi di impasto, la larghezza del disco e la distanza tra le punte influenzano fortemente queste sollecitazioni. Angoli maggiori e dischi più stretti generalmente aumentano le variazioni di taglio e pressione locali, potenziando l'azione dispersiva ma anche aumentando la temperatura del fuso e la coppia.

La sfida progettuale consiste nell'erogare la giusta quantità di sforzo di taglio e tempo di permanenza per ottenere la dispersione e la distribuzione desiderate senza sollecitare eccessivamente il materiale.

Blocchi impastabili nelle zone di miscelazione

Larghezza, lunghezza e angolo di sfalsamento del disco

I blocchi di impasto sono tra gli strumenti di miscelazione più potenti in un estrusore bivite. Sono costituiti da più dischi impilati su un albero scanalato, ciascuno disassato di una distanza definita angolo sfalsato. Tre variabili di progettazione determinano in gran parte il comportamento di un blocco impastatore:

Larghezza del disco e miscelazione dispersiva:
I dischi di impasto più stretti tendono a creare cambiamenti più frequenti nei modelli di flusso trasversale lungo la vite. Ciò comporta:

Di conseguenza, i dischi più stretti generalmente aumentano intensità di miscelazione dispersiva, migliorano la deagglomerazione di agglomerati di particelle ostinate. I dischi più larghi sono più delicati; producono percorsi di flusso più uniformi e sono generalmente preferiti quando si desidera una miscelazione più distributiva con minore stress.

Durata del blocco e tempo di residenza:
I blocchi impastabili più lunghi (più dischi in fila) offrono:

I blocchi più corti hanno effetti più localizzati e sono più facili da inserire tra gli elementi di trasporto senza aumentare bruscamente la coppia o la temperatura di fusione.

Angolo di sfalsamento e taglio:
L'angolo di sfalsamento è uno dei principali elementi che regolano il rapporto tra la velocità di trasporto in avanti e l'intensità di taglio:

Pertanto, per un dato materiale e una data portata, è possibile passare da una miscelazione prevalentemente distributiva a una fortemente dispersiva semplicemente riducendo la larghezza del disco, aumentando la lunghezza del blocco e aumentando l'angolo di sfalsamento.

Blocchi impastatori in avanti, neutri e all'indietro

Oltre all'angolo sfalsato, i blocchi di impasto possono essere inoltrare, neutro, O inversione trasporto. Questo descrive come la loro geometria influisce sul trasporto netto di materiale:

I blocchi inversi sono particolarmente efficaci per:

Tuttavia, aumentano anche significativamente la coppia e la temperatura di fusione, quindi il loro utilizzo deve essere attentamente bilanciato con la stabilità termica del materiale e i limiti meccanici dell'estrusore.

Come la geometria influenza l'intensità della miscelazione

Nel complesso, la geometria del blocco impastatore offre un elevato grado di controllo sull'intensità di miscelazione nell'estrusore bivite:

Anche il gioco tra il disco e il cilindro, così come tra le viti contrapposte, è importante. Giochi ridotti intensificano le forze di taglio e i gradienti di pressione, favorendo la miscelazione dispersiva ma aumentando l'usura e il rischio di surriscaldamento.

Aumentando l'intensità di miscelazione, si ottiene:

Ecco perché la progettazione delle coclee raramente si basa esclusivamente su blocchi di impasto. Questi vengono combinati con elementi di trasporto e talvolta con elementi di miscelazione distributiva specializzati, per creare un profilo complessivo che garantisca le prestazioni di miscelazione richieste, controllando al contempo la temperatura e il tempo di permanenza.

Elementi di trasporto e trasporto di materiali

Passo e velocità di trasmissione

Gli elementi di trasporto sono i cavalli da lavoro del trasporto del materiale in un estrusore bivite. Hanno l'aspetto di viti elicoidali tradizionali, con una forma definita pece e profondità del canale.

Pece è la distanza assiale tra spire consecutive. Per un dato diametro della vite e una data velocità:

Gli ingegneri di processo regolano il passo della vite per:

Sebbene gli elementi di trasporto creino una certa sollecitazione di taglio, non sono principalmente elementi di miscelazione. Il loro contributo principale alla miscelazione consiste nel riempimento controllato e nello sviluppo della pressione, che influenza il funzionamento dei blocchi di impasto e degli altri elementi di miscelazione.

Livello di riempimento e sviluppo della pressione

Gli elementi di trasporto influenzano fortemente livello di riempimento in ciascuna sezione dell'estrusore, che a sua volta controlla lo sviluppo locale del taglio e della temperatura:

Scegliendo il passo e la profondità del canale corretti, è possibile creare:

Lo sviluppo della pressione è in gran parte determinato dagli elementi di trasporto. Un passo più stretto e una profondità del canale ridotta aumentano la pressione, che può:

Comprendere come gli elementi di trasporto controllano il livello di riempimento e la pressione è fondamentale per garantire prestazioni prevedibili dei blocchi impastabili, soprattutto per i materiali delicati.

Come gli elementi di trasporto supportano la fusione e lo sfiato

Sebbene le coclee di trasporto non siano elementi di miscelazione ad alta intensità, svolgono un ruolo centrale in fusione E decentramento:

I loro limiti sono altrettanto importanti:

In una coclea ben progettata, elementi di trasporto, blocchi di impasto e altri elementi di miscelazione sono combinati per creare una sequenza di trasporto-fusione-miscelazione-degassamento-misurazione adattata allo specifico sistema di materiali.

Compromessi di progettazione e selezione pratica

Bilanciamento tra sforzo di taglio, temperatura e tempo di residenza

Ogni progetto di vite è un compromesso tra taglio, aumento della temperatura, E tempo di residenza:

In pratica, gli ingegneri di processo lavorano a ritroso partendo dai requisiti del prodotto:

Termocoppie, sensori di pressione e dati di coppia provenienti dall'estrusore vengono utilizzati per verificare se il design della vite raggiunge il giusto equilibrio. Le regolazioni spesso comportano modifiche incrementali alla lunghezza o all'angolo del blocco di impasto, oppure la sostituzione di un elemento dispersivo con uno più distributivo.

Adattare il design della vite alle proprietà del materiale

L'estrusione bivite coinvolge un'ampia gamma di materiali, ognuno dei quali reagisce in modo diverso a sollecitazioni di taglio e temperatura. L'abbinamento del design della vite alle proprietà del materiale è fondamentale per una scalabilità di successo.

Per polimeri ad alta viscosità e a viscosità decrescente per taglio, come ad esempio molte resine ingegneristiche:

Per materiali termosensibili (ad esempio, PVC, alcuni polimeri di origine biologica):

Per composti altamente riempiti con particelle dure:

Per materiali rinforzati con fibre:

Allineando la progettazione della vite con la reologia, la stabilità termica e le caratteristiche delle particelle, è possibile ottenere finestre di processo robuste e una qualità del prodotto costante.

Errori di progettazione comuni e domande frequenti

Analizzando la progettazione delle viti attraverso la lente di queste domande e compromessi, gli ingegneri di processo possono configurare sistematicamente le viti degli estrusori bivite per ottenere l'equilibrio desiderato tra trasporto, miscelazione e controllo termico per qualsiasi formulazione.

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