اکستروژن

اکستروژن یکی از روش‌های حجمی، برای تغییر شکل مواد به منظور کاهش ضخامت یا سطح مقطع آن‌ها است که در نتیجه آن، قطعاتی با سطح مقطع صاف و عمودی تولید می‌شوند. جهت انجام فرایند اکستروژن، ماده اولیه موردنظر، به درون قالب اکستروژن که سطح مقطع موردنظر روی آن ایجادشده است، فشرده می‌شود و درنتیجه، قطعه اکسترود شده با سطح مقطع قالب، تولید می‌شود.
دو مزیت این فرایند، نسبت به دیگر روش‌های شکل‌دهی، قابلیت بالا در تولید قطعاتی با سطح مقطع پیچیده و همچنین شکل‌دهی مواد ترد و شکننده است، زیرا ماده در این روش، تنها تحت فشار و تنش برشی قرار می‌گیرد. این روش همچنین قطعاتی، با سطح مقطع بسیار باکیفیت و صاف ایجاد می‌کند و باعث استحکام بیشتر مواد می‌شود.
اکستروژن می‌تواند پیوسته (تولید قطعات با طول زیاد) یا نیمه‌پیوسته (تولید چندتکه‌ای) باشد. فرایند اکستروژن می‌تواند با مواد اولیه‌های سرد یا گرم انجام شوند. انواع موادی که اکستروژن روی آن‌ها انجام می‌شود عبارتند از: فلزات، پلیمرها، سرامیک‌ها و مواد غذایی و …
تاریخچه
در سال ۱۷۹۷، Joseph Bramah اولین فرایند اکستروژن برای تولید لوله از مواد نرم زا انجام داد. او ابتدا ماده اولیه فلزی را پیش گرم کرد و آن را به‌وسیله یک پیستون دستی متحرک، به داخل قالب حرکت داد. در سال ۱۸۲۰، Thomas Burr، همین فرایند را به‌وسیله یک پرس هیدرولیک انجام داد. در سال ۱۸۹۴، Alexander Dick، فرایند اکستروژن را برای آلیاژهای مسی و برنجی نیز گسترش داد.
دستگاه پرس اکستروژن
در این دستگاه از پیستونی قوی جهت اعمال بار یکنواخت بر قطعه مورد نظر و پرس کردن و فشار دادن آن در بدنه دستگاه استفاده می‌شود. از آنجایی که اصطکاک میان بدنه دستگاه و قطعه زیاد است، درجه حرارت نیز زیاد می‌شود؛ بنابراین لازم می‌شود که بدنه دستگاه هر چند بار خنک کاری شود. جهت خنک کاری از آب صابون یا روغن استفاده می‌شود. جنس بدنه این دستگاه باید مقاوم باشد تا بتواند تنشهای وارد بر آن را تحمل کند. جنس بدنه معمولا از تنگستن کربوناید است.
فرایند اکستروژن
بیلت اولیه و پرس اکستروژن
فرایند اکستروژن، با گرم کردن مواد اولیه (در اکستروژن گرم) شروع می‌شود. سپس داخل مخزن دستگاه پرس قرار داده می‌شود. (مواد اولیه فلزی، به‌صورت بیلت‌های استوانه‌ای ریخته‌گری شده و داخل مخزن دستگاه پرس قرار می‌گیرند)
سپس یک قطعه حائل بین بیلت و پیستون قرار می‌گیرد و بیلت توسط پیستون به داخل قالب، فشرده می‌شود. سپس محصول اکسترود شده از سمت دیگر کشیده می‌شود تا صاف شود. برای بهبود خواص محصول باید روی آن فرآیندهای گرم کاری و سرد کاری انجام شود.
عیوب اکستروژن
الگوهای جریان روی محصول اکسترود شده که یک عیب اکستروژنی است
ممکن است روی سطح محصول، ترک‌های سطحی اتفاق بیفتد. دلیل ایجاد این ترک‌ها می‌تواند دمای فرایند اکستروژن، اصطکاک، یا زیاد بودن سرعت پیستون باشد. ترک‌های سطحی می‌توانند در دما-های پایین‌تر هم ایجاد شوند و این اتفاق زمانی رخ می‌دهد که محصول اکستروژن به قالب بچسبد.
الگوهای جریانی، اکسیدها و آلودگی‌های سطحی را به سمت مرکز محصول اکستروژن هدایت می-کنند و باعث کاهش استحکام محصول می‌شود. این عیب به دلیل وجود اصطکاک و فرآیندهای سرد کاری روی لایه خارجی بیلت، اتفاق می‌افتد.
ترک‌های داخلی که به دلیل وجود تنش‌های داخلی، هنگام عبور بیلت از قالب و در اثر نیروی فشاری پیستون در محصول نهایی ایجاد می‌شود و باعث کاهش استحکام نهایی محصول می‌شود.
خطوط سطحی. این خطوط روی محصولات اکستروژن دیده می‌شوند. ایجاد این عیب به میزان زیادی به کیفیت قالب اکستروژن و نحوه ساخت آن بستگی دارد.. دلیل دیگری که می‌تواند باعث وجود این عیب در محصولات اکستروژن شود، چسبیدن محصول خروجی به دیواره قالب است.
تجهیزات و انواع روش‌های اکستروژن
تجهیزات مختلفی جهت انجام یک فرایند اکستروژن وجود دارد که ۴ ویژگی زیر، باعث تمایز آن‌ها می‌شوند:
جهت حرکت محصول اکستروژن نسبت به جهت حرکت پیستون. اگر قالب ساکن باشد و پیستون حرکت کند، فرایند «اکستروژن مستقیم» و اگر پیستون به‌صورت ساکن قرار گیرد و قالب درون دستگاه حرکت کند، «اکستروژن غیرمستقیم» نامیده می‌شود.
نوع پرس اکستروژن که می‌تواند عمودی یا افقی باشد.
نوع سیستم محرک که می‌تواند هیدرولیک یا مکانیکی باشد.
نوع بارگذاری آن که می‌تواند متغیر یا هیدرو استاتیک باشد.
یک مته تک یا دوبل که به‌وسیله یک پیستون یا موتور الکتریکی تغزیه می‌شود، به‌وسیله یک فشار هیدرولیک یا یک فرایند مشابه، رانده می‌شود تا محصولات اکستروژن از ماده اولیه، حاصل شود.
ایجاد حفره‌های داخلی
روش‌های مختلفی برای ایجاد حفره‌های داخلی در یک فرایند اکستروژن وجود دارد. یک راه، استفاده از یک بیلت میان‌تهی است که درون بیلت اولیه، حفره با شکل موردنظر از ابتدا با یکی از روش‌های ساخت، ایجادشده است.
به‌منظور ایجاد حفره‌ها، با دقت ابعادی بالاتر از ماندرل استفاده می‌شود. ماندرل‌ها بر دو نوعند: ۱- ماندرل شناور ۲- ماندرل ثابت
ماندرل شناور (ماندرل نوع فرانسوی): داخل قطعه حائل بین بیلت و قالب به‌صورت آزادانه قرار می‌گیرد و هنگام انجام فرایند، خود را درون قالب، جا می‌اندازد و به این ترتیب، حفره موردنظر درون محصول اکستروژن ایجاد می‌شود.
ماندرل ثابت (ماندرل نوع آلمانی): همانند قالب ساخته می‌شود و قبل از قالب قرار می‌گیرد و درنتیجه عبور از آن، ابتدا حفره داخلی در مواد ایجاد می‌شود و سپس با عبور از قالب، محصول نهایی اکستروژن ساخته می‌شود.
اکستروژن مستقیم
اکستروژن مستقیم، رایج‌ترین نوع اکستروژن است که در آن جهت حرکت پیستون و محصول اکستروژن یکسان است. در حقیقت در این روش، قالب ثابت است و پیستون، بیلت را به درون قالب حرکت می‌دهد. در این روش، بیلت داخل یک محفظه محافظت شده قرار می‌گیرد. سپس بیلت به وسیله فشار پیستون، به داخل قالب رانده می‌شود. در این مرحله، یک قطعه حائل بین پیستون و بیلت قرار می‌گیرد تا آن‌ها را جدا از هم نگه دارد. در نتیجه این فرایند، محصول اکستروژن از سمت دیگر دستگاه، در جهت یکسان با جهت حرکت پیستون، خارج می‌شود. عیب اصلی این روش نسبت به روش غیرمستقیم این است که در این روش، به دلیل وجود نیروهای اصطکاکی در اثر حرکت بیلت در طول مخزن، نیروی بیشتری جهت شروع فرایند اکستروژن لازم است و با حرکت بیشتر بیلت، این نیرو رفته رفته کاهش می‌یابد. در انتهای بیلت نیز نیرو به شدت افزایش می‌یابد؛ زیرا بیلت در این قسمت باریک است و ماده باید به‌صورت شعاعی از قالب خارج شود. به همین دلیل انتهای بیلت بدون استفاده می‌ماند و در انتهای فرایند باید بریده شود.
اکستروژن غیرمستقیم
در اکستروژن غیر مستقیم، جهت حرکت پیستون و محصول اکستروژن، مخالف یکدیگر هستند. در این روش، بیلت و محفظه‌ای که بیلت داخل آن قرار دارد، بایکدیگر به سمت قالب که ثابت است حرکت می-کنند. به دلیل اینکه در این روش بیلت و محفظه با یکدیگر حرکت می‌کنند، نیروهای اصطکاکی بین آن‌ها کاهش می‌یابد. مزایای این روش عبارتند از:
%۳۰–۲۵ کاهش اثرات نیروی اصطکاک که به همین دلیل در این روش، می‌توان بیلت‌های با طول بیشتری را اکسترود کرد.
به دلیل کاهش حرارت ناشی از اصطکاک، احتمال ایجاد و رشد ترک در محصول اکستروژن، به حداقل می‌رسد.
استفاده از این روش باعث کاهش عیوب ناشی از اکستروژن در محصول اکستروژن می‌شود.
معایب این روش عبارتند از:
ناخالصی‌ها و عیوب سطحی بیلت، بر روی سطح محصول اکستروژن نیز تاثیر می‌گذارد.
کاربرد محدودتری نسبت به اکستروژن مستقیم دارد؛ زیرا محفظه‌ای که قالب در آن قرار می‌گیرد، باعث محدودیت در ابعاد سطح مقطع محصول می‌شود.
اکستروژن هیدرواستاتیک
یکی از روش‌های متداول شکل دهی شدید فلزات، اکستروژن هیدرواستاتیک(Hydrostatic Extrusion) می‌باشد. این روش نوین جزو زیرشاخه‌های اکستروژن می‌باشد که به سه صورت سرد، گرم و داغ انجام می‌پذیرد. اولین استفاده کاربردی و صنعتی اکستروژن هیدرواستاتیک از سال ۱۸۹۳ میلادی شروع شده‌است. با این وجود، پیشرفت این روش به خصوص در تولید مواد نانو ساختار در سال‌های اخیر انجام شده‌است. روش انجام این فرایند بسیار ساده می‌باشد. بدین صورت که یک (به صورت استوانه‌ای شکل) اولیه در داخل محفظه اکستروژن قرار می‌گیرد. سپس توسط پیستون پرس(Ram) مانند، فشار به یک سیال(fluid) منتقل گشته و در نهایت فشار یکنواخت سیال روی بیلت اولیه، موجب تغییر شکل و اکستروژن ماده می‌گردد. به خاطر ایجاد تغییر شکل یکنواخت و همچنین امکان ایجاد نرخ کرنش‌های بالا(10 4 بر ثانیه) ضریب اصطکاک بین بیلت و قالب کم در نظر گرفته می‌شود. همچنین با انتخاب زاویه قالب کوچک نیز می‌توان به تغییر شکل همگن و یکنواخت دست یافت. با استفاده از این روش می‌توان مواد نانو ساختار با اشکال مختلف با سطح مقطع‌های پیچیده تولید کرد. با توجه به پارامترهای مختلف فرایند در هر مرحله از اکستروژن، کرنشهای بالا (در حدود هشت) را می‌توان ایجاد کرد. البته لازم است ذکر شود که برای رسیدن به مواد با اندازه نانو این فرایند باید در چند مرحله انجام پذیرد. همچنین باید در نظر داشت که نرخ کرنش بالا نباید بیش از حد زیاد باشد زیرا باعث فشار بیش از حد به بدنه قالب می‌گردد. در این روش به دلیل استفاده از فشار هیدرو استاتیک اکسترود شدن مواد به صورت یکنواخت انجام می‌گیرد. با مقایسه دیگر روش‌های تغییر شکل شدید مانند پرس با قالب زاویه دار(ECAP), پیچش با فشار زیاد(HPT) و (CEC) می‌توان با کرنش کمتر به اندازه دانه یکسان دست یافت.
شماتیک اکستروژن هیدرواستاتیک
مزایا و محدودیت‌های اکستروژن هیدرواستاتیک
اکستروژن هیدرواستاتیک در مقایسه با اکستروژن سنتی دارای مزایا و معایب مختلف می‌باشد. از جمله مزایای این روش می‌توان به سه مورد اشاره کرد. الف) فشار موجود در این فرایند به طول بیلت مورد آزمایش بستگی ندارد. زیرا اصطکاک بین بیلت و محفظه اکستروژن از بین رفته‌است. ب) فشار کل موجود بین بیلت و محفظه و بیلت با قالب به خاطر عدم وجود اصطکاک ناشی از بیلت با محفظه بسیار کم می‌باشد. ج) به خاطر اعمال تنش هیدرواستاتیک خمیدگی ماده اکسترود شده وجود نداشته و ماده با ساختار همگن تولید می‌شود. با این وجود این فرایند دارای محدودیت‌هایی نیز می‌باشد که از جمله آن‌ها عبارتند از: الف) مشکل شدن طراحی ایمن محفظه به خاطر استفاده مداوم از فشارهای بالا. ب) بارگذاری پیچیده به خاطر وجود سیال و فشار بالا و در نهایت ج) کاهش راندمان فرایند با افزایش فشار وارد بر سیال. همچنین به خاطر روغن کاری مداوم و سیکل وار در فرایند اکستروژن رفتار چسبش-لغزش (Stick-Slip) مشاهده می‌شود. این پدیده باعث می‌شود تا فشار لازم ثابت نبوده و از فشار در حالت ثابت (فشار بهینه) منحرف گردد. پدیده چسبش-لغزش همچنین باعث تغییرات در قطر بیلت و عدم ثبات در فرایند می‌شود.
مقایسه نیروی لازم برای اکستروژن سنتی و اکستروژن هیدرو استاتیک
پارامترهای اکستروژن هیدرواستاتیک
پارامترهای مختلفی بر روی فرایند تاثیرگذار می‌باشند. از جمله این پارامترها می‌توان به فشار اکستروژن (P ex )، زاویه قالب (die angle)، نرخ اکستروژن (ratio of extrusion) و سیال مورد استفاده اشاره کرد. کنترل هر کدام یک از این پارامترها منجر به تغییرا ت محسوس در فرایند اکستروژن هیدرواستاتیک می‌گردد.
۱ فشار اکستروژن
می‌توان با اطمینان گفت یکی از اساسی‌ترین متغیرهای فرایند هیدرواستاتیک تعیین فشار اکستروژن می‌باشد. به عبارت دیگر، هرگونه اشتباه در تعیین فشار اکستروژن باعث به وجود آمدن اختلال در امر اکستروژن خواهد شد. علاوه بر این، فشار اکستروژن خود تابعی از چهار پارامتر دیگر می‌باشد. الف) زاویه قالب، ب) نرخ اکستروژن، ج) ضریب اصطکاک و د) استحکام تسلیم ماده بیلت. با افزایش ضریب اصطکاک کار لازم برای غلبه بر نیروی اصطکاک بیشتر شده و به تبع آن فشار لازم برای تغییر شکل بیلت افزایش می‌یابد. همچنین می‌توان گفت که با افزایش استحکام تسلیم، فشار بیشتری برای تغییر شکل ماده نیاز می‌باشد. در نهایت می‌توان این‌گونه اظهار داشت که تعیین درست فشار اکستروژن کمک شایانی به بهبود عملکرد اکستروژن هیدرواستاتیک می‌نماید.
۲ زاویه قالب
پارامتر دیگری که نقش مهمی در بالا بردن راندمان کاری دارد، زاویه قالب مورد استفاده در فرایند اکستروژن هیدرواستاتیک می‌باشد. به‌طور کلی سه نوع کار در فرایند اکستروژن وجود دارد. الف) کار تغییر شکل همگن یا کمترین کار لازم برای تغییرشکل بیلت به شکل نهایی، ب) کار مازاد( ) که در اثر پدیده برش معکوس در ناحیه تغییر شکل ایجاد می‌شود و ج) کار نیروی اصطکاک که در اثر اصطکاک بین دیواره قالب و بیلت ایجاد می‌شود. کار نیروی اصطکاک با زاویه قالب در تناسب می‌باشد. به عبارت ساده‌تر، هر چه زاویه قالب افزایش یابد، سطح تماس بین بیلت و دیواره قالب کمتر شده و نیروی اصطکاک کمتر می‌شود. این پدیده باعث کاهش فشار لازم برای تغییرشکل می‌گردد. زیرا کار لازم برای غلبه بر اصطکاک توسط فشار اکستروژن تامین می‌گردد. به‌طور خلاصه می‌توان بیان کرد که زاویه قالب همواره باید مقدار بهینه‌ای داشته باشد تا راندمان کاری افزایش یابد.
۳ نرخ اکستروژن
یکی دیگر از پارامترهای تاثیرگذار در راندمان فرایند اکستروژن هیدرواستاتیک، نرخ اکستروژن یا به عبارت ساده‌تر میزان کاهش سطح مقطع(Reduction of surface area) می‌باشد. در یک زاویه قالب ثابت، افزایش میزان نرخ اکستروژن منجر به افزایش سطح تماس بین بیلت و دیواره قالب شده و در نتیجه فشار زیادی برای غلبه بر کار سختی ناشی از کرنش زیاد نیاز می‌باشد.
روانکاری قالب و بیلت
روانکاری مناسب بین سطوح بیلت و قالب در فرایند اکستروژن منجر به کاهش فشار اکستروژن می‌گردد. سیال روانکار باید خواص ویژه‌ای داشته باشد تا بهترین کارایی را در فرایند اکستروژن داشته باشد. از جمله پارامترهای مهم در انتخاب روانکار مناسب، ویسکوزیته و ضخامت فیلم روانکار می‌باشد. ضخامت فیلم روانکار تاثیر قابل توجهی بر روی اصطکاک بین بیلت و دیواره قالب می‌گذارد. به عبارت دیگر، با افزایش ضخامت روانکار، تماس بین بیلت و دیواره قالب کاهش یافته، کار نیروی اصطکاک کاهش یافته و در نهایت فشار لازم برای تغییر شکل نیز کاهش پیدا می‌کند. از طرف دیگر، تغییرات در ضخامت روانکار موجب تغییرات قابل توجه در صافی سطح پایانی مواد دارد. به‌طور خلاصه‌تر می‌توان گفت که استفاده از روانکار با ضخامت ضخیم منجر به صافی سطح پایین می‌گردد. از طرف دیگر، به دست آوردن سطوح با صافی سطح بالا را می‌توان با استفاده از روانکار با ضخامت پایین به دست آورد. ویسکوزیته نیز عاملی دیگر در انتخاب روانکار می‌باشد. با افزایش ویسکوزیته شرایط تغییر شکل بدتر شده و منجر به ایجاد ترک در بیلت و ماده نهایی می‌گردد.
اکستروژن مواد غذایی
اکستروژن مواد غذایی که امروزه به منظور تهیه فراورده‌های پاستا و سایر فراورده‌های شکل داده شده، غلات آماده مصرف، اسنک، غذای حیوانات خانگی، فراورده‌های قنادی، نشاسته اصلاح‌شده مخصوص سوپ، غذای کودک، غذای آماده و پایه‌ای برای تولید نوشیدنی مورد استفاده فراوان قرار می‌گیرد به یکی از فرایندهای مهم تبدیل شده‌است. این فرایند نوعی پخت محسوب می‌شود که می‌توان از آن در تولید فراورده‌های پف‌داده و ترد استفاده کرد. این فرایند، به صورت مداوم است و در آن دمای بالا و زمان کوتاه اعمال می‌شود و در سال‌های اخیر در سطح جهانی به یکی از مشهورترین فرایندهای اقتصادی برای فرموله کردن محصولات بر پایه غلات تبدیل شده‌است.
اکستروژن را می‌توان به عنوان فرایندی که در آن موادی مثل نشاسته ذوب‌شده با فشار از خروجی (دای) به منظور ایجاد شکل خاص عبور داده می‌شوند تعریف کرد. در حین فرایند اکستروژن، انرژی حرارتی حاصل، همراه با انرژی مکانیکی (برشی) تغییرات فیزیکوشیمیایی سریعی در ماده اولیه ایجاد می‌کند. یکی از مهمترین ویژگی‌های فرایند اکستروژن، پف دادن به فراورده است که بافت ماده غذایی را تحت تاثیر قرار می‌دهد.
فناوری اکستروژن به عنوان یک فرایند تولیدی کارا، نقش مهمی در صنایع غذایی بر عهده دارد. این فرایند متشکل از عملیات جابجایی، اختلاط، برش، حرارت و تبرید، شکل‌دادن، خروج مواد فرار و رطوبت، ایجاد طعم، انکپسولاسیون و استریلیزاسیون می‌باشد. این فرایند می‌تواند در دمای پایین (مثل تولید فراورده‌های خمیری) یا در دماهای بالا (مثل تولید اسنک) اجرا شود. در بعضی از سیستم‌ها، به دلیل وجود فشار، آب در حالت مایع فوق داغ است که این موضوع کنترل عمل شکل‌دادن را تسهیل می‌کند و نیروی برشی را افزایش می‌دهد. این فشار می‌تواند بین ۲۵ تا بیش از ۲۰۰ بار متغیر باشد.
دلایل رواج
به دلایل زیر استفاده از فرایند اکستروژن در دو دهه اخیر رواج یافته‌است:
تطبیق‌پذیری: این روش امکان تولید طیف وسیعی از فراورده‌ها را از طریق تغییر اجزا و شرایط عمل اکسترودر و دای‌ها فراهم می‌کند به گونه‌ای که بسیاری از این فراورده‌ها را نمی‌توان با روش‌های دیگر تولید کرد.
قیمت: فرایند اکستروژن هزینه کمتری نسبت به سایر روش‌های پخت و شکل‌دهی دارد.
راندمان: اکسترودرها می‌توانند به صورت مداوم عمل کنند که باعث افزایش راندمان می‌شود.
کیفیت محصول: در فرایند اکستروژن دمای بالا در زمان کوتاه مورد استفاده قرار می‌گیرد و در نتیجه بخش زیادی از ترکیبات حساس به حرارت در آن باقی می‌مانند.
حفظ محیط زیست: در این فرایند فاضلاب زیادی تولید نمی‌شود و در نتیجه هزینه تصفیه فاضلاب و آلودگی‌های محیط زیست کاهش می‌یابد.
قالب اکستروژن
بیلت
نورد
تغییر شکل پلاستیک
تبلور مجدد
کار سرد
خواص مکانیکی
اکستروژن منیزیم