اکستروژن یا برون ریزی 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.
فرایند اکستروژن
با گرم کردن مواد اولیه (در اکستروژن گرم) شروع می‌شود. سپس داخل مخزن دستگاه پرس قرار داده می‌شود. مواد اولیه فلزی، به‌صورت بیلت های استوانه‌ای ریخته گری 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 فرایندهای گرم کاری و سرد کاری انجام شود.
این روش همچنین قطعاتی، با سطح مقطع بسیار باکیفیت و صاف ایجاد می‌کند و باعث استحکام بیشتر مواد می‌شود. این فرایند می‌تواند پیوسته (تولید قطعات با طول زیاد) یا نیمه پیوسته (تولید چند تکه‌ای) باشد. همچنین می‌تواند با مواد اولیه‌های سرد یا گرم انجام شوند. انواع موادی که اکستروژن روی آن‌ها انجام می شود عبارتند از: فلزات، پلیمر ها، سرامیک ها، مواد غذایی و… .
ساختار اکسترودر
در شکل زیر یک برش عرضی از دستگاه اکستروژن پلاستیک (اکسترودر) را مشاهده می کنید که قسمت های مختلف یک اکسترودر و ترتیب قرار گیری آن ها را نشان می دهد. پیچه و برل (barrel) دو قسمتی هستند که مواد پلیمری را حمل می کنند. مواد را ذوب کرده، سپس آن هارا به داخل دای می فرستند. موتور الکتریکی و جعبه دنده پیچه را چرخانده و سرعت آن را تنظیم می کنند. کنترل کننده های دما به المنت های حرارتی یا خنک کننده روی برل متصل هستند تا دما را در نقاطی که توسط کابر تنظیم شده اند ثابت نگهدارند. طراحی و متعاقب آن توانایی برل و پیچه به موادی بستگی دارد که قرار است اکسترودر مورد نظر برای آن ها استفاده شود.
تجهیزات و انواع روش های اکستروژن
تجهیزات مختلفی جهت انجام یک فرایند اکستروژن وجود دارد:
- 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 متهٔ تک یا دوبل که به‌وسیله یک پیستون یا موتور الکتریکی تغذیه می‌شود، به‌وسیله یک فشار هیدرولیک یا یک فرایند مشابه، رانده می‌شود تا محصولات اکستروژن از ماده اولیه، حاصل شود
ایجاد حفره‌های داخلی
استفاده از یک بیلت میان تهی که درون بیلت اولیه، حفره با شکل مورد نظر از ابتدا با یکی از روش های ساخت، ایجاد شده است. به منظور ایجاد حفره ها، با دقت ابعادی بالاتر از ماندرل استفاده می شود.
ماندرل ها بر دو نوع اند: ۱- ماندرل شناور ۲- ماندرل ثابت
- ماندرل شناور (ماندرل نوع فرانسوی): داخل قطعه حائل بین بیلت و قالب به صورت آزادانه قرار می‌گیرد و هنگام انجام فرایند، خود را درون قالب، جا می‌اندازد و به این ترتیب، حفره مورد نظر درون محصول اکستروژن ایجاد می‌شود.
- ماندرل ثابت (ماندرل نوع آلمانی): همانند قالب ساخته می‌شود و قبل از قالب قرار می‌گیرد و در نتیجهٔ عبور از آن، ابتدا حفره داخلی در مواد ایجاد می‌شود و سپس با عبور از قالب، محصول نهایی اکستروژن ساخته می شود.
اکستروژن مستقیم
رایج‌ترین نوع است که در آن جهت حرکت پیستون و محصول یکسان است. در حقیقت در این روش، قالب ثابت می باشد و پیستون، بیلت را به درون قالب حرکت می‌دهد. در این روش، بیلت داخل یک محفظهٔ 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.. 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 این مرحله، جهت حرکت پیستون و محصول، 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 ، به حداقل می‌رسد.
- استفاده از این روش باعث کاهش عیوب ناشی از اکستروژن در محصول می‌شود.
اکستروژن هیدرواستاتیک
این روش به سه صورت سرد، گرم و داغ انجام می‌پذیرد.
روش انجام این فرایند بسیار ساده می‌باشد. بدین صورت که یک بیلت (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(۱۰۴ 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.
شماتیک اکستروژن هیدرواستاتیک
بدون دیدگاه