مقالات

تازه ترین یافته ها در طراحی ماردان

بسپار/ ایران پلیمر طراحی ماردان برای عملکرد موثر رانشگر (اکسترودر)، از جمله برونداد (throughput) و کیفیت محصول، بسیار مهم است. هنوز هم فرآیند رانشگری به نقطه­ ی اوج نرسیده است و گاه ماردان­هایی با عملکرد ضعیف دیده می­شود.

در حالی­که اکثر طراحان از آخرین ابزارهای نرم­افزاری برای تکمیل طراحی خود استفاده می­کنند، محققان دانشگاهی در تلاش هستند تا مفاهیم جدیدی را ایجاد کنند که در آینده می­تواند به ساخت ماردان­ها با عملکرد بهتر منجر شود. در این مقاله، نوآوری­ها در طراحی ماردان آورده شده است.

طراحی بَرخالی (fractal design)

David Kazmer، استاد دانشگاه Massachusetts Lowell، با استفاده از طراحی برخالی (fractal، برخه از لغت برخی و برخ گرفته شده که معادل فارسی شقه در عربی است و معادل فارسی فراکتال در فرهنگستان انتخاب شده است)، ماردانی طراحی کرده است که به کنترل مسیر نرم­سازی (plastication) مواد در رانشگر تک ماردان کمک می­کند. در این طراحی، برای بهبود کنترل افزایش مقیاس (Scale-up) رانشگری، از چند کانال در بخش­های خوراک­ و گذار استفاده شده است. روش­های طراحی ماردان اغلب بر اساس قوانین سرانگشتی  و تجزیه و تحلیل نادرست است که منجر به طراحی­های نامطلوب می­شود.

قوانین افزایش مقیاس بسیار نپخته و نیازموده است. با این حال، بعضی از قوانین از آن­ها برگرفته شده است: برای مثال، آهنگ شارش (flow rate) با مکعب مقیاس رانشگر افزایش می­یابد. عوامل دیگر مانند آهنگ برش و زمان اقامت باید مستقل از مقیاس باشند، اما در عمل الزاما این گونه نیست به دلیل پیچیدگی­های فرایندی.

انتقال و ذوب مواد گرمانرم نه کارآمد و نه ثابت است. به نظر می­رسد که فرایندهای رانشگری بهبود یافته می­توانند با اطمینان بیشتری با تجهیزات و هزینه­ های فراورش کمتری توسعه یابند.

این طراحی برخالی ماردان، یک روند فراورشی را برای هر دانه (pellet) بدون در نظر گرفتن مقیاس رانشگر فراهم می­کند. هدف این است که همان ارتفاع و عرض کانال (یا ارتفاع و عرض تنظیم شده) در اندازه­های مختلف رانشگر به­دست آید.

برخال­ها، بی­نهایت الگوهای تکراری هستند که اغلب در طبیعت یافت می­شوند، مانند یک خط که دائما به کانال­های جدید تقسیم می­شود. این اصل را می­توان برای طراحی ماردان نیز استفاده کرد. در این طراحی، کانال بزرگ به کانال­های پایین جریان (downstream) بسیار کوچک­تری تقسیم می­شود.

 

اصل دوم

اصل دوم می­گوید که هر یک از الزامات عملکردی از طریق یک عامل طراحی کنترل می­شود. الزامات عملکردی شامل آهنگ شارش و فشار مذاب است، در حالی­که عوامل طراحی شامل قطر ماردان و عرض پره­ ها است.

ارتباط قابل توجهی بین عوامل طراحی ماردان و الزامات عملکردی رانشگر وجود دارد (جدول 1). تغییر اکثر عوامل طراحی هر دو تاثیر مثبت و منفی را بر نیازهای عملکردی دارد. این استاد دانشگاه، ماردانی با قطر 38 میلی­متر با یک کانال در بخش خوراک، دو کانال در بخش گذار و چهار کانال در بخش پیمایش (metering) طراحی کرده است. هر کانال برای دستیابی به یک هدف خاص طراحی شده است. برای اطمینان از بارگذاری کارآمد دانه ­ها یا گرانول­ های مواد خام از گلویی خوراک­گیر، بخش خوراک ماردان دارای یک کانال است. اندازه گام (lead)، عرض و عمق کانال در این بخش به ترتیب 100، 90 و 20 درصد از قطر ماردان است.

 

جدول 1: ارتباط عوامل طراحی ماردان و نیازهای عملکردی رانشگر

نیازهای عملکردی

عوامل طراحی

قطر ماردان

طول ماردان

عرض کانال

عمق کانال

عرض پره

آهنگ شارش (زیاد)

↑↑

 

↑↑

↑↑

↑↓

آهنگ برش (متوسط تا زیاد)

 

 

 

↓↓

 

زمان اقامت (کم)

↓↓

رسانایی گرمایی (زیاد)

↑↑

↓↓

 

جریان نشتی (کم)

 

↑↑

بازدهی (زیاد)

 

 

فشار مذاب (زیاد)

 

↑↑

 

 

پس از چهار دور (turn) ماردان، کانال خوراک به دو کانال گذار تقسیم می­شود که هر کدام 10 درصد ضخامت پره و 20 درجه زاویه مارپیچ (helix angle) دارند. در این­جا، دو هدف وجود دارد: از نظر فیزیکی، شکست بستر جامد و اعمال کار بیشتر روی مواد اولیه؛ و ایجاد برش یکنواخت­تر و بیشتر روی مواد مورد فراورش.

بخش پیمایش یک مجموعه پره اضافی با زاویه مارپیچ 24 درجه دارد. هر یک کانالی با عرض 1/25 درصد از قطر ماردان و عمق کانال نهایی 9 درصد دارند. طرح دیگری توسط سایر محققان پیشنهاد شده است که اختلاط متوسطی بین نواحی گذار و پیمایش ایجاد می­کند. این می­تواند به همگن­سازی تغییرات مذاب برای حصول اطمینان از جریان یکنواخت کمک کند.

طبق اظهارات استاد Kazmer طراحی ماردان به ویژه برای ماردان­های رانشگری بزرگ­تر وابسته است. در حال حاضر طراحی­ها ماشین­کاری می­شوند و معیارهای عملکردی از جمله آهنگ شارش حجمی برونداد، فشار مذاب، همگنی مذاب، زمان اقامت و بهره­وری انرژی با ماردان­های سدگر و همه منظوره مقایسه خواهند شد. در درازمدت، تحقیق باید منجر به روش­های جدید برای تجزیه و تحلیل و طراحی سامانه­های رانشگری جامع از جمله ماردان ­های رانشگری، ریژه­ ها (دای­ها) و دیگر زیر سامانه­ های کنترلی شود.

 

پروژه ساخت ماردان و سیلندر

NewEx یک پروژه تحقیقاتی در سراسر اروپا است که شامل شش سازمان می­شود و هدف آن ساخت و آزمایش یک رانشگر جدید خلاقانه است که می­تواند مواد چندسازه (کامپوزیت) و نانوچندسازه را فراورش کند. رویکرد اصلی این است که سامانه نرم­سازی جدیدی ساخته شود که شامل قطعاتی نظیر بخش خوراک شیاردار فعال نوآورانه (IAGFS)، بخش سیلندر چرخشی اصلی (ORBS) و ماردان مخصوص (SS) باشد.

یکی از بخش­های اصلی پروژه بر طراحی ماردان­ها به طور مشترک توسط چندین مرکز تحقیقاتی تکیه دارد. یکی از آن­ها، Zamak Mercator سازنده ماشین­آلات است که در لهستان مستقر است. این سازنده، امکان­سنجی بخش­های (segment) سیلندر چرخشی را بررسی می­کند: چگونگی گرمایش سیلندر؛ چگونگی انتقال نیرو محرکه به بخش چرخشی و چگونگی سرهم­بندی و به ویژه آب­بندی بخش سیلندر چرخشی با اجزای ثابت سیلندر.

در کارگاهی که در همایش ANTEC پارسال برگزار شد، رانشگری با استفاده از پلی­اتیلن ​​(PE) و آرد MDF (تخته لیف با چگالی متوسط) به نمایش گذاشته شد. این آزمون­ها در دمای 145 درجه سانتی­گراد و سرعت ماردان 10 تا 200 دور بر دقیقه و مقدار پرکننده 30 تا 60 درصد انجام شد.

شرکای دیگر این پروژه، دانشگاه صنعتی Lublin در لهستان و دانشگاه Minho در پرتغال است. دانشگاه Minho مدل­سازی اجزای رانشگر شامل ماردان و سیلندر را انجام خواهد داد. دو چالش در این پروژه وجود دارد که عبارتند از: مشکل اندازه­گیری ضریب اصطکاک واقعی و مدل­سازی رفتار واقعی جریان دانه­ها در شیارها.

 

عرضه سریع

هنگامی­که شرکت آمریکایی Tempo Products کاهش آهنگ برونداد و نایکنواختی مواد را در یکی از خطوط رانشگری شلنگ آبیاری خود مشاهده کرد، متوجه شد که به یک ماردان خوراک­دهی جدید نیاز دارد.

از آن­جایی­که شرکت حمل و نقل در همان روز را تضمین کرده است، می­دانست که نمی­تواند تا زمان تحویل عادی هشت یا نه هفته برای جایگزینی صبر کند. شرکت اظهار داشت که درگیر کسب و کار بوده و تعمیرات دوره­ای را نادیده گرفته است. شرکت، خط رانشگری را در سال 2012 خریده و تا به امروز هیچ مشکلی نداشته است، برای همین در مورد آن فکری نکرده است.

شرکت Tempo از رانشگر Davis-Standard برای فراورش پلی­اتیلن کم چگال­خطی (LLDPE) و PVC نرم در تولید محصولات آبیاری قطره­ای که به خرده فروشان عمده در سراسر آمریکا فروخته می­شود، استفاده می­کند. خط مشی حمل و نقل روزانه این شرکت به این معنی است که تولید مداوم و با سرعت زیاد برای شرکت ضروری است.

با این حال، ماردان خوراک­دهی دچار رفتگی شده است و ظرفیت برونداد را تا حدود یک سوم کاهش داده است. شرکت Davis-Standard موفق به تحویل و نصب یک ماردان خوراک­دهی جدید در عرض پنج هفته، بازسازی آهنگ تولید و حفظ زمان­بندی­های تولید شد. هنگامی­که ماردان جدید نصب شد، همه چیز در عرض پنج دقیقه به حالت عادی برگشت. شرکت Tempo اظهار داشت برای جلوگیری از این مشکل در آینده، بازبینی مکرر سیلندر و ماردان را برنامه­ریزی کرده است.

شرکت Davis-Standard توصیه می­کند بازبینی­ها در فواصل 90 تا 180 روز با استفاده از روش­های دقیق یا تقریبی انجام شود. روش دقیق، مقایسه برونداد فعلی ماردان با برونداد معیار که هنگام نصب ماردان تعیین می­شود، است. روش تقریبی شامل اندازه­گیری ماردان، محاسبه لقی (clearance) ماردان و سیلندر و تخمین افت برونداد ناشی از افزایش لقی است. این روش نیاز به حدود 24 ساعت توقف دارد تا ماردان بیرون کشیده شود، تمیز شود و اندازه­گیری شود.

شرکت Davis-Standard دارای چندین دستورالعمل استاندارد برای استفاده از روش تقریبی است. اندازه 38/0 – 25/0 میلی­متر به­علاوه لقی اصلی ماردان و سیلندر، رفتگی را نشان می­دهد، اما در این مرحله رفتگی زیاد و مهم نیست. هنگامی­که این اندازه به 76/0 – 5/0 میلی­متر رسید، تعویض سیلندر یا ماردان باید در نظر گرفته شود. اندازه 3/1 – 1 میلی­متر رفتگی شدید را نشان می­دهد که تعویض ماردان یا سیلندر (یا هر دو) را ضروری می­سازد.

 

محافظت با استفاده از ذرات الماس

شرکت فنلاندی Carbodeon متخصص مواد و شرکت آلمانی CCT Plating متخصص نماکاری (finishing) فلز، فناوری آبکاری (plating) با نیکل بدون الکترود با نام NanoDiamond برای حفاظت از رفتگی ابداع کرده­اند. اگرچه این فناوری برای کاربردهای رفتگی ناشی از سُرش (sliding wear) ایجاد شده است، هم­چنین برای کاربردهای محافظت از ماردان و سیلندر رانشگر نیز مناسب است، زیرا حساسیت رایج پوشش­های نیکلی به رفتگی چسبشی (adhesive wear) را برطرف می­کند.

پوشش­های نیکلی بدون الکترود، مقاومت خوبی در برابر خوردگی (corrosion) و سایش (abrasion) ایجاد می­کنند و اجازه می­دهند تا ضخامت پوشش با هزینه­ای نسبتا کم روی شکل­های پیچیده اعمال شود. با این حال، در کاربردهای سایش­شناسی (Tribology) نظیر جابجایی قطعات فلزی، جایی­که رفتگی ناشی از چسبندگی و ساییدگی (galling) منجر به رفتگی سریع یا وادادگی می­شود، به خوبی عمل نمی­کند. شرکت Carbodeon اظهار داشت با استفاده از فناوری مواد NanoDiamond برای پوشش­دهی این مشکل برطرف می­شود.

 نانوذرات کروی الماس برای حمل بار الکتریکی مثبت به منظور کمک به پراکنش اصلاح می­شوند. این بدان معنی است که در هنگام آبکاری، ذرات الماس شبیه یون­های فلز با بار مثبت رفتار می­کنند و همراه با آن­ها روی سطح اجزا می­نشینند. بهینه­سازی این فرایند نسل جدیدی از پوشش­ها را ایجاد کرده است که با رفتگی ناشی از چسبندگی که هنگام سُرش قطعات آبکاری شده روی فلزات دیگر رخ می­دهد، مقابله می­کند.

پوشش­ها را می­توان به صورت آبکاری استفاده کرد که تحت تاثیر شرایط اصلاح گرمایی زیرلایه (substrate) قرار نمی­گیرند یا می­تواند برای عملکرد بیشتر تنش­زایی کرد. آهنگ رفتگی ناشی از چسبندگی تا 30 درصد در شکل آبکاری شده و تا 85 درصد در صورت تنش­زایی کاهش می­یابد. هم­چنین سختی پوشش هنگام تنش­زایی افزایش می­یابد.

شرکت­های Carbodeon و CCT Plating اظهار داشتند که بهبود رفتگی ناشی از سایش و چسبندگی موجب افزایش اصطکاک سطح یا پوششی با سایش بیشتر نمی­شود. به­علاوه مقدار نانوالماس در لایه آبکاری شده کمتر از 1 درصد وزنی است که این فناوری را مقرون به صرفه ساخته است.

فناوری ایجاد مقاومت سایشی

 

 

(ادامه دارد …)

 

متن کامل این مقاله را در شماره 190ام ماهنامه بسپار که در نیمه تیرماه منتشر شده است بخوانید. 

در صورت تمایل به دریافت نسخه نمونه رایگان و یا دریافت اشتراک با شماره های 02177523553 و 02177533158 داخلی 3 سرکارخانم ارشاد .تماس بگیرید. امکان اشتراک آنلاین بر روی صفحه اصلی همین سایت وجود دارد.

نوشته های مشابه

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

دکمه بازگشت به بالا