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.