Wytłaczarki: ekonomiczne maszyny do przetwórstwa tworzyw

Wytłaczanie jest jednym z najczęściej spotykanych procesów technologicznych, a najbardziej znanym rodzajem maszyn do przetwórstwa tworzyw sztucznych są wytłaczarki. Są to zarazem jedne z najbardziej ekonomicznych i ekologicznych maszyn, jakie służą do przetwórstwa tworzyw, gdzie materiałem wyjściowym są granulaty, proszki lub mieszanina otrzymana według odpowiednich receptur, w odpowiedni sposób dozowane do wytłaczarki.

Wytłaczarka jest głównym elementem w procesie ekstruzji. Służy ona do dostarczania w sposób ciągły i stabilny odpowiedniej ilości uplastycznionego, homogenicznego tworzywa. Głowica (wymienna) jest urządzeniem formującym, mogącym nadawać wyrobom pożądane formy i kształty. Niezbędny jest także układ chłodzący i odbierający, niekiedy również rozdrabniający (gdy proces wytłaczania ma służyć do otrzymania homogenicznego granulatu). Masa tworzywa jest dostarczana lejem zasypowym do ślimaka, który obraca się w strefowo grzanym cylindrze. Tam tworzywo topi się głównie przez tarcie, czasem ewentualnie odgazowuje, ulega ujednorodnieniu przez ścinanie oraz spręża się. Działanie transportujące zachodzi wskutek występowania sił tarcia tworzywa względem ścian cylindra i ślimaka. Często za wytłaczarką znajduje się odciąg wyposażony w chłodzenie zimnym powietrzem, tak aby pręt otrzymany z wytłaczarki schłodzić poniżej temperatury mięknienia tworzywa. Kolejno materiał wprowadzany jest do granulatora, skąd odbierany jest do pojemnika. Czasem w celu szybszego odbioru ciepła od wytłaczanego tworzywa stosuje się wannę wypełnioną wodą i wówczas potrzebna jest także suszarka, która osusza materiał przez wprowadzeniem go na frez (do granulatora).

Podział wytłaczarek

Podziału wytłaczarek można dokonać ze względu na różne kryteria. Za pomocą diagramu przedstawiono ten, który uwzględnia liczbę ślimaków znajdujących się w maszynie.

Wytłaczarki jednoślimakowe (klasyczne) to najczęściej stosowany typ maszyn; mają one długość ślimaków rzędu 20-36 D. Ich prędkości obwodowe przy przetwórstwie tworzyw stabilnych termicznie wynoszą 0,5-0,8 m/s, a dla materiałów niestabilnych cieplnie - ok. 0,3 m/s. Na rynku wytłaczarek jednoślimakowych obserwuje się tendencje do produkcji maszyn specjalistycznych, przeznaczonych do przetwórstwa określonego tworzywa i otrzymywania konkretnego wyrobu. Wytłaczarki takie charakteryzują się przede wszystkim dużą wydajnością wytłaczania oraz zapewniają otrzymywanie wyrobów o optymalnych właściwościach.

Wytłaczarki szybkobieżne (adiabatyczne) pracują z dużymi szybkościami obrotowymi (do 700 obr./min., prędkości obwodowe do 4 m/s). Ich ślimaki są tak skonstruowane, że topienie tworzywa następuje wyłącznie za pomocą tarcia (energii ścinania). Maszyny te są proste pod względem budowy i nadają się do przetwórstwa tworzyw niewrażliwych na działanie temperatury.

Wytłaczarki dwuślimakowe podzielić można ze względu na różne kryteria, z których najważniejszym jest kierunek obrotu ślimaków: w maszynach współbieżnych ślimaki obracają się w tym samym kierunku, podczas gdy w przypadku przeciwbieżnych ślimaki obracają się w kierunkach przeciwnych.

Ze względu na stopień zazębienia zwojów obu ślimaków wytłaczarki te można podzielić też na zazębiające się całkowicie, częściowo lub niezazębiające się. W przemyśle zastosowanie znalazły głównie wytłaczarki współbieżne i przeciwbieżne o zwojach zazębiających się nieszczelnie, w których występują luzy międzyzwojowe spełniające ważną rolę w procesie uplastyczniania, szczególnie w procesach homogenizacji materiałowej. Wśród wytłaczarek niezazębiających się praktyczne znaczenie posiadają wyłącznie wytłaczarki przeciwbieżne. Kształty i wymiary kanałów oraz zwojów jednego ślimaka są tutaj ściśle zależne od kształtów i wymiarów drugiego.

Inne ważne kryterium podziału to krotność zwojów ślimaka - wśród wytłaczarek dwuślimakowych znane są wytłaczarki jedno-, dwu- lub trójzwojowe. Ponadto wytłaczarki dwuślimakowe mogą się różnić kształtem rdzeni ślimaków; wytłaczarki dwuślimakowe produkowane są w wersjach walcowych i stożkowych. Wytłaczarki o wydajności do 200-300 kg/h wykonywane są najczęściej jako stożkowe, natomiast wytłaczarki o większej wydajności produkuje się jako walcowe.

Wytłaczarki o 3 lub więcej ślimakach pracują w wersjach przeciwbieżnych i znajdują zastosowanie, podobnie jak wytłaczarki przeciwbieżne, w przetwórstwie materiałów wrażliwych termicznie.

Kluczowymi kryteriami doboru podstawowych parametrów dla wytłaczarek są: rodzaj przetwarzanego tworzywa, jego forma, stopień zabrudzenia i zawilgocenia czy wielkość i jakość uzyskiwanego granulatu. W przypadku tworzyw homogenicznych, z reguły wystarczające są wytłaczarki jednoślimakowe, które są ciągle najczęściej stosowanymi w wytłaczaniu tworzyw sztucznych. Dla potrzeb obróbki lekko zadrukowanych materiałów folii jak i przemiałów sprawdzą się jednoślimakowe wytłaczarki z dołączonym kompaktorem. W przypadku przetwarzania wyłącznie sypkich przemiałów, najlepszym rozwiązaniem może okazać się wykorzystanie wytłaczarki z koszem zasypowym. Wytłaczarki dwuślimakowe współbieżne, pracujące przy znacznie wyższych prędkościach obrotowych, znajdują zastosowanie głównie w bezpośrednim wytwarzaniu gotowych półwyrobów z tworzyw modyfikowanych i kompozytów polimerowych. Wytłaczarki dwuślimakowe przeciwbieżne, ze względu na niewielkie prędkości obrotowe ślimaków oraz niewielkie siły ścinające występujące w układzie uplastyczniającym, używane są głównie w przetwórstwie tworzyw o małej stabilności cieplnej, takich jak kauczuki czy PVC.

Budowa wytłaczarek

Typowa wytłaczarka zbudowana jest z:

• układu uplastyczniającego, w skład którego wchodzą: cylinder, ślimak oraz elementy dodatkowe: lej zasypowy (zasobnik) i kilka (najczęściej 3-6) elementów grzejnych umieszczonych na cylindrze. Często układ ten wyposażony jest w układ chłodzący, który chłodzi strefę zasilania w obszarze zasobnika i/lub ślimak od wewnątrz
• układu formującego (głowica zakończona ustnikiem). Układ ten stanowi głowica wytłaczarska. Jest to element, który poprzez umieszczoną na końcu dyszę o odpowiednim kształcie nadaje uplastycznionemu tworzywu pożądany kształt (pręta, rury, folii lub innego dowolnego profilu). Głowice można podzielić ze względu na: a) kierunek przepływu tworzywa w głowicy - liniowe (proste), kątowe (krzyżowe); b) kształt przekroju poprzecznego dyszy - kołowy (do wytłaczania prętów), prostokątny (do wytłaczania płyt i folii płaskich), pierścieniowy (do wytłaczania rur, folii rękawowych), dowolny (do wytłaczania np. ram okiennych)
• układu napędowego (silnik, przekładnie)
• układu sterowania.

Wytłaczarka wyposażona jest zwykle w zasobnik na surowiec (podajnik) oraz komponenty pomocnicze, np. koncentraty barwiące do tworzyw sztucznych. Podajniki surowca można podzielić na dozowniki wolumetryczne (objętościowe) i dozowniki grawimetryczne (wagowe), które są zwykle sporo droższe od wolumetrycznych. Stosuje się je tam, gdzie wymagana jest duża precyzja w podawaniu surowca, z uwagi na jego koszt.

Osiągnięcie przez wytłaczarki wymaganych parametrów technicznych, gwarantujących uzyskanie odpowiedniej jakości granulatu to zasługa przede wszystkim właściwie zaprojektowanych układów uplastyczniania - szczególnie wchodzących w ich skład ślimaków podających i cylindrów. Układ cylinder-ślimak wytłaczarki powinien spełniać 4 podstawowe funkcje: dostarczać do głowicy tworzywo ze stałą prędkością, mieszać tworzywo w celu zapewnienia jednorodności jego składu i temperatury, ogrzewać tworzywo do stopienia i do wymaganej przez proces temperatury, a także sprężać tworzywo w celu usunięcia powietrza spomiędzy jego ziaren i wytworzenia w nim ciśnienia wystarczającego do pokonania oporów przepływu przez głowicę.

Chłodzenie, odgazowanie, granulacja, filtracja

Podział strefy uplastyczniania układu cylindra ze względu na sterowane strefy grzewcze oraz wyposażenie tych stref w specjalne układy chłodzenia (wodnego lub wentylatorowego) zapewnia przetwarzanemu tworzywu uzyskanie właściwej temperatury i gęstości. Przetwarzanie tworzyw sztucznych wymaga niekiedy skutecznej eliminacji gazów powstałych podczas wytłaczania. W tym celu, dla lepszego uplastycznienia, w wytłaczarkach stosuje się wielostopniowe systemy odgazowania, dzięki którym eliminuje się ryzyko powstawania wad w postaci pęcherzyków powietrza na produkcie końcowym.

Istotnym czynnikiem decydującym o jakości przetwarzanych w procesie wytłaczania materiałów z tworzyw sztucznych jest również filtracja. W trosce o precyzję i osiągnięcie wymaganego poziomu czystości przetwarzanych tworzyw można znaleźć wiele rozwiązań, takich jak:

• siatkowe automatyczne wymienniki sit filtracyjnych, zapewniające skuteczną filtrację tworzywa przed przejściem do procesu granulacji w głowicach granulacyjnych. Istotną zaletą wymienników sit jest łatwość obsługi, która nie wymaga żadnej regulacji w celu poprawy szczelności i zapewnienia tym samym ciągłości procesowi wytłaczania na wytłaczarkach.
• bezsiatkowe obrotowe filtry tworzywa (samoczyszczące filtry automatyczne) – urządzenia te, dzięki zastosowaniu metalowych siatek filtracyjnych, na powierzchni których obrotowo pracujące noże skrawające usuwają na bieżąco zanieczyszczenia, zapewniają dłuższy czas przerwy pomiędzy serwisami oraz eliminują ryzyko pracy na uszkodzonej siatce. Dzięki wykorzystaniu automatycznego rozwiązania filtrującego duża powierzchnia filtracji pozostaje stale niezmienna, przez co możliwe jest utrzymanie stałego ciśnienia przepływu i stabilności parametrów tworzywa.

Jednym z ostatnich etapów odpowiadających za kształt i wygląd produktu końcowego granulatu jest granulacja. Proces ten polega na cięciu i formowaniu wytłoczonego pasma tworzywa w jednorodny wymiarowo i pozbawiony wad (np. pęcherzyki powietrza, sklejenia) produkt w postaci granulatu. Dostępne są różne systemy granulacji: powszechnie stosowany i najpopularniejszy na rynku to system granulacji w płaszczu wodnym. Jego zasada działania sprowadza się do przepuszczania gorącej masy tworzywa poprzez głowicę granulującą posiadającą bieżnię, w której wykonano otwory umożliwiające przeciskanie się tworzywa o określonej wielkości. Po bieżni tej, w ruchu obrotowym, wiruje zestaw noży odcinający kolejne porcje tworzywa i tworzący odpowiedniej wielkości granulki. Granulki te spadają do płaszcza wodnego, którego rolą jest schładzanie gorącego tworzywa i zapobieganie sklejaniu się granulek ze sobą. Bieżąca obsługa pracy systemu granulacji koncentruje się jedynie na kontroli stanu i wielkości granulek oraz korygowaniu ich cięcia.

Wytłaczanie jest procesem często używanym w dzisiejszym przemyśle tworzyw sztucznych, ponieważ jest łatwo dostępne, a same wytłaczarki są proste w obsłudze. Niski koszt i wysokie tempo produkcji sprawiają, że jest to popularny wybór przy wytwarzaniu takich wyrobów jak rury, folie z tworzyw sztucznych, izolacje przewodów itd. Nowoczesne procesy ciągłego wytłaczania wymagają stosowania coraz bardziej innowacyjnych maszyn i technologii. Są szeroko wykorzystywane w branżach takich jak budownictwo, transport i dobra konsumpcyjne. Szybko rosnące zapotrzebowanie na produkt w branży opakowaniowej w dużym stopniu wpłynęło na rozwój rynku wytłaczarek. Także branża budowlana i motoryzacyjna mają w tym duży udział i są kluczową determinantą sprzyjającą rozwojowi tego segmentu. Nowoczesne wytłaczarki są niezbędne w każdym zakładzie zajmującym się produkcją elementów z tworzyw sztucznych lub gumy. Dzięki nim można znacząco ograniczyć zużycie stosowanego tworzywa, przyspieszyć pracę i poprawić jakość wyrobów. Maszyny te dają wiele możliwości w zakresie sterowania i kontroli procesu wytłaczania.