押出機スクリューの設計: 種類、形状、性能

押出機スクリューとは何ですか?その設計は何を達成する必要がありますか?

エクストルーダースクリューは、バレル内の回転する処理コンポーネントです。熱可塑性プラスチック押出成形では、原料を搬送し、溶融と混合をサポートし、下流の工具に材料を送り出します。あスクリュー押出機は機械です。スクリュー押出というプロセスです。ネジ コンポーネントを購入しても、機械のドライブ、加熱、冷却、または制御装置が置き換えられるわけではありません。

個別の出力数値ではなく、目的の溶融物と生成物を定義することから始めます。有用な目標は、許容可能な材料の均一性、製品の品質、処理量の範囲、および動作限界を指定します。また、その作業がプレコンパウンドペレットの溶解、成分の組み込み、再粉砕の処理、または揮発性物質の除去であるかどうかも記載する必要があります。

新しい設計を既存のマシンの変更から分離する

新しい機械では、スクリュー、バレル、ドライブ、供給システムをより自由に調整できます。交換品は、取り付けられたエンベロープ内で機能する必要があります。別のプロファイルが必要かどうかを判断する前に、現在のスクリューとバレルの状態を記録してください。摩耗した部品の交換と不適切な部品の再設計は、異なるエンジニアリング作業です。

EJS用品押出送りねじ一軸および二軸ネジの用途向け。開始概要では、コンポーネントがどのアーキテクチャと処理義務を果たさなければならないかを特定する必要があります。

押出ねじの種類：構造と機能を分けて分類

「シングルスクリュー」、「バリアスクリュー」、「ミキシングスクリュー」は、設計のさまざまな側面を表します。これらは、相互に排他的な 3 つの選択肢ではありません。単一の押出スクリューには、バリア溶融セクションと下流ミキサーの両方が含まれる場合があります。

シングルとツインはネジの数を表します

ツインスクリューの場合は、同方向回転または逆回転、噛み合いまたは非噛み合い、および平行または円錐形状も確立します。 「平行」だけでは共回転を意味しません。 EJSリストシングルスクリューバレルそして平行二軸スクリューバレル別に;製品カテゴリは仕様の始まりであり、完全な仕様ではありません。

飛行数とモジュール構造には独自の説明が必要です

シングルフライト スクリューには 1 つの螺旋状の開始点があります。それは単軸押出機の単なる別名ではありません。同様に、ツインスクリューもすべてモジュール式ではありません。モジュラー設計では、搬送要素と混合要素が互換性のあるシャフトに組み立てられます。一体型設計では、作動プロファイルがスクリュー本体に組み込まれます。

押出機のスクリューの形状: 寸法、フライト、および設計の特徴

ネジの図面では、各寸法が適用される場所を定義する必要があります。全長、作動長、バレル内部の長さは、異なる境界を指す場合があります。呼び径、ローカルフライト径、ルート径についても同様の注意が必要です。

のDynisco 押出加工機ハンドブック、セクション 4は、ネジの寸法と従来の単一ネジの形状を示しています。チャネルが深くなると幾何学的容積が増加しますが、使用可能な出力は充填、溶解、圧力による逆流にも依存します。浅いチャネルは、チャネル容積を減少させながら、せん断とポンピング動作を変更します。チャンネルの深さを変更するときは、これらの効果を一緒に確認してください。

深さの比率は、その仮定がある場合にのみ役に立ちます。

同等のピッチとチャネル幅を備えた単純な従来のスクリューの場合、送り深さを計量深さで割ったものが幾何学的圧縮率の一般的な近似値となります。例示的な図面計算として、根元の直径が 48 mm と 56 mm の D = 60 mm では、深さはそれぞれ 6 mm と 2 mm になります。深さの比率は 3:1 です。

この計算は、3:1 の圧力上昇を予測したり、完全な溶融を証明したり、バリアや可変ピッチ プロファイルの圧縮を定義したりするものではありません。サプライヤーが使用した幾何学的定義を尋ねてください。詳細を見る押出スクリュー圧縮比ガイド便利な深度比と完全なチャンネルボリュームの比較の区別のため。

供給、溶解、計量がどのように連携するか

おなじみの 3 ゾーン モデルは、従来の可塑化単一スクリューを表します。これはプロセス機能の有益な説明ですが、すべての押出スクリューに 3 つの固定された等しい長さのセクションがある必要はありません。

実際に納品された材料から給餌が始まります

ペレット、粉末、フレーク、および不規則な再粉砕は、同じ供給条件を提供しません。かさ密度、粒子の一貫性、ブリッジング、および供給口はすべて注目に値します。下流側のプロファイル変更は、制御されていない上流側の材料供給を確実に補うことはできません。

バレル温度は溶融温度の測定値ではありません

バレルの熱伝達と機械的仕事は両方とも材料の熱履歴に影響を与えます。それらの寄与は動作条件によって変化します。設計を比較するときは、適切な溶融温度測定値とその位置を使用してください。ヒーター設定値の一致だけでは、溶融条件の一致を証明することはできません。

圧力と出力は完全な流路に属します

スクリューは、スクリーン、アダプター、ダイ、その他の下流機器の抵抗に抗して動作します。低出力を診断する場合は、設置された配置を記録します。クリーンなスクリーン パックとオープン ツールを使用して得られた結果は、より制限されたラインに対する予想生産率として示されるべきではありません。

バリア、混合、通気セクションでさまざまなタスクを解決

機能セクションには、指定されたジョブと、そのジョブが完了したかどうかを確認する方法が必要です。 「より良い混合」は、何を分配または分散する必要があるのか​​、またどの製品の測定で改善が見られるのかを概要で特定しなければ不完全です。

混合装置は分配作業と分散作業の両方を実行できます。バランスは形状と動作条件によって異なります。デザイン名だけでは性能をランク付けするのに不十分です。追加の制限により、溶融温度、要求圧力、および洗浄動作も変化する可能性があります。

通気には互換性のあるバレルとサポート機器が必要です。スクリュー プロファイルでは、ポートされていないバレルを通るベントを作成することはできません。また、ベントによって樹脂の乾燥要件が自動的に解除されるわけではありません。材料サプライヤーの加工指示を確認してください。

詳細な比較については、EJS ガイドを使用してください。バリアと従来のネジの比較そしてマドック、パイナップル、サクストンのスクリューミキサー.

二軸スクリュー プロファイル設計: 要素、順序、混合

モジュラーツインスクリューシステムの場合、構成とは、互換性のある要素を選択し、それらを意図的な順序で配置することを意味します。また、そのシーケンスが供給、液体の追加、通気、排出の位置にどのように関連しているかを確認することも意味します。

NC State Extension のネジ機能ガイド搬送、混練、反転などの要素と、それらが混合や流れに及ぼす影響について説明します。その議論には、食品と飼料の加工および機器固有の要素コードが含まれます。これらの原則は、構成を説明するのに役立ちます。そのサンプルコードは、汎用のプラスチックネジ規格ではありません。

ニーディングブロックをシーケンスの一部として読み取ります

ディスク幅、千鳥角度、搬送方向、ブロック長を、速度、スループット、局所充填、隣接する要素とともに検討する必要があります。 「ディスクの幅が広いほど常に分散が良くなる」などの普遍的なルールは避けてください。有益な質問は、この特定のシーケンスがどのような材料の状態と流れの挙動を生成する必要があるかということです。

逆方向または制限的な要素は、上流の充填および処理強度を高める可能性がありますが、圧力や駆動需要にも影響します。さらに制限を追加しても、より強力な混合を実現できるわけではありません。

プロファイルをコピーする前に互換性を確認してください

同じ公称外径を持つ 2 つの要素は、シャフトの境界面、中心距離の要件、プロファイル、または軸方向の寸法が異なる場合があります。すべてのコードについて、OEM または図面の規則を記載します。 EJSのスクリューエレメント製品ページ搬送、混合、混練するコンポーネントをリストします。の二軸エレメントガイド交換チェックについて詳しく説明します。

ポリマー、フィードフォーム、および加工ジョブに合わせた設計

「PE ネジ」または「リサイクルネジ」は、最終的な設計決定を行うには範囲が広すぎます。グレード、粘度情報、添加剤パッケージ、飼料の形態および状態を特定します。フィラーまたは繊維が事前に配合されたペレットで到着するか、または押出中に組み込む必要があるかどうかを述べます。これらは異なる処理タスクです。

マテリアル スコープ内でパブリッシュされたジオメトリを読み取る

役に立つ例は次のとおりですBASF のウルトラミッド押出加工ガイド、7 ページ。そこで説明されている Ultramid フィルム処理については、長さ 24 ～ 32 D、一定ピッチ 1 D、圧縮比 3:1 ～ 3.5:1 のバリアまたは 3 セクション スクリューについて説明されています。また、飛行深さは直径と溶融粘度に依存します。

工学的な教訓は、形状と材料状態の関係です。これらの数値は、すべてのポリアミド グレード、すべての熱可塑性プラスチック、またはすべての既存の機械の許容限界ではありません。実際の材種の加工指針を入手し、装着機器とのミスマッチを解消した上で寸法を選定してください。

バレル、ドライブ、下流の制限内での設計

交換用ネジには、適合することと、正常に処理されることという 2 つのテストに合格する必要があります。公称直径の一致は、最初のテストのごく一部にのみ対応します。

• バレルとインターフェイス:ボアのプロファイルと状態、有効長、ドライブ接続、端の形状、供給開口部、ポートの位置を確認します。
• 機械的エンベロープ:該当する機械情報から、許容される速度、トルク、推力、および圧力の制限を取得します。ネジ径から推測しないでください。
• 熱および下流のエンベロープ:冷却能力、温度測定、スクリーン交換、メルトポンプおよびツールを確認します。提案された動作点を制約するコンポーネントを特定します。

ネジ交換リクエストへのアプローチ方法

このアプローチにより、再設計に重点が置かれます。供給システムの故障が生産損失の原因である場合は、新しいスクリュー プロファイルを治療法として扱う前に、その故障を修正してください。

材料と押出機スクリューの摩耗が設計パフォーマンスに与える影響

形状と作業面の選択を一緒に検討する必要があります。ベース材料はネジの構造的基盤を提供します。表面または耐摩耗性の構造は、ポリマー、添加剤、相手バレルとの接触に適している必要があります。

EJS の送りねじのページには、窒化、バイメタル、硬化、クロムメッキのオプションがリストされています。これは利用可能な構造の範囲であり、すべてのオプションがすべての義務に適合するという証拠ではありません。実際のコンポーネントの材料指定、処理位置、最終寸法、および合意された検査要件を定義します。のEJSスクリューとバレルの材質ガイド選択問題について説明します。

摩耗メカニズムを症状から区別する

研磨成分、腐食状態、および意図しない金属接触については、さまざまな調査が必要です。より硬い材料では、位置ずれや不正確な動作ギャップは修正されません。スクリューとバレルを一致させることも、各作業面を個別に選択するよりも便利です。

押出機スクリューの摩耗の問題は、生産量の低下、負荷の変化、または溶融物の供給の不安定とともに現れることがありますが、これらの症状はどれもそれ自体が摩耗であることを証明するものではありません。測定されたスクリュー/バレルの状態を図面および管理された生産ベースラインと比較します。の摩耗測定と交換ガイド検査プロセスをカバーします。

摩耗したネジの測定外径を新しい呼び寸法としてコピーしないでください。仕様内の元の設計意図、現在の摩耗、および提案された再設計を分離します。

比較可能な生産データでねじの性能を評価

公正な比較には、定義された材料と生産ウィンドウ、共通の品質要件、および明確な測定境界が必要です。同等の条件でベースラインを維持し、提案された設計を意図した動作範囲全体でテストします。いずれかのデザインを正常に実行するために変更した設定をすべて記録します。

許容可能な製品出力を総スループットとは別に測定します。実際の溶融温度、圧力と変動、駆動負荷、不良品、および変更の動機となった製品チェックを含めます。別のエンジニアが結果を解釈できるように、センサーの位置、安定化ルール、サンプリング間隔、試行期間を記録します。

実際の例: 生産量が増えても、自動的に比エネルギーが下がるわけではありません

私がネジの再設計の評価を主導しているとしたら、試用前に材料、品質要件、記録ウィンドウ、および電気測定の境界について同意するでしょう。そうしないと、2 つの魅力的なデータセットが異なるジョブを説明する可能性があります。

定常運転の比較例を考えてみましょう。設計 A の電気入力は平均 80 kW、許容可能な製品は 200 kg/h です。設計 B は、同じ測定境界と品質要件で平均 96 kW および 240 kg/h です。これらは計算上の仮定値です。

どちらの設計でも、その境界内で許容される製品 1 キログラムあたり 0.40 kWh を消費します。私はその結果を 20% のエネルギー節約ではなく、生産量の増加と表現します。時間単位で測定される記録ウィンドウの場合、同等の計算は、総電力量 (kWh) を許容質量 (kg) で割ったものとなります。

次に、実際の溶融温度、圧力変動、ドライブの負荷、スクラップを確認します。合意された熱的または機械的制限を超えるより高い出力点は、単に質量率が高いという理由だけで合格するわけではありません。エネルギー メーターにバレル ヒーター、冷却装置、または補助装置が含まれている場合は、それらの負荷を特定します。結果をねじシャフトの機械エネルギーとして再分類しないでください。

公開されたテストで何を確立できるか

Kelly、Brown、Coates は、市販のLDPEを異なる速度で処理する3つの単軸スクリュー形状を研究しました。単軸スクリュー押出における溶融温度プロファイルに対するスクリュー形状の影響。この要約では、高スループットでは形状が溶融温度領域に大きな影響を及ぼし、研究条件下ではマドックミキサーを備えたバリアフライトスクリューがシングルフライトスクリューよりも優れた溶融を達成したと報告しています。

これにより、操作点とともにジオメトリの評価がサポートされます。普遍的な改善率を確立したり、別のポリマーや機械で同じ結果が得られることを証明したりするものではありません。シミュレーションと公開された研究は、設計提案の作成に役立ちます。合意された製造テストにより、提供された設計が特定のジョブに適合するかどうかが決まります。

設計意図をメーカーが使用できる概要に変える

有益な質問により、メーカーは提案された変更とその確認方法の両方を説明できます。材料、機械、形状、および合格基準を結び付けるパッケージを送信します。

1. 材料と飼料：グレード、配合、飼料形態、関連する調製方法、および許容される変動性。
2. 処理対象：許容可能な出力範囲、製品要件、観察された欠陥、および現在の動作記録。
3. 機械と取り付け部品:アーキテクチャ、OEM/モデル、利用可能な図面、ボア測定値、インターフェイス、ポート、検証された動作限界。
4. 提案されたプロファイル:作動長の境界、寸法指定された機能セクション、局所的な深さ、飛行形状、および各クリアランス規則。
5. 材料と製造:合意された鋼材の指定、作業面の構造、処理場所、最終状態の寸法、および検査計画。
6. 検証：図面の改訂、コンポーネントの検査記録、および測定と合否基準を含む製造試行計画。

コンポーネントの受け入れを製品の検証から分離する

材料証明書と寸法レポートは、コンポーネントが指定された材料と図面の要件を満たしているかどうかを示します。それら自体では、生産率、エネルギー使用量、製品の品質を証明するものではありません。逆に、1 回の生産の成功は、合意されたコンポーネントの検査に代わるものではありません。

EJSの製品情報には、付属のスクリューバレルには検査成績書と材質証明書が付属していると記載されています。発注部品の図面修正と報告内容に同意します。追加のサンプリング、臨床検査、またはプロセスの受け入れは、書面による範囲に属します。

よくある質問