Nhiệm vụ chính của thiết bị đùn là tạo nên áp suất đủ lớn để đẩy vật liệu qua khuôn. Áp suất này phụ thuộc: cấu trúc hình học của khuôn, tính chất dòng chảy của vật liệu và tốc độ chảy.
Plastics extrunder (thiết bị đùn nhựa): di chuyển, bơm nhựa.
Plasticating extrunder (thiết bị đùn gia công): không chỉ vận chuyển nhựa mà còn làm nhuyễn hoặc nóng chảy vật liệu nhựa. Vật liệu dạng hạt rắn được cấp vào thiết bị và đưa nhựa đã nóng chảy đến khuôn.
Thiết bị đùn nhựa nóng chảy mà không làm chảy nhựa được gọi là melt-fed extrunder.
A: trục vít, B: thân máy đùn (xylanh), C: thiết bị gia nhiệt, D: đầu đo nhiệt
E: họng cấp liệu, F: Phễu cấp liệu, G: giảm áp lực đẩy, H: giảm tốc bằng bánh răng, I: motor, J:vùng cấp liệu, K: vùng nén, L: vùng đẩy.
1.12.2 Thân của máy đùn:
Có dạng hình trụ. Bên trong được phủ vật liệu cứng, chống mài mòn. Trên thân máy, có các lỗ thông khí đề thoát các chất bay hơi có trong nhựa - gọi là quá trình tách khí (devolatilization). Ví dụ như tách lượng ẩm trong nhựa hút ẩm.
1.12.3 Bộ phận cấp liệu:
Bộ phận cấp liệu được nối vào thân máy đùn. Họng cấp liệu (feed throat) có hệ thống nước làm mát tránh hiện tượng nóng chảy vật liệu, dính vào thành thiết bị. Chiều dài của họng khoảng 1,5 lần , rộng khoảng ¾ đường kính của thân máy đùn.
Một số máy đùn không có họng cấp liệu, liệu được đưa trực tiếp vào thân máy đùn.
Ưu điểm: chi phí thấp, ít chi tiết, không khó khăn để bố trí họng cấp liệu với thân máy đùn.
Nhược điểm: rất khó tạo được khoảng cách nhiệt giữa vùng nhiệt độ cao thân máy với vùng nhịêt độ thấp họng cấp liệu, rất khó làm lạnh họng cấp liệu.
Phễu nạp liệu được thiết kế sao cho đảm bảo dòng vật liệu chảy ổn định. Có các thiết bị hỗ trợ để giúp quá trình nạp liệu ổn định.
1.12.4 Trục vít:
Hình trụ dài, có các cánh xoắn xung quanh. Các chức năng của trục vít - vận chuyển, gia nhiệt, nóng chảy và trộn vật liệu nhựa. Độ ổn định của quá trình làm việc, chất lượng sản phẩm phụ thuộc nhiều vào trục vít.
Các thông số quan trọng của trục vít
Chiều dài trục vít (L) khoảng 15D – 30D; đường kính D; chiều sâu rãnh vít (h); Bề dày của cánh vít (axial flight width); Bước vít (Pitch); Góc nghiên của cánh vít (Helix angle)
Quá trình hoạt động của máy đùn trục vít
Qua cửa nạp liệu, nguyên liệu rơi vào rãnh vít. Khi trục vít quay, nguyên liệu sẽ được tải dần về phía trước đến vùng nhựa hoá. Trong quá trình vận chuyển, nguyên liệu sẽ nhận nhiệt cung cấp từ bên ngoài và do ma sát chuyển từ trạng thái rời sang mềm cao và cuối cùng là dạng chảy nhớt liên tục:
(chú ý: trong hình trên, ở vùng A nhựa chảy do nhận nhiệt từ bên ngoài, vùng B do ma sát)
Ở vùng phối liệu, nhờ ma sát mà nhựa lỏng được đẩy tới trước, tạo một áp lực ở đầu vít đẩy nhựa thoát khỏi đầu tạo hình. Ra khỏi đầu tạo hình, hình dáng của sản phẩm được hình thành và để định hình sản phẩm cần được làm nguội đến trạng thái thuỷ tinh.
Không khí vào máy cùng với vật liệu sẽ được đẩy ngược ra sau nhờ áp suất trong máy, qua khoang liệu và ra ngoài. Sản phẩm sau khi được định hình ở dạng liên tục, tuỳ theo mục đích sử dụng và loại sản phẩm, người ta cắt thành từng đoạn cần thiết. Việc làm nguội khi thoát ra khỏi đầu tạo hình có thể bằng nước hoặc không khí.
Sự biến đổi trạng thái và chuyển động của nguyên liệu trong rãnh vít:
Như đã nói trên, trong quá trình chuyển động trong rãnh vít từ của nạp liệu đến đầu vít, do ma sát ngoại, ma sát nội và nhiệt cung cấp, nguyên liệu thay đổi trạng thái từ rắn sang lỏng nhớt. Tương ứng với sự thay đổi trang thái của vật liệu, chức năng của vít và các định luật chi phối chuyển động của vật liệu cũng thay đổi.
o Vùng nạp liệu (feed zone) có bề sâu rãnh vít không đổi và lớn nhất.
Vùng cấp liệu chiều dài khoảng 50% L. Nhiệm vụ chủ yếu là chuyển tải nguyên liệu theo dọc trục vít đưa đến vùng nén ép. Khu vực này thường không thay đổi kích thước trục vít ( chiều sâu và bước vít).
Vật liệu trong vùng này thường ở trạng thái rắn, chuyển động ma sát khô, sự đảo lộn vật liệu chưa rõ ràng, mang tính chất chuyển động khối. Để vật liệu có thể chuyển động tới thì ma sát của vật liệu lên bề mặt trục vít phải nhỏ hơn ma sát của vật liệu lên bề mặt thành xylanh. Ở cuối vùng này nguyên liệu bắt đầu mềm và chảy.
o Vùng nén (compresion zone ) có bề sâu ren vít giảm dần.
Vùng nén ép chiều dài khoảng 25% L chiều dài trục vít. Nhiệm vụ khu vực này là vận chuyển và nén ép nguyên liệu nhựa thành khối đồng nhất mềm dẻo dưới tác dụng của nhiệt và áp lực. Để tạo ra áp lực, thì thể tích rãnh vít phải được giảm dần bằng cách giảm chiều sâu trục vít và bước vít.
Vật liệu trong vùng này ở trạng thái rắn và lỏng ( hỗn hợp nhựa lỏng và bột nhựa). Chuyển động của vật liệu tuân theo quy tắc vật rắn có bôi trơn. Hiện tượng đảo lộn xuất hiện rõ nét hơn.. Vật liệu chuyển động theo khối lỏng rắn, bề dày khối lỏng tăng dần khi vật liệu tiến về phía trước.
o Vùng định lượng (pumping zone) có bề sâu rãnh vis nhỏ nhất.
Vùng này chiều dài khoảng 25% L. Ở khu vực này thường chiều sâu vít xoắn và bước vít có kích thước cố định (đôi khi có thể thay đổi chút ít để tăng thêm áp lực ở khu vực này). Nhiệm vụ chính của vùng định lượng là chuyển khối nguyên liệu đã nhựa hóa đồng nhất với vận tốc và áp suất không đổi tới phần định hình của sản phẩm. Vùng này còn gọi là vùng nhựa lỏng, ở đây vít đóng vai trò như một máy bơm.
Vật liệu ở vùng này hoàn toàn chảy nhớt. Tuy chuyển động mang tính chất chuyển động khối, nhưng khác với vùng nạp liệu ở đây chuyển động tuân theo các quy luật ma sát nhớt với sự hình thành các lớp lỏng.
Nhiệt do quá trình gia công được tạo ra do nhiệt cung cấp qua xylanh. Ngoài ra còn do nhiệt ma sát giữa nhựa và trục vít.
- Tỷ lệ L/D
Tỷ lệ chiều dài trục vít (L) trên đường kính trục vít (D): L/D = 14:1 đến 24:1 tùy theo từng loại vật liệu.
Vít xoắn ngắn chất lượng trộn kém, năng suất kém, nhựa hóa không ổn định. Nhìn chung vít xoắn dài có chất lượng tốt hơn và mới thỏa mãn nhu cầu về mặt công nghệ, song vít dài khó gia công do đó giá thành cao và độ bền trục vít yếu hơn.
1.12.5 Hệ thống điều khiển:
Hệ thống điều khiển giúp người vận hành máy theo dõi và điều chỉnh các thông số gia công như: nhiệt độ, áp suất, tốc độ đùn, vận tốc và vị trí trục vis, vị trí của các bộ phận trong hệ thống thủy lực. Hệ thống điều khiển giao tiếp với người vận hành máy qua bảng điều khiển (control panel) và màn hình máy tính (computer screen).
1.12.6 Xylanh:
Có cấu tạo làm bằng thép đúc, bề mặt được tôi cứng và xi mạ nhẵn bóng để thuận lợi cho việc thay đổi màu nguyên liệu, không bám dính, giảm ma sát, tránh tổn thất. Phía ngoài có gắn
các vòng điện trở để gia nhiệt. Xylanh khá dài vì phải có chỗ chứa keo phía trước để phun ép. Nhiệm vụ quan trọng là tạo bề mặt truyền nhiệt.
Nhiệt độ xylanh
Nhiệt độ của nguyên liệu trong xylanh phải đảm bảo vật liệu ở trạng thái chảy nhớt để gia công nhưng không bị phân hủy.
Thời gian lưu trú của vật liệu trong xylanh càng ngắn càng có lợi. Nguyên nhân do nhiệt độ của nguyên liệu trong xylanh và thời gian làm nguội sản phẩm có quan hệ với nhau. Với nhiệt độ nguyên liệu quá cao thì thời gian làm nguội sản phẩm trong khuôn phải kéo dài.
Để có chuyển động của dòng nhựa đi lên phía trước thì ma sát của vật liệu nhựa đối với trục vít phải cao hơn ma sát của vật liệu nhựa với xylanh. Do đó mà phải tạo ra sự chênh lệch giữa nhiệt độ xylanh và vít xoắn. Nếu không có nước làm nguội trục vít thì sẽ không có sự sai khác về nhiệt độ. Muốn vậy ta phải tiến hành làm nguội trục vít nhất là ở vùng cấp liệu nguyên liệu dễ bám vào trục vít làm ảnh hưởng đến năng suất và quá trình gia công.
Nước làm nguội được đưa vào đầu lõi trục vít và có van điều khiển lượng nước vào vít xoắn để có nhiệt độ cần thiết. Thường dùng điều khiển tự động để điểu khiển van này.
Nguyên liệu nhựa nóng chảy bởi sự gãy đứt mạch phân tử tạo nhiệt do ma sát. Khoảng 70% nguồn năng lượng của xylanh cung cấp cho nguyên liệu, gây nóng chảy nguyên liệu. Khoảng 27% cung cấp cho sự tiêu tốn do mất mát nhiệt độ, 3% bởi sự hiệu chỉnh nhiệt độ cuối.
1.12.7 Gia nhiệt và làm lạnh:
Các thiết bị gia nhiệt bằng điện được đặt dọc theo thân máy đùn. Các máy đùn thường có ít nhất 3 vùng nhiệt độ dọc theo chiều dài của thân máy đùn. Các máy đùn dài hơn, có trên 8 vùng nhiệt độ. Mỗi vùng có hệ thống gia nhiệt và làm lạnh riêng, có sensor đo nhiệt độ. Nhiệt độ thường đo bên trong thân máy. Khuôn có thể có một hay nhiều vùng nhiệt độ phụ thuộc vào độ phức tạp của nó. Khuôn thường được gia nhiệt, ít khi phải làm lạnh.
Thân máy đùn phải làm lạnh nếu nhiệt độ của nhựa tăng, tránh làm nhiệt độ của thân máy đùn tăng quá giới hạn cho phép. Điều này cũng xảy ra tương tự khi đùn nhựa có độ nhớt cao, tốc
độ đùn lớn. Làm lạnh có thể bằng không khí. Quạt gió đặt ở phía dưới máy đùn, mỗi quạt làm lạnh cho mỗi vùng.
Khi cần lấy đi một lượng nhiệt lớn, có thể dùng nước. Máy đùn hoạt động tốt nhất khi trục vít cấp đủ năng lượng cho quá trình, gia nhiệt hoặc làm lạnh cũng sẽ ít đi. Do vậy, với máy đùn trục vít đơn, làm lạnh bằng không khí là đủ. Nước làm lạnh quá nhanh sẽ gây khó khăn cho việc khống chế đúng nhiệt độ.
1.12.8 Bộ phận đun nóng và làm lạnh trục vít:
Trục vít được đun nóng hay làm lạnh phía bên trong trục vít, chất lỏng trao đổi nhiệt tuần hoàn bên trong.
1.12.9 Tấm chắn (breaker plate):
Mục đích chính: đỡ các lưới lọc, ngăn cản chuyển động xoáy của nhựa nóng chảy khi ra khỏi trục vít. Tấm chắn hướng nhựa chảy theo một đường thẳng vào khuông. Có thể kết hợp bộ phận khuấy đảo vào tấm chắn này. Tấm chắn khuấy đảo này có nhiều rãnh nhỏ dần, sẽ chia nhỏ dòng chảy, kéo dài dòng chảy.Thiết bị này sẽ cải thiện khuấy đảo phân bố và phân tán.
Lưới lọc nhiện vụ: giữ lại các tạp chất. Thông thường, nhiều tấm lọc được kết lại với nhau, bắt đầu là tấm lưới thô, tiếp đến là các tấm lưới có kích thước nhỏ dần, rồi một tấm lưới thô, áp sát vào tấm chắn. Tấm lưới thô sau cùng chỉ làm nhiệm vụ đỡ tấm lưới tinh. Sắp xếp các lưới lọc tạo nên hộp lọc (screen pack).
1.12.10 Hộp lọc (screen pack):
Ngoài chức năng lọc các tạp chất, hộp lọc còn làm tăng khuấy trộn trong máy đùn. Hộp lọc thường gồm: lưới lọc 20 mesh, tiếp đến là 40, 60, 80, lưới 20 mesh được áp sát vào tấm chắn. (mesh: số dây kim loại đan lưới trên 1 inch - 25mm, mesh càng cao, lỗ lưới càng nhỏ).
1.12.11 Đầu tạo hình (The Extrunsion Die):
Đầu tạo hình đặt ở đầu ra của máy đùn. Tạo ra sản phẩm với hình dạng mong muốn. Đầu tạo hình dạng vành khuyên (annular die) dùng tạo ống, bọc dây điện.
Kênh dẫn vào của đầu tạo hình được thiết kế phù hợp với đầu ra của máy đùn. Có 3 thành phần chính của máy đùn: kênh dẫn vào (inlet chanel), mặt đa diện (manifold) và vùng phẳng (land region). Kênh dẫn vào được thiết kế sao cho vận tốc dòng cắt ngang của nhựa nóng chảy là không đổi trong suốt quá trình di chuyển.
Trên hình Fig.17, khi nhựa vào đầu tạo hình, chảy quanh torpedo. Qua các đầu vòng kiềng (spider legs), nhựa chảy thành dòng đều đặn. Chảy về đỉnh chóp, sản phẩm dạng ống được tạo ra.
Vì có rất nhiều biến ảnh hưởng đến kích thước và hình dạng của nhựa đùn nên rất khó dự đoán chính xác kích thước và hình dạng của nhựa khi ra khỏi đầu tạo hình. Chính vì điều này, sẽ rất khó khăn khi tính toán kênh dòng nhựa chảy trong đầu tạo hình để có được sản phẩm mong muốn. Thường thiết kế đầu tạo hình chủ yếu dựa vào kinh nghiệm.
1.12.12 Hệ thống làm nguội trong khuôn thổi:
Khuôn thổi được làm từ thép hay các hợp kim không phải sắt. Những hợp kim không phải sắt như hợp kim kẽm hay hợp kim nhôm có khả năng dẫn nhiệt cao.
Cách thức sắp xếp và xác định kích thước hệ thống làm nguội cũng là yếu tố quan trọng của khuôn thổi. Trong thực tế người ta khoan bên trong, ngay bên dưới bề mặt của khuôn thổi những kênh dẫn nước lạnh liên kết lại với nhau,
và phân phối hợp lý để làm nguội nhanh chóng bề mặt của khuôn thổi. Những vị trí nơi cổ miệng và đáy vật thổi cũng như là chổ cạnh ép dính lại phải được đặc biệt làm nguội thật tốt vì nơi đây dễ tạo ra hiện tượng nhựa bị dồn ứ. Hiện nay các máy thổi cũng được ứng dụng các loại khí lỏng như CO2 hay N2 để làm nguội nhanh cổ và đáy vật thổi. Một khuôn thổi tiêu chuẩn cao cũng đòi hỏi bên cạnh đó một hệ thống kênh làm nguội hợp lý và hiệu quả.
1.12.13 Bộ phận điều chỉnh bề dày thành ống:
Đây là một bộ phận được thiết kế bên trong đầu khuôn có nhiệm vụ định dạng bề dày của thành ống nhựa theo từng phần dày mỏng sao cho thích hợp với hình thể của với hình dáng chi tiết thay đổi của khuôn thổi.
Chi tiết này rất quan trọng có liên quan đến phẩm chất của thành phẩm ( bề dày, đường nét, tiết diện…vv…).
Đối với trường hợp điều chỉnh bề dày theo trục người ta có thể ứng dụng một cái chốt cố định hay chốt chuyển động theo chiều thẳng đứng lên xuống, có hình nón cụt đóng vai trò nắp chận nơi đầu chốt.
Khi chốt chuyển động xuống tạo khe hở lớn cho rãnh và lượng nhựa thoát ra nhiều sẽ gia tăng bề dày của thành ống, ngược lại nếu chốt chuyển động lên trên, khe hhở sẽ hẹp lại, lượng nhựa ít đi, làm cho bề dày thành ống giãm đi. Phương pháp này được ứng dụng cho các loại chai lọ có đường kính hay hình dạng bề ngang thay đổi.
1.12.14 Hệ thống điêù chỉnh nhiệt độ trong khuôn:
Được xem như là một yếu tố quan trọng luôn được chú ý trong các yếu tố có ảnh hưởng đến chất lượng của sản phẩm, nhưng trong thực tế nhà thiết kế thường phải tính toán và xác định lại độ chính xác tùy theo dạng và độ lớn của phần bên trong khuôn và hệ thống cuốn nối. Hệ thống kênh làm nguội cũng được bố trí tùy theo mổi trường hợp và không lệ thuộc vào một nguyên tắc nhất định.
Bên cạnh đó cũng phải giải quyết các yếu tố khác nằm nên trong khuôn như hệ thống đinh đẩy vật thể đúc-phun, ốc vít và các phần phụ cung ứng cho khuôn. Trên cơ bản cần phải chú ý đến phương cách làm sao đạt đến sự hài hoà nhiệt độ trên bề mặt của khuôn. Hệ thống làm nguội đạt được tối ưu khi nó thoả các điểm được nêu ra dưới đây:
• Hệ thống điều hoà nhiệt độ của một khuôn thổi ảnh hưởng đến chất lượng và thời gian sản xuất của một vật thể ( thành phẩm ).
• Hệ thống làm nguội bên trong khuôn phải được bố trí sao cho hiện tượng giảm nhiệt của nhựa nóng chảy được xảy ra cùng lúc và hài hoà trên toàn thể bề mặt của vật thể.
• Hệ thống kênh làm nguội phải được thiết kế và bố trí sao cho thích hợp và thật gần ngay sát bên cạnh của bề mặt hốc khuôn tạo dáng của vật thể.
• Hệ thống kênh làm nguội phải nằm sát cạnh nhau để tăng hiệu quả làm nguội nhanh.
1.12.15 Động cơ:
Động cơ điện dùng để kéo quay trục vít. Tốc độ quay của động cơ 1800 rpm. Tốc độ quay của trục vít thường 100 rpm. Do vậy cần có bộ phận giảm tốc. Khi gắn trực tiếp động cơ