מאת: דב נוימן

היכולת לעבד פולימרים באופן יציב היא גורם מפתח ברווחיות הייצור, ומבנה הבורג קובע את יציבות התהליך. הברגים מתוכננים לעיבוד חומר מסוים או מספר חומרים, ותכוננם מבוסס על מאפייני חומר הגלם, ובראש ובראשונה על רמת הגבישיות שלו. תכונה זו היא גורם בעל השפעה מרכזית בתכנון הבורג משום שהיא משפיעה על הדרך בה החומר משתנה ממוצק לעיסה (פלסטיפיקציה). ההבדל בין חומר גבישי לחומר פחות גבישי (אמורפי) כולל את המאפיינים הבאים:
* נקודת ההתכה – חומרים בעלי דרגת גבישיות גבוהה נשארים במצב מוצק עד שהטמפרטורה מגיעה לנקודת ההתכה. לחומרים אמורפיים אין נקודת התכה ברורה, והחומר מתרכך בהדרגה בתוך תהליך החימום עד הגעתו למצב נוזלי.
* מוליכות תרמית – חומרים אמורפיים סופגים חום ועולים בטמפרטורה בצורה איטית. חומרים אלה נוטים להתפרק או להישרף כאשר הם נחשפים לחום וטמפרטורה גבוהים באופן מהיר. חומרים גבישיים הופכים לעיסה במהירות גבוהה.
* רגישות לגזירה – חומרים אמורפים נחשבים לרגישים יותר לכוחות גזירה, לכן יש להעבירם בהדרגה ממצב מוצק למצב נוזל. לעומת זאת, את החומרים הגבישיים ניתן לעבד בשיעורי גזירה וחום גבוהים יותר.

הסבר לא מדעי להבדלים בין חומרים גבישיים לאמורפיים – מים מול חמאה

מים כמשל לחומר בעל גבישיות גבוהה: למים יש נקודת התכה/קיפאון ברורה. הם קופאים באפס מעלות צלזיוס; עלייה בטמפרטורה – והמים נמסים מייד; שים קוביית קרח במחבת חם – והיא נמסה מייד.

חמאה כמשל חומר אמורפי: במקרר, החמאה נשארת במצב קבוע ויציב. מחוץ למקרר, החמאה מתרככת, אך עדיין שומרת על צורתה ואינה נוזלת. עם החימום הופכת החמאה בהדרגה לנוזל, אך אין נקודה ברורה למהפך זה.

ההבדל מומחש בתרשים מס' 1.


תכנון הבורג

הבורג בנוי משלושה אזורים, המתוכננים לפי סוג החומר או החומרים המעובדים:
1. אזור ההזנה – אזור הכניסה של חומר הגלם המוצק והולכתו.
2. אזור המעבר – האזור בו מתבצעות דחיסה והתכה של החומר.
3. אזור מדידה – האזור בו ההיתך מתקדם ומתערבב, כדי להגיע לטמפרטורה וצמיגות אחידים, עד שהוא נדחף החוצה.
מחלוקה זו עולה, כי ברגים בעלי אזור מעבר ארוך יותר יעילים יותר בהתכה של חומרים אמורפיים (התכה הדרגתית). לעומת זאת, את החומרים הגבישיים, שיש להם נקודת התכה ברורה, ניתן לעבד ביתר יעילות בברגים בעלי אזור מעבר קצר יותר וביחס דחיסה גבוה יותר. תרשים מס' 2 ממחיש את ההבדלים הנדרשים במבנה הבורג לפי סוגי החומרים המעובדים. בשני המקרים המתוארים בתרשים, מדובר בבורג שבו L/D = 20:1 ובעל פסיעה מרובעת.

הפרעות זרימה – "גושים"

לכל חומר יש גרף התכה מאפיין, הנובע מהמבנה המולקולרי שלו, ותכנון הבורג חייב להתאים לגרף ההתכה של החומר. אי-התאמה בין גרף ההתכה של החומר לבין מבנה הבורג עלולה ליצור הפרעות בזרימת החומר במהלך העיבוד בבורג ("גושים").
תופעה זו מתרחשת כאשר חומר מוצק מגיע לנקודת חסימה בבורג ומתקשה במעבר. ה"גושים" יוצרים חום גזירה גבוה באזור קטן, שכן הבורג דוחף קדימה כנגד החסימה שלו עצמו.
בנוסף, הם עלולים לגרום ל"טעינת צד" בבורג כתוצאה מלחץ החומר מצד אחד של הבורג ודחיקת הבורג כנגד דופן הקנה (הצילינדר). תופעה זו עלולה לגרום לשחיקה מוגברת של הבורג והקנה.
האם נתקלת בתקלה אשר מופיעה כל 10 או 20 מחזורים למרות שבקנה יש חומר לחמישה מחזורים? האם נתקלת בזמן מילוי לא יציב? ייתכן שתופעות אלה הן תוצאה של "גושים" המתהווים בקנה.
כאשר נוצר "גוש" ולאחר מכן משתחרר, המשקל המולקולרי והצמיגות של החומר משתנים. שינוי זה גורם לבעיות באיכות העיסה (התפשטות, זיהום, חימום-יתר וכדומה). התופעה של תקלה החוזרת אחת למספר מחזורים יכולה להיות תוצאה של היווצרות ופירוק של "גוש" בתוך הקנה.
ככל שנוצרים פחות "גושים" בעת הולכת החומר בקנה נקבל עיסה איכותית יותר ושוות-טמפרטורה (איזותרמית). עיסה כזו תבטיח אחידות ייצור טובה יותר.

עיבוד חומרים שונים בבורג אחד

בורג המתוכנן לסוג חומר אחד מבטיח יעילות ודיוק (חזרתיות) מרביים. עם זאת, ברוב המקרים, שימוש בבורג שונה לכל סוג חומר אינו כלכלי, היות שהמכונות מנוצלות לעיבוד מוצרים מחומרים שונים. לכן, בעת שימוש בבורג כללי יש להתאים את שאר תנאי העבודה של המכונה לפיצוי על ה"פשרות" שנעשו בתכנון הבורג. יש לכוון פרמטרים כגון טמפרטורה, לחץ נגדי ומהירות סיבוב בדרך שתפצה על נקודות החולשה של בורג, המותאם למספר רב של חומרים.

עיבוד חומר גלם בטמפרטורות גבוהות

עם הפיתוח של חומרים חדשים, הדורשים עיבוד בטמפרטורות גבוהות, ומתוך ההכרח לייצר מוצרים בעלי עלות נמוכה ואיכות גבוה ומשוחררים מעיוותים, נוצר צורך לעבד חומרים בטמפרטורות גבוהות. טמפרטורות גבוהות מוגדרות לצורך הדיון כאן כטמפרטורות עבודה מעל 350 מעלות צלזיוס. עיבוד חומר בטמפרטורות אלה מהווה אתגר עבור רוב היצרנים.

כיצד ניתן לשפר את תהליך העיבוד כאשר עובדים בטמפרטורה גבוהה?

  • האם אתה מזהה אי-יציבות באיכות העיסה (פלסטיפיקציה), הגורמת להזרקת חוסר או עודף אקראית?
  • האם זמן המחזור הכללי אינו יציב עקב אי-יציבות של זמן המילוי?
  • האם נוצרת בעיית מילוי במוצר?

התשובות לשאלות אלה נעוצות בחוסר זמינות של החום הדרוש לעיבוד חומרים בטמפרטורות גבוהות. בנוסף, האם שקלתם את ההשלכות של עיבוד בטמפרטורות גבוהות על הבורג והקנה?
קיימים מספר משתנים, שיש להתייחס אליהם כאשר מעבדים חומר בטמפרטורה גבוהה. להלן אתייחס לשלושה גורמים, אשר יכולים לשפר את התהליך ואת רווחיות הייצור: הספק ליחידת שטח (ואט לסמ"ר);
טמפרטורת צוואר ההופר; פלדות הקנה והבורג.

הספק ליחידת שטח

כדי להפוך גרגרים לעיסה ולשמור על צמיגות מוגדרת במהלך העיבוד, כל החומרים דורשים כמות חום מסוימת לאורך זמן מסוים. כאשר מחשבים את הדרוש לעיבוד חומר גלם בטמפרטורה גבוהה יש לשים לב להספק גופי החימום ליחידת שטח.
רוב יצרני הציוד מספקים את הציוד עם גופי חימום בהספק של 2.5-3 ואט לסמ"ר. ערכים אלה מתאימים לעיבוד חומרים בטווח טמפרטורת שבין 160 ל-300 מעלות צלזיוס, עם זמן שהייה בקנה העולה על 1.5 דקות. בכל מקרה, עיבוד חומר בטמפרטורה גבוהה או משך שהייה קצר בקנה מחייבים לבדוק את הספק גופי החימום ליחידת שטח במכונה.
סימנים לבעיה של חוסר הספק חימום ליחידת שטח הם:

  • המכונה מתקשה לשמור על טמפרטורה רצויה
    (SET POINT).
  • אזורי החימום מופעלים כל הזמן.
  • זמני המילוי אינם יציבים.
  • כוח הפיתול (TORQUE), הנצרך על ידי המנוע, גבוה במיוחד.

הדרך לבדוק אם בעיות אלה נובעות מחוסר הספק ליחידת שטח פשוטה מאוד: האריכו את זמן המחזור של המכונה, ואם התופעות נעלמות, סביר להניח, שיש צורך בגופי חימום בעלי הספק גבוה יותר.

טמפרטורת צוואר ההופר

בקרת הטמפרטורה של צוואר ההופר נזנחת לעיתים קרובות בעיבוד פולימרים, אולם פרמטר זה הוא חלק משמעותי בתהליך העיבוד של חומרים בטמפרטורות גבוהות, והוא משפיע על יציבות זמן המילוי ועשוי להיות גורם להשגת היציבות בעבודה עם חומרים הדורשים בטמפרטורות גבוהות.
ברוב המכונות, הטמפרטורה מכוונת לטווח של 25-50 מעלות צלזיוס. עם זאת, כאשר מעבדים חומרים כגון ULTEM בטמפרטורה של 370-400 מעלות צלזיוס, טמפרטורת צוואר ההופר צריכה להיות עד 95 מעלות צלזיוס, כדי לאפשר עיבוד יציב של החומר. בטמפרטורה זו, החום מועבר לחומר מוקדם יותר ועוזר להקטין חסימות בבורג.

פלדות הקנה והבורג

טמפרטורות עבודה גבוהות מחייבות את יצרני הציוד לבחור בסגסוגות, אשר יכולות לעמוד בהתפשטות ובהתכווצות התרמית הנוצרת. ברב המקרים מומלץ להשתמש בפלדת כלים, אשר מאפשרת התכווצות והתפשטות ללא סכנת סדקים. כאשר משתמשים בבורג מצופה, השאלה היא מה היחס בין מקדמי ההתפשטות של חומר הציפוי לבין פלדת הבורג. אם המקדמים אינם שווים, הציפוי עלול להתפרק. מומלץ להשתמש בקנים בי-מטאליים בחיבור מכני או ביציקה צנטריפוגלית. אלה יכולים לשאת בדרך כלל את הטמפרטורה ולהבטיח אורך חיים סביר.

BASE SCREW MATERIALS

ACCEPTABILITY FOR RESIN WEAR CONDITIONS

MATERIAL DESIGNATION

TREATMENT (1)

Rc

(2)

FH

(3)

ABRASIVE

CORROSIVE (7)

NORMAL (4)

AVERAGE (5)

SEVERE (6)

MODERATE

SEVERE

ALLOY STEELS:   4140 Flame -hardened

48-55

no

Acceptable Poor Unacceptable Unacceptable Unacceptable
   4140 Chrome-plated

60-65

yes

Good Acceptable Unacceptable Good Unacceptable
   Nitralloy 135-M Nitrided

63-70

yes

Good Acceptable Unacceptable Poor Unacceptable
TOOL STEELS:   PM 9V Heat-treated

54-56

no

Excellent Excellent Good Acceptable Unacceptable
   PMM4 Heat-treated

62-64

no

Excellent Good Acceptable Poor Unacceptable
   PM 420 Heat-treated

54-56

no

Acceptable Poor Unacceptable Good Poor
SPECIAL ALLOYS:   Monel K-500 Age hardened

37-39

opt’l

Acceptable Unacceptable Unacceptable Excellent Good
   Nickel 718 Age hardened

43-45

opt’l

Acceptable Unacceptable Unacceptable Excellent Good
   Encapsulations Carbide coatings

70+

no

Excellent Excellent Good Good Poor

PM = Particle Metallurgy Process
(1) Includes chrome-plating to .003"-.005" and gas or ion nitriding for 24+ hour cycle.
(2) Rockwell C hardness.
(3) Flight hardsurfacing required.
(4) Thermoplastics with no reinforcements.
(5) Thermoplastics with up to 30% reinforcement.
(6) Thermoplastics with more than 30% reinforcement.
(7) Moderate includes cellulosics, acetals and others containing corrosive additives.