Экструдер: устройство и принцип работы¶

Экструдер — это машина (или механизм), предназначенная для продавливания (экструзии) вязких, пластичных или сыпучих материалов через формующее отверстие (матрицу) с целью получения изделий заданного поперечного сечения. Принцип действия основан на создании давления, под которым материал продавливается через профильное отверстие и принимает форму этого отверстия. Экструдеры применяются в пищевой промышленности, металлургии, производстве пластмасс, керамики, строительных материалов, а также в бытовых условиях — например, в 3D-печати.

¶История

Первые устройства, работающие по принципу экструзии, появились в XIX веке. В 1836 году английский изобретатель Александер Дик запатентовал первый промышленный экструдер для производства свинцовых труб. В 1879 году Чарльз Винсент запатентовал экструдер для переработки каучука. В России технология экструзии получила развитие в XX веке в связи с ростом производства пластмасс, резинотехнических изделий и пищевых продуктов (макароны, хлебные сухари, соевые продукты).

¶Устройство

Классический экструдер состоит из следующих основных узлов:

• Бункер (загрузочное устройство) — ёмкость, в которую подаётся сырьё (порошок, гранулы, тесто, металлолом и т. д.).
• Зона подачи — участок, где сырьё захватывается шнеком и транспортируется вперёд.
• Зона сжатия (компрессионная зона) — участок, где объём между витками шнека уменьшается, материал уплотняется и нагревается.
• Зона дозирования (диспергирования) — участок, где материал окончательно перемешивается и приводится к однородному состоянию.
• Формующая головка (матрица) — деталь с отверстием нужной формы, через которое продавливается готовый продукт.
• Привод (электродвигатель) — обеспечивает вращение шнека.
• Система нагрева/охлаждения — поддерживает заданную температуру в зонах корпуса.

¶Классификация

Экструдеры классифицируют по нескольким признакам.

¶По числу шнеков

• Одношнековые — наиболее распространённый тип; просты в конструкции, применяются в пищевой промышленности и 3D-печати.
• Двухшнековые — обеспечивают более интенсивное перемешивание; используются в производстве полимеров, резиновых смесей, кормов.
• Многошнековые — применяются в специальных технологических процессах.

¶По назначению

• Пищевые — для производства макарон, хлебных палочек, сухарей, соевых продуктов, детского питания.
• Полимерные — для переработки пластмасс (ПВП, полиэтилен, полипропилен и др.).
• Резиновые — для смешения резиновых смесей и формования резинотехнических изделий.
• Металлургические — для производства труб, прутков, профилей из цветных и чёрных металлов.
• Керамические — для формования керамических изделий (кирпич, черепица, санитарная керамика).
• Кормовые — для производства комбикормов и кормовых добавок.

¶По способу нагрева

• Термомеханические — нагрев материала осуществляется за счёт трения и сжатия (без внешнего нагрева).
• Термохимические — материал подвергается химическому воздействию (например, вулканизации) в процессе экструзии.
• Термические — нагрев обеспечивается внешними нагревателями.

¶Принцип работы

Материал загружается в бункер, откуда шнек захватывает его и транспортирует вдоль корпуса. По мере продвижения объём между витками шнека уменьшается, что приводит к уплотнению и нагреву материала. В зоне дозирования материал достигает однородного пластического состояния и под давлением продавливается через формующую головку. На выходе получается изделие заданного поперечного сечения — труба, плёнка, лента, гранулы, макаронные изделия и т. д. Готовый продукт охлаждается и нарезается на отрезки заданной длины.

¶Применение

¶Пищевая промышленность

Экструдирование — основной способ производства макарон, хлебных сухарей, снеков, соевых продуктов, детского питания. В пищевой промышленности используются одношнековые экструдеры с водяным охлаждением.

¶Производство пластмасс

Полимерные экструдеры применяются для производства труб, плёнок, профилей, лент, грануляции сырья. Двухшнековые экструдеры обеспечивают качественное смешение компонентов полимерной смеси.

¶Металлургия

Экструдирование цветных металлов (алюминий, медь, латунь) позволяет получать трубы, прутки, профили сложного сечения. Металлургические экструдеры работают при высоких температурах и давлениях.

¶3D-печать

В аддитивных технологиях (FDM/FFF) используется миниатюрный экструдер, который подаёт и плавит полимерную нить (филамент) и выдавливает её через сопло малого диаметра на печатаемую поверхность.

¶Интересные факты

• Экструдер — один из самых универсальных технологических аппаратов: один и тот же принцип лежит в основе производства макарон и алюминиевых труб.
• В пищевой промышленности экструзия позволяет не только формовать, но и готовить продукт (нагрев, гидролиз крахмала, денатурация белков).
• Двухшнековые экструдеры с параллельными шнеками обеспечивают более равномерное перемешивание по сравнению с одношнековыми.

¶Источники

• ГОСТ 24634-81 «Экструдеры для пластмасс. Термины и определения».
• Белых В. С., Носов А. М. «Экструдирование полимеров».
• Кулешов В. Н. «Экструдирование полимеров».
• Справочник по переработке пластмасс.