Sejarah Mesin Ekstrusi Plastik

Ekstrusi plastik adalah proses manufaktur bervolume tinggi di mana plastik mentah dilebur dan dibentuk menjadi profil kontinu. Ekstrusi menghasilkan barang-barang seperti pipa/tubing, pelapis cuaca, pagar, pagar dek, kusen jendela, film dan terpal plastik, pelapis termoplastik, dan insulasi kawat.
Proses ini dimulai dengan memasukkan bahan plastik (pelet, butiran, serpihan atau bubuk) dari hopper ke dalam tong ekstruder. Bahan tersebut secara bertahap dicairkan oleh energi mekanik yang dihasilkan dengan memutar sekrup dan pemanas yang diatur di sepanjang laras. Polimer cair kemudian dipaksa menjadi cetakan, yang membentuk polimer menjadi bentuk yang mengeras selama pendinginan.

SEJARAH

Ekstrusi pipa
Prekursor pertama ekstruder modern dikembangkan pada awal abad ke-19. Pada tahun 1820, Thomas Hancock menemukan “masticator” karet yang dirancang untuk mengambil kembali sisa karet yang telah diproses, dan pada tahun 1836 Edwin Chaffee mengembangkan mesin dua rol untuk mencampur bahan aditif ke dalam karet. Ekstrusi termoplastik pertama dilakukan pada tahun 1935 oleh Paul Troester dan istrinya Ashley Gershoff di Hamburg, Jerman. Tak lama kemudian, Roberto Colombo dari LMP mengembangkan ekstruder sekrup kembar pertama di Italia.

PROSES
Dalam ekstrusi plastik, bahan bakunya umumnya berbentuk nurdles (manik-manik kecil, sering disebut resin) yang dimasukkan secara gravitasi dari hopper yang dipasang di atas ke dalam tong ekstruder. Bahan tambahan seperti pewarna dan penghambat UV (dalam bentuk cair atau pelet) sering digunakan dan dapat dicampur ke dalam resin sebelum tiba di hopper. Prosesnya memiliki banyak kesamaan dengan cetakan injeksi plastik dari sudut pandang teknologi ekstruder, meskipun berbeda karena biasanya merupakan proses yang berkesinambungan. Meskipun pultrusion dapat menawarkan banyak profil serupa dalam panjang kontinu, biasanya dengan tambahan penguat, hal ini dicapai dengan menarik produk jadi keluar dari cetakan alih-alih mengekstrusi lelehan polimer melalui cetakan.

Bahan masuk melalui tenggorokan umpan (bukaan di dekat bagian belakang laras) dan bersentuhan dengan sekrup. Sekrup yang berputar (biasanya berputar pada kecepatan misalnya 120 rpm) memaksa manik-manik plastik maju ke dalam tong yang dipanaskan. Suhu ekstrusi yang diinginkan jarang sama dengan suhu laras yang disetel karena pemanasan kental dan efek lainnya. Dalam sebagian besar proses, profil pemanasan diatur untuk laras di mana tiga atau lebih zona pemanas independen yang dikontrol PID secara bertahap meningkatkan suhu laras dari belakang (tempat masuknya plastik) ke depan. Hal ini memungkinkan manik-manik plastik meleleh secara bertahap saat didorong melalui laras dan menurunkan risiko panas berlebih yang dapat menyebabkan degradasi pada polimer.

Panas ekstra dihasilkan oleh tekanan dan gesekan hebat yang terjadi di dalam laras. Faktanya, jika jalur ekstrusi menjalankan bahan tertentu dengan cukup cepat, pemanas dapat dimatikan dan suhu leleh dipertahankan hanya dengan tekanan dan gesekan di dalam laras. Di sebagian besar ekstruder, kipas pendingin hadir untuk menjaga suhu di bawah nilai yang ditentukan jika terlalu banyak panas yang dihasilkan. Jika pendinginan udara paksa terbukti tidak mencukupi maka jaket pendingin cor digunakan.

Ekstruder plastik dipotong menjadi dua untuk menunjukkan komponennya
Di bagian depan laras, plastik cair meninggalkan sekrup dan mengalir melalui kemasan kasa untuk menghilangkan kontaminan apa pun dalam lelehan. Layar tersebut diperkuat dengan pelat pemutus (keping logam tebal dengan banyak lubang yang dibor di dalamnya) karena tekanan pada titik ini dapat melebihi 5.000 psi (34 MPa). Rakitan screen pack/breaker plate juga berfungsi untuk menciptakan tekanan balik di dalam laras. Tekanan balik diperlukan untuk peleburan yang seragam dan pencampuran polimer yang tepat, dan besarnya tekanan yang dihasilkan dapat “diubah” dengan memvariasikan komposisi paket saringan (jumlah saringan, ukuran tenunan kawat, dan parameter lainnya). Kombinasi pelat pemutus dan paket layar ini juga menghilangkan “memori rotasi” dari plastik cair dan sebagai gantinya menciptakan “memori memanjang”.
Setelah melewati pelat pemutus, plastik cair masuk ke dalam cetakan. Cetakan inilah yang memberikan profil pada produk akhir dan harus dirancang sedemikian rupa sehingga plastik cair mengalir secara merata dari profil silinder ke bentuk profil produk. Aliran yang tidak merata pada tahap ini dapat menghasilkan produk dengan tegangan sisa yang tidak diinginkan pada titik-titik tertentu dalam profil yang dapat menyebabkan lengkungan pada saat pendinginan. Berbagai macam bentuk dapat dibuat, terbatas pada profil kontinu.

Produk sekarang harus didinginkan dan hal ini biasanya dicapai dengan menarik ekstrudat melalui penangas air. Plastik adalah isolator termal yang sangat baik sehingga sulit untuk didinginkan dengan cepat. Dibandingkan baja, plastik menghantarkan panasnya 2.000 kali lebih lambat. Dalam jalur ekstrusi tabung atau pipa, penangas air tertutup ditindaklanjuti dengan vakum yang dikontrol dengan hati-hati untuk menjaga tabung atau pipa yang baru terbentuk dan masih cair agar tidak roboh. Untuk produk seperti terpal plastik, pendinginan dilakukan dengan menarik melalui serangkaian gulungan pendingin. Untuk film dan lembaran yang sangat tipis, pendinginan udara dapat efektif sebagai tahap pendinginan awal, seperti pada ekstrusi film yang ditiup.
Pengekstrusi plastik juga banyak digunakan untuk memproses ulang sampah plastik daur ulang atau bahan mentah lainnya setelah dibersihkan, disortir, dan/atau dicampur. Bahan ini biasanya diekstrusi menjadi filamen yang cocok untuk dipotong menjadi butiran atau stok pelet untuk digunakan sebagai prekursor untuk pemrosesan lebih lanjut.

DESAIN SEKRUP
Ada lima kemungkinan zona dalam sekrup termoplastik. Karena terminologi tidak terstandarisasi dalam industri ini, nama yang berbeda mungkin merujuk pada zona-zona ini. Jenis polimer yang berbeda akan memiliki desain sekrup yang berbeda, beberapa tidak menggabungkan semua zona yang memungkinkan.

Sekrup ekstrusi plastik sederhana

Sekrup ekstruder Dari Boston Matthews
Kebanyakan sekrup memiliki tiga zona berikut:
● Zona umpan (juga disebut zona pengangkutan padatan): zona ini memasukkan resin ke dalam ekstruder, dan kedalaman saluran biasanya sama di seluruh zona.
● Zona leleh (juga disebut zona transisi atau kompresi): sebagian besar polimer meleleh pada bagian ini, dan kedalaman saluran semakin mengecil.
● Zona pengukuran (juga disebut zona pengangkutan lelehan): zona ini melelehkan partikel terakhir dan bercampur hingga suhu dan komposisi seragam. Seperti zona umpan, kedalaman saluran di seluruh zona ini konstan.
Selain itu, sekrup berventilasi (dua tahap) memiliki:
● Zona dekompresi. Di zona ini, sekitar dua pertiga bagian bawah sekrup, saluran tiba-tiba menjadi lebih dalam, sehingga mengurangi tekanan dan memungkinkan gas yang terperangkap (kelembaban, udara, pelarut, atau reaktan) dikeluarkan melalui ruang hampa.
● Zona pengukuran kedua. Zona ini mirip dengan zona pengukuran pertama, namun dengan kedalaman saluran yang lebih besar. Ini berfungsi untuk memberi tekanan ulang pada lelehan agar dapat melewati hambatan layar dan cetakan.
Seringkali panjang sekrup dirujuk ke diameternya sebagai rasio L:D. Misalnya, sekrup berdiameter 6 inci (150 mm) pada rasio 24:1 akan memiliki panjang 144 inci (12 kaki), dan pada rasio 32:1 akan menjadi panjang 192 inci (16 kaki). Rasio L:D 25:1 adalah hal yang umum, tetapi beberapa mesin menaikkannya menjadi 40:1 untuk pencampuran lebih banyak dan keluaran lebih banyak pada diameter sekrup yang sama. Sekrup dua tahap (berventilasi) biasanya berukuran 36:1 untuk memperhitungkan dua zona tambahan.
Setiap zona dilengkapi dengan satu atau lebih termokopel atau RTD di dinding barel untuk pengontrol suhu. “Profil suhu” yaitu suhu setiap zona sangat penting untuk kualitas dan karakteristik ekstrudat akhir.

BAHAN EKSTRUSI KHUSUS

Pipa HDPE selama ekstrusi. Material HDPE dialirkan dari heater, masuk ke die, lalu masuk ke tangki pendingin. Pipa saluran Acu-Power ini diekstrusi bersama – bagian dalamnya berwarna hitam dengan jaket tipis berwarna oranye, untuk menandai kabel daya.
Bahan plastik umum yang digunakan dalam ekstrusi termasuk namun tidak terbatas pada: polietilen (PE), polipropilen, asetal, akrilik, nilon (poliamida), polistiren, polivinil klorida (PVC), akrilonitril butadiena stirena (ABS), dan polikarbonat.[4 ]

JENIS MATI
Ada berbagai macam cetakan yang digunakan dalam ekstrusi plastik. Meskipun terdapat perbedaan yang signifikan antara jenis dan kompleksitas cetakan, semua cetakan memungkinkan ekstrusi lelehan polimer secara terus menerus, dibandingkan dengan pemrosesan non-kontinyu seperti pencetakan injeksi.
Ekstrusi film tiup

Tiup ekstrusi film plastik

Pembuatan film plastik untuk produk seperti tas belanja dan terpal kontinyu dicapai dengan menggunakan jalur film yang ditiup.
Proses ini sama dengan proses ekstrusi biasa hingga cetakan. Ada tiga jenis cetakan utama yang digunakan dalam proses ini: cincin (atau kepala silang), laba-laba, dan spiral. Cetakan berbentuk cincin adalah yang paling sederhana, dan bergantung pada lelehan polimer yang mengalir di sekitar seluruh penampang cetakan sebelum keluar dari cetakan; ini dapat mengakibatkan aliran tidak merata. Laba-laba mati terdiri dari mandrel tengah yang melekat pada cincin cetakan luar melalui sejumlah “kaki”; Meskipun aliran lebih simetris dibandingkan cetakan annular, sejumlah garis las dihasilkan yang melemahkan film. Cetakan spiral menghilangkan masalah garis las dan aliran asimetris, namun sejauh ini merupakan cetakan yang paling rumit.

Lelehan didinginkan agak dingin sebelum meninggalkan cetakan untuk menghasilkan tabung semi padat yang lemah. Diameter tabung ini diperluas dengan cepat melalui tekanan udara, dan tabung ditarik ke atas dengan penggulung, meregangkan plastik dalam arah melintang dan menarik. Penarikan dan peniupan menyebabkan film menjadi lebih tipis daripada tabung yang diekstrusi, dan juga menyelaraskan rantai molekul polimer ke arah yang paling banyak mengalami regangan plastik. Jika film yang ditarik lebih banyak daripada yang ditiup (diameter tabung akhir mendekati diameter ekstrusi) molekul polimer akan sangat sejajar dengan arah tarikan, sehingga menghasilkan film yang kuat pada arah tersebut, namun lemah pada arah melintang. . Film yang mempunyai diameter jauh lebih besar daripada diameter ekstrusi akan mempunyai kekuatan yang lebih besar pada arah melintang, namun lebih kecil pada arah penarikan.
Dalam kasus polietilen dan polimer semi-kristal lainnya, saat film mendingin, film tersebut mengkristal pada apa yang dikenal sebagai garis beku. Saat film terus mendingin, film tersebut ditarik melalui beberapa set nip roller untuk meratakannya menjadi tabung datar, yang kemudian dapat digulung atau dibelah menjadi dua atau lebih gulungan terpal.

Ekstrusi lembaran/film
Ekstrusi lembaran/film digunakan untuk mengekstrusi lembaran plastik atau film yang terlalu tebal untuk ditiup. Ada dua jenis cetakan yang digunakan: cetakan berbentuk T dan gantungan baju. Tujuan dari cetakan ini adalah untuk mengarahkan kembali dan memandu aliran lelehan polimer dari keluaran bulat tunggal dari ekstruder ke aliran planar yang tipis dan datar. Pada kedua jenis cetakan, pastikan aliran seragam dan konstan di seluruh luas penampang cetakan. Pendinginan biasanya dilakukan dengan menarik melalui satu set gulungan pendingin (kalender atau gulungan “dingin”). Dalam ekstrusi lembaran, gulungan ini tidak hanya memberikan pendinginan yang diperlukan tetapi juga menentukan ketebalan lembaran dan tekstur permukaan.[7] Seringkali ko-ekstrusi digunakan untuk menerapkan satu atau lebih lapisan di atas bahan dasar untuk mendapatkan sifat tertentu seperti penyerapan UV, tekstur, ketahanan permeasi oksigen, atau refleksi energi.
Proses pasca ekstrusi yang umum untuk stok lembaran plastik adalah thermoforming, dimana lembaran tersebut dipanaskan hingga lunak (plastik), dan dibentuk melalui cetakan menjadi bentuk baru. Ketika vakum digunakan, hal ini sering disebut sebagai pembentukan vakum. Orientasi (yaitu kemampuan/kerapatan lembaran yang tersedia untuk ditarik ke cetakan yang kedalamannya bervariasi dari 1 hingga 36 inci) sangat penting dan sangat mempengaruhi waktu siklus pembentukan untuk sebagian besar plastik.

Ekstrusi tabung
Tabung ekstrusi, seperti pipa PVC, dibuat menggunakan cetakan yang sangat mirip dengan yang digunakan dalam ekstrusi film tiup. Tekanan positif dapat diterapkan ke rongga internal melalui pin, atau tekanan negatif dapat diterapkan pada diameter luar menggunakan pengukur vakum untuk memastikan dimensi akhir yang benar. Lumen atau lubang tambahan dapat dibuat dengan menambahkan mandrel bagian dalam yang sesuai ke cetakan.

Jalur Ekstrusi Medis Boston Matthews
Aplikasi pipa multi-lapis juga hadir dalam industri otomotif, industri pipa & pemanas, serta industri pengemasan.

Ekstrusi jaket berlebih
Ekstrusi over jacketing memungkinkan penerapan lapisan luar plastik ke kawat atau kabel yang ada. Ini adalah proses khas untuk isolasi kabel.
Ada dua jenis perkakas cetakan yang digunakan untuk melapisi kawat, pipa (atau jaket) dan tekanan. Pada perkakas pelapis, lelehan polimer tidak menyentuh kawat bagian dalam sampai tepat sebelum bibir cetakan. Dalam perkakas bertekanan, lelehan bersentuhan dengan kawat bagian dalam jauh sebelum mencapai bibir cetakan; ini dilakukan pada tekanan tinggi untuk memastikan daya rekat lelehan yang baik. Jika diperlukan kontak atau adhesi yang erat antara lapisan baru dan kawat yang ada, perkakas bertekanan digunakan. Jika daya rekat tidak diinginkan/diperlukan, perkakas pelapis digunakan sebagai gantinya.

Koekstrusi
Coextrusion adalah ekstrusi beberapa lapisan material secara bersamaan. Jenis ekstrusi ini menggunakan dua atau lebih ekstruder untuk melelehkan dan menghasilkan keluaran volumetrik yang stabil dari plastik kental yang berbeda ke satu kepala ekstrusi (die) yang akan mengekstrusi material ke dalam bentuk yang diinginkan. Teknologi ini digunakan pada salah satu proses yang dijelaskan di atas (blown film, overjacketing, tubing, sheet). Ketebalan lapisan dikendalikan oleh kecepatan dan ukuran relatif dari masing-masing ekstruder yang mengirimkan material.

5 :5 Lapisan ko-ekstrusi tabung “pemerasan” kosmetik
Dalam banyak skenario dunia nyata, satu polimer tidak dapat memenuhi semua kebutuhan suatu aplikasi. Ekstrusi gabungan memungkinkan material campuran untuk diekstrusi, namun koekstrusi mempertahankan material terpisah sebagai lapisan berbeda dalam produk yang diekstrusi, memungkinkan penempatan material yang sesuai dengan sifat berbeda seperti permeabilitas oksigen, kekuatan, kekakuan, dan ketahanan aus.
Lapisan ekstrusi
Pelapisan ekstrusi menggunakan proses film tiup atau cor untuk melapisi lapisan tambahan pada gulungan kertas, foil, atau film yang sudah ada. Misalnya, proses ini dapat digunakan untuk meningkatkan karakteristik kertas dengan melapisinya dengan polietilen agar lebih tahan terhadap air. Lapisan yang diekstrusi juga dapat digunakan sebagai perekat untuk menyatukan dua bahan lainnya. Tetrapak adalah contoh komersial dari proses ini.

EKSTRUSI SENYAWA
Ekstrusi peracikan adalah proses yang mencampurkan satu atau lebih polimer dengan aditif untuk menghasilkan senyawa plastik. Umpannya bisa berupa pelet, bubuk dan/atau cairan, namun produknya biasanya dalam bentuk pelet, untuk digunakan dalam proses pembentukan plastik lainnya seperti ekstrusi dan pencetakan injeksi. Seperti halnya ekstrusi tradisional, terdapat berbagai macam ukuran mesin tergantung pada aplikasi dan hasil yang diinginkan. Meskipun ekstruder sekrup tunggal atau ganda dapat digunakan dalam ekstrusi tradisional, perlunya pencampuran yang memadai dalam ekstrusi peracikan membuat ekstruder sekrup ganda menjadi wajib.

JENIS EKSTRUDER
Ada dua sub-tipe ekstruder sekrup kembar: rotasi bersama dan rotasi berlawanan. Tata nama ini mengacu pada arah relatif setiap sekrup berputar dibandingkan yang lain. Dalam mode rotasi bersama, kedua sekrup berputar searah jarum jam atau berlawanan arah jarum jam; dalam putaran berlawanan, satu sekrup berputar searah jarum jam sementara sekrup lainnya berputar berlawanan arah jarum jam. Telah ditunjukkan bahwa, untuk luas penampang tertentu dan derajat tumpang tindih (intermeshing), kecepatan aksial dan derajat pencampuran lebih tinggi pada ekstruder kembar yang berputar bersama. Namun, penumpukan tekanan lebih tinggi pada ekstruder counter-rotating. Desain sekrup umumnya bersifat modular di mana berbagai elemen pengangkut dan pencampur disusun pada poros untuk memungkinkan konfigurasi ulang yang cepat untuk perubahan proses atau penggantian komponen individual karena keausan atau kerusakan korosif. Ukuran mesin berkisar dari sekecil 12 mm hingga sebesar 380 mm

KEUNTUNGAN
Keuntungan besar dari ekstrusi adalah profil seperti pipa dapat dibuat dengan panjang berapa pun. Jika bahannya cukup fleksibel, pipa dapat dibuat memanjang bahkan digulung pada gulungan. Keunggulan lainnya adalah ekstrusi pipa dengan coupler terintegrasi termasuk rubber seal.