สวัสดีครับลูกค้าทุกท่าน! ในฐานะผู้เชี่ยวชาญด้าน Screw Barrel และ Heater ระดับโลกที่มีประสบการณ์กว่า 10 ปีในอุตสาหกรรมการผลิตพลาสติก ผมรู้สึกยินดีเป็นอย่างยิ่งที่จะมาแบ่งปันความรู้ให้ทุกท่านได้รับทราบกันนะครับ วันนี้เราจะมาเจาะลึกเรื่อง เครื่องอัดรีดสกรูคู่ (Twin Screw Extruder) กันครับ
——————————————————————————–
รู้จักกับเครื่องอัดรีดสกรูคู่ (Twin Screw Extruder): ทำความเข้าใจการทำงาน ข้อดี และข้อจำกัด
1. บทนำสู่โลกของการอัดรีด
กระบวนการอัดรีด (Extrusion) คือกระบวนการที่ใช้ในการผลิตผลิตภัณฑ์โดยการบังคับให้วัสดุไหลผ่านรูปร่างของดาย (Die) เพื่อขึ้นรูปผลิตภัณฑ์ตามที่ต้องการ อุปกรณ์หลักในกระบวนการนี้คือเครื่องอัดรีด (Extruder) ซึ่งมีส่วนประกอบสำคัญได้แก่ ชุดขับเคลื่อน, กระบอกอัด, และสกรู
โดยทั่วไปแล้ว เครื่องอัดรีดสกรูคู่ เป็นตัวอย่างที่ง่ายที่สุดของเครื่องจักรที่มีสกรูหลายตัว เครื่องจักรประเภทนี้มีความแตกต่างกันอย่างมากในด้านการออกแบบ หลักการทำงาน และการใช้งาน เครื่องอัดรีดประเภทนี้ถูกนำมาใช้สำหรับการขึ้นรูปเทอร์โมพลาสติกและยาง
2. การทำงานของเครื่องอัดรีดสกรูคู่
หน้าที่หลักของเครื่องอัดรีดคือการส่งมอบพอลิเมอร์หลอมเหลวที่ผสมเป็นเนื้อเดียวกัน มีอุณหภูมิและความดันที่สม่ำเสมอตามที่กำหนด
กระบวนการจะเริ่มจากการป้อนวัตถุดิบลงในช่องป้อน (hopper) ซึ่งโดยทั่วไปแล้ว เครื่องจักรประเภทนี้มักจะป้อนแบบ Starve-fed ซึ่งหมายความว่าอัตราการผลิตจะถูกกำหนดโดยอัตราการป้อนวัตถุดิบ ไม่ใช่ความเร็วของสกรู สิ่งนี้ช่วยป้องกันแรงสูงที่อาจทำให้แบริ่งกันรุน (thrust bearing) เสียหายได้
เมื่อวัตถุดิบเข้าสู่กระบอกอัด สกรูทั้งสองจะทำหน้าที่ขนส่งวัสดุไปข้างหน้า หลอมเหลว ผสมให้เข้ากัน และสร้างแรงดันก่อนที่จะบังคับให้ไหลผ่านดาย โดยที่กระบอกอัดและสกรูจะทำงานร่วมกันเพื่อหลอม ขนส่ง และสร้างแรงดันให้กับวัสดุพอลิเมอร์ภายในเครื่องอัดรีด
สำหรับเครื่องสกรูคู่แบบ Co-rotating (สกรูหมุนทิศทางเดียวกัน) วัสดุจะถูกส่งผ่านจากสกรูหนึ่งไปยังอีกสกรูหนึ่ง และเคลื่อนที่เป็นรูปเลขแปด (figure-eight pattern) รอบสกรูทั้งสอง การเคลื่อนที่แบบนี้จะช่วยให้วัสดุส่วนใหญ่ได้รับแรงเฉือนในปริมาณที่เท่ากันเมื่อไหลผ่านสกรูและกระบอกอัด ความเร็วของสกรูมีอิทธิพลต่อระดับการบรรจุ (degree of fill) เวลาที่วัสดุอยู่ในเครื่อง (residence time) และอัตราแรงเฉือน (shear rate)
ในเครื่องสกรูคู่แบบกรวย (conical twin screw) วัสดุจะถูกอัดแน่นขึ้นเมื่อปริมาตรของร่องเกลียวลดลงอย่างต่อเนื่อง การลดปริมาตรนี้ร่วมกับการทำงานของสกรูที่เหลื่อมซ้อนและหมุนสวนทางกัน จะสร้างพลังงานเฉือนที่จำเป็นในการหลอมและทำให้สูตรพีวีซีอ่อนตัวลง
เครื่องอัดรีดแบบสกรูคู่ชนิดหมุนทิศทางเดียวกัน (Corotating) มักจะสร้างแรงดันที่ดายได้ไม่ดี จึงมักจะต้องติดตั้งปั๊มเฟือง (gear pump) ระหว่างส่วนปลายของเครื่องอัดรีดและดาย เพื่อสร้างแรงดันที่เพียงพอและสม่ำเสมอสำหรับการขึ้นรูปผลิตภัณฑ์ ในขณะที่เครื่องสกรูคู่ชนิดหมุนสวนทางกัน (Counter-rotating) เป็นเครื่องที่สร้างแรงดันที่ดายได้อย่างยอดเยี่ยม
3. ประเภทของเครื่องอัดรีดสกรูคู่
เครื่องจักรประเภทนี้สามารถจำแนกได้หลายวิธี โดยหลักๆ แล้วแบ่งตามทิศทางการหมุนและลักษณะทางกายภาพของสกรู:
3.1 แบ่งตามทิศทางการหมุนของสกรู
• สกรูหมุนทิศทางเดียวกัน (Co-rotating)
◦ สกรูชนิดเหลื่อมซ้อนและหมุนทิศทางเดียวกัน (fully intermeshing co-rotating screws) มีคุณสมบัติ “self-wiping” คือสามารถทำความสะอาดตัวเองได้ดี
◦ เหมาะอย่างยิ่งสำหรับงานคอมพาวด์ (compounding)
◦ ให้การผสมแบบกระจายตัว (distributive mixing) ที่ดี
◦ มีอัตราการผลิตสูง และเวลาที่วัสดุอยู่ในเครื่อง (residence time) ค่อนข้างแคบ
◦ สามารถทำงานที่ความเร็วและแรงบิดสูงได้
• สกรูหมุนสวนทางกัน (Counter-rotating หรือ Contra-rotation)
◦ เป็นเครื่องที่สร้างแรงดันที่ดายได้อย่างยอดเยี่ยม
◦ โดยปกติจะทำงานที่ความเร็วสกรูที่ช้ากว่า และมีการเติมวัสดุเต็มร่องเกลียวมากกว่า ทำให้เกิดความร้อนจากการเฉือน (shear heat) น้อยลง
◦ เหมาะอย่างยิ่งสำหรับงานขึ้นรูปโปรไฟล์ โดยเฉพาะ Rigid PVC (เช่น ท่อ, หน้าต่าง, รางน้ำ)
◦ มีเวลาที่วัสดุอยู่ในเครื่อง (residence time) ที่แคบที่สุด
3.2 แบ่งตามลักษณะรูปทรงของสกรู
• สกรูคู่แบบขนาน (Parallel Twin Screw):
◦ เป็นแบบที่พบได้บ่อยที่สุด
◦ แบบเหลื่อมซ้อน (Intermeshing): สกรูทั้งสองจะมีส่วนที่ร่องเกลียวเหลื่อมซ้อนกัน และมีการออกแบบเป็นแบบโมดูลาร์ (modular design) ที่สามารถเปลี่ยนชิ้นส่วนสกรูและกระบอกอัดได้
▪ ชนิด Closely Intermeshing Co-rotating (CICO) มีโปรไฟล์สกรูที่เข้ากับช่องโปรไฟล์ได้อย่างใกล้ชิด
▪ ชนิด Non-intermeshing: ระยะห่างระหว่างแกนกลางของสกรูจะมากกว่าผลรวมของรัศมีสกรูทั้งสอง การลำเลียงวัสดุจะคล้ายกับเครื่องสกรูเดี่ยว แต่สามารถถ่ายเทวัสดุระหว่างสกรูได้
• มีลักษณะการลำเลียงที่เป็นบวกน้อยกว่า แต่มีคุณสมบัติการผสมย้อนกลับ (backmixing) ที่ดีกว่าเครื่องสกรูเดี่ยว
• เหมาะสำหรับงานผสม การกำจัดสารระเหย และปฏิกิริยาเคมี ไม่เหมาะสำหรับงานขึ้นรูปโปรไฟล์
• มีเวลาที่วัสดุอยู่ในเครื่อง (residence time) ที่กว้างที่สุด
◦ แบบกรวย (Conical Twin Screw):
▪ มีลักษณะสกรูที่เรียวลง (tapering screws) และกระบอกอัดก็เป็นชิ้นเดียว ไม่ได้แบ่งเป็นส่วนๆ แบบสกรูคู่ขนาน
▪ ใช้กันเกือบทั้งหมดสำหรับพอลิเอทิลีนที่มีคลอรีนและ Rigid PVC
▪ เหมาะสำหรับวัสดุที่ไวต่อแรงเฉือน (shear-sensitive materials) เช่น PVC เนื่องจากสร้างความร้อนเฉือนน้อยกว่า
▪ มีความแข็งแรงสูงในบริเวณที่ต้องการแรงบิด
▪ โดยทั่วไปจะใช้สำหรับ Rigid PVC ในรูปแบบผง
4. ข้อดีของเครื่องอัดรีดสกรูคู่
เครื่องจักรประเภทนี้มีข้อได้เปรียบที่สำคัญหลายประการที่ทำให้เป็นที่นิยมในอุตสาหกรรม:
• การผสมที่เป็นเลิศ: สามารถทำการผสมได้ทั้งแบบกระจายตัว (distributive) และแบบกระจายออก (dispersive) ได้ดีเยี่ยม
• ประสิทธิภาพการหลอมและลำเลียง: สามารถหลอม ผสม และลำเลียงวัสดุได้ดีกว่าในความยาวเครื่องที่สั้นกว่าเมื่อเทียบกับเครื่องสกรูเดี่ยว
• การป้อนที่มีประสิทธิภาพ: มีคุณสมบัติการป้อนที่เป็นบวก (positive feeding) โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับวัสดุผง
• ลดความร้อนเฉือน: สกรูคู่แบบหมุนสวนทางกันสามารถให้ผลผลิตสูงโดยไม่เกิดความร้อนเฉือนที่มากเกินไป
• ความยืดหยุ่นสูง: ด้วยการออกแบบที่เป็นโมดูลาร์ทั้งสกรูและกระบอกอัด ทำให้สามารถปรับเปลี่ยนการกำหนดค่าได้อย่างง่ายดายเพื่อวัตถุประสงค์การแปรรูปที่แตกต่างกัน
• ควบคุมอุณหภูมิได้ดี: การทำความร้อนและทำความเย็นที่กระบอกอัด และบางกรณีสกรู ช่วยให้ควบคุมอุณหภูมิได้แม่นยำ
• ความสม่ำเสมอของแรงดัน: สกรูคู่แบบหมุนสวนทางกันสามารถสร้างแรงดันที่ดายได้สูงและสม่ำเสมอ
• ลดการสั่นสะเทือน (Surging): โดยรวมแล้วปัญหาการสั่นสะเทือนของอัตราการผลิต (output surging) มักจะเกิดขึ้นน้อยกว่าเครื่องสกรูเดี่ยว [12.12]
• ลดประวัติความร้อน: ช่วยให้วัสดุได้รับประวัติความร้อน (heat history) น้อยลงหนึ่งครั้งเมื่อเทียบกับการซื้อสารประกอบสำเร็จรูปแล้วนำมาอัดรีดซ้ำ
• ทำความสะอาดตัวเอง: สกรูคู่แบบหมุนทิศทางเดียวกันที่เหลื่อมซ้อนกันจะมีคุณสมบัติ self-wiping
5. ข้อจำกัดและข้อควรพิจารณาของเครื่องอัดรีดสกรูคู่
ถึงแม้จะมีข้อดีมากมาย แต่เครื่องจักรประเภทนี้ก็มีข้อจำกัดที่ควรพิจารณา:
• ราคาสูง: มีราคาแพงกว่าเครื่องสกรูเดี่ยวมาก
• ความซับซ้อน: มีการออกแบบและกลไกที่ซับซ้อนกว่า โดยเฉพาะชุดเกียร์ (gearbox) และการมีสกรูสองตัว
• การสร้างแรงดัน: สกรูคู่แบบหมุนทิศทางเดียวกันมักจะสร้างแรงดันที่ดายได้ไม่ดี ซึ่งอาจต้องใช้ปั๊มเฟืองเพิ่มเติม
• การลำเลียงที่ไม่สมมาตร: ในสกรูคู่ชนิด Non-intermeshing ที่มีสกรูความยาวไม่เท่ากัน อาจเกิดการลำเลียงที่ไม่สมมาตรและมีความเสี่ยงที่วัสดุจะติดค้างในบริเวณรอยต่อ
• การกระจายเวลาที่วัสดุอยู่ในเครื่อง (Residence Time Distribution): สกรูคู่ชนิด Non-intermeshing มีการกระจายเวลาที่วัสดุอยู่ในเครื่องกว้างที่สุด ซึ่งอาจส่งผลต่อคุณภาพของผลิตภัณฑ์บางชนิด
6. ส่วนประกอบหลักของเครื่องอัดรีดสกรูคู่
6.1 กระบอกอัด (Barrel)
• กระบอกอัดสำหรับเครื่องจักรประเภทนี้มีลักษณะเป็นรูปเลขแปด (figure-8) ในหน้าตัดขวาง
• มีการออกแบบเป็นแบบโมดูลาร์ (modular) คือสามารถถอดและใส่ส่วนกระบอกอัดเพิ่มเติมได้เพื่อเพิ่มหรือลดความสามารถในการคอมพาวด์ ขึ้นอยู่กับการใช้งานผลิตภัณฑ์
• ส่วนกระบอกอัดแต่ละส่วนมักจะติดตั้งระบบทำความเย็นด้วยน้ำและระบบทำความร้อนแบบหล่อ (cast heaters) เพื่อควบคุมอุณหภูมิของกระบอกอัด
• กระบอกอัดมักจะบุด้วยวัสดุที่ทนทานต่อการสึกหรอ (wear-resistant liners) เพื่อยืดอายุการใช้งาน
6.2 สกรู (Screws)
• สกรูทั้งสองตัวเป็นหัวใจสำคัญของเครื่องอัดรีด และเป็นแบบโมดูลาร์ โดยมีองค์ประกอบสกรูที่แตกต่างกัน (เช่น สกรูลำเลียง และ kneading block) ที่สามารถนำมาประกอบบนแกนสกรูได้
• องค์ประกอบสกรู (Screw Elements): ถูกระบุด้วยสองตัวเลขที่แสดงถึงระยะเกลียว (pitch) และความยาวขององค์ประกอบ (element length) เช่น 45/45
◦ ระยะเกลียว (Pitch): สามารถเป็นแบบเดินหน้า (right-handed) หรือถอยหลัง (left-handed) เพื่อลำเลียงวัสดุไปข้างหน้าหรือย้อนกลับในกระบอกอัด องค์ประกอบแบบเดินหน้า (left-handed element) สามารถทำหน้าที่เป็นซีลหลอมเหลว (melt seal) หรือสร้างแรงดันในสกรูได้
◦ Kneading Blocks: เป็นองค์ประกอบที่ใช้ในการผสม โดยจะยับยั้งการไหลของพอลิเมอร์หลอมเหลว ทำให้เกิดการซีลหลอมเหลวบางส่วน และยังใช้สำหรับการผสมแบบกระจายออก (dispersive mixing) และ reactive extrusion
• ลักษณะเกลียว (Flights): สามารถมีได้ตั้งแต่หนึ่งถึงสามเกลียว (single, double, or triple flighted)
6.3 ระบบขับเคลื่อน (Drive System)
• ประกอบด้วยมอเตอร์กระแสตรง (DC motor) ระบบระบายความร้อนของมอเตอร์ ข้อต่อระหว่างมอเตอร์กับชุดเกียร์ และชุดเกียร์
• ในเครื่องสกรูคู่รุ่นใหม่ๆ มอเตอร์และชุดเกียร์มักจะมีขนาดใหญ่กว่ากระบอกอัด เพื่อให้กำลังที่จำเป็นสำหรับการทำงานที่ความเร็วสกรูและอัตราการผลิตสูง
6.4 ระบบป้อนวัตถุดิบ (Feed System)
• โดยทั่วไปแล้วเครื่องจักรประเภทนี้มักจะป้อนแบบ Starve-fed ซึ่งอัตราการผลิตจะถูกกำหนดโดยอัตราการป้อนวัตถุดิบ
• เครื่องป้อนสามารถเป็นแบบ Volumetric (ควบคุมความเร็วคงที่) หรือ Gravimetric (ควบคุมน้ำหนักต่อหน่วยเวลาคงที่)
• สามารถป้อนส่วนประกอบต่างๆ (เช่น เรซิน สารเติมแต่ง สารเสริมแรง สารแต่งสี) ที่ตำแหน่งต่างๆ ตามความยาวของกระบอกอัดได้ โดยใช้ช่องป้อนด้านข้าง (side feeders)
6.5 หัวดาย (Die and Adapter)
• สามารถติดตั้งดายได้หลายแบบเพื่อผลิตผลิตภัณฑ์ตามต้องการ
• สามารถติดตั้งตัวกรองแบบตาข่าย (screen pack) และปั๊มเฟือง (gear pump) ระหว่างหัวดายและเครื่องอัดรีด เพื่อช่วยกรองสิ่งปนเปื้อนและสร้างแรงดันที่สม่ำเสมอที่หน้าดาย
6.6 ระบบควบคุม (Controls)
• ควบคุมและตรวจสอบพารามิเตอร์ต่างๆ เช่น อุณหภูมิกระบอกอัด แรงดันหลอมเหลว อุณหภูมิหลอมเหลว ความเร็วสกรู ระดับสุญญากาศ (หากมีการระบายสุญญากาศ) และการหล่อเย็นที่ช่องป้อนวัตถุดิบ
• หากกระบวนการไม่เหมาะสม สามารถถอดสกรูออกจากเครื่องอัดรีดและออกแบบใหม่เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการและอัตราการผลิต
7. การประยุกต์ใช้งานในอุตสาหกรรม
เครื่องอัดรีดสกรูคู่ มีการใช้งานที่หลากหลายและกำลังขยายตัวอย่างต่อเนื่อง:
• การคอมพาวด์ (Compounding): เป็นการใช้งานหลักของเครื่องสกรูคู่แบบหมุนทิศทางเดียวกัน เหมาะสำหรับผสมเรซินและสูตรต่างๆ รวมถึงการเติมสารเติมแต่ง สารเสริมแรง และสารแต่งสี
• การขึ้นรูปโปรไฟล์ (Profile Extrusion): โดยเฉพาะ Rigid PVC (เช่น ท่อ, หน้าต่าง, รางน้ำ) มักใช้สกรูคู่แบบหมุนสวนทางกัน
• Reactive Extrusion และ Devolatilization: ใช้ในการกำจัดสารระเหย หรือเป็นเครื่องปฏิกรณ์เคมีแบบต่อเนื่อง
• การผลิตแผ่นฟิล์มและแผ่น (Film & Sheet): เครื่องสกรูคู่แบบหมุนทิศทางเดียวกันเริ่มมีการใช้งานในอุตสาหกรรมฟิล์มและแผ่น โดยมักจะรวมกับการติดตั้งปั๊มเฟืองเพื่อสร้างแรงดันดายที่สม่ำเสมอ
• การผลิตโฟม (Foam): ใช้ในการแปรรูปผลิตภัณฑ์โฟมแบบต่อเนื่อง
8. สรุป
เครื่องอัดรีดสกรูคู่ เป็นเครื่องจักรที่มีความยืดหยุ่นและประสิทธิภาพสูงในอุตสาหกรรมการผลิตพลาสติก ด้วยความสามารถในการผสมที่ดีเยี่ยม การควบคุมกระบวนการที่แม่นยำ และการปรับแต่งการออกแบบสกรูและกระบอกอัดที่เป็นโมดูลาร์ ทำให้สามารถตอบสนองความต้องการที่หลากหลายของผลิตภัณฑ์ได้อย่างมีคุณภาพและประสิทธิภาพสูงสุด แม้ว่าจะมีต้นทุนสูงและความซับซ้อน แต่ผลลัพธ์ที่ได้ก็คุ้มค่ากับการลงทุนในระยะยาวแน่นอนครับ
หากท่านมีข้อสงสัยเพิ่มเติมหรือต้องการคำปรึกษาในการเลือกและออกแบบ Screw Barrel และ Heater ที่เหมาะสมกับเครื่องอัดรีดสกรูคู่ของท่าน ไม่ว่าจะเป็นแบบ Co-rotating หรือ Counter-rotating หรือต้องการเพิ่มประสิทธิภาพการผลิตในโรงงานของท่าน ทีมผู้เชี่ยวชาญของเรายินดีให้คำแนะนำอย่างเต็มที่เสมอครับ!