البثق
بثق
Extrusion -
سليمان خليفة
البثق extrusion إحدى التقنيات المستخدمة للحصول على مُنتجات معدنية ولدائنية (بلاستيكية) ذات مقطع عرضي ثابت ومستمر. قد تكون هذه المُنتجات مصمتة مثل القضبان أو مفرغة مثل الأنابيب، وهي دائرية المقطع العرضي أو مضلّعة، ومكيفة الشكل كالمقاطع الجانبية profiles (الشكل 1). وتُنفّذ عملية البثق بدفع المادة المعدنية أو اللدائنية (على «الحامي» أو على «البارد»)، عبر فتحة قالب معدني metal die تُسمى الطبعة cavity، وذلك باستخدام مكابس هدروليكية أو لوالب ميكانيكية. تتكوَّن معظم المواد المشكلة بالبثق من معادن أو لدائن أو مواد خزفية.
 |
|
الشكل (1) الاشكال الهندسية العامة لمُنتجات البثق. |
سُجِّل أول اختراع للبثق باسم جوزيف أبراهام Joseph Abraham عام 1779، لتمكنه من إنتاج أنبوب من الرصاص بهذه التقنية. ومن بعده توصل ألكسندر ديك Alexander Deck عام 1894 إلى إنتاج أنابيب من النحاس والألمنيوم. أما ما يخص اللدائن فقد سُجّلت أول براءة اختراع لمجموعة بثق حراري للدائن بتاريخ 1895، وتلاه إنتاج رقائق لدائنية من إحدى الشركات الألمانية بتاريخ 1933، وتطورت بعدها تقنيات البثق بالنفخ وما يتصل بها وصولاً إلى أهم الاختراعات في هذا المجال، مثل إنتاج الخيوط الصنعية من البولي أميد تحت اسم «برلون» perlon عام 1938، وخيوط النايلون والبوليستر الأكثر استخداماً في صناعة الملابس. وفي العام 1964 ابتكر أسلوب السحب pultrusion لإلباس الألياف الزجاجية باللدائن المتصلبة حرارياً thermosets plastics.
تعود أهمية تقنية البثق إلى قدرتها على تشكيل العديد من المواد على هيئة مقاطع مختلفة الأبعاد والأشكال الهندسية. إضافة إلى كونها مُنتجات نصف مصنَّعة أو قابلة للاستثمار مباشرة مثل الأنابيب اللدائنية المستعملة في التمديدات الكهربائية، أو تحتاج إلى بعض عمليات التشغيل لتصبح جاهزة للاستثمار مثل مقاطع الألمنيوم المستخدمة في تصنيع النوافذ والأبواب. أما أهم ميزات مُنتجات البثق فهي إمكان إنتاجها بتصاميم هندسية لا حصر لها، وبأبعاد مختلفة وبحسب الحاجة إليها. إذ يمكن بثق الفولاذ – مثلاً - على شكل صفائح بسماكة تراوح بين 3 - 300 مم، أو بمقطع مكيَّف تصل مساحته إلى 250 مم2 وأكثر. يجري بثق المقاطع المكيَّفة بأسلوبين: على «الحامي» بمعونة الحرارة مثل الفولاذ المُشكّل بالتسخين hot work steel، أو على «البارد» مثل الفولاذ المُشكّل على «البارد» cold work steel. أما استخداماتها فهي عديدة، بدءاً من المنتجات المنزلية وانتهاء بالصناعات العسكرية الثقيلة. كذلك الأمر فيما يتعلق باللدائن التي يمكن تشكيلها بالبثق على «الحامي» hot plastic extrusion مثل أنابيب البولي إتلين، أو بالسحب على «البارد» cold plastic pultrusion مثل اللدائن المقوّاة بالألياف الزجاجية fiber glass لإنتاج الصهاريج الضخمة، حتى إنتاج الغواصات.
يبيِّن الشكل (2-أ) كيفية إجراء البثق على «الحامي» بدفع forcing المواد الملدّنة عبر رأس البثق بوساطة مكبس حلزوني دوار. والمثال على ذلك إنتاج أنابيب التمديدات الكهربائية. أما السحب (الشكل 2- ب) فينفَّذ بسحب الألياف المغطّسة بمواد لدائنية مميّعة بعد رأس السحب بوساطة بكرات متعاكسة الدوران (على «البارد»). تُستخدم بكرات السحب في خط البثق على «الحامي» للمساعدة فقط وهي ليست أساسية، خلافاً لحالة العملية الإنتاجية لخط السحب.
 |
| الشكل (2) الفرق بين مبدأي أ: البثق على «الحامي» وب: السحب على «البارد» للدائن |
يعتمد أسلوب البثق على توفير قوى ضاغطة compressive forces وقوى قص shear forces (وليس قوى شد tensile forces) على المادة المراد بثقها، فتتشوّه من دون أن تتمزّق. ولما كان اتجاه بثق المادة خلال طبعة القالب متوازياً مع قوى مقاومة الاهتراء، يمكن لهذه المادة مقاومة الأحمال المحورية radial loads التي تتعرّض لها. ومن أهم العوامل الواجب مراعاتها في أثناء البثق: نسبة مساحة المقطع العرضي للمُنتج لحظة بثقه إلى مساحة المقطع العرضي لفوهة البثق بالقالب؛ وتكون جودة البثق أفضل كلما زادت هذه النسبة. وتجدر الإشارة إلى أن مُنتج البثق يتعرّض للانتفاخ (زيادة المقطع العرضي) لحظة خروجه من فوهة بثق القالب.
طريقة يجري فيها بثق المادة بدرجة حرارة الغرفة أو بدرجات حرارة أعلى بقليل (20-30 % من درجة حرارة تلدن المادة)، لهذا السبب تُصنع قوالبها من معادن قادرة على تحمّل الإجهادات الناجمة عن البثق. وأهم المواد التي تُبثق على «البارد» الفولاذ اللين والألمنيوم والقصدير والنحاس، والألياف الزجاجية المغطَّسة باللدائن المميعة والمتصلِّبة حرارياً liquid thermosets plastics مثل البوليستر والراتنج. أما أهم المنتجات المصنعة بهذه الطريقة فهي الأنابيب القابلة للعصر كعبوات معاجين الحلاقة (سواء كانت من الألمنيوم أم اللدائن)، ومقاطع ألمنيوم النوافذ، وأنابيب اللدائن المنزلية. تتميز عملية البثق بعدة مزايا، أهمها: عدم الحاجة إلى التسخين وثبات الأبعاد وعدم حصول أكسدة وجودة عالية للسطوح ومواصفات ميكانيكية جيدة. ولأن البثق على «البارد» يُنفَّذ بدرجة حرارة أقل من درجة حرارة إعادة تبلُّور re-crystallization المادة، يوصف بثق المعادن على «البارد» بأنه تشوّه لدن plastic deformation، الأمر الذي يمنح المنتَج مرونة أعلى ولكن متانته أقل. ويبيِّن الشكل (3) المبادئ الأساسية للبثق على «البارد».
يعتمد البثق المباشر (وهو الأكثر استخداماً) على حشر كتلة المادة الخام dummy block المطلوب بثقها بين طبعة البثق والمكبس، بحيث تُضغط بقوة المكبس وتُدفع إلى الخروج باستمرار من فوهة البثق التي هي من أصل طبعة البثق (الشكل 3 - أ). أما البثق غير المباشر فتكون الفوهة من أصل المكبس وليس من أصل الطبعة (الشكل 3 - ب). يتميز الأسلوب غير المباشر من المباشر بأن معدّل احتكاك البثق أقل بنسبة
20 - 25 % ولا يحتاج إلى استطاعة دفع كبيرة.
يعتمد مبدأ البثق الهدروستاتيكي على إحاطة الكتلة الخام المطلوب بثقها بزيت هدروليكي ضمن طبقة البثق، ويجري البثق تحت ضغط المكبس على السائل الهدروليكي الذي يضغط بدوره على المادة الخام (الشكل 3 -ج). يمتاز هذا الأسلوب بأن معدل البثق ثابت والاحتكاك عند الفوهة قليل مع القدرة على بثق مقاطع أكبر منها في الأساليب الأخرى. يعتمد مبدأ البثق الصدمي (الشكل 3 -د) على تحقيق ضغط كبير ومفاجئ لإنتاج منتجات كبيرة العمق أكثر من إنتاج مبثوقات مستمرة.
 |
|
الشكل (3) مبادئ البثق على «البارد» |
يُنفَّذ البثق على «الحامي» بدرجات حرارة مرتفعة نسبياً، أي بنسبة 50 - 75 % من درجة حرارة تلدن المادة plasticity temperature تحت الضغط. لذا يجب استعمال مواد تزليق في أثناء عملية بثق المعادن على «الحامي». ولا حاجة إلى استخدام مواد التزليق هذه عند تشكيل اللدائن. وأفضل مواد التزليق، الزيوت والغرافيت في درجات الحرارة المنخفضة نسبياً ومسحوق الزجاج في درجات الحرارة الأعلى. أما أهم منتجات هذا الأسلوب فهي القطع الميكانيكية للسيارات والطائرات. والمكابس المستخدمة لهذه الغاية هدروليكية أفقية غالباً، تراوح قدرتها بين 230 - 1000 طن متري، أما ضغط البثق فيراوح بين 30 - 700 ميغا باسكال (MPa) وتختلف درجة حرارة بثق المعادن على «الحامي» بحسب نوعها، فهي للألمنيوم بين 300 - 350°س وللنحاس بين 600 - 1100°س وللفولاذ بين 1200- 1300°س، أما بالنسبة إلى اللدائن فهي بين 204 - 288°س للبولي بروبيلين، وهي للبولي إتلين 200 - 220°س، و226 - 288°س للبولياميد (النايلون). وثمة تقنيات كثيرة للبثق على «الحامي»، سواء للمعادن أم اللدائن، يبِّين الشكل (4) مبدأ هذه التقنية.
 |
|
الشكل (4) مبدأ البثق على «الحامي» للدائن الحرارية خلال قالب بثق معدني. |
لعل أفضل مثالين لشرح تجهيزات البثق، هما تجهيزات بثق الألمنيوم على «البارد»، وتجهيزات بثق اللدائن على «الحامي».
1- تجهيزات بثق الألمنيوم على «البارد» aluminum cold extrusion equipment:
يبيِّن الشكل (5) المخطط العام لتجهيزات بثق معدن الألمنيوم على «البارد».
 |
|
الشكل (5) المخطط العام لتجهيزات البثق المباشر للألمنيوم على «البارد» |
يُنفَّذ بثق الألمنيوم على «البارد» بدرجة حرارة الغرفة أو بدرجة حرارة أعلى قليلاً، إذ يبدأ العمل بتسخين خامات خلائط الألمنيوم إلى درجة حرارة 375°س ( أقل بكثير من درجة حرارة البثق على الساخن 930°س)، لتسهيل عملية بثقها عبر فوهة القالب تحت ضغط قوة ثقل يراوح ببن 100 و150طن بحسب مساحة المقطع العرضي لمُنتج البثق. يصل معدّل سرعة البثق إلى 58 م/د، وعند خروج المقطع المكيف (البروفيل) من فوهة البثق يحتضنه سير نقّال له الشكل الخارجي للمقطع نفسه، ويُعرَّض للهواء أو لماء تبريد بحسب نوع الخليطة. ويُقص بمنشار آلي دوّار بأطوال عيارية قدرها ستة أمتار، وفي حالات خاصة اثنا عشر متراً. وفي المرحلة التالية تمر المقاطع المبثوقة في آلة إطالة stretcher أو تقويم straighter لتصحيح أي التواء أو تشوّه في المقطع (الشكل 5).
أما المرحلة الأخيرة فهي مرحلة التعتيق aging، وتُنفَّذ في فرن حراري أو يُترك المنتج أحياناً في العراء مدة طويلة بدلاً من الفرن. والغاية منها إزالة الإجهادات بسبب تعرّضه للتبريد المفاجئ حين خروجه بدرجة حرارة مرتفعة قليلاً من فوهة البثق والمحافظة على بنيته المعدنية، ويُقصد بذلك تنظيم مواضع الجزيئات الدقيقة في بنية المعدن، أي الحفاظ على متانة الشد الأعلى والقساوة الأفضل. أما تجهيزات بثق الألمنيوم على «البارد» الرئيسة فتتألف من المكبس وقالب البثق. يبين الشكل (6) تفاصيل مكنة البثق، وكتلة الاستقرار فيها تتألف من بلاطتين شاقوليتين أمامية وخلفية تحافظ على توازيهما أربعة أعمدة ربط أفقية. تتوضّع بين هاتين البلاطتين مجموعة آليات البثق extrusion mechanism. أول جزء في آليات البثق هو الأسطوانة الهدروليكية التي تحقق الضغط الكافي للمكبس لدفع مادة الألمنيوم الخام عبر حجرة الألمنيوم وإخراجها على شكل بروفيل مستمر عبر فوهة قالب البثق. أما الشكل (7) فيبين تفاصيل بنية قالب البثق. تصنع الأجزاء الأساسية المؤلفة لهذا القالب غالباً من خلائط فولاذية خاصة مثل H13 (فولاذ: كروم – مولبيدنيوم)
بحسب المعيار (AISI) American Iron and Steel Institute هي: الطبعة المصنّعة على شكل المقطع المطلوب بثقه. وتُحدّد سماكتها وفق مساحة المقطع العرضي للطبعة وفق جداول عيارية، مع الملاحظة المهمة جداً أن تجويف الطبعة يتدرّج بالميل من الخلف إلى الأمام لتسهيل تدفّق الألمنيوم. توضع هذه الطبعة ضمن حلقة حاضنة محمولة على منزلقة يمكن فكّها وتركيبها على الآلة بسهولة.
 |
|
الشكل (6) تفصيلات آلية عمل مكبس بثق مقاطع الألمنيوم على «البارد»
|
 |
| الشكل (7) التصميم التفصيلي لقالب بثق مقاطع الألمنيوم على «البارد». |
2- تجهيزات بثق اللدائن على «الحامي»:
تجهيزات البثق على «الحامي» متنوعة والمثال عليها تجهيزات بثق أحد المواد اللدائنية وهي البولي إتلين. ويبين الشكل (8) جملة تجهيزات خط بثق اللدائن على «الحامي».
 |
|
الشكل (8) التجميع العام لتجهيزات خط البثق على «الحامي» للمواد البلاستيكية |
يبدأ الخط بتحضير اللدائن المائعة للبثق من خلال المجفّف الهوائي air dryer، لتخليصها من رطوبة الجو المحيط، وخصوصاً لدائن البولي أميد PA المستعملة في تصنيع خيوط النايلون وبعض التجهيزات الكهربائية، والبولي إتلين تيريفتاليت Polyethylene (PET) Terephthalate المستعملة في التطبيقات الغذائية والدوائية كالقوارير عالية الشفافية. إذ تتطلب البولي أميدات، التي تمتص الرطوبة بنسبة 0.2 % من وزنها تجفيفاً بدرجة حرارة 80°س لمدة ساعتين إلى أربع ساعات. أما البولي إتلين فتمتص الرطوبة بنسبة 0.02 % من وزنها وتحتاج إلى تجفيف بدرجة حرارة 130 °س لمدة ثلاث ساعات إلى أربع.
يهدف التجفيف إلى تفادي تشكّل تكهف (جيوب غازية) في جدران المقاطع المكيفة تؤدي إلى تشوّه مظهرها وإضعاف متانتها. يجري التجفيف في وحدة منفصلة تسمى المجفّف ومنها إلى القمع مباشرة (الشكل 9)، وقد تكون هذه الوحدة مركَّبة على فوهة القمع وتؤلف جزءاً منه كما في الشكل 10).
 |
|
الشكل (9) وحدة تجفيف مستقلة، لإزالة رطوبة المواد البلاستيكية التي تمتص رطوبة الجو مثل PET و PA. |
 |
|
الشكل (10) وحدة تجفيف مركّبة مباشرة على القمع، تبين سير تجفيف المواد البلاستيكية في قمع الآلة مباشرة. |
أما المرحلة الثانية فهي دفع اللدائن التي جرى تجفيفها إلى مجموعة التلدين، حيث تُلدَّن أولاً ثم تدفع إلى مجموعات البثق التي تشتمل على: أسطوانة البثق ولولب البثق، وصمّامات تنفيس الغازات (الشكل 11). تنتقل اللدائن بعد ذلك إلى قالب البثق عبر جهازين أساسيين، هما المصفاة (المرشّح) screen والمضخة pump (الشكل 12). والغاية من المصفاة تخليص اللدائن من الشوائب العالقة بها وخصوصاً تلك التي يُعاد تصنيعها recycled (أي اللدائن المطحونة من مُنتجات ونفايات سابقة). ويستعاض عن المصفاة بأخرى نظيفة في مدة زمنية محدّدة. أما المضخة الإضافية فمهمتها إعادة رفع ضغط اللدائن عند انخفاضه بمقدار 30 % لدى مرورها عبر اللولب، وزيادة تدفق المواد عبر القالب لزيادة الإنتاجية.
 |
|
الشكل (11) مجموعة بثق بلاستيك، من النوع القابل لتنفيس الغازات من المواد الملدّنة تجنباً لانحباسها بجدران البروفيل اللدائني. |
 |
|
الشكل (12) مبدأ عمل المصفاة والمضخة بخط بثق اللدائن على «الحامي» |
عندما تُصبِح المواد جاهزة للبثق تُمرَّر في فتحات القالب المعدني (البثق على «الحامي») المصمَّم وفق المقطع العرضي cross section المطلوب، لكن أبعاده ليست مطابقة تماماً لقياس المنتج لأن اللدائن تتعرّض للانتفاخ لحظة خروجها من فوهة القالب. لهذا تُزوَّد الفتحات بأنظمة معايرة للأبعاد.
تُختار معادن تصنيع هذه القوالب من خلائط الفولاذ الصالحة للعمل على «الحامي» وتحتوي على نسب عالية من النيكل والكروم، إضافة إلى نسب محدَّدة من المركّبات الأخرى التي تحسن خواصها الميكانيكية والفيزيائية مقارنة بالفولاذ العادي. ومن المهم جداً عند صناعة الأنابيب وضع ثقوب في القالب لمرور هواء مضغوط خلال القطر الداخلي للأنابيب اللدائنية للحفاظ على استدارتها، كما يظهر في الشكل (4). ويبين الشكل (13) بعض أشكال قوالب بثق اللدائن.
 |
|
الشكل (13): أشكال متنوعة لقالب بثق االلدائن |
يدخل المنتج بعد القالب إلى وحدة المعايرة sizing unit المُشكّلة من الداخل وفق تصميم المقطع مع فتحات لمرور ماء تبريد. يمر الأنبوب المنتج داخلها وهو ما يزال في حالة لدنة فيتصلب بفعل ماء التبريد مع الحفاظ على أبعاده ثابتة. ويُمرر بعد تصلبه عبر جهاز أشعة مراقبة جودة الأبعاد x- ray dimension control للتحقق من دقة أبعاده. ومن ثمَّ يجري قص المنتج بمنشار قرصي وفق الأبعاد العيارية (الشكل 14).
 |
|
الشكل (14) وحدات المعايرة ومراقبة الجودة والقص في خط بثق اللدائن |
من أهم ما يتصل بعمليات البثق - وخصوصاً بثق اللدائن - هو تدوير (إعادة تصنيع) المواد المستهلكة والتي تُعد الشغل الشاغل للعالم، ولاسيما للمحافظة على نظافة البيئة لما تسبّبه تلك المواد من أضرار في التربة. وبإعادة تدوير هذه النفايات يمكن استخدامها من جديد في تصنيع مُنتجات لا علاقة لها بالصناعات الغذائية أو الدوائية. يظهر في الشكل (15)، على سبيل المثال، مراحل إعادة التدوير الأساسية.
 |
|
مراجع للاستزادة: - محمد زهير الحمصي، موسوعة اللدائن، نصري للطباعة والتجهيز الطباعي، دمشق، 1996. - حمدي ياسين الدسوقي، المعاجم التكنولوجية التخصصية، تكنولوجيا البلاستيك، المؤسسة الشعبية للتأليف في لايبزغ، مؤسسة الأهرام، 1980. - D. Douroumis Hot-Melt Extrusion: Pharmaceutical Applications, Wiley-Blackwell, 2012. - H. F. Giles Jr., E. M. Mount III and J. R. Wagner Jr. Extrusion: The Definitive Processing Guide and Handbook, William Andrew Publishing, 2005. - Th. Heatherwick, R. Barraclough, Th. Theodorou, Extrusions, Haunch of Venison 2010. - Polyethylene Film Extrusion: A Process Manual, Trafford Publishing 2009. - Thermoplastic Foam Extrusion: An Introduction Hanser Gardner Publications, 2004. - Pharmaceutical Extrusion Technology (Drugs and the Pharmaceutical Sciences), Informa Healthcare; 2003. |
- التصنيف : التقانات الصناعية - النوع : التقانات الصناعية - المجلد : المجلد الرابع مشاركة :
اخترنا لكم
المجلدات الصادرة عن موسوعة العلوم والتقانات
