목표

이 문헌 검토의 주요 목표는 이축 압출기 설계를 위한 표준화된 단계별 절차를 정의하는 것입니다. 이 페이지는 Joshua M Pearce 교수 의 감독 하에 진행되는 Fast의 플라스틱 폐기물 식품화 프로젝트에 관한 것입니다 .

개념

그림 1. 이축 압출기의 개략도

이축 압출기는 호퍼, 배럴, 가변 스크류 속도 및 온도 조절 장치, 전기 모터, 다양한 크기와 형태의 제품을 생산하기 위한 교체 가능한 다이 등의 구성 요소로 구성됩니다. 이축 압출기의 개략도가 그림 1에 나와 있습니다.

배경(연대순으로 정리)

역회전 이축 압출기의 역사적 발전

요약: Schneider [1] 는 원래 1950년대 초 Anton과 Wilhelm Anger가 개발한 역회전 이축 압출기의 진화 과정을 역사적으로 검토했습니다. 플라스틱을 사용하여 파이프를 연결하는 문제를 극복합니다. 20년 동안 이축 압출기 기술이 발전한 후 가장 활동적인 두 회사인 Thyssen과 Rheinstahl이 1972년에 합병되었고 Thyssen Plastik Maschinen(TPM)은 1976년에 이축 압출기 시리즈의 새로운 병렬 모델을 개발하여 작업을 시작했습니다. 나사 직경은 50, 60, 85, 107, 130 및 160mm입니다. 안전하게 문제를 해결하기 위해 평행 모델의 방사형 및 축방향 힘을 조정하고 분배기 드라이브를 형성하는 데 설계상의 이점을 제공하는 원추형 트윈 스크류 압출기가 개발되었습니다. 첫 번째 모델은 1964년 Anger(AGM)에 의해 설계되었으며 단일 원추형 나사라고 불렸습니다. 1974년 크라우스-마파이(Krauss-Maffei)가 이중 원추형 나사를 출시했는데, 이 나사의 비행 깊이는 공급부에서 계량부까지 지속적으로 감소하고 결과적으로 출력 속도가 증가합니다. 얼마 후, Krauss-Maffei는 1974년에 다축 압출기를 제안했는데, 이는 대략 출력 속도가 800~1000kg/h 범위인 대형 파이프를 생산하는 데 적합했습니다. 일부 다중 나사 설계는 두 쌍의 나사를 하나의 이중 나사로 결합하여 발명되었습니다. 스크류 직경이 작을수록 처리량에 대한 표면적의 비율이 높아져 외부에서 큰 가열 에너지가 입력될 수 있습니다. 열 및 전단 에너지 입력 외에도 더 나은 재료 압축을 제공하기 위해 스로틀 설계가 개발되었습니다. 직경이 50~160mm에 이르는 6개의 새로운 평행 이축 압출기가 1976년에 출시되었습니다. 브레이커 플레이트 대신 프로파일 스크류에는 이중 날개, 밀접하게 맞물린 스로틀이 장착되었고, 펠렛화 및 파이프 스크류가 장착되었습니다. 배플과 함께.

3D 프린터 필라멘트 제조를 위한 기본 스크류 압출기 제작

요약: Arvind et al. [2]는 3D 프린팅 산업의 핵심 부분인 3D 프린터의 필라멘트 제조를 위한 기본 스크류 압출기를 제작했습니다. 스크류 컨베이어, 드라이브 트레인, 공급 장치, 가열 시스템, 주조 및 압출 헤드는 모든 스크류 압출기의 필수 구성 요소입니다. 설계된 스크류 압출기의 최적 특성을 선택하기 위한 우리의 접근 방식은 산업 전문가와의 인터뷰 및 문헌 검토를 기반으로 정리되었습니다. 그런 다음 방법론은 데이터 수집, 매개변수 선택, 제약조건 결정, 재료 획득, 도면의 5단계로 구성되었습니다. 도면 단계에서는 스크류 압출기의 다양한 구성요소를 전체 설계로 조립하는 데 Autodesk Inventor를 사용했습니다. 결국, 스크류 압출기가 노즐을 통해 플라스틱 필라멘트를 얻기 위해 제대로 작동할 수 있는지 확인하기 위해 압출기의 최종 설계가 제작되고 테스트되었습니다. 우수한 압출을 달성하기 위해 스크류 압출기의 구조에 사용되는 동안 연강과 스테인레스강의 팽창 계산이 수행되었습니다.

EN-8(유로 표준-8) 중탄소강은 스크류 로드를 만드는 데 사용되며, 이 스크류 로드는 40mm의 일정한 피치와 20~32mm의 이동 중심 직경을 갖습니다. 나사산의 외경은 37.8mm입니다. 나선 각도는 18이고 나사산 폭은 4mm입니다. EN8(유로 표준 8) 중탄소강의 단일 로드는 스크류 로드(냉간 인발 방식으로 제공되는 비합금강)를 만드는 데 사용됩니다. 4개의 턱 척이 장착된 선반에 다이강의 원통형 블록을 장착했습니다. 금형 강철 스톡은 선반 축의 중심과 정렬되어 가공 공정 전과 전반에 걸쳐 스톡 재료 동심원을 보장합니다. 노즐은 황동으로 제작되었으며 압출 헤드에 부착됩니다. 황동 스톡 조각은 표준 직경 25.4mm로 얻은 후 다양한 가공 절차를 거쳤습니다. 제작된 스크류 압출기를 조사하기 위해 초기 시험, 관찰 및 분석을 수행하였고, 이러한 정확한 관찰로부터 호퍼가 가열되고 노즐 영역의 온도가 낮아지는 것을 확인하였다. 제작된 스크류 압출기는 예비 테스트, 관찰 및 분석을 거쳐 호퍼가 점점 가열되고 노즐 영역의 온도가 낮아지는 것으로 나타났습니다. 따라서 적절한 필라멘트 직경을 얻기 위해 제작된 스크류 압출기에 최종 수정을 적용했습니다.

공동 회전 트윈 스크류 압출기의 설계 및 기술

요약: Justino Netto와 Silveira [3] 는 적층 제조에서 교체 가능한 인쇄 헤드를 설계하는 데 귀중한 정보를 제공하는 동방향 이축 압출기 세그먼트에 대한 체계적인 절차 기술을 제안했습니다. 그들의 결과는 나사가 결함 없이 적절하게 회전할 수 있고 재료가 예상대로 다이 쪽으로 이동한다는 것을 보여주었습니다. 그들의 방법은 Pahl 등에 따르면 소량의 분말 재료(약 100g)를 처리하기 위한 마이크로 트윈 스크류 압출기 설계에 의존합니다 . , [4] 설계 프로세스에는 치수별 지정이 포함되며 정보 수집 및 개념 설계 단계 이후에 발생합니다. 표준 모델 구성을 확인한 후 치수 및 공차를 포함한 설계 측면, 제조 절차 및 가격이 확정되었습니다.

참고 1: 흐름 채널을 따라 속도를 꾸준히 높이려면 데드 스팟을 방지하기 위해 다이 설계 중에 기본적인 측면을 고려해야 합니다. 따라서 흐름 저항 매개변수( K p )는 해당 논문의 방정식 13에 의해 계산되었습니다.

참고 2: 그들의 연구 결과는 개발된 설계 접근 방식이 폴리머 컴파운딩 미니 압출기 및 3D 프린트 헤드로 활용하는 데 적합하다는 것을 보여주었습니다.

디지털화된 식품 디자인 및 영양 관리를 위한 압출 기반 식품 프린팅

요약: Sun et al. [5]는 이 연구 분야의 문제와 발전을 확인하기 위해 " 압출 기술을 통한 식품 인쇄 " 라는 맥락에서 출판된 작품을 검토했습니다Cartesian, Delta, Polar 및 Selective Compliant 조립 로봇 암(Scara)을 포함한 다축 구성은 주로 식품 인쇄 절차에 사용됩니다. 데카르트 구조에는 왼쪽에서 오른쪽, 앞에서 뒤로, 위아래로 이동할 수 있는 X, Y, Z축이 있습니다. Delta에는 원형 인쇄 스테이지가 설치되어 있으며, 세 개의 삼각형 암이 그 위에 프린트 헤드를 배치합니다. Polar 식품 프린터에는 회전 스테이지와 상하로 움직여 Z축을 덮고 왼쪽과 오른쪽으로 접선 방향으로 X 및 Y축을 덮을 수 있는 프린트 헤드가 포함되어 있습니다. SCARA 구성은 XY 평면에서 움직이는 로봇 팔과 Z축을 따라 움직이는 추가 액추에이터로 구성됩니다. 프린터 크기에 비해 인쇄된 영양 성분의 비율이 높고 생산 시간이 짧으며 비용이 저렴하기 때문에 Delta 또는 Polar 구조를 갖춘 프린터 설계에 대한 관심이 높아지고 있습니다. 인쇄 정확도는 일관되고 반복 가능한 제작에 중요하지만 일반적으로 플라스틱 인쇄나 의료 인쇄보다 식품 인쇄에서는 덜 까다롭습니다. 다양한 디자인의 푸드 프린터에는 주사기, 공기압, 나사 등 세 가지 압출 메커니즘이 사용됩니다. 주사기 기반 압출 장치는 공급 공급품을 보관하는 주사기와 압출 작업에 동력을 공급하는 단계 엔진으로 구성됩니다. 공압 펌프와 캡슐화된 식품 카트리지는 공기압 구동 압출 장치로 구성되며, 공압 펌프는 캡슐화된 식품 카트리지 내의 재료를 노즐 밖으로 밀어냅니다. 연속 인쇄를 위해 스크류 기반 압출 방식으로 식품 재료를 카트리지에 넣고 오거 스크류에 의해 노즐로 이송됩니다.

전산 시뮬레이션을 통한 주사기 기반 3D 푸드 프린터와 나사 기반 3D 푸드 프린터의 비교 연구

Guo et al. [6]은 식품 산업에서 압출 기반 3D를 주로 사용하는 주사기 기반 3D 식품 프린터와 나사 기반 3D 식품 프린터의 차이점을 연구하기 위해 전산 연구를 마련했습니다. 이 연구에서는 두 가지 유형의 3D 프린팅의 유체 특성을 평가하고 비교하기 위해 전산 유체 역학(CFD) 모델을 논의했습니다. 또한 두 가지 서로 다른 3D 푸드 프린터를 비교하기 위해 실험적인 3D 프린팅 평가가 수행되었습니다. CFD 시뮬레이션은 상용 FEM 기반 컴퓨터 프로그램인 COMSOL Multiphysics 컴퓨터 소프트웨어를 사용하여 수행되었습니다. 본 연구에서는 스크류 기반 압출 3D 프린팅과 주사기 기반 압출 3D 프린팅 하드웨어의 유체 특성을 각각 다루기 위해 CFD 모듈의 회전 기계 및 층류 특성을 사용했습니다. 으깬 감자로 3D 프린팅용 잉크를 만들었습니다. 실험 내내 온도는 섭씨 26도로 일정하게 유지되었습니다. 유체는 층류 경계면을 갖는 단상 비압축성 유체로 간주되었습니다.

참고: 시뮬레이션 모델 조사에 따르면 스크류를 통한 3D 푸드 프린터는 복잡한 유체 특성을 가지고 있으며 벽과 압출 튜브의 스크류 플라이트 사이의 틈에서 몇 가지 역류가 발견되었습니다. 반면, 주사기 기반 3D 푸드 프린터는 쉽게 변경할 수 있는 보다 기본적인 유체 특성을 갖고 있는 것으로 나타났습니다. 또한, 실험적인 3D 프린팅은 나사 기반 3D 푸드 프린터가 점성 잉크를 압출하는 데 부적절하다는 것을 시사했습니다. 현재 연구는 적절한 프린팅 전략 선택을 위한 데이터, 이론적 기초, 고급 3D 프린팅 연구 및 최신 프린터 설계를 위한 전문 가이드를 제공합니다.

재료 압출을 기반으로 하는 모듈형 3D 프린팅 헤드에 적용된 공리적 설계 및 솔루션 변형

요약: Porpíglio et al. [7]은 모듈형 3D 프린팅 헤드에 적용된 솔루션 변형 방법과 공리 방법을 기반으로 통합 절차를 설계했습니다. 솔루션 변형 방법은 중요도에 따라 모든 기준에 0과 1 사이의 양수를 지정하여 결정됩니다. 테스트 3D 프린터에 연결된 수직 이축 나사 헤드의 전송 프레임워크를 평가하여 제안된 방법을 실제 환경에서 테스트했습니다. 세계 문제 시나리오. 사례 연구 3D 프린터는 필라멘트 생성뿐만 아니라 화합물 및 폴리머 혼합 정의를 포함하는 4D 프린팅 실험을 위해 소량(약 200g)의 분말을 원료로 사용 했습니다 . 그들의 연구 결과에 따르면 웜 기어 쌍이 프레임워크를 구동하는 가장 좋은 옵션이라는 것이 나타났습니다(평가 솔루션 변형에서 얻은 더 높은 값). 샤프트에 대한 동기화 장치(상관 이중 나사)에 대해서는 두 개의 압출기를 연결하는 동기화 기어가 있는 프레임워크를 평가 솔루션 변형으로 선택하여 총 가중치가 7.55로 증가한 것으로 나타났습니다. 연구 결과는 각각 0.838과 0.500의 값을 산출하는 직각성 및 의미성 목록으로 보완되었으며, 이는 설계 유연성이 높은 구동 프레임워크로 결합된 웜 기어 쌍의 선택을 확인했습니다.

에너지 소재용 이축 압출기의 안전 설계 및 수치 시뮬레이션

요약: Ji et al. [9]는 안전한 조건을 제공하여 에너지 재료용 트윈 스크류 압출기를 만들었습니다. 이 작업에는 다양한 압력 배출 구성을 갖춘 트윈 스크류 배럴에서 고에너지 물질의 폭발 순간을 예측하기 위해 유한 요소 접근 방식을 기반으로 한 정확한 수치 시뮬레이션이 포함되었습니다. 나사산 요소의 기하학적 사양은 다음과 같습니다. 나사의 외경은 50.4mm, 중심 거리는 40.8mm, 외경과 배럴은 0.5mm 간격으로 분리되어 있으며 피치는 각각 50mm와 75mm입니다. 또한 러너의 흐름 특성을 특성화하기 위해 Bird-Carreau 모델이 사용되었습니다. [10] 특정 배럴은 폭발파에 저항하도록 설계되었으며 배럴 모델에는 두 개의 압력 방출 구멍이 고려되었습니다. 그들의 결과는 트윈 스크류 압출기로 에너지 재료를 제조하는 동안 스크류 플라이트 상단과 맞물림 영역이 가장 큰 압력과 전단 속도를 갖는 것으로 나타났습니다. 따라서 폭발 사고 및 폭발이 이 지점에서 발생할 가능성이 가장 높습니다. 수평 분할 배럴 내부의 압력은 일반 배럴 레이아웃보다 눈에 띄게 낮습니다. 2차압력이 사라지고 배럴의 변형이 크게 감소되는 것을 알 수 있다.

FDM 와이어 압출기 스크류의 구조 분석 및 최적화 설계

요약: Li et al. [11] 은 세계에서 가장 널리 사용되는 3D 프린팅 기술 중 하나인 FDM(Fused Deposition Modeling) 와이어 압출기 스크류의 최적화된 설계를 제안했습니다. 본 연구에서는 압출기 스크류의 흐름 매개변수를 예측하기 위해 ANSYS 유한 요소 소프트웨어를 적용했습니다. 나사 피치, 나사 깊이, 나사 홈 폭, 나사 모서리 폭, 측정 구간 길이가 속도장, 압력장, 온도장 및 전단율에 미치는 영향을 조사하기 위해 직교 시험 방법을 사용했습니다. 또한 나사 3D 모델을 생성하기 위해 SolidWorks 소프트웨어가 사용되었으며 시뮬레이션 중에 특정 특성을 갖는 ABS 재료가 사용되었습니다. 마지막으로 Minitab 버전 17 소프트웨어를 사용하여 각 매개변수에 대해 제안된 모델의 유효성을 조사했습니다. 이상적인 요소를 결정한 후 최적화된 나사를 검사하고 검증했습니다. 결과는 제안된 와이어 압출기가 스크류 피치, 스크류 홈 깊이, 스크류 모서리 폭 및 측정 섹션 길이가 각각 15mm, 1.3mm, 1.5mm 및 85mm일 때 효율적으로 작업할 수 있음을 보여주었습니다. 최적화된 스크류는 ABS 소재의 용융 효율을 향상시킬 수 있습니다.

트윈 스크류 과립화 중 체류 시간 분포에 대한 DEM 분석

요약: Zheng et al. [12]는 DEM(Discrete Element Method)을 사용하여 TSG(Twin Screw Granulation) 공정을 연구했습니다. 본 연구에서는 거시적 통찰력과 미시적 통찰력을 모두 얻기 위해 DEM 개발에 그래픽 프로세서 유닛(GPU) 기반을 사용했습니다. DEM의 각 입자의 병진 및 회전 운동은 뉴턴의 제2법칙에 의해 결정됩니다. 스크류 반경(R s ), 중심선 거리(C l ), ​​두 스크류 사이의 간격(s), 내부 배럴과 스크류 사이의 간격(b), 평행 채널 수(e)는 주요 기하학적 특성입니다. 두 개의 나사는 직교합니다. 처음에는 CAD(컴퓨터 지원 설계) 소프트웨어를 사용하여 트윈 스크류 제립기 형상을 생성하고 추가 처리를 위해 표준 광조형(STL) 형식 파일로 저장했습니다. 그런 다음 STL 파일이 BlazeDEM-GPU에 로드되어 트윈 스크류 제립기용 DEM 모델이 생성되었습니다. 시스템 성능을 평가하기 위해 RTD(체류 시간 분포)는 나사 속도, 나사 구성 및 재료 매개변수에 따라 결정되었습니다. 체류 시간 분포 함수(E-곡선)는 더 큰 입자 크기와 더 높은 스크류 속도에 대해 감소된 확산을 나타냈는데, 이는 입자가 이축 스크류 조립기에서 상당한 체류 시간을 가짐을 의미합니다. 마지막으로, 그들의 연구 결과는 DEM이 트윈 스크류 과립화 모델링을 위한 신뢰할 수 있는 기반을 제공할 수 있음을 보여주었습니다. 그러나 트윈 스크류 과립화 거동에 대한 스크류 배열 및 제제 매개변수(예: 입자 모양 및 액체 결합제 추가)의 영향은 향후 연구에서 조사되어야 합니다.

유전자 알고리즘과 신경망을 통해 이중 스크류 식품 압출 가공을 위한 스크류 프로파일 최적화

요약: Kowalski et al. [13]은 유전 알고리즘 모델과 신경망 적합도 함수의 조합을 사용하여 나사 프로파일 설계 프로세스를 최적화하는 새로운 방법을 개발했습니다. 다양한 대상 제품에 대한 스크류 프로파일의 특성을 필요한 조건에서 고려했습니다. 압력, 모터 토크, 비기계 에너지(SME), 팽창비(ER), 수분 흡수(WAI) 및 수용성(WSI)을 포함하여 최적의 이축 식품 압출 성능을 위해 다양한 양이 예측되었습니다. 본 연구에서는 USDA Western Wheat Quality Laboratory(Pullman, WA, USA)에서 구입한 경질적색봄밀밀가루(var. Sagitario)를 사용했습니다. 밀가루에는 14.1%의 단백질(건조 기준)이 함유되어 있으며, 이를 믹서에서 4℃에서 수화하여 지정된 수분 함량에 도달했습니다. 아밀로스 결핍을 확인하기 위해 요오드 용액을 이용한 비색 검사를 사용했습니다. 압출 공정은 20mm 직경의 동회전 이축 압출기(모델 TSE 20/40, CW Brabender Instruments Inc., South Hackensack, NJ, USA)를 사용하여 수행되었습니다. 압출기는 20:1의 L/D 비율과 4개의 개별 온도 조절 구역으로 수행되었습니다. 유전자 알고리즘 모델과 신경망 모델은 모두 MATLAB(R2015b, MathWorks, Inc., Natick, MA, USA)을 사용하여 수행되었습니다. 압력, 모터 토크 및 SME 프로세스 응답의 경우 신경망 모델은 높은 R ​​2 값(>0.979)을 나타냈지만 ER(0.935), WSI(0.900) 및 WAI 제품 응답(0.847)은 상당히 낮은 R 2 값을 나타냈습니다. 유전자 알고리즘 모델을 사용하여 5번의 독립적인 시험을 통해 5가지의 서로 다른 표적 제품이 생성되었습니다. 표준 편차가 2개인 시험 1, 3, 4, 5 중에서 시험 2는 예상보다 약간 더 높은 확장을 보였습니다. 시험 1, 2, 4의 경우 수분 흡수 지수는 2 표준 편차 이내였습니다. 시험 1, 3, 4, 5의 경우 수용해도 지수는 2 표준 편차 이내였습니다. 예측된 분산은 더 넓은 범위의 변동성을 갖는 WAI에서 특히 중요했습니다. 마지막으로, 그들의 연구 결과는 제안된 방법이 더 나은 압출 공정을 제공하기 위해 스크류 프로파일 설계의 최적 특성을 예측하는 데 충분한 효율성을 가지고 있음을 보여주었습니다.

플라스틱 재활용을 위한 압출기 설계 및 제작

요약: Kumar et al. [14]는 3D 프린터 설계의 핵심 부분인 재활용 플라스틱으로 필라멘트를 생산하기 위한 압출 시스템을 구축했습니다. 이 작업에서는 PET 병 펠릿에서 3D 프린팅 섬유를 생성하기 위해 배출 기계를 제작했습니다. 최종 디자인은 폴리에틸렌테레프탈레이트 플라스틱 물병을 균질한 섬유로 배출한 후 파쇄, 용해, 혼합하는 저비용 고성능 기계였습니다. 설계된 압출 시스템의 주요 절차에는 재활용 가능한 플라스틱 펠렛을 홀더에서 높은 열 온도에 의해 플라스틱이 액화되는 금속 라인의 가열 지점을 통해 전달하는 나사가 포함되어 있습니다. 그런 다음 액화된 플라스틱 펠렛이 홀더에서 나사로 이동하여 주둥이를 통해 라인 끝쪽으로 압축되어 섬유를 구성합니다. 압출 공정은 압출기 노즐 설치, 재료 온도 고정, 피드 호퍼, 가이드 필라멘트, 필라멘트 직경 측정 등 5개의 개별 단계로 구성되며, 이 과정에서 온도가 변화하여 뚜렷한 크기의 필라멘트를 얻을 수 있습니다. 설계 과정은 배럴, 호퍼, 노즐, 스크류 로드, 슈레더 블레이드, 슈레더 주조, 압출 조립 등 7단계로 진행되었습니다. 그 결과, 온도 범위를 230~250°C로 고정하면 최적의 결과를 얻을 수 있고, 열전도를 줄여 고효율을 달성할 수 있음을 보여주었습니다. 용기와 따뜻한 구역 사이의 간격이 더 높을수록 더 많은 양의 플라스틱이 포함될 수 있으므로 압출기가 가온 라인의 델타를 차단할 위험 없이 더 많은 섬유를 배출할 수 있습니다.

압출된 식물성 고기 유사체의 특성 개선을 위한 구조 설계

요약: Sun et al. [15]은 실제 동물 고기와 유사한 식물성 고기 유사체의 품질을 향상시키기 위한 구조 설계를 개발했습니다. 본 연구에서는 고수분 압출 기술을 사용하여 제형을 평가하고 압출 조건을 최적화했으며 구조와 제형/가공 간의 연관성을 설명했습니다. 육류 유사체의 섬유질 구조 생성에 있어 단백질, 다당류 및 이들의 혼합물과 같은 중요한 구조적 구성 요소의 중요성이 조사되었습니다. 그런 다음 육류 유사 품질을 달성하는 데 있어서 배럴 온도, 냉각 다이 설계 및 사료 수분 수준의 영향을 조사했습니다. 그들의 연구 결과는 고수분 압출이 식물성 육류 유사품을 생산하기 위한 현실적이고 비용 효과적인 가공 방법임을 입증했습니다. 또한 최종 제품에 필요한 품질은 배럴 온도 및 공급 수분 함량과 같은 공정 요소를 조절하여 달성할 수 있습니다.

동회전 이축 압출기의 혼합 성능에 대한 온라인 광학 모니터링

요약: Bernardo et al. [16]은 다양한 형상을 고려하여 동방향 이축 압출기의 전체 혼합 성능을 평가하기 위한 온라인 광학 모니터링 방법을 제안했습니다. 제안된 기술은 분산상 입자로 인한 광 산란 및 지연에 의존하며, 이는 입자 수(탁도) 및 모양(복굴절 형태)에 대한 정보를 얻는 데 사용할 수 있습니다. 그런 다음 3개의 개별 반죽 블록을 따라 다양한 축 지점에서 다양한 스크류 속도에 따라 체류 시간 분포 곡선(RTD)이 형성되었습니다. 매개변수 K(RTD 곡선 아래 영역에 연결된 펄스 곡선의 상수)와 RTD 곡선의 분산을 사용하여 분산 및 분포 혼합 지수를 나타냈습니다. K는 분산 혼합의 정확한 지표인 반면 분산 혼합을 평가하는 데 활용될 수 있음이 입증되었습니다. 실험 결과는 이러한 혼합 지수가 가공 환경의 변화에 ​​민감하고 각 반죽 블록 형상의 예측된 동작을 반영한다는 것을 나타냅니다.

압출 가공의 주요 기술 발전

요약: Emin [17] 은 적응형 식품 생산을 위해 다양한 원료를 활용할 수 있는 유연성으로 인해 식품 산업에서 귀중한 위치를 차지하는 압출 가공의 최첨단 기술 개발을 연구했습니다. 이 공정에 대한 연구는 주로 압출된 원료와 제품에 원하는 모양과 질감을 부여하는 스크류와 다이를 포함한 두 가지 필수 섹션으로 나뉩니다. 이 두 섹션이 끝나면 고객이 제품을 먹을 수 있습니다. 설계된 제품의 품질을 보장하기 위해 반응 특성 및 유변학적 특성을 포함한 일부 분석이 수행되었습니다. 반응 특성 분석에서는 분자 상호 작용뿐만 아니라 온도, 시간, 전단 응력, 성분, 혼합 비율, 수분 함량 등의 요소도 고려됩니다. 유변학적 특성에서는 혼합 특성, 스크류 부분의 열적, 기계적 응력 프로파일, 다이 부분의 팽창 및 텍스처화를 조사합니다. 가공 조건 분석은 열 응력 프로필 분석, 열기계적 응력 프로필 및 혼합 특성 분석을 포함하는 또 다른 중요한 단계입니다. 첫 번째 분석(열 응력 프로파일)의 경우 재료 온도 및 체류 시간에 관한 일부 정보를 수집하는 것이 매우 중요합니다. 후자(열역학적 응력 프로파일 및 혼합 특성)의 경우 열역학적 응력 프로파일 및 혼합 특성에 대한 필수 정보를 얻기 위해 FEM 코드 ANSYS POLFLOW를 사용한 유한요소법(FEM)을 중심으로 수치해석을 수행합니다. 수집된 정보는 원하는 제품을 얻기 위한 프로세스를 정확하게 수행하거나 선호하는 다양한 규모의 제품을 얻기 위해 프로세스를 조정하는 데 사용될 수 있습니다.

설계

디자인 1

요약: 이 설계 절차는 Sobowale et al.에 의해 사용되었습니다 . [18] [19] 이축 압출기를 제작하기 위해 압출기는 Senanayake와 Clarke [20] , Yamsaengsung 과 Noomuang 이 수행한 이축 압출기 구성에서 언급된 모든 문제를 해결하기 위해 설계되었습니다. 연구에서는 코코야 가루, 다양한 공급 수분 함량(FMC) 및 스크류 속도(SS)를 포함한 다양한 장비를 사용하여 설계된 압출기의 성능을 조사했습니다. 압출기의 모든 부품이 적절하게 조립되고 높은 효율로 제대로 작동하는지 확인하기 위해 팽창률, 체류 시간(RT), 처리량 및 기능 효율성과 같은 다양한 요소를 분석했습니다. 구성된 압출기는 훌륭하게 작동했으며 제품이 상당히 잘 팽창했습니다. 온도 상승 시 코코얌 압출물이 변색되어 바람직하지 않은 제품이 되는 것을 제외하고는 작업 중 심각한 문제는 없었다. 이는 최종적으로 배럴 온도와 사용된 FMC에 영향을 미쳤으며, 코코얌 압출물에는 냉간 압출이 더 적합하다고 제안됩니다. 다양한 형태의 교체용 다이 유닛을 기계에 삽입함으로써 장비 테스트를 통해 다양한 모양과 크기의 수많은 배출 품목을 생성하는 다기능 압출기로서의 성능이 입증되었습니다.

계산

설계 계산은 Senanayake와 Clarke, [20] Harold et al .의 연구를 기반으로 수행되었습니다 . , [22] Khurmi 및 Gupta, [23] Singh 및 Heldman, [24]Sobowale et al. 공장. [25] [26] [19] 설계된 이축 압출기의 다양한 매개 변수는 표 1에 나열되어 있습니다. 필수 값이 정의되었으며 설계 계산 중에 중요도가 덜한 다른 값이 얻어졌습니다. 이러한 매개변수는 상업, 대량 생산 및 정밀 압출 제품 측면에서 적절한 이축 압출기를 설계하는 목표를 충족하는 데 중요합니다. 따라서 이축 압출기 설계 중에는 매개변수 값 정의와 이들 사이의 관계를 신중하게 고려해야 합니다.

표 II - [18] [19] 의 설계 매개변수
매개변수상징단위가정공식의 수
배럴의 길이Lb _mm-(1)
나사 길이mm1898년, L/D 비율은 ​​25/1입니다.(1)
나사 직경mm65, L/D 비율은 ​​25/1입니다.(1)
빔 높이Ymaxmm-(2)
초기 피치원 직경mm-(2)
빔 두께mm-(2)
빔 면 길이mm-(2)
총 소비전력백금kW-(삼)
점성 소산을 위한 전력 소비 부분추신kW-(삼)
속도 직경Vdmm-(삼)
압력차ΔPN mm -2-(삼)
나사 힘

숫자

NPrpm-(4)
압출 밀도ρkg/m 3-(4)
나사 속도Nrpm-(4)
속도 비율번호rpm-(5)
종동 풀리의 직경D2mm73.5(5)
직경

구동 풀리

D1mm-(5)
구동 풀리의 속도N1rpm-(6)
종동 풀리의 속도N2rpm-(6)
배럴 길이B lmm-(7)
비행 폭εmm5.6(8)
방사형 비행 허가δfmm0.2(9)
내경

압출기 배럴의

DBmm65.2(15)
나선 각도

나사의 뿌리

θs-(10)
볼트 루트의 나선 각도θb-(10)
채널 폭

나사의 뿌리

mm-(11)
채널 폭

볼트의 뿌리

Wbmm-(11)
풀리의 무게WpN14.715(12)
풀리의 질량mp킬로그램1,501(12)
호퍼의 양Vm 34.125×10 3(13)
샤프트 반경 변경Δrmm-(13)
샤프트의 높이시간mm-(13)
샤프트의 직경DSmm24(14)
샤프트의 허용 전단 응력(토크)Nm4.95(14)
질량유량kg/시간50(15)
채널 측광 깊이mm2.72(15)
비중G단위 없음-(15)
스러스트 베어링의 동적 지지력CreqkN15.14(16)
회전감에 대한 요소fd단위 없음-(16)
압출기의 추력 압력팩스kN15.14(16)
베어링 수명LF시간-(16)

디자인 2

요약: Justino Netto와 Silveira [27] 는 이중 나사 압출 개념을 적용하여 3D 프린터 헤드(그림 2)를 설계했습니다. 이 개념에서는 공정 중 다중 재료 혼합과 제품의 직접 증착의 두 가지 접근 방식이 동시에 적절한 방식으로 구성되었습니다. 3D 객체 생성. 그들의 방법론은 동회전 이축 압출기 설계에 관한 Kohlgrüber의 책을 기반으로 확립되었습니다. 정형화 된 절차의 정확성을 평가하기 위해 3D 프린터를 사용하여 실제 크기의 ABS 프린트 헤드를 제작했습니다. 프로토타입 실험을 통해 작은 나사 요소를 제조하는 것이 가능하긴 하지만 어려운 것으로 나타났습니다. 또한, 그들의 조사 결과에 따르면 전송 시스템을 더욱 압축하기 위해서는 대체 절차를 마련해야 한다는 사실이 밝혀졌습니다. 또한 활용된 프레임워크는 소규모 설계를 다루는 다른 프로젝트에 사용될 수 있으며 3D 프린트 헤드 설계에 영향을 미치는 요인을 명확하게 정의하는 데 도움이 되는 체계적인 접근 방식을 제공합니다.

그림 2. 트윈 스크류 압출 기반 3D 프린터 헤드 플랫폼

표 2는 Netto와 Silveira가 제안한 트윈 스크류 압출 기반의 3차원 프린트 헤드 설계 매개변수를 보여줍니다. [27] 문헌의 유사한 연구에서는 이 귀중한 정보 보고를 무시합니다. 이 작업에서는 향후 작업을 위한 완전한 지침을 제공하기 위해 설계 절차 측면에 대한 체계적인 접근 방식이 정확하게 보고되었습니다. 더욱이, 이 작업의 분석 모델은 유사한 작업의 다른 소규모 압출기의 의사 결정 프로세스를 적용하는 데 매우 유용합니다.

표 II - Justino Netto 및 Silveira [27] 연구의 설계 매개변수
매개변수상징단위가정공식의 수
외경D Emm12.0(1)
중심선 거리mm10.2(1)
스레드 수2(1)
나사 피치mm18, 12, 6(6)
나사 사이의 간격에스mm0.2-
오프셋 프로파일의 측면 각도FW1 _정도70.44, 69.31, 66.89-
완전히 닦인 프로필의 측면 각도FW0 _정도63.6-
오프셋 프로파일의 팁 각도KW1 _정도12.69, 14.95, 19.78-
완전히 지워진 프로파일의 팁 각도케이 W0정도26.4-
줄어든 외부

지름

_mm11.8(삼)
줄어든 내부

지름

디케이 _mm8.2-
내부 직경D 나는mm8.4-
나사의 의도된 낮은 회전 속도Nrpm10(삼)
최소 직경

샤프트의

DSmm5.5(2)
규정된 구동 토크엠디 _Nm10(2)
허용 응력τ admMPa689.6(2)
정리σmm0.2(삼)
나사의 길이mm120(5)
나사와 배럴 사이의 자유 단면적무료 _mm 274.4(6)
오리피스 직경0mm2.38(7)
벽 전단율-143.5(7)
다이의 길이엘다이 _mm12.5(8)
유동 저항에 대한 무차원 매개변수케이피 _단위 없음3.8× 104(8)
육각형 샤프트의 외접 직경d mm5.5(10)
샤프트의 유효 길이Leff _mm240(10)
압축 하중에프 mm155-
다이에서의 압력 강하ΔpMPa1.37(8)

참고자료

  1. 슈나이더, 한스-피터(2005). "역회전 이축 압출기의 역사적 발전". 쿤스토페플라스트. 유로 1 : 1-6.
  2. 자야 크리스티얀(2016-09-01). "3D 프린터 필라멘트 제조를 위한 기본 스크류 압출기 제작". 국제 공학 및 기술 연구 저널 5 .
  3. 실베이라, 질다 데 카스트로; 저스티노 네토, 호아킴 마노엘(2017). "동시 회전 트윈 스크류 압출기의 설계 및 기술" . Anais do IX Congresso Brasileiro de Engenharia de Fabricação . Congresso Brasileiro de Engenharia de Fabricação. ABCM. 도이 : 10.26678/ABCM.COBEF2017.COF2017-0017 . 2022년 1월 11일에 확인함 .
  4. 게르하르트 팔,; 바이츠, 볼프강; Feldhusen, Jörg; 그로테, 칼-하인리히(2007). "제품 개발 프로세스" . Gerhard Pahl, Wolfgang Beitz, Jörg Feldhusen, Karl-Heinrich Grote (eds.). 엔지니어링 설계: 체계적인 접근 방식 . 런던: 스프링거. 125~143쪽. ISBN  978-1-84628-319-2 . 2022년 1월 11일에 확인함 .
  5. 쑨 지에; 저우, 웨이비아오; 얀, 량쿤; 황, 더지안; 린리엔야(2018-03-01). "디지털화된 식품 디자인 및 영양 관리를 위한 압출 기반 식품 프린팅" . 식품공학저널 . 3D 프린팅 식품 – 디자인 및 기술 220 : 1–11. 도이 : 10.1016/j.jfoodeng.2017.02.028 . ISSN  0260-8774 . 2022년 1월 11일에 확인함 .
  6. 구오, 차오판; 장민; 반다리, 베쉬(2019-07-01). "전산 시뮬레이션을 통한 주사기 기반 3D 푸드 프린터와 나사 기반 3D 푸드 프린터의 비교 연구" . 농업용 컴퓨터 및 전자공학 162 : 397-404. 도이 : 10.1016/j.compag.2019.04.032 . ISSN  0168-1699 . 2022년 1월 11일에 확인함 .
  7. 나, 포르피글리오; Rk, Scalice; Zc, 실베이라(2019-01-01). "재료 압출을 기반으로 하는 모듈식 3D 프린팅 헤드에 적용된 공리적 설계 및 솔루션 변형". 29차 CIRP 디자인 컨퍼런스 2019, 2019년 5월 8~10일, Póvoa de Varzim, Portgal 84 : 143–148. 도이 : 10.1016/j.procir.2019.04.319 . ISSN  2212-8271 .
  8. 왕, 하오치; 장, 쉬; 탕, 청통; 톰슨, 빈센트 (2018-06-01). "공리 시스템 설계를 위한 의미 모델" . 기계 공학 협회 간행물, 파트 C: Journal of Mechanical Engineering Science 232 (12): 2159-2184. 도이 : 10.1177/0954406217718858 . ISSN  0954-4062 . 2022년 7월 11일에 확인됨 .
  9. 지단단; 샤용; 황, 치안; 시 후이팡(2020-03). "에너지 재료용 이축 압출기의 안전 설계 및 수치 시뮬레이션" . Journal of Physics: Conference Series 1507 (2): 022027. doi : 10.1088/1742-6596/1507/2/022027 . ISSN  1742-6596 . 2022년 7월 21일에 확인됨 .
  10. 더스, SJ; 코키니, JL (1990). "Bird-Carreau 구성 모델을 사용한 경질 밀가루 반죽의 비선형 점탄성 특성 예측". 유변학 저널 34 (7): 1069-1084. ISSN  0148-6055 .
  11. 리빈; 장, 펑; 구하이; 장 지에; 순, 젠화; 쉬, 위안위안; 장지에(2021-03). "FDM 와이어 압출기 스크류의 구조 분석 및 최적화 설계" . 물리학 저널: 컨퍼런스 시리즈 1802 (2): 022003. doi : 10.1088/1742-6596/1802/2/022003 . ISSN  1742-6596 . 2022년 7월 21일에 확인됨 .
  12. 정, 차오; 장, 링; 거벤더, 니콜린; 우추안유(2021-01-02). "이축 스크류 과립화 중 체류 시간 분포의 DEM 분석" . 분말 기술 377 : 924-938. 도이 : 10.1016/j.powtec.2020.09.049 . ISSN  0032-5910 . 2022년 7월 21일에 확인됨 .
  13. 코왈스키, 라이언 J.; 피에트리시아크, 에와; 간잘, 기리쉬 M.(2021-08-01). "유전자 알고리즘과 신경망을 통해 이중 스크류 식품 압출 가공을 위한 스크류 프로파일 최적화" . Journal of Food Engineering 303 : 110589. doi : 10.1016/j.jfoodeng.2021.110589 . ISSN  0260-8774 . 2022년 7월 21일에 확인됨 .
  14. 쿠마르, 사가르; 수라즈, R.; 쿠마르, MV 비노드(2021-02). "플라스틱 재활용을 위한 압출기의 설계 및 제작" . IOP 컨퍼런스 시리즈: 재료 과학 및 공학 1065 (1): 012014. doi : 10.1088/1757-899X/1065/1/012014 . ISSN  1757-899X . 2022년 1월 11일에 확인함 .
  15. 순, 추이샤; 푸, 지알링; 장유양; 리, 사이야; 팡, 야펑(2022-06-01). "압출된 식물 기반 육류 유사체의 특성을 개선하기 위한 구조 설계" . 식품 생물물리학 17 (2): 137–149. 도이 : 10.1007/s11483-021-09692-w . ISSN  1557-1866 . 2022년 7월 29일에 확인됨 .
  16. 베르나르도, 펠리페; 코바스, 호세 A.; 카네바롤로, 세바스티앙 V. (2022-01). "동시 회전 이축 압출기의 혼합 성능에 대한 온라인 광학 모니터링" . 폴리머 14 (6): 1152. doi : 10.3390/polym14061152 . ISSN  2073-4360 . 2022년 7월 29일에 확인됨 .
  17. 에민, M. 아자드(2022-01-01). "7 - 압출 가공의 핵심 기술 발전" . Pablo Juliano, Roman Buckow, Minh H. Nguyen, Kai Knoerzer, Jay Sellahewa(eds.). 식품 공급망 전반에 걸친 식품 공학 혁신 . 학술 출판물. 131~148쪽. ISBN  978-0-12-821292-9 . 2022년 1월 11일에 확인함 .
  18. 다음으로 이동:18.0 18.1 소보왈레, SS; 아데보, 오.; 일본 아데비이(2018). "이축압출기 개발" . 2022년 1월 9일에 확인함 .
  19. 다음으로 이동:19.0 19.1 19.2 Sobowale, Sunday Samuel (2017). "이축 압출기의 설계, 구성 및 성능 평가". 국제 농업 공학: CIGR 저널 19 (4): 181-186. ISSN  1682-1130 .
  20. 다음으로 이동:20.0 20.1 세나나야케, SAMAN S; 클라크, B (1999-05-01). "단순화된 이중 스크류 동회전 식품 압출기: 설계, 제작 및 테스트" . 식품공학저널 40 (1): 129-137. 도이 : 10.1016/S0260-8774(99)00049-7 . ISSN  0260-8774 . 2022년 1월 9일에 확인함 .
  21. 램생성; 누무앙, 춤폰(2010). 전분 기반 스낵 제품용 단일 스크류 압출기 설계를 위한 유한 요소 모델링 . 5쪽.
  22. 해롤드 F. 자일스 주니어; III, 엘드리지 M. 마운트; Jr, 존 R. 와그너(2004-12-31). 압출: 최종 가공 가이드 및 핸드북 . 윌리엄 앤드류. ISBN  978-0-8155-1711-5 .
  23. 굽타, RS 쿠르미(2005). 기계 설계 교과서 . S. 찬드 출판. ISBN  978-81-219-2537-2 .
  24. 싱, R. 폴; 헬드먼, 데니스 R.(2001-06-29). 식품공학개론 . 걸프 전문 출판. ISBN  978-0-08-057449-3 .
  25. "멜론 탈곡기의 설계 및 성능 평가 - Sobowale - 2016 - Journal of Food Process Engineering - Wiley Online Library" . 2022년 1월 9일에 확인함 .
  26. Sobowale, Sunday Samuel; 아데비이, 자넷 아데잉카; 아데보, 올루와페미 아요데지(2017). "가리로스터의 설계, 구성 및 성능평가" . 식품공정공학 저널 40 (3): –12493. 도이 : 10.1111/jfpe.12493 . ISSN  1745-4530 . 2022년 1월 9일에 확인함 .
  27. 다음으로 이동:27.0 27.1 27.2 저스티노 네토, 호아킴 M; 실베이라, 질다 드 C(2018). "이중 나사 압출을 기반으로 한 혁신적인 3차원 프린트 헤드 설계". 기계설계학회지 140 (12): 125002. ISSN  1050-0472 .
  28. 콜그뤼버, 클레멘스(2012). 동회전 트윈 스크류 압출기 . Carl Hanser Verlag GmbH Co KG. ISBN  3-446-43341-4 .
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