การเอาชนะความท้าทายของการผสมสารที่มีความหนืดสูงในการขยายขนาดการผลิตเชิงอุตสาหกรรม

ช่องว่างระหว่างความสำเร็จในห้องปฏิบัติการกับความล้มเหลวในการผลิต

วิศวกรกระบวนการทุกท่านต่างเข้าใจความรู้สึกนี้ดี ทั้งๆ ที่สูตรผสมนั้นให้ผลลัพธ์ที่ยอดเยี่ยมบนแท่นทดลองในห้องปฏิบัติการ — ใช้เวลาผสมเพียงสิบสองนาที วัสดุมีลักษณะสมบูรณ์แบบ และผลการทดสอบออกมาผ่านเกณฑ์ทั้งหมด แต่เมื่อนำไปขยายขนาดสู่สายการผลิตจริง ทุกอย่างกลับพังทลายลง ใช้เวลารวมในการผสมถึงสี่สิบห้านาที วัสดุร้อนจัดเกินไป มีฟองอากาศติดค้างอยู่ และผลิตภัณฑ์สุดท้ายไม่เป็นไปตามข้อกำหนด

การผสมวัสดุที่มีความหนืดสูงคือจุดที่ช่องว่างนี้ปรากฏชัดเจนที่สุด เมื่อความหนืดเพิ่มขึ้นถึงหลักแสนหรือหลักล้านเซนติโพอิส หลักฟิสิกส์ของการผสมจะเปลี่ยนแปลงไปอย่างสิ้นเชิง การไหลจะช้าลงอย่างมาก การถ่ายเทความร้อนจะแย่ลง และการเกิดฟองอากาศหรือการดักจับอากาศจะเกิดขึ้นเกือบจะหลีกเลี่ยงไม่ได้ การขยายขนาดการผลิตจากเครื่องผสมในห้องปฏิบัติการไปยังอุปกรณ์การผลิตจริงโดยไม่เข้าใจการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้ จะนำไปสู่การสูญเสียวัสดุและพลาดกำหนดส่งงาน

ปัญหาที่แท้จริงไม่ได้อยู่ที่ความหนาแน่นเพียงอย่างเดียว

วัสดุที่มีความหนืดสูงต้านทานการไหล ซึ่งเรื่องนี้เห็นได้ชัดเจนอยู่แล้ว สิ่งที่ไม่ชัดเจนเท่าไรคือวิธีที่แรงต้านนี้มีปฏิสัมพันธ์กับทุกด้านของกระบวนการผสม

เมื่อวัสดุมีค่าความหนืดในช่วง 100,000 ถึง 1 ล้าน cP พลังงานที่จำเป็นในการเคลื่อนย้ายวัสดุนั้นจะเพิ่มขึ้นอย่างมาก พลังงานนั้นไม่สูญหายไปไหน แต่เปลี่ยนรูปเป็นความร้อน ในการผสมในห้องปฏิบัติการซึ่งมีอัตราส่วนพื้นผิวต่อปริมาตรที่ดี ความร้อนนั้นสามารถกระจายตัวได้อย่างเหมาะสม แต่ในภาชนะขนาดผลิตจริง ความหนาแน่นของพลังงานระดับเดียวกันนี้จะก่อให้เกิดจุดร้อน (hot spots) ซึ่งอาจทำลายส่วนประกอบที่ไวต่ออุณหภูมิ

ปัจจัยอีกประการหนึ่งคือการกระจายแรงเฉือน ของไหลที่มีความหนืดต่ำจะส่งผ่านแรงเฉือนอย่างสม่ำเสมอทั่วทั้งปริมาตร ขณะที่ของไหลที่มีความหนืดสูงจะลดการเคลื่อนไหวลง วัสดุบริเวณใกล้กับเครื่องกวนจะเคลื่อนที่ แต่วัสดุที่อยู่บริเวณผนังภาชนะแทบไม่ขยับเลย ส่งผลให้เกิดโซนที่ไม่มีการไหล (dead zones) วัสดุที่นิ่งอยู่จะค้างและร้อนขึ้นเรื่อย ๆ ในขณะที่โซนที่มีการเคลื่อนไหวอย่างแข็งขันกลับถูกใช้งานหนักเกินไป

สุญญากาศเปลี่ยนกฎของเกมสำหรับการกำจัดฟองอากาศ

การติดอากาศเป็นภัยเงียบที่ทำลายส่วนผสมที่มีความหนืดสูง ฟองอากาศที่เกิดขึ้นระหว่างการผสมไม่สามารถเคลื่อนที่ไปไหนได้ในวัสดุที่หนืดมาก จึงไม่สามารถลอยตัวขึ้นสู่ผิวหน้าได้เหมือนในของเหลวที่มีความหนืดต่ำ ฟองอากาศจึงคงค้างอยู่ภายใน สร้างช่องว่างที่ทำให้ผลิตภัณฑ์สำเร็จรูปมีความแข็งแรงลดลง

เครื่องผสมแบบทั่วไปมักพึ่งพาการกำจัดฟองอากาศภายหลังการผสมด้วยระบบสุญญากาศ โดยวัสดุจะถูกย้ายไปยังภาชนะแยกต่างหาก จากนั้นจึงสร้างสภาวะสุญญากาศเพื่อดึงฟองอากาศออกอย่างช้าๆ วิธีนี้เพิ่มขั้นตอนการทำงาน เพิ่มโอกาสในการจัดการวัสดุ และเสี่ยงต่อการปนเปื้อน

เครื่องผสมแบบดาวเคราะห์-เหวี่ยงศูนย์กลางที่มีระบบสุญญากาศในตัวสามารถกำจัดฟองอากาศได้ในระหว่างกระบวนการผสม สภาวะสุญญากาศจะสร้างแรงดันลบ ในขณะที่แรงเหวี่ยงศูนย์กลางดันฟองอากาศให้เคลื่อนที่ไปยังผนังภาชนะ ซึ่งฟองอากาศจะถูกดูดออกอย่างต่อเนื่อง ผลลัพธ์คืออัตราฟองอากาศที่เหลืออยู่ต่ำกว่าร้อยละ 0.3 เมื่อเทียบกับร้อยละ 2 ถึง 5 ที่ได้จากวิธีการแบบดั้งเดิม .

การควบคุมอุณหภูมิกลายเป็นสิ่งจำเป็นอย่างยิ่งเมื่อขยายขนาดการผลิต

การเกิดความร้อนระหว่างการผสมวัสดุที่มีความหนืดสูงไม่ใช่ปัญหาเล็กน้อยแต่อย่างใด— แต่เป็นตัวแปรกระบวนการที่จำเป็นต้องควบคุมอย่างเข้มงวด โครงการหนึ่งที่โรงงานผลิตกาวแห่งหนึ่งในภาคใต้ของจีนแสดงให้เห็นถึงความสำคัญของเรื่องนี้ ทีมงานกำลังขยายสูตรซีลแลนต์โพลีอูรีเทนจากขนาดทดลองในห้องปฏิบัติการที่ 5 ลิตร ไปเป็นการผลิตจริงที่ 200 ลิตร ในการผสมในห้องปฏิบัติการ อุณหภูมิสูงสุดยังคงต่ำกว่า 45°C แต่ในการผสมสำหรับการผลิตจริงโดยไม่มีระบบระบายความร้อนแบบใช้งาน อุณหภูมิพุ่งสูงขึ้นถึง 72°C ภายในเวลาเพียงยี่สิบนาที ทำให้ซีลแลนต์แข็งตัวก่อนกำหนดภายในภาชนะ และทำให้ชุดผลิตทั้งหมดต้องทิ้ง

วิธีแก้ไขไม่ได้เพียงแค่ติดตั้งปลอกระบายความร้อนเท่านั้น แต่เครื่องผสมสำหรับการผลิตจริงจำเป็นต้องมีระบบควบคุมอุณหภูมิแบบใช้งาน ซึ่งประกอบด้วยการไหลเวียนของสารหล่อเย็นร่วมกับระบบป้อนกลับแบบเรียลไทม์ เมื่อติดตั้งระบบดังกล่าวแล้ว อุณหภูมิสามารถคงอยู่ภายในช่วงคลาดเคลื่อนไม่เกิน ±2°C จากค่าที่ตั้งไว้ตลอดระยะเวลาการผสม สูตรดังกล่าวจึงสามารถนำไปใช้ในการผลิตจริงได้โดยไม่ต้องปรับเปลี่ยนแต่อย่างใด

ระบบควบคุมอุณหภูมิแบบใช้งานในเครื่องผสมแบบดาวเคราะห์รุ่นใหม่จัดการปัญหานี้โดยการไหลเวียนของของเหลวที่ควบคุมอุณหภูมิรอบๆ ห้องผสม ระบบบางระบบสามารถให้ความเย็นและความร้อนในวงจรเดียวกัน ซึ่งช่วยเพิ่มความยืดหยุ่นสำหรับวัสดุที่ต้องการอุณหภูมิในการแปรรูปเฉพาะ

ความสม่ำเสมอของการเฉือนส่งผลต่อคุณภาพของผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย

ในระบบที่มีความหนืดสูง ไม่ใช่วัสดุทั้งหมดจะได้รับประวัติการเฉือนแบบเดียวกัน วัสดุที่อยู่ใกล้กับใบพัดหมุนจะได้รับแรงเฉือนสูง ในขณะที่วัสดุที่อยู่ใกล้ผนังภาชนะจะได้รับแรงเฉือนต่ำ ความแตกต่างในการสัมผัสแรงเฉือนนี้ทำให้เกิดความแปรผันของอุณหภูมิ คุณภาพของการกระจายตัว และคุณสมบัติสุดท้ายของผลิตภัณฑ์

การเคลื่อนที่แบบดาวเคราะห์สามารถแก้ไขปัญหานี้ได้ผ่านสนามการไหลแบบผสมที่กล่าวถึงก่อนหน้านี้ การรวมกันของการโคจรและการหมุนสร้างรูปแบบการผสมที่สลับเปลี่ยนวัสดุระหว่างโซนที่ได้รับแรงเฉือนสูงและโซนที่ได้รับแรงเฉือนต่ำอย่างต่อเนื่อง ไม่มีส่วนใดของวัสดุที่ค้างอยู่นิ่งเป็นเวลานานพอที่จะเกิดความแตกต่างของคุณสมบัติอย่างมีนัยสำคัญ

การปรับปรุงความสม่ำเสมอแสดงให้เห็นผ่านตัวเลข สำหรับเนื้อเงินนำไฟฟ้าที่มีความหนืด 800,000 cP การผสมแบบ planetary ช่วยลดเวลาในการประมวลผลจาก 45 นาทีเหลือเพียง 12 นาที พร้อมยกระดับความสม่ำเสมอในการกระจายผงเงินให้สูงถึงร้อยละ 99.3 ผู้ผลิตเซลล์แสงอาทิตย์รายหนึ่งที่ใช้วิธีการเดียวกันนี้รายงานว่า ความสม่ำเสมอของแรงดึงขณะเชื่อมเซลล์แสงอาทิตย์เพิ่มขึ้นร้อยละ 25 .

กับดักการขยายขนาดที่ทำให้ทีมงานส่วนใหญ่ตกหลุมพราง

ข้อผิดพลาดที่พบบ่อยที่สุดในการขยายขนาดการผสมสารที่มีความหนืดสูง คือ การสมมุติว่าความสัมพันธ์เป็นเชิงเส้น เช่น ปริมาณการผลิตเพิ่มเป็นสองเท่า เวลาในการผสมก็เพิ่มเป็นสองเท่า หรือปริมาตรเพิ่มเป็นสามเท่า พลังงานที่ใช้ก็เพิ่มเป็นสามเท่า ซึ่งวิธีนี้ไม่สามารถใช้ได้จริง

การผสมสารที่มีความหนืดสูงนั้นขึ้นอยู่กับความสัมพันธ์ที่ซับซ้อนระหว่างรูปทรงเรขาคณิต ความเร็ว และคุณสมบัติของวัสดุ โดยการใช้พลังงานจะเปลี่ยนแปลงไม่เป็นเชิงเส้นตามเส้นผ่านศูนย์กลางและความเร็วของใบพัด คนผสม ส่วนการเกิดความร้อนจะสัมพันธ์โดยตรงกับปริมาณพลังงานที่ป้อนเข้าไป และรูปแบบการไหลจะเปลี่ยนแปลงไปเมื่อจำนวนเรย์โนลด์ลดลงเข้าสู่ช่วงการไหลแบบลามินาร์

การทดสอบในระดับพิล็อตโดยใช้วัสดุจริง หรือวัสดุจำลองที่มีคุณสมบัติระบุได้ชัดเจนเป็นสิ่งที่ไม่อาจละเลยได้ การข้ามขั้นตอนนี้ไปจะทำให้เกิดปัญหาที่ไม่คาดคิดในระดับการผลิตจริง ซึ่งจะส่งผลให้เกิดค่าใช้จ่ายสูง ผลการวิเคราะห์เมื่อปี ค.ศ. 2024 เกี่ยวกับความล้มเหลวในการขยายขนาดกระบวนการผลิตในอุตสาหกรรมกาว พบว่าปัญหาที่เกี่ยวข้องกับการผสมซึ่งเกิดขึ้นจริงในการผลิต 68 เปอร์เซ็นต์ สามารถตรวจพบได้ตั้งแต่ขั้นตอนการทดสอบในระดับพิล็อต หากมีการดำเนินการตามแนวปฏิบัติการทดสอบที่เหมาะสม

เมื่อใดที่การผสมวัสดุที่มีความหนืดสูงเหมาะสม — และเมื่อใดที่ไม่เหมาะสม

เครื่องผสมแบบดาวเคราะห์หมุนเหวี่ยง (planetary centrifugal mixers) ให้ประสิทธิภาพยอดเยี่ยมกับวัสดุที่มีความหนืดอยู่ในช่วง 100,000 ถึงหลายล้าน cP เช่น แป้งเหนียว (pastes), สารยาแนว (sealants), สารแขวนลอยที่มีของแข็งสูง (high-solid slurries) และพอลิเมอร์ที่เติมสารเติมแต่ง (filled polymers) ซึ่งทั้งหมดนี้จัดอยู่ในกลุ่มนี้ การผสมผสานระหว่างการเคลื่อนที่แบบดาวเคราะห์ การสุญญากาศ และการควบคุมอุณหภูมิ สามารถแก้ไขปัญหาหลักสามประการได้พร้อมกันในระบบเดียว คือ บริเวณที่ไม่มีการไหล (dead zones), ฟองอากาศ (bubbles) และความร้อนสะสม (heat)

สำหรับวัสดุที่มีความหนืดต่ำ เทคโนโลยีการผสมแบบง่ายและราคาไม่สูงอาจเพียงพออย่างสมบูรณ์แบบ การประเมินคุณสมบัติของวัสดุและข้อกำหนดในการผลิตอย่างละเอียดจะช่วยป้องกันการลงทุนเกินความจำเป็นในความสามารถที่จะไม่ถูกใช้งานเลย

SMIDA ใช้เวลามากกว่าหนึ่งทศวรรษในการพัฒนาเทคโนโลยีการผสมแบบหมุนรอบดาวเคราะห์และเหวี่ยงแรงหนีศูนย์กลาง โดยเฉพาะสำหรับระบบที่มีความหนืดสูงและระบบหลายเฟสที่ซับซ้อน อุปกรณ์ของบริษัทผสานการเคลื่อนที่แบบหมุนรอบดาวเคราะห์ สนามแรงเหวี่ยง และสภาพแวดล้อมสุญญากาศเข้าด้วยกันในสถาปัตยกรรมเทคโนโลยีสามมิติ ซึ่งสามารถจัดการวัสดุที่มีความหนืดตั้งแต่ 100,000 ถึงมากกว่า 1 ล้านซีพี ด้วยการประยุกต์ใช้งานที่ครอบคลุมทั้งกาว เครื่องสำอาง อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ วัสดุพลังงานใหม่ และวัสดุสำหรับอวกาศ SMIDA สนับสนุนผู้ผลิตที่ต้องการการขยายขนาดการผลิตอย่างเชื่อถือได้จากห้องปฏิบัติการสู่การผลิตจริง โดยไม่ลดทอนคุณภาพของการผสม