Die-swelling phenomenon in rubber weatherstrip manufacturing under real process conditions imposed in a commercial extrusion line

Abstract

The weather-strip manufacturers aim to reduce one of their main costs, trial scrap, to be competitive and to have a lower carbon foot. Annual scrap rates of sealing systems are mainly caused by extrusion dies and process-related issues. Roughly 70% of scraps resulted from the extrusion die fine tunings. We can categorize the defects as flow-related and process-related which are caused by the extrusion die again. Dead zones, over pressurizing a location in fluid channels, miss calculating an exit, etc. are flow-related defects. Over-curing, under-curing, heating issues, etc. are process-related defects. Die swelling-related defects can be categorized as both flow-related and process-related. Many works in the literature on the die-swelling phenomenon have basically approached the phenomenon without implementing complex extrusion process parameters which are influencing even the simplest extrusion products. Even the smaller extrusion speed arrangements drastically change the behavior of die-swelling outputs. To reach the high number of needs of the global market, weather-strips are produced by the extrusion method. Extrusion is a continuous production method in which raw material is fed on the extruder side and the extrudate is pulled downstream of the extruder. Both extruder rate and puller speed affect the die-swelling ratios. Die-swelling can be positive or negative(shrinkage) at the end of the line after the extrudate is cured. Positive results are caused when the extruder speed dominates over the puller speed and vice versa. The innovative aspect of this thesis, we have developed a measurement method by dividing extruder speed (ES) over puller speed (PS) in order to predict swelling ratios two-dimensionally and directly related to extrusion process conditions. To understand die-swelling we have developed an indicator based on ES/PS value with the help of extrusion process trials. Then a dimensionless Extrudate Speed Number (ESN) established to understand the effects of process conditions on die-swelling. To compare die-swelling values over process conditions we have used dimensionless ESN results instead of ES/PS. Besides the physical effects, the compound type is also important for the swelling ratio. The filler percentage for the rubber compounds has an important role in the die-swelling occurrences. Filler-rich sponge-like compounds have a more swelling tendency than the relatively lower-filled solid compounds. This difference can be observed in pro and post-cured phases.Otomobil sızdırmazlık profili üreticileri rekabet güçlerini arttırabilmek ve düşük bir karbon ayak izine sahip olabilmek için ana maliyet kalemlerinden biri olan deneme hurda miktarlarını her yıl azaltmayı hedeflerler. Sızdırmazlık elemanlarının bu hurda miktarları ekstrüzyon kalıpları ve üretim prosesinden kaynaklanmaktadır. Kabaca bu hurdanın %70’i ekstrüzyon kalıplarından dolayı oluşmaktadır. Hurdaya sebep olan durumları proses-tabanlı ve akış-tabanlı olarak sınıflandırabildiğimiz gibi yine bu sınıflandırmalardan dolayı oluşan hurdalarda ekstrüzyon kalıbı ana rolü üstlenmektedir. Kalıp içi ölü noktalar, akış kanalındaki bir bölgede oluşan yüksek basınç, yanlış hesaplanmış kalıp çıkışı vb. akış-kaynaklı hatalardır. Hamur kompozisyonun fazla pişmesi, düşük pişme gerçekleşmesi, ısıtma kaynaklı problemler proses-tabanlı hatalardır. Kalıp şişmesiyle ilgili kusurlar hem akışla ilgili hem de süreçle ilgili olarak kategorize edilebilir. Kalıp şişmesi fenomeni ile ilgili literatürdeki birçok çalışma, temel olarak günlük karmaşık ekstrüzyon proses parametleri uygulanmadan yapılmıştır ki bu parametlerdeki ufak değişklikler bile kalıp şişmesine oldukça etki etmektedir. Oldukça düşk ekstrüzyon hız değişmleri bile kalıp şişmesi çıktılarına büyük ölçüde etken etmektedir. Otomobil sızdırmazlık profilleri yıllık pazar ihtiyaçlarını karşılamak için ekstrüzyon yöntemi ile üretilmektedir. Ekstrüzyon, ekstrüder tarafından beslenen ve her zaman hat sonunda bir çekme kuvveti olan sürekli bir üretim yöntemidir. Hem ekstrüder hızı hem de çekici hızları kalıp şişmesine etki etmektedirler. Kalıp şişmesi, hat sonunda ve pişme gerçekleştikten sonra artı veya eksi sonuçta olabilir. Artı sonuçlar ekstrüder hızının baskın olduğu durumlarda, eksi sonuçlar ise çekici hızlarının baskın olduğu durumlarda gerçekleşmektedirler. Bu tez çalışmasında, iki boyutlu olarak kalıp şişmesi v oranlarını proses koşullarına bağlı olarak tahmin edebilmek için ekstrüder hızını (ES) çekici hızına (PS) bölerek bir ölçüm yöntemi geliştirdik. Ekstrüder hızı baskın olduğu durumlarda kalıp şişmesi artı olarak gözlemlendi. Çekme hızının baskın olduğu durumlara ise kalıp şişmesi eksi olarak gözlemlendi. Kalıp şişmesini anlayabilmek için baskın etkileri inceleyerek ekstrüzyon denemelerinde ES/PS göstergesini geliştirdik. Ardından, proses koşullarının kalıp şişmesi değerleri üzerindeki etkilerini anlamak için boyutsuz bir Ekstrüde Hız Sabiti (ESN) değeri geliştirdik. ES/PS değerinden farklı olarak ESN boyutsuzdur ve kalıp şişmesini daha net ortaya çıkarmıştır. Fiziksel proses şartlarının yanında kullanılan karışımın tipi de kalıp şişmesinde önemli bir etkendir. Kauçuk malzemelerindeki dolgu oranları kalıp şişmelerinin gerçekleşmesinde önemli etkene sahiptirler.