Устройство и способы управления экструдером для производства филамента

Экструдером называется устройство, предназначенное для формовки пластичных материалов в соответствии с заранее заданными требованиями.

Наиболее перспективным направлением применения экструдера в домашних и промышленных целях является 3Д печать.

Стремительное развитие 3Д печати заставляет владельцев 3Д принтеров задумываться о качестве филамента (нити), служащего строительным материалом для получаемых изделий. Выбор филамента затрудняется в зависимости от сложности и технических требований к изделиям. В связи с этим, улучшение качества производимого филамента и возможность переналадки позволят оптимизировать, а так же повысить эффективность производства филамента, в зависимости от требований заказчика.

Материалы применяемые в 3Д печати

В настоящее время существует ряд материалов из которых производиться нить, применяемая в 3Д печати, основными из них являются: PLA полилактид, ABS акрилонитрилбутадиенстирол, PVA поливиниловый спирт, Nylon нейлон, HIPS ударопрочный полистирол, PET полиэтилентерефталат [1].

PLA полилактид производиться из таких экологичных растительных материалов как сахарный тростник, кукуруза. Применение данного материала позволяет добиваться разной степени прозрачности, температура процесса экструзии изменяется в диапазоне 170-210, изделия обладают более высоким значением жесткости по сравнению с ABS, изделия приобретают глянцевую поверхность, обладает низкой усадкой.

Среди недостатков PLA стоит отметить не высокую прочность и долговечность, способность накапливать и впитывать влагу,

ABS акрилонитрилбутадиенстирол является полимером, более гибкий по сравнению с PLA, температура экструзии находиться в пределах 170-180, не подвергается воздействию кислот и влаги.

Недостатками данного материала считаются большая усадка (0,8%), более сложный процесс производства, не экологичность, низкие показатели липучести, выделение акрилонитрила при воздействии высоких температур.

PET нить по праву стоит считать наиболее прогрессивным материалом для применения в 3Д печати. PET филамент можно производить как из новых пластиковых гранул, так и путем переработки использовавшегося пластика. Использование пластика в качестве вторсырья позволит не только более разумно подходить к вопросам утилизации пластиковых отходов, но и получать материал для изделий 3Д печати.

Рассматривая свойства материала стоит выделить не взаимодействие с кислотами и щелочами, безопасен для использования в пищевой промышленности, широкий рабочий диапазон температур, высокая прозрачность и ударопрочность.

Использование PET затрудняется сложным процессом производства самой нити, высокая температура экструзии 260, большая усадка (2%) [2].

Устройство экструдера

Типовой экструдер состоит из:

Камеры нагрева, служащей для плавления полимера за счет индукционных или резистивных нагревателей. Анализируя материалы из которых изготавливается филамент можно сказать, что мощность нагревательных элементов подбирается под конкретный материал в зависимости от температуры экструзии;

Загрузочного узла, для размещения исходного сырья;

Рабочего органа, за счет которого осуществляется перемещение сырья внутри системы. По мимо транспортной функции рабочий орган выполняют функцию поддержания давления в системе. Наиболее применимым механизмом оказались шнековые экструдеры;

Механический привод, представляющий из себя систему редуктор-двигатель, для создания усилия передающегося на рабочий орган;

Экструзионная головка, задающая форму получаемого изделия;

Система управления, за счет которой создается, контролируется и поддерживается технологический процесс переработки сырья в готовое изделие.

Исходное сырьё засыпается (вручную или с помощью специального загрузчика) в бункер экструдера. Из бункера, минуя горловину загрузочной воронки, сырьё попадает в загрузочную зону шнека, а затем транспортируется по цилиндру пластикации. От сдавливания, перемешивания и контакта с нагретым цилиндром и шнеком полимерное сырьё расплавляется и превращается в однородную массу — расплав [3].

Система управления экструдера

Система управления экструдера в своем типовом варианте состоит из контроллера, программируемого на исполнение операций различных агрегатов экструдера, соединенная с системой датчиков. Состав датчиков и агрегатов определяется технологическими требованиями к процессу экструзии, в зависимости от входного материала, температуры экструзии, скорости движения филамента внутри системы, усилия необходимого для передвижения филамента, при этом должен осуществляться непрерывный процесс контроля качества изделия на выходе.

Предполагается, что зная функциональный состав системы производства полимерной нити и расчитав основные параметры технологического процесса, можно создать систему управления экструдером на базе arduino. Данная система будет обладать рядом приемуществ, таких как относительная простота настройки параметров, непрерывный контроль параметров за счет возможности подключения различных датчиков, возможность саморегулирования и самонастройки системы.

Функциональная схема экструдера

Одна из возможных функциональных схем экструдера червячного типа описана в патенте Попова Э.Б [4].

Данная схема применима для производства различных длинномерных изделий, в том числе и синтетических нитей.

В работе [4] приводиться элементный состав линии производства полимерной нити и подробное описание проведения расчетов основных параметров экструдера, для насройки системы управления под конкретное изделие.