Linie do produkcji i badań filamentu do drukarek 3D.

Produkcja filamentu do drukarek 3D to bardzo ceniona technologia. Uruchomiła innowacje przemysłowe, zapewniając opłacalne produkowanie szerokiej gamy filamentów koniecznych do drukarek 3D działających z wykorzystaniem technologii druku przyrostowego FDM.

Wytwarzanie filamentów topionych jest jedną z najczęściej stosowanych technologii, które znalazły maksymalną liczbę zastosowań we wszystkich rodzajach sektorów wytwórczych, w tym biomedycznych, lotniczych, samochodowych, farmaceutycznych, budowlanych, elektrycznych i elektronicznych spożywczych i różne inne.

Linie do produkcji filamentów do drukarek 3D charakteryzują się wysokimi prędkościami liniowymi produkcji filamentu, precyzją i dokładnością wymiarową filamentu, energooszczędnością oraz intuicyjną obsługą przy zachowaniu dużych możliwości sterowania całym procesem produkcji filamentu. Aby wyprodukować filament do drukarek 3D, należy użyć tworzywa w postaci granulatu, stopić i uplastycznić je, uformować z roztopionego tworzywa ciągły filament, a następnie nawinąć go na szpulę nawijarki.

To może wydawać się łatwe, zadanie do wykonania jednak dobry filament do drukarki 3D, który faktycznie dobrze się drukuje, musi być całkowicie jednorodny i homogeniczny pod względem składu. Kluczowymi parametrami określającymi jakość filamentu do drukarek 3D jest jego średnica oraz owalność. Zmiana średnicy lub owalności filamentu o kilka setnych części milimetra może skutkować niską jakością druku 3D. Tanie linie i wytłaczarki do filamentu 3D generalnie produkują filamenty niskiej jakości, ponieważ nie są w stanie utrzymać jakości, jaka jest niezbędna do płynnego drukowania. Niezwykle szybko rozwijająca się branża druku 3D rzuca wyzwanie producentom linii do produkcji filamentów dla drukarek 3D oraz producentom tworzyw sztucznych. Proces drukowania 3D wprowadza nowy poziom zmienności.

Współcześni klienci wykorzystujący technologię druku 3D nie lubią długo oczekiwać na nowe filamenty do dukarek 3D i wolą szybko zachwycać się nowymi pomysłami i wynalazkami. Stanowi to problem dla większych producentów przemysłowych z ich długimi cyklami rozwoju produktów i niemożnością wytwarzania produktów dostosowanych do potrzeb klientów.

Produkcja filamentu do drukarek 3D- wymagania stawiane liniom do produkcji filamentu.

Profesjonalna wydajna linia do wytwarzania filamentów do drukarek 3D.

Rys.1 Profesjonalna wydajna linia do wytwarzania filamentów do drukarek 3D. Link do parametrów technicznych linii

Miniaturowe linie do wytwarzania filamentów do drukarek 3D.

Rys. 2 Miniaturowe linie do wytwarzania filamentów do drukarek 3D.

Ponieważ filamentom do drukarek 3D pracujących z wykorzystaniem technologii FDM stawiane są bardzo wysokie wymagania dotyczące jednorodności, średnicy oraz owalności linie służce do ich produkcji również musza spełniać wysokie wymagania techniczne.
Przemysłowe linie do produkcji filamentu do drukarek 3D musza mieć modułowa konstrukcje podatną na modyfikacje urządzeń i procesu wytwórczego. Wszystkie urządzenia zastosowane w linii musza być łatwe do czyszczenia w celu zmiany produkowanego filamentu.

Wytłaczarki do produkcji filamentu do drukarek 3D.

Wytłaczarka filamentu zastosowana w linii musi posiadać wysoką zdolność do wytłaczania z granulatu jednorodnego stopu o wysokiej jednorodności. Parametry takie jak prędkość obrotowa ślimaka, temperatury strefy karmienia, temperatury stref układu uplastyczniającego powinny być bardzo stabilne w długich okresach. Wymaga to zastosowania w wytłaczarkach nowoczesnych napędów o wysokiej stabilności oraz pozwalających regulować prędkość obrotową ślimaka wytłaczarki w szerokim zakresie. Wymagania stawiane układom ogrzewającym i chłodzącym cylinder wytłaczarki również są wysokie. Należy dobrze zaprojektować cały system oraz zastosować dobrej jakości regulatory temperatury najlepiej w postaci sterownika przemysłowego PLC. Program sterowania powinien pozwalać na dostosowanie profilu termicznego wytłaczarki do prowadzonego procesu wytłaczania filamentu do drukarek 3D. Wytłaczarka filamentu powinna być przystosowana do łatwej i szybkiej wymiany ślimaka bez konieczności demontażu elementów linii.

Linia do wytłaczania filamentu z granulatu powinna być wyposażona w pompę stopionego tworzywa w celu ograniczenia pulsacji ciśnienia tworzywa oraz zapewnienia stabilnego wypływu tworzywa z głowicy do filamentu. Powinna być zapewniona możliwość korzystania z linii bez użycia pompy tworzywa. Pompa tworzywa powinna być wyposażona w precyzyjny i stabilny system regulacji temperatury stopu oraz przetworniki ciśnienia zastosowane na wejściu i wyjściu pompy.

Głowica wytłaczarki jest tym elementem linii do produkcji filamentu, który w zależności od narzędzia formującego, ustala ostateczny kształt wytłaczanej filamentu do drukarek3D. Wszystkie części mające kontakt z tworzywem sztucznym są poddane procesowi azotowania, co pozwala na uzyskanie dużej odporności na ścieranie. Głowica jest grzana grzałkami opaskowymi i są w niej umieszczone gniazda do podłączenia czujników temperatury oraz czujnika ciśnienia. Głowica do wytłaczania filamentu powinna pozwalać na montaż do pompy tworzywa lub bezpośrednio do wytłaczarki.

Głowica do filamentu powinna być mocowana za pomocą łatwego do obsługi zamknięcia klinowego. Głowica formująca filament do drukarek 3D zwykle posiada dwa narzędzia do wytwarzania żyłki o średnicach 1,75 mm i 2,85 mm. Głowica do filamentu jest grzana elektrycznie. Dokładność średnicy wytłoczonego filamentu nie powinna być gorsza niż ±0,05 [mm]. Wymiana narzędzia powinna być łatwa i nie wymagać stosowania specjalistycznych narzędzi. Wszystkie elementy głowicy mające styczność z tworzywem są azotowane do twardości 1000^oHV i na głębokość nie mniejszą niż 0,5 mm.

Wanny chłodzące wytłaczany filament.

Linia powinna być wyposażona w dwie wanny chłodzące wytłaczany filament do drukarek 3D.
Pierwsza wanna powinna na wejściu do wody zapewniać kalibrację wytłaczanego filamentu w celu poprawy kształtu i zachowania wymaganej średnicy. Pierwsza wanna powinna być wyposażona w urządzenia umożliwiające regulację oraz utrzymywanie stabilnej temperatury wody w zakresie do ok 80oC.Obiegi wody procesowej oraz chłodzącej powinny być oddzielone od siebie za pomocą wymiennika ciepła, obieg wody procesowej powinien umożliwiać precyzyjną regulacje przepływu.
Druga w linii wanna ma za zadanie chłodzenie filamentu oraz powinna być wyposażona w system osuszana filamentu. Obiegi wody procesowej oraz chłodzącej powinny być oddzielone siebie za pomocą wymiennika ciepła, obieg wody procesowej powinien umożliwiać precyzyjną regulacje przepływu. Przepływ wody chłodzącej nie powinien powodować drgań chłodzonego filamentu do drukarek 3D.

Odciąg gąsienicowy do filamentu.

Do transportu wytłaczanego filamentu, służy odciąg odbiorczy. Odciąg gąsienicowy jest urządzeniem uniwersalnym, ponieważ umożliwia transport profili o różnych przekrojach poprzecznych a nie tylko filamentu do drukarek 3D. Odciąg jest bardzo istotnym elementem linii, ponieważ odpowiada również za dokładność wymiarową żyłki lub filamentu. Precyzyjne sterowanie prędkością liniową pozwala na bardzo dokładną regulację wymiarów filamentu. Odciąg gąsienicowy współpracuje z urządzeniem pomiarowym. Wyniki pomiaru średnicy żyłki lub filamentu są analizowane przez cyfrowy system sterowania linią. Dzięki temu prędkość odciągu może być regulowana w taki sposób, aby zapewnić niezmienność wymiarową wytłaczanej żyłki lub filamentu. Odciąg powinien posiadać parę gąsienic o regulowanej odległości symetrycznie względem filamentu. Regulacja odległości gąsienic powinna być precyzyjna. Pomiar odległości wzajemnej gąsienic również powinien być precyzyjny. Odciąg powinien być wyposażony w dwa siniki [każda gąsienica napędzane jest niezależnie. Wszystkie funkcje odciągu powinny być sterowane z niezależnego dotykowego panelu operatora, ponieważ jest to bardzo użyteczne rozwiązanie ze względu na znaczna odległość odciągu od wytłaczarki.

Pomiar średnicy i owalności filamentu do drukarek 3D.

Do pomiaru średnicy filamentu w dwóch lub trzech osiach, dla filamentu przeźroczystego i nieprzeźroczystego służy laserowy miernik z zintegrowanym wyświetlaczem pomiaru. Pomiar średnicy jest kluczowym elementem w procesie produkcji filamentu do drukarek 3D i powinien być realizowany z dokładnością sięgającą tysięcznych części mm.
Kompensator pionowy jest w istocie magazynem wytłaczanego filamentu, który odbiera i magazynuje wytłaczany filament w trakcie wymiany szpul na nawijarce dwuwrzecionowej. Kompensator pozwala operatorowi na łatwą zmianę szpuli bez konieczności przerywania procesu wytłaczania filamentu.

Nawijanie filamentu na szpule.

Nawijarka filamentu umożliwia nawijanie w ciągu technologicznym. Powinna być wyposażona w łatwy w obsłudze i niezawodny mechanizm mocowania szpul. Powinna być wyposażona w licznik długości nawiniętego filamentu oraz miernik siły naciągu, który zapewnia stały i stabilny naciąg filamentu. Wszystkie funkcje nawijarki powinny być sterowane z niezależnego dotykowego panelu operatora wyposażonego w cyfrowy sterownik PLC. Zastosowanie ekranu dotykowego ułatwia obsługę, ponieważ operator nie jest zmuszony podchodzić do głównego panelu operatora umieszczanego zwykle przy wytłaczarce filamentu.

Sterowanie liniami do produkcji filamentu do drukarek 3D.

Wymagania techniczne i użytkowe stawiane linii do produkcji filamentu do drukarek 3D nie są małe, dlatego oprogramowanie pozwalające na zarządzanie wszystkimi urządzeniami pracującymi w linii powinno zapewniać:

Ciągłą kontrole oraz wizualizację parametrów wytłaczania takich jak: ciśnienie, temperatura, obroty, moment obrotowy, zużycie energii.

Umożliwiać kontrolę oraz sterowanie procesem i urządzeniami linii.
Umożliwiać zapis do pamięci receptur produkowanego filamentu do drukarek 3D.
Umożliwiać zapis parametrów do bazy danych w celu późniejszej analizy i archiwizacji, wyświetlanie wykresów on-line oraz pracę w sieci zakładowej a nawet globalnej.
Możliwość transmitowania parametrów pracy poprzez sieć Ethernet w dowolne miejsce na komputery, tablety itp.
Oprogramowanie powinno posiadać możliwość dostosowania do oczekiwań klientów.
Do wytłaczaki powinny być dostępne różne rodzaje ślimaków dostosowane do wytłaczania tworzyw takich jak PLA, ABS, EVA, PET oraz innych.

Podsumowanie ważnych cech linii do produkcji filamentów do drukarek 3D.

Produkując filament przetwarzamy różnorodne polimery, mieszanki polimerów oraz ich kompozyty. Ponadto mamy do czynienia z barwnikami, ponieważ filamenty do drukarek 3D występują w szerokiej palecie kolorów (barw). Wszystkie te czynniki wpływają na właściwości reologiczne wytłaczanego stopu, wymagają doprania odpowiedniego profilu temperatur przetwarzania oraz pozostałych ustawień linii do produkcji filamentu. Liczba możliwych kombinacji może przyprawiać o zawrót głowy. Nie należy zapominać o tym, że filamenty do drukarek 3D muszą być dokładnie okrągłe oraz zachowywać wąską tolerancje wymiarów, klienci oczekują, aby średnica najbardziej popularnych filamentów wynosiła 1,75mm a odchyłka średnicy nie przekraczała +/- 0,05mm, rynek oczekuje filamentów, których odchyłka średnicy nie przekracza wartości +/- 0,02mm. Wszystkie te czynniki powodują, że linie przeznaczone do produkcji filamentów musza spełniać rygorystyczne wymagania zwłaszcza pod względem powtarzalności i stabilności parametrów mechanicznych, elektrycznych i termicznych w długim okresie czasu. Jeżeli linia do produkcji filamentów nie będzie spełniała tych kryteriów to będziemy mieli do czynienia z dużymi stratami czasu koniecznego do uruchomienia produkcji o powtarzalnych parametrach oraz stratami surowca i energii co będzie miało wpływ na rentowność produkcji filamentów.

Aby spełnić oczekiwania klientów nasze linie do produkcji filamentów zostały zaprojektowane od podstaw do realizacji zadania, którym jest produkcja filamentów o wysokich parametrach. Dlatego wszystkie urządzenia, które składają się na linię posiadają dokładnie takie parametry jakie są konieczne do realizacji zadania. Również systemy sterowania urządzeniami składającymi się na linię zostały połączone w cyfrową sieć dzięki czemu możemy sterować wszystkimi urządzeniami z poziomu jednego panelu dotykowego. Aby ułatwić pracę linia jest wyposażana w trzy ekrany dotykowe dzięki czemu operator nie musi przemieszczać się zawsze do jednego monitora. Dodatkowa korzyścią jest możliwość używania urządzeń takich jak ciągnik gąsienicowy czy nawijarka jako urządzeń, które mogą pracować samodzielnie lub w innych liniach do wytłaczania. Oprogramowanie linii zostało zaprojektowane specjalnie do produkcji filamentu i dlatego ułatwia rozruch linii oraz przezbrojenie do produkcji innego filamentu raz zapewnia precyzyjną kontrolę temperatury procesu wytłaczania filamentu. Połączenie wszystkich urządzeń linii za pomocą cyfrowej sieci komunikacyjnej poprawia wygodę obsługi, zwiększa niezawodność całego systemu sterowania, umożliwia zdalny dostęp serwisu do parametrów wszystkich komponentów automatyki linii oraz pozwala sterować urządzeniami linii bezprzewodowo np. z poziomu tabletu.