Przetwarzanie tworzyw sztucznych metodą wytłaczania

Wytłaczanie tworzyw termoplastycznych oraz ich kompozytów jest kluczową technologią stosowaną do produkcji filamentów do drukarek 3D. Filament wydaje się prostym produktem jest to żyłka o średnicy 1,75 mm lub 2,85 mm niby nic takiego. Jednak, kiedy spojrzymy na oferty sklepów internetowych oferujących filamenty do drukarek 3D np. filament24.pl to mnogość dostępnych odmian polimerów dostępnych w całej palecie kolorów przyprawia o zawrót głowy. Mało tego filamenty są napełnianie (wzmacniane) różnymi dodatkami. Dodatki do filamentów to proszki mineralne, metalowe włókna, inne. Aby sprostać wymaganiom rynku filamentów producenci muszą dysponować wiedzą technologiczną na wysokim poziome oraz co ważne wytłaczarkami, które potrafią przetwarzać bardzo różnorodne tworzywa sztuczne wraz z dodatkami i barwnikami. Produkowanie filamentów do drukarek 3D nie jest prostym zadaniem.

Wytłaczanie za pomocą extruderów to sposób przetwórstwa tworzyw polimerowych który ma duże znaczenie gospodarcze.

Przetwarza się dzięki temu procesowi ponad 50% wytwarzanych materiałów z tworzyw sztucznych. Wytłaczanie (ekstruzja) to nie jest proces prosty do przeprowadzenia w praktyce.

Nie da się zbudować dobrej wytłaczarki bez dogłębnej wiedzy z zakresu zjawisk zachodzących w układzie uplastyczniającym wytłaczarki. Konieczna jest wiedza z zakresu materiałoznawstwa oraz technologiczna z zakresu przetwarzania tworzyw sztucznych. Urządzenie do wytłaczania jest obiektem trudnym do sterowania. Problemy mogą pojawiać się w układzie uplastyczniającym wytłaczarki lub w procesie formowania materiału polimerowego. Warunki panujące w wytłaczarce, takie jak wysoka temperatura, wysokie ciśnienie, znaczne naprężenia ścinające oraz obecność różnych napełniaczy, mogą powodować przyśpieszone zużycie podzespołów maszyn przetwórczych do tworzyw sztucznych. Extruder zbudowany jest z trzech podstawowych układów: napędowego, sterowania i uplastyczniającego, a także z komponentów pomocniczych.

W procesie ekstruzji bardzo ważną rolę odgrywa układ uplastyczniający wytłaczarki zbudowany z cylindra oraz ślimaka [ślimaków], który stanowi kluczowy podzespół każdej wytłaczarki. Konkretny typ układu uplastyczniającego wytłaczarki dobierany jest adekwatnie do specyfiki przetwarzanego tworzywa. Ślimak wytłaczarki odpowiada bowiem za jakość i konsystencję wytłaczanego tworzywa. Istnieje wiele możliwych konfiguracji ślimaków stosowanych w wytłaczarkach. Kluczowymi parametrami wytłaczarki są jakość uplastycznienia materiału oraz jego homogenizacja, czyli dokładne wymieszanie składników. W cylindrze, w wyniku ruchu obrotowego ślimaka [ślimaków], materiał jest transportowany w kierunku głowicy. Tworzywo przemieszczające się w cylindrze wytłaczarki dostaje się do ogrzewanej strefy, gdzie ulega stopieniu, a następnie homogenizacji materiałowej i termicznej. Uplastyczniony i wymieszany stop podawany jest z odpowiednią wydajnością i z odpowiednim ciśnieniem do głowicy wytłaczarki, gdzie materiał jest formowany przyjmując kształt ustnika.

O złożoności problematyki wytłaczania tworzyw sztucznych świadczy duża liczba rozwiązań konstrukcyjnych stosowanych przy projektowaniu i wytwarzaniu wytłaczarek. Celem jest uzyskanie poprawy wydajności procesu, poprawy jakości wyrobów oraz bardziej efektywnego uplastyczniania tworzyw, w tym materiałów trudno przetwarzalnych [np. niestabilnych termicznie].

W technologii wytłaczania decydujące znaczenie ma uplastycznianie, czyli odpowiednie przejście tworzywa wejściowego, na skutek nagrzewania, sprężania, ruchu i działania sił ze stanu na ogół stałego w stan plastyczny. Proces ten jest najważniejszym czynnikiem determinującym wydajność wytłaczania i jakość otrzymanej wytłoczyny. Tworzywo polimerowe po procesie uplastyczniania musi charakteryzować się określonymi parametrami, a więc temperaturą, ciśnieniem, stopniem homogenizacji, prędkością ruchu i natężeniem przepływu. Przy czym, występują większe lub mniejsze wahania tych wielkości, charakteryzowane określonym okresem i daną amplitudą.

Układ uplastyczniający wytłaczarki spełnia cztery funkcje podstawowe:

• nagrzewanie tworzywa, prowadzone w celu zapewnienia zadanego przebiegu zmian stanów fizycznych tworzywa przetwarzanego, określanego temperaturą i jej fluktuacją. Dostarczyć energii cieplnej koniecznej do ogrzania tworzywa do wymaganej przez proces temperatury, w celu stopienia polimeru.
• sprężanie mechanicznie tworzywa w celu usunięcia powietrza spomiędzy jego granulek. A następnie wytworzyć w stopionym tworzywie stabilne ciśnienie mające na celu uzyskanie w tworzywie przetwarzanym zadanego przebiegu zmian ciśnienia, określanego wartością ciśnienia i jego pulsacją.
• mieszanie, zapewniające homogenizowanie, czyli ujednorodnienie składu i właściwości, głównie cieplnych i mechanicznych, jak również struktury tworzywa przetwarzanego oraz równomiernego w masie nagrzania stopu do wymaganej temperatury
• transportowanie, umożliwiające przemieszczanie tworzywa przez układ z uzyskaniem na jego końcu potrzebnej prędkości wypływu tworzywa z określonym natężeniem i ustaloną fluktuacją oraz pulsacją.

Czasami układ uplastyczniający jest skonstruowany do spełniania także funkcji pomocniczych, którymi mogą być na przykład odgazowanie lub spienianie. Najczęściej stosowanym w wytłaczarkach jednoślimakowych jest klasyczny ślimak trójstrefowy

Ślimak trójstrefowy wytłaczarki jednoślimakowej.

Rys.1 Strefy przetwórcze ślimaka wytłaczarki określane są przez zmieniającą się wysokość kanału ślimaka:

• W strefie zasilania wysokość kanału ślimaka jest stała i jest największa,
• W strefie sprężania wysokość kanału ślimaka zmniejsza się najczęściej jest to zmiana liniowa.
• W strefie dozowania wysokość kanału jest stała i ma wartość najmniejszą.

Rys.2 Przykłady ślimaków o różnych konfiguracjach.

Wielkości geometryczne które charakteryzują ślimak wytłaczarki:

L/D – długość części roboczej przedstawiana liczbą kalibrów [średnicy cylindra wytłaczarki] np. L/D=32.

• D – średnica zewnętrzna.
• H – wysokość kanału (0,12-0,2D).
• W – szerokość kanału (0,75-1,2D).
• S – skok linii śrubowej zwoju,
• φ – kąt pochylenia zwoju.
• e – szerokość zwoju).
• R – stopień sprężania.

Rys.3 Wielkości geometryczne ślimaka wytłaczarki.

Kąt pochylenia zwoju ślimaka wytłaczarki [kąt helisy] i wydajność wolumetryczna

W wytłaczaniu kąt helisy to kąt między spiralą a płaszczyzną poprzeczną do osi ślimaka wytłaczarki. Dla większości zastosowań skok zwoju ślimaka wytłaczarki jest równy jego średnicy. Wydajność wolumetryczna zależy od kąta helisy. Wydajność objętościowa zależy tylko od kąta spirali, a w przypadkach, gdy skok jest równy średnicy (= 17°40), wówczas sprawność objętościowa wynosi 45,4%.

Energia zużyta na obracanie i pompowanie tworzywa do przodu układu uplastyczniającego wytłaczarki zamienia się w ciepło. Ponieważ materiał również jest ścinany, wytwarzane ciepło jest znane jako ciepło ścinające. Ciepło ścinające nie jest równomiernie rozłożone w całym materiale, ale jest największe tam, gdzie szybkość ścinania jest najwyższa. Ilość wydzielanego ciepła może być na tyle wysoka, że może powodować miejscowe przegrzanie i rozkład materiału lub jego degradację. Dla danego materiału ilość wydzielanego ciepła ścinającego zależy od prędkości i średnicy ślimaka. Jeśli to możliwe, rozmiar wytłaczarki powinien być dopasowany do przewidywanej wydajności. Możliwe jest osiągnięcie wymaganej wydajności przy małej średnicy ślimaka wytłaczarki pracującej szybko lub przy maszynie o większej średnicy pracującej wolniej. Ogólnie stwierdza się, że większa maszyna wytworzy stopienie w znacznie niższej temperaturze i osiągnie wyższe wyniki. Z tego powodu wytłaczarki pracujące z wysokimi obrotami powinny być wyposażone w wydajne układy chłodzące stref cylindra.

Skok zwoju ślimaka wytłaczarki do tworzyw sztucznych.

Skok zwoju ślimaka wytłaczarki definiuje się jako odległość między dwoma kolejnymi zwojami. Skok zwoju ślimaka jest bezpośrednio związany z kątem spirali ślimaka, który jest kątem między zwojem śruby a płaszczyzną prostopadłą do osi śruby. Jeśli podziałka ma być równa średnicy ślimaka, nazywana jest podziałką kwadratową. Należy zauważyć, że skok kwadratowy nie zawsze jest optymalnym skokiem dla konstrukcji ślimaka. W rzeczywistości optymalny skok lub alternatywnie optymalny kąt spirali można obliczyć na podstawie reologii wytłaczanych materiałów.

Stopień sprężania ślimaka wytłaczarki do tworzyw sztucznych.

Współczynnik kompresji jest ważnym parametrem do oceny podczas projektowania ślimaków ekstruderów. Może być określony przez stosunek głębokości kanału (lub alternatywnie objętości kanału) w sekcji podawania do głębokości w sekcji dozowania. Ten pierwszy jest znany jako współczynnik kompresji głębokości, a drugi to współczynnik kompresji objętościowej. W przypadku śrub specjalnych, takich jak śruby barierowe, uwzględnienie współczynnika kompresji wolumetrycznej (VCR) jest bardziej niezawodnym parametrem projektowym niż współczynnik kompresji głębokości (CR), ponieważ skok zabieraka zmienia się również z sekcji zasilającej na sekcje przejściowe i pomiarowe w ich projektowaniu ślimaków. Warto wspomnieć, że wartość CR może być również mylącym parametrem w projektowaniu ślimaków. Na przykład, jeśli głębokość kanału zmienia się z 16 mm w sekcji podawania do 4 mm w sekcji dozowania, CR wynosi 4:1. Jednak ten sam stopień kompresji zostanie osiągnięty, jeśli głębokość kanału zmieni się z 12 mm w sekcji podawania do 3 mm w sekcji dozowania. Te dwa ślimaki zachowują się zupełnie inaczej pomimo tego, że mają identyczny stopień kompresji. Ważnym parametrem w konstrukcji ślimaków wytłaczarek, ściśle powiązanym ze stopniem sprężania, jest nachylenie odcinka przejściowego. W celu uzyskania wydajnego topnienia, stopień sprężania i nachylenie sekcji przejściowej powinny być starannie dopasowane do szybkości topnienia przetwarzanego polimeru. Stopień kompresji ślimaka zależy również od ściśliwości przetwarzanych materiałów. Ściśliwość, czyli zdolność materiałów sypkich (np. proszki) do zajmowania mniejszej objętości podczas ściskania, wpływa na wydajność topienia przetwarzanych materiałów. Dlatego do wytłaczania materiałów o wysokiej ściśliwości generalnie zaleca się stosowanie ślimaka o wysokim stopniu kompresji.

Stosunek długości do średnicy (L/D) ślimaków wytłaczarek.

Kolejnym kluczowym parametrem w konstrukcji śrub jest stosunek długości do średnicy (L/D). Definiuje się go jako stosunek długości ślimaka do jego średnicy. Typowe stosunki L/D ślimaka wynoszą od 20:1 do 36:1 a nawet do 52:1. Długość ślimaka zależy od liczby odcinków branych pod uwagę przy projektowaniu ślimaka, co z kolei zależy od zastosowania i przetwarzanych materiałów. W przypadku konwencjonalnych ślimaków z trzema strefami funkcjonalnymi (tj. strefy podawania, kompresji i dozowania) typowy stosunek L/D wynosi 24:1 do 32:1. Jednak w przypadku procesów, w których wymagany jest stop wysoce homogeniczny i wolny od żelu oraz topienie o stałej temperaturze i ciśnieniu, potrzeba dodatkowych sekcji jest nieunikniona. Na przykład, do konstrukcji tych ślimaków często dodaje się jeden lub więcej dodatkowych elementów mieszających, aby zapewnić równomierne dostarczanie stopu do matrycy. Dlatego w tych zastosowaniach ślimak powinien być dłuższy, aby pomieścić dodane sekcje. Wtedy typowy stosunek L/D dla ślimaków stosowanych w procesach wytłaczania wynosi 32:1. W procesach, w których wymagane jest odgazowanie (tzw. śruba dwustopniowa), zwykle zalecane są ślimaki o stosunku L/D większym niż 32:1.

Prześwit pomiędzy ślimakiem a cylindrem wytłaczarki.

Prześwit pomiędzy ślimakiem a cylindrem wytłaczarki jest miarą przestrzeni między zewnętrzną średnicą ślimaka a ścianą cylindra układu uplastyczniającego. Niewłaściwy prześwit będzie miał negatywny wpływ na działanie układu uplastyczniającego. Mały prześwit może powodować nadmierne zużycie ślimaka, natomiast duży prześwit może zmniejszyć wydajność topienia ślimaka. To ostatnie występuje, ponieważ duże prześwity mogą pozwolić na gromadzenie się grubej warstwy stopionej na powierzchni cylindra, co zmniejsza przewodność cieplną przez cylinder. Duży luz pomiędzy ślimakiem a cylindrem ekstrudera, może również zmniejszyć zdolność pompowania ślimaka z powodu nadmiernego przepływu zwrotnego tworzywa.

Mieszanie tworzywa w wytłaczarce ślimakowej.

Ślimak wytłaczarki nie zawsze zapewnia bardzo dobre mieszanie wytłaczanego tworzywa. Wynika to ze sposobu, w jaki tworzywo przepływa lub jest transportowane wzdłuż układu uplastyczniającego. Tworzywo transportowane w kierunku osi podłużnej ślimaka wytłaczarki możenie być należycie wymieszane. Z tego powodu materiał wychodzący z maszyny nie będzie jednolitej jakości. Będzie niejednorodny, ponieważ ma niejednorodną historię ścinania. Dlatego ważne jest aby układ uplastyczniający rozbił aglomeraty zapewniając dobre mieszanie dyspersyjne. Drugim ważnym działaniem układu uplastyczniającego jest wytworzenie losowego rozkładu przestrzennego przetwarzanego materiału zapewniając mieszanie dystrybucyjne.

Aby zapewnić wysoka jakość wytłaczanego materiału istnieje tendencja do stosowania dłuższych układów wytłaczających o stosunku długości do średnicy [stosunek L/D] przekraczającym 25/1. Długie układy uplastyczniające są stosowane tam, gdzie wymagane są wysokie natężenia przepływu i doskonała jednorodność stopu. Będą one wytwarzać taką samą przepustowość jak krótsze układy, ale przy niższych prędkościach obrotowych ślimaków wytłaczarki. Jest to szczególnie ważne, gdy wytwarzane jest dużo ciepła, które musi być odprowadzone z układu. Zastosowanie dłuższego zespołu uplastyczniającego daje większą elastyczność działania, ponieważ istnieje więcej możliwości zastosowania elementów ścinających i mieszających. Niektóre wytłaczarki mają 32 D do 52 D długości.

Elementy intensywnego ścinania i mieszania tworzywa stosowane w ślimakach wytaczarek.

Otrzymanie wyrobu o wymaganej jakości z dużą wydajnością, umożliwiają ślimaki ekstruderów zaopatrzone w odpowiednie elementy homogenizujące tworzywo, tj. ścinające i mieszające, które zwykle są umieszczone w końcowej części ślimaka wytłaczarki. Celem działania elementów ścinających jest przede wszystkim przyśpieszenie równomiernego uplastycznienia tworzywa poprzez zamianę energii mechanicznej napędu ślimaka w energię cieplną. Zadaniem elementów rozprowadzających jest homogenizacja uplastycznionego tworzywa opuszczającego element ścinający. Ujednorodnienie uzyskuje się dzięki zastosowaniu układu mieszającego umieszczonego w strefie relaksacji, tj. strefie o zwiększonej wysokości kanałów. Charakteryzują się one tym, iż strumień tworzywa ulega w nim wielokrotnemu podziałowi na mniejsze strugi, które łączą się następnie ze sobą w innych konfiguracjach, co powoduje intensywne mieszanie uplastycznionego materiału. Należy zaznaczyć, iż stosowanie tych elementów powoduje wzrost mocy pobieranej przez napęd ekstrudera, a więc równocześnie wzrost temperatury uplastycznionego tworzywa. Element taki działa jak dławik, obniżając wydajność wytłaczania, lecz umożliwia prowadzenie procesu przy wyższych prędkościach obrotowych ślimaka i zapewnia otrzymania odpowiednio ujednorodnionego tworzywa i optymalnej jakości wyrobu.

Obecnie wiele ślimaków stosowanych w procesach wytłaczania ma element mieszający. Wynika to z faktu, że uzyskanie dobrej jakości produktu wymaga dostarczenia stopu tworzywa bardzo wysokiej jakości do dyszy, co nie jest łatwe do osiągnięcia bez sekcji mieszającej w ślimaku. Zasadniczo w wytłaczarce występują dwa rodzaje mieszania; mieszanie dyspersyjne i mieszanie dystrybucyjne. W procesach wytłaczania mieszadła dyspersyjne są używane głównie do usuwania żeli w stopie. Mieszalniki rozdzielcze służą do homogenizacji stopu, w szczególności do uzyskania stopu homogenizowanego termicznie. Jest to ważny problem w procesach ekstruzji, ponieważ słaba homogenizacja ma szkodliwy wpływ na końcową jakość produktu, zwłaszcza na jego jednorodność.

Opracowano już wiele rodzajów elementów mieszających do mieszania zarówno dyspersyjnego, jak i dystrybucyjnego, które znajdują zastosowanie w konstrukcjach ślimaków ekstruderów. Zasadniczo elementy mieszające o wysokim ścinaniu są używane głównie do mieszania dyspersyjnego. Należy zauważyć, że duża szybkość ścinania, a w konsekwencji wysokie naprężenie ścinające przyłożone do stopionego polimeru podczas przemieszczania się przez małą szczelinę biegu barierowego może podnieść temperaturę stopionego polimeru. Skręcony mikser Maddock, zwany również mikserem spiralnym ścinającym, odpowiednio zoptymalizowany może zmniejszyć wpływ ścinania na wzrost temperatury stopu. Mieszalnik ananasowy, zwykle używany jako mieszalnik dystrybucyjny, w sposób ciągły rozdziela i łączy różne strumienie stopu w celu uzyskania jednorodnego stopu polimeru. Jest znany jako element mieszający o niskim ścinaniu. W przypadku procesów wytłaczania, w których stopione tworzywo jest homogenizowane termicznie, ten mieszalnik może być bardzo pomocny.

Elementy mieszające stosowane w ślimakach wytłaczarek.

Geometrię elementów ślimaka wytłaczarki mieszających oraz ścinających należy odpowiednio dobrać do właściwości przetwarzanego materiału. Należy brać pod uwagę przy doborze właściwości układu uplastyczniającego wytłaczarki łącznie z głowicą kształtująca wytłaczany profil. Długość elementów ścinających i mieszających ślimaka wytłaczarki wnosi zazwyczaj 2-3 D. Elementy te umieszczane są zazwyczaj w końcowej części ślimaka lub w odległości 5-7 D od jego końca.

Stosowane są elementy mieszające jak poniżej:

• element typu torpeda.
• element Maddocka.
• element z zaporami poprzecznymi.
• element Maillefera.
• element z występami mieszającymi.
• element o nieciągłym uzwojeniu.
• element Rheotoc.
• element Dulmage (Dow).
• element Saxton (DuPont).

Rys.4 Strefy mieszające ślimaków wytłaczarek jednoślimakowych.

Rys.5 Zasada działania strefy mieszającej Maddocka.

Układ uplastyczniający wytłaczarki powinien najpierw zapewnić mieszanie dyspersyjne, a następnie wytworzyć mieszanie dystrybucyjne. Te dwa procesy mieszania można powtórzyć więcej niż jeden raz.
Sekcje mieszania dyspersyjnego.

Sekcje mieszające dyspersyjnego-można je podzielić na trzy główne grupy:

• pierścienie ścinające lub blistry.
• mieszalniki karbowane takie jak sekcje mieszające Egan, Maddock.
• mieszalniki barierowe poprzeczne takie jak EVK lub proste sekcje mieszania bariery krzyżowe.

Sekcje mieszania dystrybucyjnego-można je podzielić na cztery główne grupy:

• mieszalniki szczelinowe.
• mieszalniki pinowe.
• mieszalniki wnękowe.
• mieszalniki o zmiennej głębokości

Barierowy ślimak wytłaczarki.

Barierowy ślimak wytłaczarki jest uważany za najnowocześniejszą konstrukcję, która zawiera oddzielny kanał stopu, aby zapewnić pełne uplastycznienie przed sekcją dozującą. Konstrukcja ślimaka barierowego wykorzystuje zwój wtórny rozpoczynający się w strefie przejściowej, aby oddzielić stopiony polimer sąsiadujący ze zwojem pierwotnym od niestopionych granulek tworzywa. Unikając w ten sposób rozwoju dużej strefy topnienia w kanale pierwotnym, która spowalnia wydajne topnienie surowca. Ślimak ten wykorzystuje również pełną barierę obwodową na końcu sekcji przejściowej, aby zagwarantować plastyfikację całkowicie stopionego tworzywa przed końcowym mieszaniem i pompowaniem.

W przypadku ślimaka extrudera pozbawionego bariery część złoża granulek tworzywa rozpadnie się i zostanie stopiona w pierwszej kolejności. Pozostałe niestopione granulki można stopić tylko poprzez konwekcję ciepła z otaczającego stopu. Topienie przez konwekcję ciepła nie jest wydajnym mechanizmem topienia materiałów polimerowych ze względu na ich ograniczoną przewodność cieplną. Dlatego niestopiony polimer może nadal przepływać przez wylotowy koniec wytłaczarki, powodując niepożądany produkt. Ślimaki barierowe mogą rozwiązać ten problem poprzez oddzielenie kanałów stopionego i stałego za pomocą zgarniaka wtórnego zwanego zgarniaczem barierowym. Sekcja barierowa, w której zachodzi główna część topienia, jest umieszczona pomiędzy sekcją karmienia i dozującą. Sekcja bariery zazwyczaj zastępuje sekcję przejściową; istnieją jednak konstrukcje ślimaków z oddzielnymi sekcjami przejściowymi i barierowymi.

Rys.6 Przykładowe ślimaki barierowe do wytłaczarki.

Istnieją dwa główne projekty ślimaków barierowych; stała głębokość i stała szerokość. Jak sama nazwa wskazuje, głębokość kanałów dla niestopionych granulek polimeru oraz stopionych pozostaje niezmieniona przy konstrukcji o stałej głębokości. Szerokość kanału dla niestopionych granulek staje się węższa wzdłuż długości ślimaka, podczas gdy kanał stopu staje się szerszy. W przeciwieństwie do tego, ślimaki barierowe o stałej szerokości mają szerokość kanału dla stopionego i niestopionego polimeru, niezmienione w całej sekcji bariery, podczas gdy ich głębokości są różne; głębokość kanału materiału stałego zmniejsza się, a głębokość kanału topienia wzrasta.

Zasady doboru ślimaków do procesu wytłaczania.

Długość strefy zasilania ślimaka ekstrudera powinna być tym większa, im wyższa jest temperatura mięknienia tworzywa, przy czym niekiedy redukuje się jej długość kosztem wstępnego podgrzania materiału. Długość strefy sprężania powinna być tym większa, im wyższa jest temperatura mięknięcia oraz jej zakres. Tworzywa amorficzne, cechuje dość szeroki zakres temperatur mięknienia. Tworzywa krystaliczne, topią się w niewielkim zakresie temperatur. Może to być zaledwie kilka stopni, zatem do ich wytłaczania stosuje się ślimaki z krótką (1-2D) strefą sprężania. Nieco inaczej jest w przypadku tworzyw łatwo odkształcalnych, jak LDPE, gdzie można stosować nawet ślimaki dwustrefowe z długą strefą sprężania, w której niestopione jeszcze granulki tworzywa ulegają od początku powolnemu ściskaniu.

Optymalny stopień sprężania ślimaka (stosunek wysokości kanału ślimaka w strefie zasilania do jego wysokości w strefie dozowania) powinien być większy od stosunku gęstości stałego tworzywa do jego gęstości nasypowej. Zatem tworzywa w postaci proszku będą wymagać ślimaka o większym stopniu sprężania niż ten sam materiał w postaci granulatu. Parametr ten zależy także od lepkości materiału w warunkach wytłaczania i tak dla tworzyw amorficznych, wykazujących dużą lepkość stopu wskazane są ślimaki o małym stopniu sprężania, aby uniknąć przegrzewania intensywnie ścinanego materiału oraz nadmiernego obciążenia układu napędowego ślimaka.

Niewielkie stopnie sprężania ślimaka, rzędu 2 zalecane są przy przetwórstwie tworzyw niestabilnych termicznie. Do takich tworzyw należy PVC, dla których zbyt duży stopień sprężania mógłby spowodować degradację materiału. Dla stabilnych termicznie tworzyw semikrystalicznych, jak PE czy PP stosować można wysokie stopnie sprężania, rzędu 4 i więcej. 

Rodzaje ślimaków do wytłaczarek jenoślimakowych.

Ślimak standardowy uniwersalny.

Uniwersalny ślimak do przetwarzania różnorodnych materiałów. Przy pomocy takiego ślimaka nie zawsze można uzyskiwać optymalną jakość i wydajność, jednak przy ograniczeniach procesowych może spełnić swoje zadanie w wielu sytuacjach.

Ślimak mieszający.

Stosowany do dodawania i mechanicznego ujednorodniania pigmentów barwnych oraz granulatów proszkowych, jak również do bezpośredniego przetwarzania kilku komponentów do postaci pasty, czyli do homogenizacji materiałów o różnych lepkościach i różnych rozkładach masy cząsteczkowej. Znajduje zastosowanie przy szczególnie wysokich wymaganiach odnośnie mechanicznej i termicznej jednorodności formowanej masy. Należy mieć na uwadze ze zastosowanie sekcji mieszających w przypadku ślimaka wytłaczarki jednoślimakowej zwiększy znacząco zdolność wytłaczarki do mieszania składników jednak nie zastąpi w pełni wytłaczarki dwuślimakowej mieszającej.

Rys.7 Przykładowy wytłaczarkowy ślimak mieszający.

Ślimaki specjalne dostosowane do przetwarzania konkretnych materiałów.

Materiały takie jak PVC, duroplasty, poliwęglany elastomery w zasadzie wymagają zastosowania wytłaczarek wyposażonych w dedykowane ślimaki a czasem też cylindry takich wytłaczarek musza być odpowiednio zaprojektowane i wykonane. Ślimaki i cylindry specjalne uwzględniają szczególne właściwości termiczne, reologiczne oraz trybologiczne wytłaczanych materiałów.

Ślimaki z odgazowaniem stosowane w wytłaczarkach jenoślimakowych.

Ślimaki z odgazowaniem są ślimakami które posiadają czwartą strefę zwana strefą odgazowania. Strefa odgazowania zastosowana w wytłaczarce jednoślimakowej umożliwia usuniecie z cylindra substancji gazowych które doprowadziłyby do powstania porów (przestrzeni wypełnionej gazem lub parą wodną w wytłaczanym profilu). Zostałaby w ten sposób obniżona jakość i wytrzymałość mechaniczna produktu. Gaz w uplastycznionym stopie polimerowym może powstać na skutek parowania wody (wilgoci) zawartej w polimerze lub na skutek zachodzących reakcji chemicznych a nawet na skutek miejscowego przegrzania stopu. W wytłaczarce jednoślimakowej można wykorzystać więcej niż jedną strefę odgazowania jednak wymaga to zastosowania cylindra i ślimaka o zwiększonym współczynniku L/D.

Rys.8 Przykładowy wytłaczarkowy ślimak odgazowujący.

Podsumowanie zależności doboru ślimaków wytłaczarek.

Przedstawione zależności wskazywałyby na konieczność dysponowania dużą liczbą ślimaków, aby przy każdej zmianie surowca uzyskać optymalne warunki wytłaczania.W praktycznych zastosowaniach wytłaczania filamentów do drukarek 3D jest to rozwiązanie kosztowne. W pewnych warunkach istnieje możliwość dopasowania ślimaków do innych tworzyw poprzez zmianę regulowalnych parametrów pracy wytłaczarki, takich jak prędkość obrotowa ślimaka czy temperatury stref grzejnych. Ślimak do LDPE można wykorzystać do wytłaczania PP przy nieco większych prędkościach obrotowych. Ślimak do PS może również służyć do przetwórstwa PC po podwyższeniu temperatur stref grzejnych. Ślimak wytłaczarki ogólnego przeznaczenia jest zaprojektowany w taki sposób tak, aby pasował do jak najszerszej gamy tworzyw sztucznych. Taki ślimak zastosowany w wytłaczarce nie jest idealną odpowiedzią na przetwarzanie jakiegokolwiek konkretnego materiału.