Linia do produkcji filamentów dwukomponentowych z wytłaczarkami 32 mm

Dwa materiały i jeden kontrolowany proces koekstruzji

Filament dwukomponentowy powstaje z dwóch strumieni stopionych polimerów, które są przygotowywane niezależnie, a następnie łączone w głowicy koekstruzyjnej. W linii SiTech3D każdy materiał posiada własny tor procesowy oparty na wytłaczarce LE-1SF 32 mm oraz pompie stopu P-36.

Rozdzielenie torów umożliwia prowadzenie komponentu A i komponentu B przy różnych profilach temperatury, prędkościach ślimaka, sposobach karmienia i nastawach przepływu. Jest to szczególnie istotne wtedy, gdy materiały różnią się reologią, temperaturą przetwarzania, skurczem lub zachowaniem podczas chłodzenia.

Dopiero po przygotowaniu i stabilizacji obu stopów strumienie są kierowane do wspólnej głowicy. Dzięki temu parametry procesu mogą być dobierane do każdego materiału osobno, a jednocześnie kontrolowana jest ich współpraca w końcowym produkcie.

Trzy poziomy stabilności produktu dwukomponentowego

W procesie koekstruzji należy rozdzielić trzy powiązane, ale różne zagadnienia: stabilność strumienia materiału A i materiału B, stabilność ich wzajemnego położenia po połączeniu oraz stabilność zewnętrznej geometrii gotowego filamentu.

LE-1SF i P-36 przygotowują oraz stabilizują oba strumienie → głowica koekstruzyjna kształtuje strukturę A/B → chłodzenie, pomiar i odciąg stabilizują geometrię zewnętrzną produktu.

Takie rozdzielenie jest istotne, ponieważ prawidłowa średnica zewnętrzna nie oznacza automatycznie prawidłowej geometrii wewnętrznej filamentu.

Niezależne przygotowanie stopów A i B

Każdy komponent jest uplastyczniany w oddzielnej wytłaczarce LE-1SF 32 mm. Geometria ślimaka, profil temperaturowy, sposób karmienia oraz pozostałe parametry układu mogą być dobierane do właściwości danego materiału.

Nie ma wymogu, aby oba tory pracowały przy identycznej temperaturze lub prędkości ślimaka. Zadaniem układów uplastyczniających jest przygotowanie dwóch jednorodnych strumieni stopu w warunkach odpowiednich do ich późniejszego połączenia.

W zależności od zastosowania możliwe jest wykorzystanie dozowania grawimetrycznego, karmienia zalewowego lub głodowego, a także pozostałych opcji procesowych platformy LE-1SF.

Dwie pompy P-36 – stabilizacja i nastawa relacji strumieni

Każdy tor materiałowy posiada własną pompę stopu P-36. Pompy stabilizują przepływ i ciśnienie przed głowicą oraz ograniczają przenoszenie zmian występujących w części uplastyczniającej na proces formowania produktu.

Niezależna regulacja prędkości obu pomp pozwala ustawiać nominalną relację strumieni A/B. Dla pojedynczego toru rzeczywisty strumień objętościowy można w uproszczeniu opisać zależnością:

Q ≈ V_g · n · η_v

gdzie V_g oznacza objętość geometryczną pompy na obrót, n jej prędkość obrotową, a η_v rzeczywistą sprawność objętościową.

Strumień masowy zależy dodatkowo od gęstości stopu:

ṁ = ρ · Q

Z tego względu stosunek prędkości dwóch identycznych pomp nie powinien być bezpośrednio utożsamiany ze stosunkiem masowym komponentów. Znaczenie mają również właściwości materiałów oraz warunki ciśnieniowe w obu torach.

Relacja strumieni a geometria core-shell

Dla idealnej, koncentrycznej struktury rdzeń–płaszcz i ustalonego przepływu udział objętościowy rdzenia można w pierwszym przybliżeniu powiązać z geometrią przekroju:

φ_r ≈ (d_r / D)²

gdzie φ_r jest udziałem objętościowym rdzenia, d_r jego średnicą, a D średnicą zewnętrzną filamentu.

Zależność pokazuje, dlaczego cienka warstwa zewnętrzna wymaga szczególnie stabilnej relacji przepływów. W rzeczywistym procesie geometria nie wynika jednak wyłącznie z bilansu objętościowego. Wpływają na nią również reologia materiałów, konstrukcja głowicy, warunki ciśnieniowe oraz stabilność granicy międzyfazowej.

Głowica koekstruzyjna projektowana do materiałów i geometrii produktu

Głowica koekstruzyjna jest dobierana do konkretnej aplikacji. Może zostać zaprojektowana przez SiTech3D albo zintegrowana jako rozwiązanie innego producenta.

Jej konstrukcja uwzględnia wymagany układ komponentów, charakterystyki przepływowe materiałów A i B, temperatury pracy, relację strumieni oraz docelową geometrię produktu.

Jednym z podstawowych wariantów jest struktura rdzeń–płaszcz, w której jeden materiał tworzy centralny rdzeń, a drugi otacza go warstwą zewnętrzną. Platforma nie jest jednak ograniczona wyłącznie do tej geometrii. Inne struktury dwukomponentowe mogą być realizowane poprzez odpowiednio zaprojektowaną głowicę.

Reologia – nie tylko pojedyncza wartość lepkości

Stabilność przepływu dwóch polimerów nie może być oceniana wyłącznie poprzez porównanie pojedynczych wartości lepkości. Stopy polimerowe mają zazwyczaj charakter nienewtonowski, dlatego ich lepkość zależy od temperatury i szybkości ścinania.

W praktyce istotne są więc charakterystyki η(γ̇,T) obu materiałów w zakresie rzeczywistych warunków występujących w głowicy. Znaczenie mają również właściwości lepkosprężyste stopów, relacja przepływów oraz geometria kanałów.

Dwa materiały o zbliżonej lepkości w jednym punkcie pomiarowym nie muszą zachowywać się podobnie w całym zakresie procesu. Z tego względu głowica i warunki obu torów powinny być dobierane na podstawie rzeczywistego zachowania materiałów w przepływie.

Stabilność granicy międzyfazowej

Po połączeniu strumieni powstaje granica pomiędzy komponentami. Jej położenie i stabilność zależą między innymi od relacji przepływów, lepkości i sprężystości obu stopów, temperatury oraz konstrukcji głowicy.

Przy niekorzystnym zestawieniu warunków mogą pojawiać się lokalne zmiany grubości warstwy, przesunięcie granicy materiałów lub niestabilności międzyfazowe. Zjawiska te mogą występować wewnątrz produktu bez jednoznacznej zmiany jego zewnętrznej średnicy.

Dlatego stabilizacja obu strumieni przed głowicą jest ważna, ale nie zastępuje prawidłowego doboru pary materiałowej oraz geometrii przepływu.

Strefa międzyfazowa i zgodność materiałowa

Możliwość jednoczesnego przetworzenia dwóch materiałów nie oznacza automatycznie, że utworzą one strukturę o wymaganych właściwościach użytkowych.

Na zachowanie strefy pomiędzy materiałami wpływają między innymi ich powinowactwo fizykochemiczne, temperatura w chwili kontaktu, czas wspólnego przepływu, historia ścinania oraz późniejsze chłodzenie.

W zależności od zastosowania może być wymagana silna adhezja rdzenia i płaszcza, natomiast w innych konstrukcjach oczekiwane właściwości granicy mogą być odmienne. Dlatego kryterium nie jest maksymalizacja adhezji sama w sobie, lecz uzyskanie zachowania międzyfazowego właściwego dla projektowanego produktu.

Dla par materiałowych o niewystarczającej zgodności możliwa jest modyfikacja formulacji lub zastosowanie odpowiedniego kompatybilizatora.

Chłodzenie jest częścią projektowania struktury dwukomponentowej

Po opuszczeniu głowicy oba komponenty tworzą wspólny produkt, ale mogą oddawać ciepło i zestalać się w różny sposób. Materiały mogą różnić się przewodnością cieplną, ciepłem właściwym, gęstością, temperaturą zeszklenia lub topnienia, przebiegiem krystalizacji oraz skurczem.

W konsekwencji chłodzenie wpływa nie tylko na temperaturę i średnicę zewnętrzną filamentu. Może również wpływać na rozkład naprężeń, skurcz obu komponentów i ostateczną geometrię ich wspólnego przekroju.

Pierwszy etap chłodzenia

Pierwsza wanna może pracować jako strefa temperowana albo chłodząca. Temperatura wody, odległość od głowicy oraz intensywność obiegu są dobierane do pary materiałowej i wymaganej historii termicznej.

Kontrolowane rozpoczęcie chłodzenia może być szczególnie istotne dla układów, w których rdzeń i płaszcz różnią się szybkością krystalizacji, skurczem lub zakresem temperatur przetwarzania.

Skalowanie długości chłodzenia

Standardowa konfiguracja wykorzystuje dwie strefy wodne. Liczba i długość wanien, temperatury wody oraz odległości pomiędzy kolejnymi strefami mogą być jednak zmieniane zależnie od materiałów, strumienia masowego i wymaganego punktu pracy.

Rzeczywista prędkość technologiczna nie wynika więc wyłącznie z możliwości wytłaczarek ani maksymalnej prędkości downstreamu. Ograniczeniem może stać się również czas potrzebny do stabilizacji termicznej całej struktury A/B.

Pomiar geometrii zewnętrznej filamentu

Po odpowiednim schłodzeniu i osuszeniu filament jest kierowany do systemu pomiarowego. Standardowym rozwiązaniem jest laserowy pomiar w dwóch osiach. Zależnie od konfiguracji możliwe jest zastosowanie pomiaru trzyosiowego lub głowicy EdgeMetric 360.

EdgeMetric 360 może rozszerzyć kontrolę zewnętrznej geometrii o analizę owalizacji, średnic minimalnych i maksymalnych oraz lokalnych zgrubień i przewężeń.

Pomiar średnicy zewnętrznej nie jest pomiarem rdzenia

System optyczny obserwujący zewnętrzny obrys filamentu nie określa bezpośrednio średnicy rdzenia, grubości płaszcza ani położenia granicy pomiędzy materiałami.

Możliwa jest sytuacja, w której średnica zewnętrzna pozostaje stabilna, a jednocześnie zmienia się udział A/B albo rdzeń przesuwa się względem osi produktu.

Jeżeli kontrola wewnętrznej geometrii jest wymagana, metoda jej weryfikacji powinna być dobrana oddzielnie do materiałów, grubości warstw i wymaganej dokładności. Może być realizowana laboratoryjnie lub, dla odpowiednich aplikacji, z wykorzystaniem dodatkowej technologii pomiarowej.

Closed loop – regulacja geometrii zewnętrznej

Pomiar online może pracować jako niezależna kontrola jakości albo uczestniczyć w zamkniętej pętli regulacji. W trybie closed loop zmierzona średnica jest wykorzystywana do korekty prędkości odciągu.

Funkcja może zostać włączona lub wyłączona zależnie od sposobu prowadzenia procesu.

W linii dwukomponentowej trzeba rozróżnić regulację średnicy zewnętrznej od regulacji relacji materiałów. Odciąg wpływa przede wszystkim na całkowity przekrój produktu, natomiast pompy P-36 odpowiadają za prowadzenie dwóch strumieni przed głowicą.

Odciąg, magazyn i nawijanie

Odciąg gąsienicowy zapewnia kontrolowany odbiór filamentu i może pełnić funkcję elementu wykonawczego regulacji jego średnicy zewnętrznej.

Prędkość technologiczna jest dobierana do obu materiałów, łącznego strumienia masowego, struktury produktu, warunków chłodzenia i wymaganej stabilności procesu. Maksymalnej prędkości mechanicznej urządzeń nie należy utożsamiać z prędkością dostępną dla każdej pary materiałowej.

Za odciągiem znajduje się magazyn kompensacyjny, który oddziela stabilną pracę części procesowej od zmian związanych z pracą nawijarki. Magazyn stabilizuje warunki naciągu i zwiększa czas pozostający na dalsze wyrównanie temperatury przed nawinięciem.

Dwuwrzecionowe nawijanie

Nawijarka współpracuje z magazynem i umożliwia ręczną zmianę szpuli bez zatrzymywania wytłaczania oraz odciągu. Produkt powstający w czasie zmiany szpuli jest czasowo przejmowany przez magazyn.

Sposób układania filamentu może być dobrany do aplikacji i realizowany mechanicznie, za pomocą napędu krokowego albo serwo.

Sterowanie i rejestracja dwóch torów procesu

System sterowania obejmuje oba tory materiałowe oraz wspólny downstream. Parametry komponentu A mogą być prowadzone niezależnie od parametrów komponentu B.

Receptura może obejmować profile temperatur obu LE-1SF, prędkości ślimaków, nastawy pomp P-36, parametry głowicy, warunki chłodzenia oraz ustawienia odciągu i nawijania.

Dane procesowe mogą być rejestrowane w plikach CSV, co umożliwia porównywanie kolejnych punktów pracy oraz analizowanie zależności pomiędzy parametrami obu torów i geometrią produktu.

Platforma umożliwia również komunikację z systemami nadrzędnymi zgodnie z konfiguracją sterowania linii.

Dobór linii do konkretnej pary materiałowej

Koekstruzja nie polega wyłącznie na mechanicznym połączeniu dwóch wytłaczarek ze wspólną głowicą. O stabilności produktu decyduje współpraca całego układu: przygotowania obu stopów, pomp, geometrii głowicy, chłodzenia, pomiaru i odbioru.

Dobór konfiguracji powinien uwzględniać co najmniej właściwości reologiczne i cieplne obu materiałów, wymagany udział komponentów, geometrię produktu, oczekiwane zachowanie strefy międzyfazowej oraz rzeczywisty punkt pracy linii.

Dzięki takiemu podejściu platforma może służyć zarówno do rozwoju struktur typu rdzeń–płaszcz, jak i innych produktów wymagających kontrolowanego połączenia dwóch strumieni polimerowych.

Szersze omówienie zjawisk zachodzących podczas współwytłaczania materiałów polimerowych znajduje się w artykule Koekstruzja – współwytłaczanie wielomateriałowe.

Najczęściej zadawane pytania

Czy oba materiały muszą mieć taką samą lepkość?

Nie. Istotne jest ich zachowanie reologiczne w rzeczywistych warunkach pracy głowicy. Znaczenie mają nie tylko wartości lepkości, ale również ich zależność od temperatury i szybkości ścinania, właściwości lepkosprężyste oraz relacja przepływów.

Czy oba materiały muszą być przetwarzane w tej samej temperaturze?

Nie. Każdy komponent posiada własną wytłaczarkę i może być przygotowywany przy odrębnie dobranym profilu temperaturowym.

Czy stosunek prędkości pomp P-36 jest równy udziałowi masowemu A/B?

Nie. Dla identycznych pomp ich prędkości określają nominalną relację strumieni objętościowych. Udział masowy zależy dodatkowo od gęstości materiałów i rzeczywistych warunków przepływu.

Czy stabilna średnica filamentu oznacza stabilną strukturę core-shell?

Nie. Średnica zewnętrzna może pozostawać prawidłowa przy jednoczesnej zmianie średnicy rdzenia, grubości płaszcza albo położenia rdzenia w przekroju.

Czy EdgeMetric 360 mierzy grubość płaszcza lub średnicę rdzenia?

Nie. EdgeMetric 360 jest systemem kontroli geometrii zewnętrznej filamentu. Kontrola struktury wewnętrznej wymaga odrębnej metody dobranej do konkretnego produktu.

Czy linia może pracować z inną głowicą niż core-shell?

Tak. Głowica jest projektowana lub dobierana do konkretnej aplikacji, dlatego platforma może zostać skonfigurowana również dla innych geometrii dwukomponentowych.