Linia do produkcji filamentu z wytłaczarką 45 mm

Linia do produkcji filamentu 2,85 i 3,00 mm

Linia z wytłaczarką LE-1S 45 mm została zaprojektowana jako kompletny ciąg technologiczny do regularnej produkcji filamentu. Poszczególne zespoły odpowiadają kolejno za przygotowanie i stabilizację strumienia stopu, formowanie produktu, kontrolowane chłodzenie, pomiar geometrii, odbiór, kompensację naciągu oraz nawijanie.

Takie podejście ma szczególne znaczenie przy większych strumieniach materiału. Zwiększenie możliwości wytłaczarki nie prowadzi automatycznie do takiego samego wzrostu wydajności gotowego filamentu. Punkt pracy całej linii zależy również od średnicy produktu, właściwości materiału, temperatury stopu, zdolności układu chłodzenia oraz parametrów urządzeń downstream.

LE-1S 45 mm – układ uplastyczniający do produkcji ciągłej

Podstawą linii jest jednoślimakowa wytłaczarka LE-1S 45 mm o L/D 32, wyposażona w napęd 22 kW i układ przenoszący moment obrotowy do 1450 Nm. Maksymalna prędkość ślimaka wynosi 145 obr./min.

Zdolność przetwórcza wytłaczarki wynosi co najmniej 60 kg/h w odpowiednio dobranych warunkach procesowych. Parametr ten opisuje możliwości układu ekstruzyjnego, a nie gwarantowaną wydajność gotowego filamentu. Rzeczywisty punkt pracy zależy od materiału, geometrii ślimaka oraz konfiguracji wszystkich kolejnych etapów linii.

Pięć niezależnie sterowanych stref grzewczo-chłodzących umożliwia kształtowanie profilu temperaturowego zgodnie z wymaganiami tworzywa. Pomiar temperatury i ciśnienia stopu pozwala obserwować rzeczywiste warunki panujące przed dalszą częścią układu procesowego.

Wytłaczarka może współpracować z dozowaniem grawimetrycznym, a strefa karmienia i geometria ślimaka mogą być dobierane do właściwości przetwarzanego materiału.

LE-1S 45 jest rozwiązaniem przeznaczonym przede wszystkim do stabilnego przetwarzania przygotowanych granulatów, mieszanin i compoundów. Jeżeli zasadniczą częścią procesu ma być intensywne mieszanie, przygotowywanie formulacji lub wprowadzanie dodatków w kolejnych strefach układu, należy rozważyć zastosowanie wytłaczarki dwuślimakowej.

P-72 – niezależna pompa stopu

W przedstawionej konfiguracji pomiędzy LE-1S 45 a głowicą może pracować pompa stopu P-72. Jej zadaniem jest stabilizacja strumienia stopionego tworzywa kierowanego do narzędzia formującego oraz ograniczenie wpływu zmian występujących wcześniej w procesie na warunki wytłaczania filamentu.

P-72 jest niezależnym urządzeniem wolnostojącym na własnej podstawie, wyposażonym w stopy i koła transportowe. Nie stanowi mechanicznej części wytłaczarki. Jest natomiast integrowana z linią procesowo, elektrycznie i programowo.

Objętość geometryczna pompy wynosi 20 cm³/obr., co odpowiada geometrycznemu strumieniowi 6 dm³/h przy 5 obr./min oraz 72 dm³/h przy 60 obr./min. Pompa posiada pomiar ciśnienia przed i za zespołem pompującym oraz niezależną regulację temperatury.

LE-1S 45 może pracować również bez P-72. Pozwala to dobierać architekturę toru stopu do konkretnego materiału i wymagań procesu, zamiast traktować pompę jako obowiązkowy element każdej aplikacji.

Formowanie filamentu

W przedstawionej konfiguracji linia jest przygotowana do produkcji filamentu o średnicach nominalnych 2,85 i 3,00 mm. Głowica posiada niezależną regulację temperatury oraz pomiar ciśnienia stopu.

Nominalna średnica produktu nie wynika wyłącznie ze średnicy otworu narzędzia. Po opuszczeniu głowicy tworzywo podlega pęcznieniu wytłoczyny, rozciąganiu, chłodzeniu i skurczowi. Końcowa geometria filamentu jest więc rezultatem współpracy układu formującego, chłodzenia i odciągu.

Chłodzenie i stabilizacja termiczna filamentu

Przy produkcji filamentu zdolność układu chłodzenia jest jednym z parametrów określających rzeczywistą wydajność całej linii. Ma to szczególne znaczenie przy średnicach 2,85 i 3,00 mm oraz przy wykorzystaniu większego potencjału strumienia materiału oferowanego przez LE-1S 45.

W konfiguracji standardowej stosowane są dwie niezależne strefy wodne o długości około 3000 mm każda. Pierwsza wanna może pracować jako strefa temperowana, natomiast kolejny etap odpowiada za dalsze chłodzenie filamentu przed pomiarem i odciągiem.

Układ nie jest ograniczony do jednej stałej konfiguracji. Liczba wanien, ich długość, temperatury wody oraz odległości pomiędzy kolejnymi strefami mogą być dobierane do materiału, średnicy produktu, temperatury stopu i wymaganego punktu pracy. Dla procesów o większym obciążeniu cieplnym możliwe jest zwiększenie długości czynnej chłodzenia lub zastosowanie dodatkowych stref wodnych.

Dlaczego większa średnica wymaga odpowiedniego chłodzenia?

Przy tej samej prędkości liniowej masa materiału transportowanego w jednostce czasu rośnie wraz z polem przekroju filamentu, a więc w przybliżeniu z kwadratem jego średnicy. Równocześnie w grubszym produkcie zwiększa się droga przewodzenia ciepła pomiędzy rdzeniem i powierzchnią.

Oznacza to, że wraz ze wzrostem średnicy i strumienia masowego należy odpowiednio skalować również czas oraz intensywność chłodzenia. Z tego względu rzeczywista wydajność technologiczna linii wynika z bilansu całego procesu, a nie tylko z możliwości układu uplastyczniającego.

Stabilizacja przed pomiarem i nawijaniem

Po ostatniej strefie wodnej nadmiar wody jest usuwany mechanicznie, a filament jest osuszany powietrzem. Pomiar geometrii wykonywany jest po odpowiednim schłodzeniu i osuszeniu produktu, tak aby wskazania mogły być wykorzystane do kontroli procesu.

Magazyn umieszczony dalej w ciągu technologicznym nie zastępuje chłodzenia wodnego. Zapewnia jednak dodatkowy czas pomiędzy odciągiem i nawijaniem, podczas którego temperatura w przekroju filamentu może dalej się wyrównywać.

Pomiar średnicy i regulacja closed loop

Standardowym rozwiązaniem jest laserowy pomiar średnicy w dwóch osiach. Typowa rozdzielczość wskazania systemu wynosi 0,001 mm. Wartości tej nie należy utożsamiać z tolerancją produkcyjną gotowego filamentu.

Zależnie od wymagań procesu możliwe jest zastosowanie systemu trzyosiowego albo głowicy EdgeMetric 360. EdgeMetric 360 może zastępować standardowy miernik lub pracować jako dodatkowy punkt kontroli geometrii.

Linia może być wyposażona w jeden albo dwa punkty pomiarowe. Pozwala to rozdzielić pomiar uczestniczący w sterowaniu procesu od dodatkowego pomiaru kontrolnego.

Automatyczna korekta średnicy

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

Zmiana prędkości odbioru wpływa na stopień rozciągnięcia wytłoczyny, a tym samym pozwala korygować średnicę produktu. Funkcja może być włączana lub wyłączana zależnie od sposobu prowadzenia procesu.

Pompa stopu i regulacja średnicy realizują przy tym dwa różne zadania. P-72 stabilizuje strumień stopu przed głowicą, natomiast closed loop koryguje geometrię już uformowanego i schłodzonego filamentu.

Odciąg, magazyn i kontrola naciągu

Odciąg gąsienicowy zapewnia kontrolowany odbiór filamentu i stanowi element wykonawczy układu regulacji średnicy. Maksymalna prędkość mechaniczna wynosi 150 m/min, ale nie oznacza to automatycznie takiej samej prędkości technologicznej dla każdego materiału i każdej konfiguracji chłodzenia.

Za odciągiem znajduje się magazyn filamentu pełniący funkcję kompensatora pomiędzy ciągłym odbiorem produktu i dynamiczną pracą nawijarki.

Standardowa pojemność magazynu wynosi około 38 m, a zależnie od konfiguracji może zostać zwiększona do około 150 m. Dolny zespół rolek wykorzystuje własną masę i przełożenie układu do grawitacyjnej stabilizacji naciągu.

Położenie ruchomego zespołu jest mierzone enkoderem liniowym i wykorzystywane do sterowania prędkością nawijarki. Niezależny czujnik siły umożliwia dodatkowo obserwację rzeczywistego naciągu filamentu.

Dwuwrzecionowe nawijanie

Nawijarka posiada dwa wrzeciona i współpracuje bezpośrednio z magazynem filamentu. Zmiana szpuli odbywa się ręcznie, ale nie wymaga zatrzymywania ekstruzji ani odciągu. W czasie operacji produkt jest czasowo przejmowany przez magazyn.

Standardowe wykonanie obsługuje szpule o średnicy do około 400 mm, szerokości do 300 mm i masie do około 20 kg. Zależnie od konfiguracji możliwe są również większe wykonania.

Układanie filamentu może być realizowane mechanicznie z wykorzystaniem układacza Uhing albo przez rozwiązanie krokowe lub serwo, zależnie od wymaganej konfiguracji procesu.

Sterowanie, receptury i rejestracja procesu

Linia wykorzystuje rozproszoną architekturę sterowania z centralnym nadzorem procesu. Odciąg oraz nawijarka posiadają własne sterowniki PLC i lokalne ekrany HMI, pozostając jednocześnie częścią wspólnego systemu sterowania.

Parametry zadane mogą być zapisywane jako receptury, co ułatwia odtwarzanie opracowanych ustawień podczas kolejnych kampanii produkcyjnych.

Dane procesowe mogą być rejestrowane w plikach CSV z interwałem od 1 s. Pozwala to dokumentować przebieg produkcji, porównywać kolejne partie oraz analizować zależności pomiędzy ustawieniami i rzeczywistymi parametrami procesu.

OPC UA i integracja z systemami nadrzędnymi

Obsługa OPC UA jest dostępna w platformie sterowania. Konfiguracja komunikacji oraz integracja ze środowiskiem użytkownika wykonywane są odpowiednio do wymagań konkretnej instalacji.

Opcjonalnie linia może być wyposażona w komunikację Wi-Fi, obsługę przez tablet oraz dodatkowe punkty operatorskie. System może być rozszerzany również o LMS – Logistics Management System, PMS – Power Management System oraz DMS – Dosing Management System.

Dobór rzeczywistego punktu pracy linii

W produkcji filamentu nie należy utożsamiać zdolności przetwórczej wytłaczarki, maksymalnej prędkości mechanicznej downstreamu i wydajności gotowego produktu. Są to trzy różne wielkości opisujące inne części procesu.

Rzeczywisty punkt pracy zależy od właściwości materiału, temperatury stopu, średnicy filamentu, wydajności układu ekstruzyjnego, konfiguracji chłodzenia, stabilności pomiaru, możliwości odciągu oraz warunków nawijania.

Dlatego wraz ze wzrostem strumienia materiału może być konieczne odpowiednie zwiększenie długości chłodzenia, liczby stref wodnych albo pojemności części odbiorczej. Pozwala to wykorzystać możliwości LE-1S 45 bez przenoszenia ograniczenia procesu na kolejne elementy linii.

Więcej informacji o zależnościach technologicznych w produkcji filamentu znajduje się w artykule Linie do produkcji i badań filamentu do drukarek 3D.

Najczęściej zadawane pytania

Czy LE-1S 45 może pracować bez pompy P-72?

Tak. P-72 jest niezależnym urządzeniem i LE-1S 45 może pracować również w konfiguracji bez pompy stopu.

Czy co najmniej 60 kg/h oznacza wydajność gotowego filamentu?

Nie. Jest to zdolność przetwórcza wytłaczarki w odpowiednio dobranych warunkach. Wydajność gotowego filamentu zależy również od średnicy produktu, materiału, temperatury stopu, chłodzenia oraz możliwości urządzeń downstream.

Czy układ chłodzenia można rozbudować?

Tak. Liczba i długość wanien, temperatury wody oraz odległości pomiędzy strefami mogą być dobierane do materiału i wymaganego punktu pracy.

Czy średnica filamentu może być regulowana automatycznie?

Tak. Pomiar online może być wykorzystany do automatycznej korekty prędkości odciągu. Funkcja może zostać włączona lub wyłączona zależnie od sposobu prowadzenia procesu.

Czy zmiana szpuli wymaga zatrzymania produkcji?

Nie. Magazyn przejmuje filament podczas ręcznej zmiany szpuli, dzięki czemu ekstruzja i odciąg mogą pracować w sposób ciągły.