Linia do produkcji filamentu z wytłaczarką 2x24mm

Od formulacji materiału do gotowego filamentu

Linia z wytłaczarką dwuślimakową LE-2CC 2×24 mm łączy przygotowanie materiału i wytwarzanie filamentu w jednym stanowisku procesowym. Poszczególne składniki receptury mogą być dozowane, uplastyczniane, mieszane, homogenizowane i w razie potrzeby odgazowywane, a następnie przygotowany stop kierowany jest do układu formowania filamentu.

Najważniejszą cechą tej konfiguracji nie jest samo zastosowanie dwóch ślimaków. Jej wartość wynika z możliwości kontrolowania historii materiału od momentu dozowania składników aż do pomiaru geometrii gotowego produktu.

Pozwala to badać zależności pomiędzy składem formulacji, konfiguracją ślimaków, warunkami compoundingu, właściwościami stopu, chłodzeniem i stabilnością wymiarową filamentu w ramach jednego ciągu technologicznego.

LE-2CC 2×24 mm – konfiguracja procesu zamiast jednej geometrii ślimaka

Sercem linii jest laboratoryjna wytłaczarka dwuślimakowa LE-2CC 2×24 mm. Segmentowa konstrukcja ślimaków umożliwia dobór elementów transportujących, mieszających i ugniatających odpowiednio do materiału oraz celu prowadzonego procesu.

Zmiana rodzaju, geometrii i położenia poszczególnych segmentów wpływa między innymi na transport materiału, stopień wypełnienia układu, intensywność ścinania, mieszanie dystrybucyjne i dyspersyjne, czas przebywania oraz warunki odgazowania.

Konfiguracja ślimaków jest więc jednym z parametrów technologii, podobnie jak profil temperatury, prędkość obrotowa, sposób dozowania czy miejsce wprowadzania poszczególnych składników.

Praca współbieżna i przeciwbieżna

LE-2CC może pracować ze ślimakami współbieżnymi lub przeciwbieżnymi, zależnie od zastosowanej konfiguracji przekładni. Oba tryby tworzą odmienne warunki transportu, mieszania i budowania ciśnienia, dzięki czemu kierunek pracy ślimaków może być dobierany do zadania procesowego.

Nie należy traktować jednego z tych trybów jako rozwiązania uniwersalnie lepszego. O właściwym wyborze decydują materiał, receptura, geometria ślimaków, wymagany mechanizm mieszania oraz cel prowadzonych badań.

Dzielony cylinder i dostęp do stref procesu

Cylinder jest dzielony w poziomie. Górna część może zostać otwarta, a dolna uchylona, co zapewnia bezpośredni dostęp do ślimaków i powierzchni roboczych układu uplastyczniającego.

W pracach R&D umożliwia to nie tylko szybsze czyszczenie i zmianę konfiguracji ślimaków. Po zatrzymaniu procesu można również ocenić zachowanie materiału w poszczególnych strefach oraz lokalizację obszarów uplastyczniania, mieszania lub odkładania się przetwarzanego materiału.

Wymienne wkładki stanowią powierzchnie robocze cylindra i pozwalają dostosowywać wykonanie części procesowej do materiałów o różnych wymaganiach dotyczących odporności na ścieranie i korozję.

Dozowanie składników i podajniki boczne

W formulacji wieloskładnikowej znaczenie ma nie tylko ilość danego komponentu, ale również miejsce jego wprowadzenia do procesu. LE-2CC może współpracować z dozownikami grawimetrycznymi i wolumetrycznymi oraz z podajnikami bocznymi umieszczanymi w wybranych strefach cylindra.

Materiał bazowy może być podawany w strefie głównego zasypu, natomiast wybrane dodatki, proszki, napełniacze lub włókna mogą być wprowadzane w dalszej części układu, po częściowym lub całkowitym uplastycznieniu osnowy polimerowej.

Takie rozdzielenie punktów dozowania pozwala kształtować historię cieplno-mechaniczną poszczególnych składników. Może to mieć znaczenie między innymi dla stopnia dyspersji napełniacza, zachowania długości włókien, czasu ekspozycji dodatku na temperaturę oraz obciążenia układu uplastyczniającego.

Zależnie od konfiguracji możliwe jest również dozowanie cieczy i gazów do wybranych obszarów procesu.

Odgazowanie jako część konfiguracji procesu

LE-2CC może być wyposażona w układ odgazowania dostosowany do właściwości przetwarzanego materiału. Usuwanie gazów i składników lotnych może być istotne między innymi przy procesach obejmujących wilgoć resztkową, powietrze uwięzione w mieszaninie lub substancje lotne powstające albo uwalniane podczas przetwarzania.

Skuteczność odgazowania zależy jednak od całych warunków procesu: stopnia wypełnienia ślimaków, lokalnego ciśnienia, temperatury, czasu przebywania materiału oraz konfiguracji elementów ślimakowych.

Odgazowanie wytłaczarki nie powinno być traktowane jako automatyczny zamiennik prawidłowego przygotowania materiałów higroskopijnych. Jeżeli dany polimer wymaga suszenia przed przetwarzaniem, warunek ten nadal powinien być uwzględniony w technologii.

Pomiary procesu – od nastawy do rzeczywistych warunków przetwarzania

W pracach nad nową formulacją same wartości zadane temperatury i prędkości ślimaków nie opisują w pełni stanu procesu. Dwie receptury prowadzone przy takich samych nastawach mogą powodować inne obciążenie mechaniczne, ciśnienie, temperaturę stopu oraz charakter przepływu.

LE-2CC umożliwia monitorowanie między innymi temperatury poszczególnych stref, temperatury i ciśnienia materiału, momentu obrotowego oraz siły osiowej działającej na ślimaki. Dodatkowe punkty pomiarowe mogą być rozmieszczane odpowiednio do konfiguracji portów procesowych.

Dzięki temu wpływ zmian receptury można analizować nie tylko na podstawie wyglądu końcowego filamentu, ale również poprzez rzeczywistą odpowiedź układu uplastyczniającego.

Receptury i porównywalność badań

Opracowanie formulacji wymaga możliwości odtworzenia warunków procesu. System sterowania umożliwia zapis i ponowne przywoływanie wartości zadanych, dzięki czemu kolejne warianty materiałowe mogą być prowadzone w kontrolowanych i porównywalnych warunkach.

Dane procesowe mogą być rejestrowane i następnie zestawiane z wynikami pomiarów filamentu oraz dalszych badań materiałowych. Pozwala to budować zależność pomiędzy składem formulacji, parametrami compoundingu i właściwościami produktu końcowego.

P-36 – opcjonalna stabilizacja strumienia przed głowicą

Pomiędzy LE-2CC i głowicą filamentową może pracować niezależna pompa stopu P-36. Jest ona oddzielnym urządzeniem wolnostojącym, zintegrowanym z linią procesowo, elektrycznie i programowo.

Jej zadaniem jest stabilizacja strumienia i ciśnienia stopu przed głowicą oraz ograniczenie wpływu zmian występujących w części upstream na warunki formowania produktu.

Nie oznacza to, że wytłaczarka dwuślimakowa z definicji generuje większe pulsacje niż wytłaczarka jednoślimakowa. Charakter wahań zależy od konfiguracji ślimaków, sposobu dozowania, stopnia wypełnienia, właściwości stopu i oporów dalszej części toru procesowego. P-36 jest dodatkowym elementem stabilizującym stosowanym wtedy, gdy wymaga tego proces i oczekiwana stabilność geometrii filamentu.

LE-2CC może pracować również bez P-36. Dzięki temu architektura toru stopu może być dobierana do konkretnego zadania badawczego lub technologicznego.

Rozdzielenie compoundingu i precyzyjnego formowania

Zastosowanie P-36 pozwala częściowo rozdzielić dwa różne zadania. Wytłaczarka dwuślimakowa może być konfigurowana przede wszystkim pod kątem dozowania, transportu, mieszania, homogenizacji i odgazowania, natomiast pompa odpowiada za stabilniejsze podawanie przygotowanego stopu do głowicy.

Ma to szczególne znaczenie podczas rozwoju materiałów, gdy zmiana receptury może istotnie zmieniać warunki pracy części mieszającej, a jednocześnie wymagane jest utrzymanie możliwie powtarzalnych warunków formowania filamentu.

Direct extrusion – compound i filament w jednym ciągu

W odpowiednio dobranym procesie materiał przygotowany w LE-2CC może być kierowany bezpośrednio do głowicy filamentowej. Pozwala to połączyć compounding i formowanie produktu bez pośredniego granulowania compoundu i jego ponownego uplastyczniania.

Takie podejście jest szczególnie przydatne w pracach rozwojowych, ponieważ skraca drogę pomiędzy zmianą receptury i oceną gotowego filamentu. Umożliwia również analizowanie wpływu warunków compoundingu bezpośrednio na geometrię oraz właściwości produktu.

Direct extrusion nie jest jednak rozwiązaniem obowiązkowym dla każdej formulacji. Pośrednie granulowanie może być uzasadnione wtedy, gdy materiał ma być magazynowany, transportowany, poddawany dodatkowej kontroli jakości albo przetwarzany w innym urządzeniu. Dobór architektury procesu powinien wynikać z celu badania i właściwości materiału.

Formowanie filamentu 1,75 i 2,85 mm

Przygotowany stop kierowany jest do głowicy przystosowanej do produkcji filamentu o średnicy nominalnej 1,75 lub 2,85 mm.

Końcowy wymiar nie jest prostym odwzorowaniem średnicy otworu narzędzia. Po opuszczeniu głowicy stop podlega pęcznieniu wytłoczyny, rozciąganiu, chłodzeniu i skurczowi. Na geometrię gotowego filamentu wpływają więc wspólnie właściwości reologiczne compoundu, temperatura, stabilność strumienia, głowica, warunki chłodzenia oraz prędkość odciągu.

Chłodzenie jako część technologii materiałowej

W linii dwuślimakowej konfiguracja chłodzenia powinna być dobierana nie tylko do średnicy filamentu i strumienia masowego, ale również do receptury.

Zmiana polimeru, udziału napełniacza, rodzaju włókien lub dodatków może wpływać na gęstość, ciepło właściwe, przewodność cieplną, reologię, temperaturę stopu, skurcz i przebieg krystalizacji. Oznacza to, że dwie formulacje prowadzone przy tej samej średnicy filamentu nie muszą wymagać takich samych warunków chłodzenia.

Nie ma przy tym uniwersalnej zasady, zgodnie z którą zastosowanie napełniacza zawsze przyspiesza albo zawsze spowalnia chłodzenie. Odpowiedź zależy od właściwości całego compoundu.

Skalowalne strefy chłodzenia

W konfiguracji standardowej linia wykorzystuje dwie niezależne strefy wodne o długości około 3000 mm każda. Pierwsza wanna może pracować jako strefa temperowana, a kolejna odpowiada za dalsze chłodzenie produktu.

Układ nie jest ograniczony do dwóch wanien o stałej długości. Liczba stref wodnych, długość wanien, temperatury wody oraz odległości pomiędzy nimi mogą być dobierane do receptury i wymaganego punktu pracy.

Przy zmianie materiału może więc zmienić się nie tylko konfiguracja ślimaków i profil temperatury LE-2CC, ale również optymalna architektura chłodzenia dalszej części linii.

Stabilizacja przed pomiarem

Po końcowym chłodzeniu nadmiar wody jest usuwany mechanicznie, a filament jest osuszany powietrzem. Dopiero po odpowiednim ustabilizowaniu powierzchni i geometrii produkt trafia do systemu pomiarowego.

Ma to szczególne znaczenie wtedy, gdy pomiar uczestniczy w automatycznej regulacji średnicy. Sygnał sprzężenia zwrotnego powinien możliwie dobrze reprezentować rzeczywisty wymiar filamentu.

Pomiar geometrii i regulacja średnicy

Standardowym rozwiązaniem jest laserowy pomiar średnicy w dwóch osiach. Typowa rozdzielczość wskazania wynosi 0,001 mm. Rozdzielczość systemu pomiarowego nie jest równoznaczna z tolerancją produkcyjną filamentu.

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

Linia może zostać skonfigurowana z jednym albo dwoma punktami pomiarowymi. Pozwala to oddzielić pomiar wykorzystywany do sterowania procesem od dodatkowej kontroli produktu bliżej końca linii.

Closed loop – regulacja średnicy przez odciąg

System pomiarowy może pracować wyłącznie jako układ kontroli albo jako element zamkniętej pętli regulacji. W trybie closed loop zmierzona średnica jest wykorzystywana do korekty prędkości odciągu.

Funkcję można włączyć lub wyłączyć. W pracach badawczych pozwala to zarówno obserwować naturalną odpowiedź procesu bez aktywnej korekty, jak i prowadzić próby z automatyczną stabilizacją wymiaru produktu.

P-36 i closed loop realizują różne funkcje. Pompa wpływa na warunki doprowadzania stopu do głowicy, natomiast regulacja odciągu reaguje na geometrię produktu po jego uformowaniu i schłodzeniu.

Odciąg, magazyn i nawijanie

Odciąg gąsienicowy zapewnia kontrolowany odbiór filamentu i może stanowić element wykonawczy układu regulacji średnicy. Maksymalna prędkość mechaniczna wynosi 150 m/min, ale nie jest to deklarowana prędkość technologiczna dla każdego materiału i każdej receptury.

Rzeczywisty punkt pracy zależy od całego procesu: dozowania, zdolności LE-2CC do przygotowania jednorodnego stopu, zastosowania pompy, średnicy filamentu, temperatury materiału, konfiguracji chłodzenia oraz wymaganej stabilności wymiarowej.

Za odciągiem znajduje się magazyn filamentu o pojemności około 38 m w konfiguracji standardowej, z możliwością zwiększenia do około 150 m. Magazyn kompensuje różnice pomiędzy ciągłą pracą odciągu i dynamiczną pracą nawijarki oraz zapewnia dodatkowy czas stabilizacji produktu przed nawinięciem.

Dolny zespół rolek wykorzystuje własną masę i przełożenie układu do stabilizacji naciągu. Jego położenie jest mierzone enkoderem liniowym i wykorzystywane do regulacji prędkości nawijarki. Niezależnie może być mierzona również siła naciągu filamentu.

Dwuwrzecionowa nawijarka

Nawijarka współpracuje z magazynem filamentu i umożliwia ręczną zmianę szpuli bez zatrzymywania ekstruzji i odciągu. Produkt wytwarzany podczas zmiany szpuli jest czasowo przejmowany przez magazyn.

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

Sterowanie i dane jako część stanowiska R&D

Linia wykorzystuje rozproszoną architekturę sterowania z centralnym nadzorem procesu. Poszczególne urządzenia downstreamu posiadają własne sterowniki PLC i lokalne ekrany HMI, pozostając częścią wspólnego systemu.

Wartości zadane mogą być zapisywane jako receptury, a dane procesowe rejestrowane w plikach CSV z interwałem od 1 s. Umożliwia to porównywanie kolejnych formulacji i powiązanie parametrów compoundingu z wynikami pomiarów gotowego filamentu.

Ethernet jest częścią architektury komunikacyjnej linii. Zależnie od konfiguracji dostępne są również OPC UA, komunikacja Wi-Fi, obsługa przez tablet oraz dodatkowe punkty operatorskie. System może być rozszerzany o LMS – Logistics Management System, PMS – Power Management System oraz DMS – Dosing Management System.

Platforma do rozwoju materiałów i scale-up

Linia z LE-2CC 2×24 mm jest przeznaczona przede wszystkim do zadań, w których przygotowanie materiału stanowi integralną część technologii filamentu.

Można analizować wpływ rodzaju polimeru, zawartości napełniaczy i włókien, sposobu dozowania, geometrii ślimaków, intensywności mieszania, temperatury, odgazowania i chłodzenia na zachowanie produktu końcowego.

Powstaje w ten sposób ciąg zależności:

receptura → dozowanie → compounding → właściwości stopu → stabilizacja przepływu → formowanie → chłodzenie → geometria filamentu → właściwości produktu

Dzięki średnicy ślimaków 24 mm możliwe jest prowadzenie zaawansowanych badań przy znacznie mniejszym zużyciu materiału niż w typowych instalacjach przemysłowych, a jednocześnie w skali pozwalającej analizować zjawiska istotne przy późniejszym scale-up procesu.

Wytłaczarka jednoślimakowa czy dwuślimakowa?

Wybór powinien wynikać z zadania technologicznego, a nie z założenia, że jedna konstrukcja jest z definicji lepsza od drugiej.

Jeżeli surowcem jest gotowy, jednorodny granulat lub wcześniej przygotowany compound, a zasadniczym celem jest stabilne formowanie filamentu, układ jednoślimakowy może być rozwiązaniem prostszym i bardziej odpowiednim.

LE-2CC 2×24 mm jest szczególnie uzasadniona wtedy, gdy w ramach tego samego procesu trzeba opracować lub modyfikować materiał: dozować wiele składników, intensywnie je mieszać, zmieniać miejsce ich wprowadzania, prowadzić odgazowanie albo analizować wpływ warunków compoundingu na gotowy filament.

Więcej informacji o możliwościach samego układu dwuślimakowego znajduje się na stronie LE-2CC 2×24 mm. Szersze zależności technologiczne dotyczące produkcji i badań filamentu opisano również w artykule Linie do produkcji i badań filamentu do drukarek 3D.

Najczęściej zadawane pytania

Czy LE-2CC może pracować bez pompy P-36?

Tak. P-36 jest niezależnym elementem konfiguracji. Stosuje się ją wtedy, gdy proces wymaga dodatkowej stabilizacji strumienia i ciśnienia stopu przed głowicą.

Czy compound można bezpośrednio przekształcić w filament?

Tak, dla odpowiednio dobranej formulacji i konfiguracji procesu. Materiał może zostać przygotowany w LE-2CC i następnie skierowany bezpośrednio do głowicy filamentowej bez pośredniego granulowania.

Czy linia może pracować ze ślimakami współbieżnymi i przeciwbieżnymi?

Tak, zależnie od zastosowanej konfiguracji przekładni i zestawu ślimaków.

Czy po zmianie formulacji należy zmienić chłodzenie?

Może być to konieczne. Receptura wpływa na właściwości reologiczne i cieplne materiału, dlatego liczba i długość wanien, temperatury wody oraz pozostałe parametry chłodzenia powinny być dobierane do konkretnego compoundu i wymaganego punktu pracy.

Czy średnica filamentu może być regulowana automatycznie?

Tak. Pomiar online może sterować korektą prędkości odciągu. Funkcję closed loop można włączać i wyłączać zależnie od sposobu prowadzenia procesu.

Czy można zastosować EdgeMetric 360?

Tak. EdgeMetric 360 może zastąpić standardowy laser albo pracować jako dodatkowy punkt pomiarowy, zależnie od konfiguracji stanowiska.