Laboratoryjna linia do produkcji i badań filamentów 3D

Laboratoryjna linia projektowana pod konkretny proces

Nie istnieje jedna konfiguracja laboratoryjnej linii do filamentu odpowiednia dla wszystkich materiałów i wszystkich rodzajów badań. Rodzaj polimeru, skład formulacji, postać surowca, dostępna ilość materiału, wymagany sposób przygotowania stopu, średnica produktu oraz parametry, które mają być mierzone, wpływają na dobór urządzeń stanowiska.

Dlatego projektowanie linii rozpoczynamy od określenia zadania procesowego. Ustalamy, co ma być badane, jaki materiał będzie przetwarzany, jakie parametry należy kontrolować i rejestrować oraz jaki produkt powinien zostać otrzymany.

Na tej podstawie dobierane są kolejne elementy ciągu technologicznego:

• przygotowanie i dozowanie materiału,
• wytłaczarka jednoślimakowa lub dwuślimakowa,
• dozowanie boczne lub odgazowanie, jeżeli wymaga tego proces,
• pompa stopionego tworzywa,
• głowica i narzędzie formujące,
• kalibracja i chłodzenie,
• system pomiarowy,
• odciąg,
• nawijanie, cięcie lub inny sposób odbioru produktu,
• automatyka i rejestracja danych.

Dzięki temu proces nie musi być dopasowywany do jednej z góry określonej konfiguracji urządzeń.

Wytłaczarka jednoślimakowa czy dwuślimakowa?

Laboratoryjna linia może być oparta na wytłaczarce jednoślimakowej lub dwuślimakowej. Wybór zależy od funkcji, którą wytłaczarka ma realizować w badanym procesie.

Wytłaczarki jednoślimakowe są szczególnie przydatne do badań nad uplastycznianiem i stabilnym formowaniem gotowych granulatów lub wcześniej przygotowanych compoundów. Pozwalają analizować między innymi wpływ temperatury, prędkości ślimaka, wydajności, głowicy, chłodzenia i prędkości odbioru na stabilność otrzymywanego produktu.

Wytłaczarki dwuślimakowe umożliwiają rozszerzenie procesu o przygotowanie materiału. W odpowiedniej konfiguracji mogą być wykorzystywane do compoundowania, mieszania, homogenizacji, dozowania wielu składników, wprowadzania dodatków i napełniaczy oraz odgazowania.

Nie oznacza to, że jeden rodzaj wytłaczarki jest zawsze lepszy od drugiego. Są to urządzenia przeznaczone do różnych zadań procesowych.

Rysunek 1. Przykładowe urządzenia do konfigurowania laboratoryjnych linii do filamentów i innych profili z wytłaczarkami jednoślimakowymi 16, 20 i 25 mm.

Rysunek 2. Przykładowe urządzenia do konfigurowania laboratoryjnych linii do filamentów, polimerów i kompozytów z wytłaczarkami dwuślimakowymi 2×12, 2×16, 2×20 i 2×24 mm.

Przykładowe konfiguracje stanowisk laboratoryjnych

Poniższe zestawy przedstawiają wybrane możliwości konfiguracji. Nie są zamkniętymi wariantami produktu. Rodzaj, liczba oraz kolejność urządzeń mogą być zmieniane zależnie od materiału, celu badań i wymaganej funkcjonalności stanowiska.

Rysunek 3. Przykładowa konfiguracja laboratoryjnej linii do wytwarzania i badań filamentów oraz innych profili z wytłaczarką jednoślimakową 16 mm.

Rysunek 4. Przykładowa konfiguracja laboratoryjnej linii do wytwarzania i badań filamentów oraz innych profili z wytłaczarką jednoślimakową 25 mm.

Rysunek 5. Przykładowa konfiguracja laboratoryjnej linii do wytwarzania i badań filamentów oraz innych profili z wytłaczarką dwuślimakową 2×12 mm.

Rysunek 6. Przykładowa konfiguracja laboratoryjnej linii do wytwarzania i badań filamentów oraz innych profili z wytłaczarką dwuślimakową 2×24 mm, wyposażoną w dozowanie boczne i grawimetryczne.

Urządzenia standardowe i rozwiązania projektowane na zamówienie

Laboratoryjna linia może być zestawiona z urządzeń znajdujących się w ofercie SiTech3D. Pozwala to łączyć wytłaczarki, systemy dozowania, pompy stopionego tworzywa, głowice, wanny chłodzące, kalibratory, systemy pomiarowe, odciągi, przenośniki i nawijarki w konfiguracji odpowiadającej konkretnemu zadaniu.

Jeżeli wymagania procesu wykraczają poza dostępne konfiguracje, odpowiedni element stanowiska może zostać zaprojektowany i wykonany dla konkretnego zastosowania.

Może to dotyczyć między innymi:

• głowic i narzędzi formujących,
• układów dozowania i podawania materiału,
• rozwiązań do odgazowania,
• kalibratorów i systemów prowadzenia produktu,
• wanien i układów chłodzenia,
• niestandardowego transportu i odbioru produktu,
• integracji dodatkowych czujników i układów pomiarowych,
• funkcji automatyki dostosowanych do prowadzonego badania.

Takie podejście pozwala projektować stanowisko wokół wymagań procesu zamiast ograniczać badania do możliwości jednego wariantu katalogowego.

Co można badać na laboratoryjnej linii do filamentu?

Stanowisko umożliwia analizowanie zależności pomiędzy materiałem, konfiguracją urządzeń, parametrami procesu, właściwościami produktu i zarejestrowanymi danymi.

Materiał

• rodzaj polimeru i skład formulacji,
• udział dodatków i napełniaczy,
• wilgotność i sposób przygotowania surowca,
• wpływ zmian receptury.

Konfiguracja urządzeń

• rodzaj i geometria układu uplastyczniającego,
• miejsce wprowadzania poszczególnych składników,
• zastosowanie pompy stopu,
• geometria głowicy i narzędzia,
• sposób kalibracji i chłodzenia,
• rodzaj pomiaru, odciągu i odbioru produktu.

Proces

• temperatury poszczególnych stref,
• prędkość ślimaka lub ślimaków,
• wydajność wytłaczania,
• moment obrotowy i obciążenie napędu,
• ciśnienie stopionego tworzywa,
• warunki mieszania i odgazowania,
• temperatura oraz przebieg chłodzenia,
• prędkość odbioru produktu.

Produkt

• średnica i jej stabilność w czasie,
• owalność przekroju,
• jakość powierzchni,
• powtarzalność geometrii,
• zachowanie materiału w dalszych badaniach lub zastosowaniu.

Dane

• rejestracja przebiegów parametrów procesu,
• porównywanie kolejnych prób,
• zapisywanie receptur i ustawień,
• analiza stabilności procesu,
• archiwizacja wyników badań.

Takie podejście pozwala nie tylko stwierdzić, czy z danego materiału można otrzymać filament, lecz również określić w jakim zakresie warunków proces pozostaje stabilny i powtarzalny.

Stabilne i powtarzalne warunki wytłaczania

W stanowisku laboratoryjnym szczególnego znaczenia nabierają stabilność prędkości ślimaka, precyzyjne sterowanie temperaturą oraz możliwość odtworzenia wcześniej zastosowanych ustawień.

W zależności od zastosowanej wytłaczarki można również monitorować dodatkowe wielkości związane z rzeczywistym zachowaniem materiału, takie jak moment obrotowy, ciśnienie stopu, temperatura materiału lub inne parametry istotne dla prowadzonego badania.

Równie ważny jest dostęp do elementów mających kontakt z tworzywem. Przy częstych zmianach formulacji możliwość sprawnego czyszczenia, wymiany ślimaka lub rekonfiguracji części procesowej wpływa bezpośrednio na czas oraz wiarygodność kolejnych prób.

Formowanie filamentów 1,75 i 2,85 mm

W przypadku badań filamentów linia może zostać wyposażona w głowice i narzędzia przeznaczone do otrzymywania produktu o średnicy nominalnej 1,75 lub 2,85 mm.

Końcowa średnica filamentu nie jest prostym odwzorowaniem średnicy otworu głowicy. Na wymiar produktu wpływają wspólnie właściwości reologiczne materiału, stabilność przepływu, pęcznienie wytłoczyny, temperatura, rozciąganie, przebieg chłodzenia i prędkość odciągu.

Jeżeli przedmiotem badań są inne profile wytłaczane, stanowisko może zostać wyposażone w odpowiednio zaprojektowaną głowicę i urządzenia odbiorcze i wykańczające.

Chłodzenie i kalibracja jako część badanego procesu

Po opuszczeniu głowicy gorąca wytłoczyna pozostaje podatna na zmianę geometrii. Sposób rozpoczęcia i przebieg chłodzenia mają dlatego bezpośredni wpływ na stabilność produktu.

Linia może wykorzystywać jedną lub kilka stref chłodzenia, wanny o różnych długościach, niezależne obiegi wody, wymienniki ciepła, regulację temperatury oraz układy kalibracji.

W przypadku filamentu korzystne może być rozdzielenie procesu na etap kontrolowanego chłodzenia początkowego oraz dalszego odbioru ciepła. Dla innych materiałów i geometrii właściwe rozwiązanie może być inne.

Układ chłodzenia jest dlatego dobierany jako integralna część procesu, a nie jako stały dodatek do wytłaczarki.

Pomiar średnicy i owalności

Bezkontaktowy pomiar geometrii umożliwia obserwowanie wpływu zmian parametrów procesu na otrzymywany produkt w czasie rzeczywistym.

Laserowe systemy pomiarowe mogą prowadzić kontrolę w dwóch lub większej liczbie osi, umożliwiając analizę średnicy oraz owalności przekroju.

Rozdzielczość systemu pomiarowego może sięgać tysięcznych części milimetra. Rozdzielczości urządzenia pomiarowego nie należy jednak utożsamiać z tolerancją produkowanego filamentu. Rzeczywista stabilność wymiarowa zależy od całego procesu technologicznego.

Odciąg i regulacja wymiaru produktu

Odciąg nie pełni wyłącznie funkcji transportowej. Jego prędkość wpływa na stopień rozciągnięcia wytłoczyny, a tym samym na końcowy wymiar produktu.

W zależności od geometrii mogą być stosowane odciągi gąsienicowe, rolkowe lub inne rozwiązania odbiorcze. Odciąg gąsienicowy jest szczególnie uniwersalny, ponieważ może współpracować zarówno z filamentem, jak i z profilami o innych przekrojach.

W wybranych konfiguracjach wynik pomiaru średnicy może być wykorzystywany do automatycznej korekty prędkości odciągu. Funkcja może być aktywowana wtedy, gdy odpowiada celowi badania; możliwe jest również prowadzenie prób bez działania automatycznej korekcji.

Nawijanie i inne sposoby odbioru produktu

Dla filamentów mogą być stosowane nawijarki przeznaczone do różnych wielkości szpul, z odpowiednim prowadzeniem produktu i kontrolą naciągu.

Nie każdy eksperyment musi jednak kończyć się nawijaniem. W zależności od rodzaju produktu stanowisko może wykorzystywać transport, cięcie lub inny sposób odbioru.

Urządzenie końcowe powinno przede wszystkim zapewniać stabilny odbiór bez wprowadzania zakłóceń do wcześniejszych etapów badanego procesu.

Automatyka i rejestracja danych

W laboratorium ważny jest nie tylko otrzymany produkt, ale również informacja, w jakich warunkach został wytworzony.

System sterowania może – zależnie od konfiguracji urządzeń – umożliwiać:

• kontrolę i wizualizację parametrów procesu,
• sterowanie urządzeniami stanowiska,
• zapisywanie receptur i ustawień,
• rejestrację wartości pomiarowych w czasie,
• analizę przebiegów parametrów,
• archiwizację wyników kolejnych prób,
• transmisję danych poprzez Ethernet,
• integrację z systemami zewnętrznymi, w tym poprzez OPC UA w odpowiednich konfiguracjach,
• zdalną diagnostykę i nadzór techniczny.

Zakres automatyzacji i rejestracji danych może być dostosowany do wymagań konkretnego stanowiska badawczego.

Ograniczone zużycie materiału – duża wartość informacji z próby

Jednym z podstawowych powodów stosowania urządzeń laboratoryjnych jest możliwość prowadzenia prób przy ograniczonej ilości surowca. Ma to szczególne znaczenie w przypadku nowych polimerów, kosztownych dodatków, materiałów eksperymentalnych lub formulacji dostępnych początkowo tylko w niewielkiej ilości.

Zmniejszenie skali nie powinno jednak oznaczać rezygnacji z kontroli procesu. Stanowisko powinno nadal umożliwiać stabilne sterowanie najważniejszymi parametrami oraz ich pomiar i dokumentowanie.

Celem jest połączenie ograniczonego zużycia materiału z możliwie dużą wartością informacji otrzymywanej z każdej próby.

Dane do dalszego skalowania procesu

Badania laboratoryjne pozwalają określić zachowanie formulacji, stabilny zakres parametrów oraz ograniczenia procesu przed przejściem do większej skali.

Nie oznacza to prostego przeliczenia nastaw małej wytłaczarki na większą maszynę. Wraz ze zmianą skali zmieniają się między innymi warunki transportu materiału, wymiany ciepła, ścinania, czasu przebywania i chłodzenia.

Wartością stanowiska laboratoryjnego jest możliwość wcześniejszego określenia zależności:

materiał → konfiguracja urządzeń → parametry procesu → właściwości stopu → formowanie → geometria i jakość produktu.

Tak zebrane dane pozwalają ograniczyć liczbę niewiadomych przy projektowaniu kolejnego etapu technologii i stanowią podstawę do świadomego przejścia od prób laboratoryjnych do stanowiska pilotażowego lub produkcyjnego.