Wytłaczarka laboratoryjna LE-1S 20 mm

Wytłaczarka 20 mm jako platforma procesu, a nie tylko urządzenie laboratoryjne

LE-1S 20 mm została zaprojektowana jako konfigurowalna wytłaczarka jednoślimakowa, która może pełnić różne funkcje w zależności od wyposażenia i wymagań procesu. Może pracować jako samodzielne stanowisko R&D, jednostka procesowa niewielkiej linii technologicznej, koekstruder albo element bardziej rozbudowanego stanowiska badawczego lub przemysłowego.

Średnica ślimaka 20 mm pozwala ograniczyć ilość materiału potrzebnego do prowadzenia procesu, co ma szczególne znaczenie podczas pracy z drogimi surowcami, dodatkami funkcjonalnymi, materiałami eksperymentalnymi oraz przy częstych zmianach formulacji. Mniejsza skala układu uplastyczniającego nie oznacza jednak ograniczenia urządzenia wyłącznie do laboratorium. Jeżeli wymagany punkt pracy mieści się w zakresie maszyny, LE-1S 20 mm może realizować również regularne zadania technologiczne.

Wartość urządzenia nie wynika z jednej maksymalnej liczby opisującej moc, moment lub wydajność. O przydatności w konkretnym procesie decydują przede wszystkim stabilność transportu materiału, kontrola uplastyczniania, właściwy profil temperaturowy, warunki przepływu oraz możliwość pomiaru i rejestracji najważniejszych parametrów pracy.

Napęd i kontrola rzeczywistego obciążenia procesu

LE-1S 20 mm zapewnia maksymalny dostępny moment obrotowy na ślimaku do 120 Nm oraz prędkość obrotową do 300 obr./min. Parametry napędu pozwalają prowadzić proces w szerokim zakresie punktów pracy i dobierać prędkość ślimaka do właściwości materiału, geometrii układu uplastyczniającego oraz funkcji urządzenia w linii.

W jednej z konfiguracji stosowany jest silnik Lenze MF w wykonaniu 120 Hz współpracujący z falownikiem rodziny i500. Sterowanie może pracować w trybie SC ASM, a identyfikacja parametrów silnika umożliwia dopasowanie modelu wykorzystywanego przez układ napędowy do konkretnego zespołu silnikowego.

Dostępna jest również konfiguracja z napędem synchronicznym. Rodzaj napędu może być dzięki temu dobierany do wymagań aplikacji, zakresu prędkości, charakterystyki obciążenia oraz oczekiwanej dynamiki pracy.

W zależności od konfiguracji układu napędowego wartość momentu może być wyznaczana i rejestrowana razem z pozostałymi parametrami procesu. Zmiany momentu są użytecznym sygnałem diagnostycznym, ponieważ mogą odzwierciedlać zmiany obciążenia wynikające między innymi z właściwości materiału, temperatury, stopnia wypełnienia ślimaka lub oporów przepływu.

Momentu obrotowego nie należy jednak utożsamiać bezpośrednio z lepkością materiału. Jest on wynikiem całkowitego obciążenia układu procesowego. Największą wartość informacyjną uzyskuje się dlatego przez analizowanie momentu razem z prędkością ślimaka, temperaturą stopu, ciśnieniem oraz warunkami dozowania.

Temperatura cylindra i rzeczywista temperatura stopu

LE-1S 20 mm może posiadać od 4 do 8 niezależnie regulowanych stref grzewczo-chłodzących. Pozwala to tworzyć profil temperaturowy odpowiedni dla właściwości tworzywa oraz przebiegu transportu, uplastyczniania i homogenizacji materiału.

Standardowe wykonanie umożliwia pracę do 400°C. Opcjonalne wykonanie wysokotemperaturowe pozwala zwiększyć maksymalną temperaturę pracy do 420°C. Dostępne jest również wykonanie ze stali kwasoodpornej przeznaczone do pracy do 270°C.

Strefy cylindra są regulowane niezależnie, a obszar karmienia posiada oddzielny układ chłodzenia wodnego pracujący w obiegu z pompą i chłodnicą. Stabilizacja temperatury strefy karmienia jest istotna dla utrzymania powtarzalnych warunków transportu materiału przed rozpoczęciem intensywnego uplastyczniania.

Temperatura cylindra nie jest równoznaczna z rzeczywistą temperaturą stopu. Podczas przepływu materiał otrzymuje energię zarówno od układu grzewczego, jak i w wyniku pracy mechanicznej oraz ścinania. Z tego powodu bezpośredni pomiar temperatury stopu stanowi ważne uzupełnienie informacji pochodzących z regulatorów poszczególnych stref.

Ciśnienie jako informacja o warunkach przepływu

Pomiar ciśnienia stopu pozwala obserwować warunki panujące w określonym miejscu układu przepływowego. Jego wartość zależy od temperatury i właściwości materiału, natężenia przepływu, geometrii ślimaka oraz oporów generowanych przez elementy znajdujące się za wytłaczarką.

Głowica, filtr, pompa stopu lub inne urządzenia linii mogą znacząco wpływać na ciśnienie, dlatego pojedynczy odczyt powinien być interpretowany zawsze w kontekście całego procesu.

Połączenie informacji o ciśnieniu z temperaturą stopu, momentem napędu oraz prędkością obrotową ślimaka pozwala znacznie skuteczniej analizować stabilność procesu niż obserwacja pojedynczej wielkości.

Geometria ślimaka dobierana do procesu

LE-1S 20 mm może być wykonana z długością roboczą ślimaka L/D 24–32. Standardowo stosowany jest ślimak monolityczny, którego geometria może zostać dostosowana do rodzaju materiału i zadania technologicznego.

Dobór geometrii powinien uwzględniać wymagania związane z transportem materiału stałego, uplastycznianiem, homogenizacją, generowaniem ciśnienia, wrażliwością materiału na temperaturę i ścinanie oraz charakterystyką urządzeń znajdujących się za wytłaczarką.

Materiał jest ogrzewany, uplastyczniany i homogenizowany w wyniku współdziałania energii cieplnej dostarczanej przez cylinder oraz energii mechanicznej przekazywanej przez obracający się ślimak. Udział obu mechanizmów zmienia się wraz z geometrią ślimaka, prędkością obrotową i właściwościami materiału.

Wytłaczarka jednoślimakowa może realizować również funkcje mieszające, jednak ich intensywność zależy od geometrii ślimaka i punktu pracy. W procesach wymagających intensywnego compoundingu, wysokiej zawartości napełniaczy lub szczególnie silnego mieszania dyspersyjnego należy rozważyć zastosowanie odpowiednio skonfigurowanego układu dwuślimakowego.

Rowkowana strefa karmienia

Opcjonalna rowkowana strefa karmienia rozszerza możliwości kształtowania transportu materiału stałego. W zależności od właściwości granulatu, współczynnika tarcia, geometrii ślimaka i warunków procesu może poprawiać stabilność podawania oraz zdolność transportową układu.

Rozwiązania tego nie należy utożsamiać wyłącznie ze zwiększaniem maksymalnej wydajności. Z punktu widzenia procesu istotna jest przede wszystkim możliwość uzyskania bardziej przewidywalnych warunków karmienia i ograniczenia wpływu zmian podawania materiału na dalsze etapy uplastyczniania.

Dozowanie materiałów, cieczy i gazów

LE-1S 20 mm może współpracować z dozownikami grawimetrycznymi i wolumetrycznymi, co pozwala kontrolować podawanie tworzywa podstawowego oraz składników formulacji.

W zależności od procesu możliwe jest również dozowanie cieczy do zasypu za pomocą pompy perystaltycznej albo bezpośrednio do cylindra przy wykorzystaniu odpowiednio dobranego układu z pompą zębatą. Dostępne jest także dozowanie gazów.

Połączenie systemów dozowania z rejestracją parametrów procesu jest szczególnie istotne w pracach R&D oraz podczas wdrażania formulacji, ponieważ pozwala powiązać rzeczywisty skład procesu z temperaturą, ciśnieniem, momentem i pozostałymi parametrami pracy urządzenia.

LE-1S 20 mm nie jest przewidziana do pracy z portem odgazowania. Jeżeli proces wymaga kontrolowanego usuwania wilgoci, składników lotnych lub produktów ubocznych, należy dobrać inną konfigurację platformy LE-1S albo technologię lepiej dostosowaną do procesu odgazowania.

R&D, rejestracja danych i powtarzalność procesu

W pracach badawczo-rozwojowych istotne jest nie tylko uzyskanie określonego produktu, ale również poznanie warunków, w których proces przebiegał stabilnie. Dlatego możliwość pomiaru i archiwizacji parametrów jest jednym z podstawowych elementów platformy LE-1S.

System sterowania umożliwia rejestrację danych procesowych oraz obsługę receptur. Pozwala to porównywać kolejne próby, analizować wpływ zmian temperatury lub prędkości ślimaka, obserwować zachowanie momentu i ciśnienia oraz odtwarzać zweryfikowane ustawienia procesu.

Takie podejście ułatwia wyznaczanie okna procesowego, czyli zakresu warunków, w których proces pozostaje stabilny i prowadzi do uzyskania oczekiwanego rezultatu. Jest to użyteczne zarówno podczas badań laboratoryjnych, jak i przy przechodzeniu do regularnej pracy technologicznej.

Sam pomiar momentu, temperatury i ciśnienia nie jest jednak równoważny pełnemu pomiarowi reologicznemu. Jeżeli celem jest wyznaczanie ilościowych charakterystyk reologicznych, stanowisko powinno zostać uzupełnione o odpowiednią geometrię pomiarową i dedykowany tor pomiarowy.

Automatyka i integracja z linią technologiczną

LE-1S 20 mm wykorzystuje sterownik PLC czasu rzeczywistego oraz komunikację Ethernet. Opcjonalnie możliwa jest integracja przez OPC UA, co pozwala włączyć urządzenie do nadrzędnego systemu linii, systemu akwizycji danych lub infrastruktury stanowiska badawczego.

Dostępne są również opcjonalne funkcje pomiaru energii, Wi-Fi, sterowania z tabletu, zdalnego nadzoru, diagnostyki serwisowej oraz serwera WWW.

Rozbudowę automatyki mogą uzupełniać LMS – Logistics Management System, PMS – Power Management System oraz DMS – Dosing Management System. Pozwala to rozszerzyć funkcję lokalnego sterowania o zarządzanie przepływem materiałów, energią oraz dozowaniem w bardziej rozbudowanych instalacjach technologicznych.

LE-1S 20 mm jako koekstruder

LE-1S 20 mm może pracować jako koekstruder zasilający wybraną warstwę lub komponent produktu. W takich zastosowaniach szczególnego znaczenia nabiera nie maksymalna wydajność pojedynczej wytłaczarki, lecz stabilność strumienia i utrzymanie wymaganej relacji pomiędzy poszczególnymi materiałami.

Regulacja prędkości ślimaka, pomiar temperatury i ciśnienia stopu, monitoring obciążenia oraz możliwość współpracy z systemami dozowania tworzą podstawę do integracji urządzenia z głowicami wielokomponentowymi i pozostałymi elementami linii.

Mniejsza skala układu 20 mm jest szczególnie użyteczna wtedy, gdy jeden z komponentów powinien być podawany w relatywnie niewielkim, ale stabilnym strumieniu.

Od badań R&D do zastosowań przemysłowych

LE-1S 20 mm może być wykorzystywana zarówno podczas opracowywania procesu, jak i później jako jednostka robocza instalacji technologicznej, jeżeli wymagany punkt pracy mieści się w zakresie urządzenia.

Takie podejście pozwala zachować tę samą architekturę sterowania, sposób pomiaru i znaczną część wiedzy procesowej zdobytej podczas prac rozwojowych. Ma to znaczenie szczególnie w procesach małoseryjnych, specjalistycznych oraz wszędzie tam, gdzie wysoka maksymalna wydajność nie jest podstawowym kryterium doboru maszyny.

Przejścia do większej skali nie należy jednak sprowadzać wyłącznie do zmiany średnicy ślimaka. Przy skalowaniu trzeba uwzględniać między innymi geometrię układu uplastyczniającego, czas przebywania materiału, wymianę ciepła, intensywność ścinania, stopień wypełnienia oraz charakterystykę całego układu znajdującego się za wytłaczarką.

Konfiguracja LE-1S 20 mm

Dobór konfiguracji powinien rozpocząć się od materiału, wymaganej funkcji wytłaczarki oraz sposobu wykorzystania jej w całej linii. Na tej podstawie można określić długość i geometrię ślimaka, rodzaj strefy karmienia, konfigurację napędu, liczbę stref temperaturowych, wymagane pomiary, system dozowania oraz sposób komunikacji z pozostałymi urządzeniami.

Model 20 mm jest szczególnie korzystny wtedy, gdy istotne są ograniczenie ilości materiału potrzebnego do badań, częste zmiany formulacji lub niewielki wymagany strumień procesowy. Jeżeli aplikacja wymaga większej skali procesu, większego momentu albo dodatkowych funkcji układu uplastyczniającego, można dobrać większy model z tej samej rodziny LE-1S.

Dzięki temu modele 20, 25 i 32 mm tworzą spójną rodzinę urządzeń, w której wielkość maszyny dobierana jest do rzeczywistego zadania technologicznego, a nie traktowana jako prosta hierarchia klasy urządzeń.