Linie produkcyjne filamentów do drukarek 3D

Linie produkcyjne filamentów dla drukarek 3D.

Technologia druku 3D dynamicznie rozwija się w wielu dziedzinach, od medycyny po przemysł lotniczy. Jednym z kluczowych elementów w druku 3D jest filament, czyli materiał, z którego powstają wydruki. Produkcja filamentów to skomplikowany proces, który napotyka wiele wyzwań technologicznych, ekonomicznych i ekologicznych. Filament do drukarek 3D to tak naprawdę żyłka o średnicy 1,75 mm lub 2,85 mm. Z jednej strony to prosty do wytworzenia produkt jednak w praktyce jego produkcja nastręcza wiele problemów i okazuje się trudnym zadaniem. Jakie są przyczyny tej trudności? Po pierwsze klienci oczekują, aby tolerancja średnicy filamentu dla średnicy 1,75 mm była lepsza niż +/- 0,05 mm w praktyce oczekuje się tolerancji +/- 0,02 mm. Należy wspomnieć ze klienci oczekują również, aby filament do drukarek 3D był okrągły a nie owalny.

Spełnienie tych wymagań jest kluczowe dla jakości i powtarzalności wydruków 3D. Po drugie powyżej opisane wymagania musza być spełnione dla szerokiej gamy polimerów termoplastycznych oraz ich mieszanin oraz kompozytów. Dlatego zadanie nie jest łatwe do realizacji, powstaje wiele kombinacji polimerów o różnych właściwościach, których wytłaczanie bywa bardzo wymagającym procesem. Aby sprostać temu wyzwaniu należy posiadać szerokie kompetencje z zakresu przetwórstwa polimerów oraz ich kompozytów. Po trzecie linie do produkcji filamentów do drukarek 3D musza spełniać wysokie wymagania odnośnie parametrów technicznych oraz co najważniejsze musza być wiarygodne w zakresie pomiarów parametrów przetwórstwa oraz procesu regulacji tych parametrów.Filamenty do drukarek 3D są dostępne w różnorodnych materiałach, takich jak PLA, ABS, PETG, nylon, oraz wiele innych. Każdy z tych materiałów ma inne właściwości, co wpływa na sposób ich produkcji. Wyzwaniem jest zapewnienie odpowiednich warunków produkcyjnych dla każdego materiału oraz utrzymanie wysokiej jakości wytwarzanych filamentów.

Linia do produkcji filamentu do drukarek 3D to kompletny, zautomatyzowany system przemysłowy zaprojektowany do wytwarzania filamentu o wysokiej jakości, który jest niezbędnym materiałem eksploatacyjnym w drukarkach 3D typu FDM (Fused Deposition Modeling). 

Linia do produkcji filamentu do drukarek 3D jest zaawansowanym systemem, który łączy precyzyjną mechanikę oraz automatykę która kontroluje temperatury, chłodzenie  oraz cały proces, aby produkować filamenty spełniające najwyższe standardy jakości.

Wyzwania związane z produkcją filamentów do drukarek 3D.

Złożoność procesów ekstruzji i kalibracji.

Wytłaczanie jest sercem linii produkcyjnej do wytwarzania filamentów. Polega on na podgrzewaniu materiału (najczęściej tworzywa sztucznego) do stanu plastycznego, a następnie przeciskaniu go przez głowicę, co pozwala na uzyskanie długiego, cienkiego pasma materiału o precyzyjnie kontrolowanej średnicy. Kluczowym wyzwaniem jest tutaj utrzymanie stabilnych parametrów procesu.

• Temperatura: Musi być ściśle kontrolowana na różnych etapach ekstruzji, aby zapobiec degradacji materiału i zapewnić jego właściwą lepkość.
• Prędkość wytłaczania: Zbyt wysoka lub zbyt niska prędkość może prowadzić do powstawania defektów w strukturze filamentu.
• Ciśnienie: Wahania ciśnienia mogą powodować nierównomierny przepływ stopionego polimeru, co wpływa na jakość filamentu.

Każda zmiana parametrów materiału, takiego jak lepkość lub zawartość dodatków, wymaga precyzyjnej kalibracji linii produkcyjnej, co stanowi wyzwanie w przypadku konieczności częstych zmian w produkcji.

Precyzyjna kontrola średnicy filamentu i jego powierzchni.

Stała średnica filamentu jest krytyczna dla prawidłowego działania drukarek 3D, które używają tego materiału. Wahania w średnicy mogą prowadzić do problemów z ekstrudowaniem materiału przez drukarkę, co skutkuje błędami w wydrukach. Dlatego linie produkcyjne muszą być wyposażone w zaawansowane systemy kontroli jakości, które mierzą średnicę filamentu w czasie rzeczywistym. Technologia optyczna, np. laserowe mierniki średnicy, jest często stosowana, ale wymaga odpowiedniego skalibrowania i integracji z systemem sterującym linią produkcyjną. Dodatkowo, kontrola powierzchni filamentu, w tym wykrywanie mikrouszkodzeń czy pęcherzyków powietrza, jest niezbędna do zapewnienia wysokiej jakości końcowego produktu.

Wielomateriałowość i adaptacja technologii.

Współczesne filamenty mogą być wykonane z różnorodnych materiałów, takich jak PLA, ABS, PETG, nylon, a także materiały kompozytowe zawierające włókna węglowe, drewno czy metal. Każdy z tych materiałów ma różne właściwości, które wpływają na proces ekstruzji. Linie produkcyjne muszą być zaprojektowane tak, aby mogły obsługiwać różne materiały bez potrzeby długotrwałych przestojów na przezbrajanie. Wymaga to elastyczności zarówno w systemach grzewczych, jak i mechanicznych komponentach linii, takich jak ślimaki wytłaczarek czy systemy chłodzenia.

Złożoność systemów automatyki i monitoringu.

Linie produkcyjne do filamentów muszą być wyposażone w zaawansowane systemy automatyki, które nie tylko kontrolują parametry procesu, ale również umożliwiają szybkie reagowanie na wszelkie nieprawidłowości. Integracja czujników, systemów wizyjnych i algorytmów sterowania pozwala na automatyczną korektę parametrów produkcji w czasie rzeczywistym, co jest kluczowe dla utrzymania wysokiej jakości filamentu. Wymaga to zaawansowanego oprogramowania oraz niezawodnych systemów komunikacji między poszczególnymi elementami linii.

Z powyższego wynika że linie do produkcji filamentów powinny  być zbudowane z urządzeń o wysokich parametrach technicznych. Ważna jest możliwość precyzyjnego i zarazem powtarzalnego ustawiania [ regulowania] wszystkich parametrów urządzeń; takich jak temperatury wytłaczarki, wody w wannach, ciśnienia, prędkości wytłaczarki, pompy tworzywa, odciągu. Klienci oczekują filamentów o wysokiej precyzji. Powtarzalność wymiaru średnicy filamentu przy zachowaniu należytej owalności w osiach x y nie może być gorsza niż +/- 0,05 mm Odbiorcy filamentów często oczekują wyższej precyzji rzędu +/- 0,02-0,03 mm. Linie firmy SiTech3D umożliwiają uzyskanie takich parametrów co potwierdzają klienci. Na liniach mogą być produkowane również inne filamenty, żyłki, rurki druty spawalnicze z tworzyw sztucznych. Układ uplastyczniający wytłaczarki  może zostać przystosowany do przetwarzania wymaganych tworzyw polimerowych.

Koszt zakupu i instalacji  profesjonalnej linii produkcyjnej do wytwarzania filamentów jest znaczący. Linia taka musi być wyposażona w zaawansowane technologie, co wiąże się z wysokimi kosztami początkowymi. Oprócz samego sprzętu, konieczne są inwestycje w systemy automatyki, oprogramowanie do monitorowania procesu, a także w szkolenie personelu, który będzie obsługiwał linię. Ponadto, konieczne jest uwzględnienie kosztów związanych z utrzymaniem i serwisowaniem sprzętu.

Wymagania stawiane liniom do produkcji filamentu stosowanego w druku 3D.

Ponieważ filamentom do drukarek 3D pracujących z wykorzystaniem technologii FDM stawiane są bardzo wysokie wymagania dotyczące jednorodności, średnicy oraz owalności linie służce do ich produkcji również musza spełniać wysokie wymagania:

• Przemysłowe linie do produkcji filamentu do drukarek 3D musza mieć modułowa konstrukcje podatną na modyfikacje urządzeń i procesu wytwórczego. Wszystkie urządzenia zastosowane w linii musza być łatwe do czyszczenia.

• Wytłaczarka zastosowana w linii musi posiadać wysoką zdolność do wytłaczania stopu wysokiej jednorodności. Parametry takie jak prędkość obrotowa ślimaka, temperatury strefy karmienia, temperatury stref układu uplastyczniającego powinny być bardzo stabilne w długich okresach. Wymaga to zastosowania nowoczesnych napędów o wysokiej stabilności oraz pozwalających regulować prędkość obrotową w szerokim zakresie. Wymagania stawiane układom ogrzewającym i chłodzącym cylinder wytłaczarki również są wysokie. Należy dobrze zaprojektować ten system oraz zastosować dobrej jakości regulatory temperatury najlepiej w postaci sterownika przemysłowego PLC. Program sterowania powinien pozwalać na dostosowanie profilu termicznego urządzenia do prowadzonego procesu produkcyjnego. Wytłaczarka powinna być przystosowana do łatwej i szybkiej wymiany ślimaka bez konieczności demontażu elementów linii.

• Linia powinna być wyposażona w pompę stopionego tworzywa w celu ograniczenia pulsacji ciśnienia tworzywa oraz zapewnienia stabilnego wypływu tworzywa z głowicy. Powinna być zapewniona możliwość korzystania linii bez użycia pompy tworzywa. Pompa powinna być wyposażona w precyzyjny i stabilny system regulacji temperatury stopu oraz przetworniki ciśnienia zastosowane na wejściu i wyjściu pompy.

• Głowica jest tym elementem linii, który w zależności od narzędzia formującego, ustala ostateczny kształt wytłaczanej żyłki (filamentu). Wszystkie części mające kontakt z tworzywem są poddane procesowi azotowania, co pozwala na uzyskanie dużej odporności na ścieranie. Głowica jest grzana grzałkami opaskowymi i są w niej gniazda do podłączenia czujników temperatury oraz czujnika ciśnienia. Głowica do pompy tworzywa lub wytłaczarki powinna być mocowana za pomocą zamknięcia klinowego.

• Głowica formująca żyłkę do drukarek 3D może być wyposażona w dwa narzędzia do wytwarzania żyłki o średnicach 1,75 mm i 2,85 mm. Głowica jest grzana elektrycznie. Dokładność średnicy wytłoczonego filamentu nie jest gorsza niż ±0,05 [mm]. Wymiana narzędzia jest łatwa i nie wymaga stosowania specjalistycznych narzędzi. Wszystkie elementy głowicy mające styczność z tworzywem są azotowane do twardości 1000^oHV i na głębokość nie mniejszą niż 0,5 mm.

• Linia powinna być wyposażona w dwie wanny chłodzące wytłaczany filament.

  • Pierwsza wanna powinna na wejściu do wody zapewniać kalibrację wytłaczanego filamentu w celu poprawy kształtu i zachowania wymaganej średnicy. Pierwsza wanna powinna być wyposażona w urządzenia umożliwiające regulację oraz utrzymywanie stabilnej temperatury w zakresie do ok 80^oC.Obiegi wody procesowej oraz chłodzącej powinny być oddzielone siebie za pomocą wymiennika ciepła oraz obieg wody procesowej powinien umożliwiać precyzyjną regulacje przepływu.

  • Druga w linii wanna ma za zadanie chłodzenie filamentu oraz powinna być wyposażona w system osuszana filamentu. Obiegi wody procesowej oraz chłodzącej powinny być oddzielone siebie za pomocą wymiennika ciepła oraz obieg wody procesowej powinien umożliwiać precyzyjną regulacje przepływu. Przepływ wody chłodzącej nie powinien powodować drgać chłodzonego filamentu.

• Do transportu wytłaczanej (ekstrudowanej) żyłki lub filamentu, służy odciąg odbiorczy. Odciąg gąsienicowy jest rozwiązaniem uniwersalnym, ponieważ umożliwia transport profili o różnych przekrojach poprzecznych a nie tylko filamentu. Odciąg jest bardzo istotnym elementem linii, ponieważ odpowiada również za dokładność wymiarową żyłki lub filamentu. Precyzyjne sterowanie prędkością liniową pozwala na bardzo dokładną regulację wymiarów filamentu. Odciąg gąsienicowy współpracuje z urządzeniem pomiarowym. Wyniki pomiaru średnicy żyłki lub filamentu są analizowane przez cyfrowy system sterowania linią. Dzięki temu prędkość odciągu może być regulowana w taki sposób, aby zapewnić niezmienność wymiarową wytłaczanej żyłki lub filamentu. Odciąg powinien posiadać parę gąsienic o regulowanej odległości symetrycznie względem żyłki. Regulacja odległości gąsienic powinna być precyzyjna. Pomiar odległości wzajemnej gąsienic również powinien być precyzyjny. Odciąg powinien być wyposażony w dwa siniki [każda gąsienica napędzane jest niezależnie]. Wszystkie funkcje odciągu powinny być sterowane z niezależnego dotykowego panelu operatora jest to bardzo użyteczne rozwiązanie ze względu na znaczna odległość odciągu od wytłaczarki.

• Do pomiaru średnicy żyłki w dwóch lub trzech osiach, dla żyłki przeźroczystej i nieprzeźroczystej powinien służyć laserowy miernik z zintegrowanym wyświetlaczem pomiaru. Pomiar średnicy jest kluczowym elementem w procesie produkcji filamentu i powinien być realizowany z dokładnością sięgającą tysięcznych części mm.

• Kompensator pionowy jest w istocie magazynem wytłaczanej żyłki, który odbiera wytłaczaną żyłkę w trakcie wymiany szpul na nawijarce dwuwrzecionowej. Kompensator pozwala operatorowi na łatwą zmianę szpuli bez konieczności przerywania procesu wytłaczania.

• Nawijarka filamentu umożliwia nawijanie w ciągu technologicznym. Powinna być wyposażona w łatwy w obsłudze i niezawodny mechanizm mocowania szpul. Powinna być wyposażona w licznik długości nawiniętego filamentu oraz miernik siły naciągu, który zapewnia stały i stabilny naciąg filamentu. Wszystkie funkcje nawijarki są sterowane z niezależnego dotykowego panelu operatora wyposażonego w cyfrowy sterownik PLC. Zastosowanie ekranu dotykowego ułatwia obsługę, ponieważ operator nie jest zmuszony podchodzić do głównego panelu operatora umieszczanego zwykle przy wytłaczarce.

Druk 3D to forma technologii wytwarzania przyrostowego, w której trójwymiarowe obiekty powstają poprzez nakładanie kolejnych warstw materiału, aż do uzyskania przez obiekt pożądanego kształtu. Druk 3D daje projektantom produktów możliwość drukowania części i zespołów z materiałów o różnych właściwościach mechanicznych i fizycznych przy użyciu jednego procesu produkcyjnego. Dzięki tej technologii bryłowe obiekty 3D mogą być tworzone z cyfrowego planu, który jest tworzony na komputerze (np. rysunek CAD) lub skanowany za pomocą skanera 3D. Dzięki temu druk 3D umożliwia opracowanie prototypu w ułamku czasu i przy niższych kosztach w porównaniu z konwencjonalną obróbką skrawaniem. Wytłaczarki jednoślimakowe służą do wytwarzania tych filamentów z polimeru bazowego. Wytłaczarki jednoślimakowe charakteryzują się wysokim wzrostem ciśnienia i stałą wydajnością, co jest ważne dla utrzymania stałej średnicy filamentu. Charakter procesu wytłaczania dwuślimakowego i dwuślimakowego skutkuje lekko pulsującym przepływem na wyjściu wytłaczarki. Zjawisko pulsacji występuje z większym natężeniem w przypadku wytłaczarek dwuślimakowych i utrudnia utrzymanie stałej średnicy filamentu. W przypadku filamentów do drukarek 3D niezbędna jest stała średnica filamentu, ponieważ decyduje ona o jakości kształtu i stabilności końcowego drukowanego produktu. Dlatego stała wydajność ekstrudera jest niezbędna, aby osiągnąć pożądaną specyfikację filamentu. Rozwiązaniem tego problemu jest zastosowanie pompy stopionego polimeru umieszczonej pomiędzy ekstruderem a głowicą formującą filament. Pompa topiąca wykorzystuje dwa ściśle zazębiające się koła zębate, które obracają się, a następnie rozdzielają po stronie wlotowej pompy. Tworzy to wnękę i ssanie, które jest wypełniane przez stopiony materiał. Stopiony materiał jest transportowany przez koła zębate do strony wylotowej pompy, gdzie zazębienie kół zębatych wypiera stop. Ponieważ odległości mechaniczne są bardzo małe, stop jest skutecznie zabezpieczony przed wyciekiem do tyłu. Wytrzymała konstrukcja kół zębatych i obudowy pozwala na konstruowanie bardzo wysokich ciśnień (do 700 barów) oraz możliwość pompowania stopów o wysokiej lepkości. Kontrolując prędkość obrotową pompy polimeru można utrzymać stałe ciśnienie i przepływ stopionego polimeru z wysoką precyzją oraz wolne od pulsacji, co skutkuje wytłaczaniem filamentu o stałej średnicy.

Dlaczego pompa stopionego polimeru jest ważnym elementem linii do produkcji filamentu?

Pompę stopionego polimeru możemy w praktyce traktować jak precyzyjny dozownik wolumetryczny. Zastosowanie pompy stopionego polimeru znacznie zmniejsza pulsację wydajności wytłaczarki jednoślimakowej i dwuślimakowej, a tym samym poprawia spójność średnicy wytłaczanego filamentu. Zastosowanie wytłaczarki dwuślimakowej z dołączoną pompą topiącą daje możliwość przekształcenia nowo utworzonych mieszanin lub kompozytów polimerowych bezpośrednio w precyzyjny filament, który może być stosowany w drukarkach 3D.

Rys.1 Zasada działania wytłaczarki i pompy stopionego tworzywa przy produkcji filamentu do drukarek 3D.

Rys.2 Wytłaczarka dedykowana do produkcji filamentów 3D z pompą tworzywa.

Rys.3 Wytłaczarka 45mm dedykowana do produkcji filamentów 3D z pompą tworzywa.

Rys.4 Wytłaczarka dwuślimakowa 2x24mm dedykowana do badania i produkcji filamentu 3D z pompą tworzywa.