Linie laboratoryjne do badań materiałów do produkcji filamentów dla drukarek 3D

Laboratoryjne linie do rozwoju materiałów, filamentów i procesu

Laboratoryjna linia do filamentu powinna być przede wszystkim narzędziem do poznania materiału i procesu, a nie jedynie pomniejszoną wersją instalacji produkcyjnej. W zależności od celu badań przedmiotem eksperymentu może być gotowy polimer, nowa formulacja, sposób przygotowania compoundu, zachowanie stopionego tworzywa, formowanie filamentu, jego chłodzenie i geometria albo współpraca wszystkich tych etapów w jednym ciągu technologicznym.

SiTech3D konfiguruje stanowiska laboratoryjne w szerokim zakresie skali. Mogą to być miniaturowe układy 12 mm i 2×12 mm przeznaczone do badań przy bardzo ograniczonej ilości materiału, ale również znacznie bardziej rozbudowane linie wykorzystujące wytłaczarki jednoślimakowe do 32 mm, dwuślimakowe 2×24 mm, a w projektach wymagających większego strumienia materiału także układy 2×32 mm.

Wytłaczarka jest tylko jednym z elementów stanowiska. W zależności od programu badań linia może obejmować dozowanie, przygotowanie i mieszanie materiału, odgazowanie, pomiary stopionego tworzywa, pompę stopu, wymienne głowice i narzędzia, kontrolowane chłodzenie i kalibrację, pomiar geometrii, odciąg, magazyn filamentu, nawijanie oraz rejestrację parametrów procesu.

Nie trzeba dopasowywać programu badawczego do możliwości jednej gotowej maszyny. Konfigurację linii można dobrać do materiału, zakresu eksperymentu, wymaganej ilości próbki i danych, które mają zostać uzyskane.

Dzięki temu stanowisko może służyć zarówno do wstępnej selekcji formulacji, jak i do rozwoju powtarzalnej technologii oraz przygotowania procesu do kolejnego etapu – badań w większej skali, instalacji pilotażowej lub produkcyjnej.

Stanowisko laboratoryjne projektowane wokół celu badań

W badaniach materiałowych nie istnieje jedna uniwersalna konfiguracja linii. Innego stanowiska wymaga ocena gotowego tworzywa, innego rozwój kompozytu lub własnej formulacji, a jeszcze innego badanie kompletnego procesu przygotowywanego do późniejszego wdrożenia.

Dlatego projekt laboratoryjnej linii SiTech3D powinien rozpoczynać się od określenia co ma zostać zbadane, jakie parametry mają być kontrolowane i jakich informacji ma dostarczyć eksperyment. Dopiero na tej podstawie dobierane są rodzaj i wielkość wytłaczarki, sposób dozowania, konfiguracja procesu, urządzenia odbiorcze oraz zakres pomiarów i rejestracji danych.

Linia może obejmować wybrany fragment technologii albo cały ciąg:

dozowanie → przygotowanie materiału → uplastycznianie i mieszanie → odgazowanie → kontrola stopu → stabilizacja przepływu → formowanie → chłodzenie i kalibracja → pomiar geometrii → odciąg → magazyn filamentu → nawijanie.

W środowisku R&D każdy z tych etapów może być nie tylko elementem potrzebnym do wytworzenia próbki, ale również kontrolowaną częścią eksperymentu.

Od Minilab do rozbudowanych konfiguracji laboratoryjnych

Określenie „linia laboratoryjna” nie oznacza jednej wielkości urządzenia. Skala stanowiska powinna wynikać z ilości dostępnego materiału, wymaganej ilości produktu, czasu trwania próby oraz zakresu zjawisk, które mają zostać zbadane.

Większa wytłaczarka nie oznacza automatycznie lepszego stanowiska badawczego. Przy niewielkiej ilości kosztownego materiału większą wartość może mieć możliwość wykonania wielu prób w Minilab. Jeżeli natomiast trzeba prowadzić dłuższy proces, przygotować większą partię do badań aplikacyjnych albo walidować rozbudowany ciąg technologiczny, uzasadniona jest większa konfiguracja.

Skala stanowiska powinna odpowiadać skali eksperymentu, a nie odwrotnie.

Zobacz miniaturową linię laboratoryjną Minilab oraz konfigurowalną laboratoryjną linię do produkcji i badań filamentów 3D.

Jednoślimak czy dwuślimak – dwa różne zakresy badań

Wybór rodzaju wytłaczarki powinien wynikać przede wszystkim z tego, czy przedmiotem badania jest materiał o przygotowanym składzie, czy również sposób jego przygotowania.

Badanie gotowego materiału – układ jednoślimakowy

Jeżeli materiał ma już ustalony skład, stanowisko jednoślimakowe pozwala skoncentrować się na jego zachowaniu podczas uplastyczniania, przepływu, formowania i odbioru produktu.

Badaniu mogą podlegać między innymi wpływ temperatury, prędkości ślimaka, obciążenia napędu, warunków przepływu stopionego tworzywa, geometrii głowicy, chłodzenia oraz prędkości odciągu na stabilność i geometrię filamentu.

Badanie formulacji – układ dwuślimakowy

Jeżeli eksperyment obejmuje również sposób powstawania materiału, układ dwuślimakowy umożliwia badanie dozowania wielu składników, kolejności ich wprowadzania, udziału dodatków i napełniaczy, konfiguracji elementów ślimakowych, warunków mieszania oraz – zależnie od konfiguracji – odgazowania.

Ma to znaczenie przy kompozytach, mieszaninach polimerowych i materiałach zawierających dodatki funkcjonalne. Możliwe staje się wtedy badanie zależności pomiędzy sposobem przygotowania formulacji a jej późniejszym zachowaniem podczas formowania filamentu.

Układ dwuślimakowy nie jest „lepszą” odmianą jednoślimakowego. Oba rozwiązania odpowiadają na inne pytania technologiczne.

Jeżeli głównym celem projektu jest wytwarzanie compoundu lub granulatu, a nie badanie materiału w aplikacji filamentowej, właściwym punktem wejścia są laboratoryjne linie do compoundingu i granulacji.

Badaniu może podlegać cały proces – przed i za wytłaczarką

Jedną z istotnych przewag rozbudowanego stanowiska jest możliwość analizowania nie tylko pracy samej wytłaczarki, ale również zależności pomiędzy kolejnymi operacjami procesu.

W zależności od celu badań linia może zostać wyposażona między innymi w systemy dozowania, dozowanie boczne, układy odgazowania, pomiary ciśnienia i temperatury stopu, pompę stopionego tworzywa, wymienne głowice, kontrolowane chłodzenie, kalibrację, pomiar geometrii, odciąg, magazyn filamentu i nawijanie.

Pompa stopionego tworzywa może być wykorzystana nie tylko do stabilizacji przepływu, ale również do badania zależności pomiędzy warunkami pracy wytłaczarki, wydatkiem stopu i geometrią produktu. Podobnie chłodzenie i odciąg nie są jedynie urządzeniami pomocniczymi – ich nastawy wpływają na rozciąganie, skurcz i końcową stabilność wymiarową filamentu.

Można więc badać nie tylko pojedynczy parametr, ale ciąg zależności:

materiał → przygotowanie stopu → przepływ → formowanie → chłodzenie → odciąg → geometria produktu.

To pozwala budować stanowisko wokół rzeczywistego problemu technologicznego, zamiast ograniczać eksperyment do możliwości jednej gotowej maszyny.

Pomiar i dane – od zmiany parametru do odpowiedzi produktu

W laboratorium pomiar filamentu pełni szerszą funkcję niż sama kontrola jakości. Staje się jednym z narzędzi pozwalających ocenić reakcję procesu na kontrolowaną zmianę warunków eksperymentu.

Laserowy pomiar średnicy, a w układzie dwuosiowym również owalności, pozwala obserwować reakcję produktu na zmianę temperatury, prędkości ślimaka, wydajności, chłodzenia lub prędkości odciągu.

W bardziej wymagających badaniach pomiar może zostać rozszerzony o rozwijany przez SiTech3D system EdgeMetric 360. Pozwala on analizować nie tylko podstawowy wymiar produktu, ale również lokalne zaburzenia geometrii, takie jak zgrubienia i przewężenia, niekołowość oraz zmiany pojawiające się na długości filamentu.

Ma to znaczenie przy porównywaniu materiałów i formulacji. Dwie próby mogą mieć podobną średnią średnicę, a jednocześnie różnić się lokalną stabilnością geometrii i charakterem występujących zaburzeń.

Wówczas pomiar pozwala analizować relację:

zmiana formulacji lub parametru procesu → odpowiedź geometryczna produktu.

Zobacz EdgeMetric 360 – system kontroli geometrii i jakości filamentu.

Wynikiem eksperymentu jest próbka oraz dane

Samo otrzymanie poprawnego filamentu nie daje jeszcze pełnej informacji potrzebnej do rozwoju technologii. Równie ważne jest określenie w jakich warunkach próbka powstała i jak zachowywał się proces podczas jej wytwarzania.

W zależności od konfiguracji stanowiska rejestrowane mogą być temperatury, prędkość ślimaka lub ślimaków, moment obrotowy, obciążenie napędu, parametry dozowania, ciśnienie i temperatura stopionego tworzywa, prędkości urządzeń odbiorczych oraz wyniki pomiarów geometrii.

Możliwe jest dzięki temu powiązanie danych w ciąg:

formulacja → parametry procesu → obciążenie układu → stan stopu → warunki odbioru → geometria produktu.

W dobrze zaprojektowanym laboratorium wynikiem eksperymentu jest nie tylko próbka, ale również dane pozwalające wyjaśnić sposób jej powstania.

Od laboratorium do kolejnej skali procesu

Jednym z celów prac laboratoryjnych może być ograniczenie niepewności przed przejściem do instalacji pilotażowej lub produkcyjnej. Nie oznacza to jednak prostego kopiowania nastaw pomiędzy maszynami o różnej skali.

Zmiana wielkości układu wpływa między innymi na czas przebywania materiału, charakter mieszania i ścinania, warunki wymiany ciepła, zachowanie stopu oraz chłodzenie gotowego produktu. Dlatego parametry z mniejszej maszyny nie powinny być przenoszone w sposób czysto liniowy.

Znacznie ważniejszym wynikiem badań jest określenie zależności procesowych, parametrów krytycznych oraz zakresu stabilnej pracy materiału. Wiedza ta zmniejsza ryzyko kolejnego etapu i stanowi podstawę do zaprojektowania większego procesu.

Szeroki zakres urządzeń SiTech3D pozwala prowadzić rozwój technologii etapowo – od prób na niewielkiej ilości surowca, przez rozbudowane stanowisko laboratoryjne, po rozwiązania pilotażowe i produkcyjne.

Zobacz produkcyjne linie do filamentów 3D.

Jak porównywać laboratoryjne linie do badań filamentów?

W urządzeniach R&D maksymalna wydajność nie jest wystarczającym kryterium wyboru. Istotniejsze jest to, jak szeroki zakres eksperymentów można wykonać i jak wiarygodnie można zmierzyć odpowiedź procesu.

Przy porównywaniu stanowisk warto sprawdzić:

• zakres skali – od małych prób do bardziej rozbudowanych eksperymentów,
• możliwość wyboru układu jedno- lub dwuślimakowego odpowiednio do funkcji procesu,
• możliwość rekonfiguracji dozowania, przygotowania materiału i części procesowej,
• zakres pomiarów stopu i obciążenia układu,
• możliwość zastosowania pompy stopionego tworzywa, jeżeli wymaga tego eksperyment,
• wymienność głowic i narzędzi,
• kontrolę chłodzenia, kalibracji i odciągu,
• pomiar średnicy, owalności i lokalnej stabilności geometrii,
• rejestrację danych umożliwiającą porównywanie kolejnych prób,
• łatwość czyszczenia i zmian materiału,
• możliwość rozbudowy stanowiska wraz z rozwojem programu badań,
• możliwość wykorzystania wyników przy projektowaniu kolejnej skali procesu.

Dopiero takie porównanie pozwala ocenić, czy stanowisko jest jedynie urządzeniem do uzyskania próbki, czy rzeczywistą platformą do rozwoju materiału i technologii.

FAQ – najważniejsze pytania przed wyborem stanowiska

Kiedy wybrać wytłaczarkę jednoślimakową, a kiedy dwuślimakową?

Układ jednoślimakowy jest właściwy przede wszystkim wtedy, gdy materiał ma już przygotowany skład, a badanie dotyczy jego uplastyczniania, formowania i dalszego prowadzenia produktu. Układ dwuślimakowy jest uzasadniony, gdy eksperyment obejmuje również przygotowanie lub modyfikację formulacji, dozowanie dodatków i napełniaczy, mieszanie albo odgazowanie.

Kiedy warto zastosować Minilab?

Gdy jednym z głównych ograniczeń projektu jest ilość lub koszt badanego materiału. Minilab umożliwia prowadzenie pełnego, mierzalnego procesu przy niewielkim zużyciu surowca i jest szczególnie użyteczny podczas wczesnego R&D oraz selekcji wariantów formulacji.

Czy laboratoryjna linia musi mieć małą wytłaczarkę?

Nie. Wielkość urządzenia powinna odpowiadać celowi badania. SiTech3D może konfigurować stanowiska od układów miniaturowych 12 mm i 2×12 mm po linie wykorzystujące wytłaczarki jednoślimakowe do 32 mm, dwuślimakowe 2×24 mm, a w wymagających projektach także 2×32 mm.

Czy nastawy z laboratorium można bezpośrednio przenieść na produkcję?

Nie należy przenosić ich w sposób liniowy. Wyniki badań laboratoryjnych służą przede wszystkim do poznania materiału, zależności pomiędzy parametrami i zakresu stabilnej pracy. Na tej podstawie można znacznie bardziej świadomie zaprojektować kolejną skalę procesu.

Zaprojektujmy stanowisko wokół programu badań

Do rozpoczęcia projektu nie jest potrzebna kompletna specyfikacja maszyny. Bardziej użyteczne jest określenie materiału, problemu technologicznego i informacji, które mają zostać uzyskane podczas eksperymentu.

Do wstępnego doboru warto przygotować informacje o rodzaju materiału i formulacji, dostępnej ilości surowca, dodatkach i napełniaczach, wymaganych operacjach procesowych, docelowym produkcie, ilości materiału potrzebnej do dalszych badań, parametrach wymagających pomiaru oraz planowanym kolejnym etapie projektu.

Na tej podstawie SiTech3D może dobrać rodzaj i skalę wytłaczarki, dozowanie, konfigurację procesu, pomiary stopu, głowicę, chłodzenie, kontrolę geometrii, urządzenia odbiorcze oraz zakres rejestracji danych.

Celem jest zbudowanie nie tylko linii wytłaczarskiej, ale stanowiska badawczego dostarczającego wiarygodnych danych potrzebnych do następnej decyzji technologicznej.