ЭКСТРУДЕР ДЛЯ ОБРАБОТКИ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ В АДДИТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЯХ

Полезная модель относится к области обработки полимерных материалов давлением и может быть использована для изготовления расходных материалов в аддитивных технологиях, в частности при FDM-печати.
Известна конструкция шнекового экструдера для производства древесно-полимерной нити для FDM-печати (патент RU 190068 U1), содержащего относительно короткий корпус цилиндрической формы из двух секций, соединенных между собой, внутри которых находится полость, где располагается шнек, приводимый в движение шаговым двигателем. В первой секции экструдера располагается загрузочное отверстие с креплением под воронку или бункер для смешивания компонентов. Недостатком данного экструдера является отсутствие системы охлаждения шнека. Охлаждаемый шнек позволил бы снизить коэффициент трения материала о поверхность шнека, избежать прилипания и облегчить проталкивание перерабатываемого материала.
В качестве прототипа выбран экструдер с системой охлаждения шнека (патент RU 2005612 С1). Указанный шнек (червяк) снабжен трубкой для подвода хладагента с установленным на ней обтекателем с каналами по наружной поверхности. Недостатком данного экструдера является то, что обтекатель, изготовленный из резины, устанавливается неподвижно во вращающемся шнеке и работает, как опора скольжения, характеризующаяся интенсивным поверхностным износом и дополнительным тепловыделением. Кроме того, данное устройство невозможно реализовать на экструдерах, шнек которых выполняется соосно приводу.
Задачей предлагаемой полезной модели является уменьшение усилия, необходимого для проталкивания перерабатываемого материала через экструдер за счет охлаждения шнека, что способствует снижению сил трения между материалом и поверхностью шнека, а также минимизации налипания материала на шнек, повышению производительности процесса и надежности работы устройства.
Технический результат достигается тем, что в глухом отверстии шнека установлен обтекатель из полимера, имеющий входное осевое отверстие для подачи хладагента и шлицевые пазы на наружной поверхности для отвода указанного хладагента. При этом суммарная площадь сечения пазов в 2 раза превышает площадь сечения входного отверстия. Обтекатель закреплен в глухом отверстии шнека таким образом, что между дном отверстия и нижней частью обтекателя обеспечивается зазор, равный по величине диаметру входного отверстия обтекателя, а на другом конце обтекателя его входные отверстия совмещены с подводящими каналами хладагента, а шлицевые пазы, длиной 9/10 длины обтекателя на его наружной поверхности в крайней своей точке совмещены с отводящими каналами хладагента.
В качестве варианта шлицевые пазы на наружной поверхности обтекателя могут быть выполнены винтовыми с шагом, не менее величины шага шнека, установленного в корпусе экструдера.
На фиг. 1 изображен общий вид предлагаемой конструкции экструдера.
Экструдер содержит корпус 1 в котором установлен шнек 2 с обтекателем 3. Загрузка материала осуществляется через воронку 4. Нагрев производится хомутовыми нагревателями 5. Подвод и отвод хладагента выполняется соответственно через штуцеры 6 и 7, закрепленные на цилиндрической поверхности корпуса 1.
В глухом отверстии шнека 2 установлен обтекатель 3 из полимера, имеющий входное осевое отверстие 8 для подачи хладагента и шлицевые пазы 9 (не менее шести) на наружной поверхности для отвода указанного хладагента. При этом суммарная площадь сечения пазов в 2 раза превышает площадь сечения входного отверстия. Обтекатель 3 закреплен в глухом отверстии шнека 2 таким образом, что между дном отверстия и нижней частью обтекателя обеспечивается зазор 10, равный по величине диаметру входного отверстия обтекателя, а на другом конце обтекателя его входные отверстия 11 совмещены с подводящими каналами 12 хладагента через штуцер 6. Шлицевые пазы 9, длиной 9/10 длины обтекателя 3 на его наружной поверхности в крайней своей точке совмещены с отводящими каналами 13 хладагента и со штуцером 7.
В качестве варианта шлицевые пазы 9 на наружной поверхности обтекателя могут быть выполнены винтовыми с шагом, не менее величины шага шнека 2, установленного в корпусе 1 экструдера.
Работа устройства осуществляется следующим образом. Экструдер приводится в движение от мотор-редуктора посредством втулочно-пальцевой муфты (условно не показано). Загруженный материал через воронку 4 перемещается с помощью шнека 2 к выходному отверстию корпуса 1 - соплу. Одновременно с этим хладагент под действием давления, создаваемого, например, центробежным насосом, поступает через штуцер 6 в кольцевую канавку на шнеке 2, через четыре подводящих канала 12 в шнеке 2 и четыре входных отверстия 11 в обтекателе 3 перетекает в его входное осевое отверстие 8. Через входное осевое отверстие и зазор 10 между дном отверстия и нижней частью обтекателя 3 хладагент проходит по шлицевым пазам 9 обтекателя 3, охлаждая изнутри поверхность отверстия шнека 2, выходя через четыре отводящих канала 13 и штуцер 7. Во избежание попадания хладагента в рабочую зону шнека установлены уплотнительные кольца 14.
В случае варианта исполнения шлицевых пазов 9 по винтовой линии на наружной поверхности обтекателя, интенсивность охлаждения шнека 2 существенно повышается за счет увеличения площади контакта хладагента с поверхностью отверстия указанного шнека.
Предлагаемая конструкция экструдера для обработки полимерных материалов в аддитивных технологиях обладает следующими преимуществами:
- позволяет существенно уменьшить усилия, необходимые для перемещения перерабатываемого материала через экструдер за счет эффективного охлаждения шнека, снижения сил трения между материалом и поверхностью шнека, а также минимизации налипания материала на шнек;
- повышает производительность процесса за счет его стабилизации и обеспечения оптимальных скоростных режимов при исключении параметрических и функциональных отказов;
- обеспечивает высокую надежность устройства за счет упрощения его конструкции, компактности габаритов и компоновки установок с соосным приводом вращения шнека;
- легко реализуется в рамках модернизации существующих экструдеров с минимальными затратами путем изготовления предлагаемой формы обтекателя на 3D-принтере.