Экструдер с ультразвуковой формующей головкой

Полезная модель относится к устройствам для переработки пластмасс и может быть использована при изготовлении термопластичных нитей к 3D-принтерам, реализующим технологии FDM, в том числе при изготовлении нитей путем вторичной переработки отходов аддитивного производства.
Технология формирования изделий сложной формы путем послойного наплавления термопластичной нити в соответствии с компьютерной твердотельной моделью (FDM) широко используется при изготовлении, прототипов, моделей, наглядных пособий, а также деталей основного производства, не подвергающихся значительным термическим и механическим нагрузкам. Нити из аддитивных термопластов выпускаются специализированными фирмами, характеризуются высокой стабильностью диаметра и физико-механических свойств, что обеспечивает равномерное плавление в экструдере и подачу на платформу построения. Однако, эти материалы имеют высокую стоимость. В случае изготовления сложных деталей с нависающими конструкциями 3D-принтер формирует так называемые поддержки, которые удаляются после завершения процесса и подлежат утилизации. При значительной сложности формируемой конструкции объем утилизируемого материала может быть значительным.
Многие модели 3D-принтеров технологии FDM имеют однофильерную печатающую головку, что подразумевает использование для поддержек и основной конструкции одного и того же материала. С учетом изложенного это приводит к дополнительным затратам на «фирменный» материал и требует выполнения мероприятий по утилизации отходов.
Решить указанные проблемы возможно путем переработки отходов, образующихся при удалении поддержек, в нить путем экструзии последних. Однако транспортировать отходы на предприятия-изготовители нитей для аддитивных технологий экономически нецелесообразно. В данном случае эффективнее перерабатывать отходы непосредственно на рабочем месте, где используется аддитивное оборудование, с использованием малогабаритных (настольных) экструдеров, например, шнекового типа. В тоже время, очевидно, что качество формируемой из отходов нити может уступать, характеристикам нитей, выпускаемых специализированными предприятиями, что делает актуальным разработку технических решений малогабаритных экструдеров, обеспечивающих значимо повысить качество нитей, получаемых после вторичной переработки.
Известны различные технические решения экструдеров для переработки полимерных материалов, в том числе использующих введение в зону формования ультразвуковых колебаний, позволяющих повысить реологические свойства, текучесть материала через фильеру, равномерность плотности структуры изделия.
Из литературы [Кобзев Д.Е. Твердофазная плунжерная экструзия полимерных нанокомпозитов с применением ультразвука / Д.Е. Кобзев, Г.С. Баронин, В.Л. Полуэктов // Перспективные материалы. 2011. №11. С. 449-454] известен способ твердофазной плунжерной экструзии с применением ультразвукового воздействия, где ультразвуковые колебания передаются от излучателей непосредственно на металл ячейки высокого давления и через него воздействуют на полимерную заготовку.
Недостатком способа плунжерной экструзии является невозможность формирования протяженных изделий типа нитей, что определяется схемой переработки полимера путем прессования. Ультразвуковое устройство, реализующее данный способ, также не может быть использовано для повышения качества формируемых нитей вследствие существенных потерь акустической энергии из-за значительной присоединенной массы формующей оснастки и утечки ее на раму пресса. Неизбежно уменьшение амплитуды ультразвуковых колебаний, так как оснастка является зажатой в разъеме пресса и не имеет возможности совершать колебательные движения.
Известен способ двухстадийной обработки полимерных материалов методом твердофазной экструзии и ультразвуковым воздействием (патент RU №2574267, МПК В29С 43/00, опубликован 10.02.2016 г., бюл. №4). Процесс обработки разделен на две стадии, реализуемые в одном устройстве. На выходе из основной формующей фильеры ячейки изделие проходит через устройство дополнительной обработки, не связанное жестко с ячейкой и колеблющееся с ультразвуковой частотой в направлении, параллельном оси формующего инструмента. Устройство, реализующее способ, содержит узел дополнительной обработки, не связанный жестко с формирующей изделие ячейкой, колеблющийся с ультразвуковой частотой в направлении, параллельном оси формующего инструмента (профилирующей фильеры).
Описанное ультразвуковое устройство также является плунжерным, что исключает возможность формирования протяженных изделий типа нитей для аддитивных технологий.
Известна экструзионная головка для изготовления полимерных двухслойных труб с применением ультразвуквых колебаний (патент RU №2433913, МПК В29С 47/00, опубликован 20.11.2011 г.). Экструзионная головка содержит корпус и размещенные в нем дорнодержатель с цилиндрическим участком, между ребрами которого выполнены отверстия для прохода расплава, дорны, смонтированные с образованием формующей щели и каналов для подачи внешнего и внутреннего слоев расплавов, расположенных наклонно друг относительно друга и сообщенных с формующей щелью и магнитострикционным излучателем. При этом в зоне стыковки слоев расплавов полимеров на наклонной поверхности формующей головки смонтированы два магнитострикционных излучателя, для плавного входа внутреннего слоя расплава полимера в формующую головку предусмотрен полушаровой элемент с пазами, закрепленный на торце дорнодержателя, дорнодержатель выполнен коническим. Головка относится к устройствам по переработке пластмасс и может быть использована для изготовления формующих головок для производства двухслойных труб и полых изделий методом экструзии.
Экструзионная головка имеет следующие недостатки. Поскольку головка в соответствии с техническим назначением содержит дорн, формирующий полость трубы, то она не может быть использована при производстве нитей малого диаметра, предназначенных для аддитивных технологий FDM.
Из научно-технической литературы [Панов А.А. Влияние наложения ультразвука на основные параметры экструзии расплава полимеров / А.А. Панов, Г.Е. Заиков, Т.А. Анасова и др. // Пластические массы, №4, 2013. С. 59-63] известна экспериментальная установка с формующим узлом, являющимся наиболее близким техническим решением к заявляемой полезной модели.
Устройство содержит материальный узел экструдера, в котором размещен червяк подачи полимерного материала. На материальном элементе установлена присоединительная головка с размещенными на ней нагревательным элементом, датчиком давления (манометром) и датчиком температуры. На присоединительной головке установлена формующая головка с двумя магнитострикционными преобразователями и сменной втулкой с каналом, формирующим выходящее из экструдера прутковое изделие. Благодаря замене втулки осуществляется изменение длины канала (120, 160 и 180 мм). Диаметр отверстия и, соответственно, формируемого полимерного прутка составляет 4 мм. Электронная система обеспечивает регулировку и поддержание температуры нагревательного элемента от 195 до 205°С.
Устройство принято за прототип.
Недостатками устройства являются следующие.
1. Устройство не позволяет формировать стандартный диаметр полимерных нитей для технологии FDM - 1,75 мм, поскольку диаметр канала составляет 4 мм, изменяется только его длина.
2. Наличие длинного канала увеличивает гидравлическое сопротивление вследствие трения при движении по нему расплавленного полимера, длина канала соизмерима с длиной волны создаваемых в сменной втулке изгибных ультразвуковых колебаний (от 1/2 до 3/2 длины волны при принятой частоте колебаний 18,5-23,5 кГц), что создает значительные изменения амплитуды и интенсивности ультразвука по длине канала от 0 до максимума, не обеспечивающие равномерного воздействия на материал.
3. Расположение формующей головки удаленно от нагревательного элемента в сочетании с теплоотводом через поверхность сменной втулки приводит к снижению температуры полимера на выходе из канала, уменьшению его текучести и возможным разрывам в структуре.
4. Использование магнитострикционных излучателей предполагает наличие системы водяного охлаждения с системой уплотнений, штуцерных разъемов и трубопроводов. Магнитострикционные излучатели имеют значительные размеры и массу, генерируемая ими акустическая энергия является избыточной в применении к изделиям малого поперечного сечения типа нитей для аддитивных технологий, что может привести к несплошностям материала.
5. Управление мощностью излучателей за счет системы подмагничивания не является достаточно гибким, что не позволяет плавно регулировать акустические параметры процесса в соответствии со свойствами перерабатываемого материала и затрудняет использование в многономенклатурном производстве.
6. Применение двух излучателей, расположенных в одной плоскости, создает плоскую волну колебаний и не обеспечивает равномерного распределения интенсивности ультразвука по поперечному сечению оснастки и, соответственно, изделия.
Техническая проблема предлагаемой полезной модели заключается в повышении равномерности параметров ультразвука в области формирования нити, улучшении управляемости интенсивности ультразвука, снижении массогабаритных характеристик формующей головки и уменьшении сопротивления движению полимерного материала через отверстие фильеры, соответствующее стандартным требованиям к диаметру полимерных нитей.
Технический результат предлагаемой полезной модели заключается в улучшении качества полимерных нитей, формируемых из отходов аддитивного производства, образующихся при удалении поддержек и зачистке поверхности изделий, приближенного к характеристикам нового материала.
Технический результат достигается за счет введения в зону формирования нити на выходе из фильеры равномерных по интенсивности по ее сечению ультразвуковых колебаний и снижения сопротивления течению расплавленного полимера путем применения трех пьезокерамических электромеханических преобразователей, размещенных с шагом 120°, и использования сменных шайб с длиной отверстия не превышающей его диаметр.
Техническая сущность предлагаемой полезной модели заключается в следующем.
В экструдере с ультразвуковой формующей головкой, установленной на присоединительной головке и имеющей сменные втулки с каналом, формирующим выходящее из экструдера изделие, содержащий материальный узел экструдера, с установленной на нем присоединительной головкой с размещенными на ней нагревательным элементом, датчиком давления и датчиком температуры, размещенный в материальном узле червяк подачи полимерного материала, а также содержащий электронную систему регулировки и поддержания температуры нагревательного элемента формующая головка представляет собой волновод в виде двух сопряженных большими диаметрами конусов, при помощи резьбового соединения закрепленный на присоединительной головке, причем в волноводе выполнена цилиндрическая полость для размещения присоединительной головки с нагревательным элементом, сменная втулка представляет собой дисковую фильеру и зафиксирована между торцовой поверхностью присоединительной головки и задней торцовой поверхностью волновода, на поверхности заднего конуса установлены с шагом 120° цилиндрические активные накладки, к которым при помощи шпилек присоединены ультразвуковые пьезокерамические излучатели так, что их оси пересекаются в центре канала сменной втулки, длина которого не превышает диаметра. Длина образующей передней конической поверхности волновода равна 0,5λ, а диаметр, через который проходят оси трех пьезокерамических излучателей в месте установки активных накладок, равен (3/2λ)/π, где λ - длина волны ультразвуковых колебаний в материале волновода при заданной резонансной частоте. Присоединительная головка выполнена из бронзы, волновод и активные накладки - из дюралюмина, причем активные накладки присоединены к волноводу при помощи сварки.
Пример исполнения полезной модели представлен на фиг. 1. На фиг. 2 представлена конструкция формующей головки полезной модели.
На фиг. 1 обозначено: 1 - формующая головка, 2 - пьезокерамический электромеханический преобразователь, 3 - датчик температуры, 4 - бункерный питатель материала, 5 - привод вращения червяка подачи материала в зону плавления и экструзии, 6 - электронный блок датчика температуры, 7 - ультразвуковой генератор, 8 - блок питания нагревательного элемента и двигателя привода червяка, 9 - основание, 10 - материальный узел экструдера - корпус червяка, 11 - нагревательный элемент.
На фиг. 2 обозначено: 12 - конический общий волновод, 13 - активная накладка, 14 - пьезокерамический ультразвуковой излучатель, 15 - стяжная шпилька, 16 - изолирующая фторопластовая втулка, 17 - электроды, 18 - присоединительная головка, 19 - сменная дисковая фильера.
Экструдер, показанный на фиг. 1, состоит из материального узла экструдера, представляющего собой гильзу, соединенную с бункерным питателем для загрузки отходов полимерного материала и их подачи во внутреннюю полость. Внутри гильзы расположен вращающийся червяк (шнек), который в свою очередь, доставляет полимерные отходы из зоны подачи в зону расплава в присоединительной головке и обеспечивает давление, необходимое для экструзии. Присоединительная головка изготовлена из бронзы для улучшения теплоемкости данной области экструдера. Входной конец присоединительной головки при помощи резьбового соединения закреплен на материальном узле экструдера. На выходном конце присоединительной головки при помощи резьбового соединения закреплена формующая головка, состоящая из электромеханических пьезокерамических преобразователей и сменной дисковой фильеры. При закреплении формующей головки на присоединительной головке фильера установлена между торцовой поверхностью последней и торцовой поверхностью конического волновода в его цилиндрической полости, что обеспечивает надежную передачу ультразвуковых колебаний в зону формования нити. Применение фильеры дискового типа обеспечивает постоянство амплитуды ультразвуковых колебаний на поверхности отверстия и, соответственно, в формуемом материале. Общий волновод электромеханического преобразователя выполнен из сплава Д16Т, имеющего минимальное акустическое сопротивление, и имеет вид двух сопряженных большими диаметрами конусов. К поверхности заднего конуса приварены активные накладки электромеханических преобразователей так, что их оси сходятся в центре отверстия дисковой фильеры. Это обеспечивает фокусировку ультразвуковых колебаний в среднем сечении формуемой нити. Длина образующей наружного конуса и длина активных накладок составляют по 120 мм, что обеспечивает резонанс колебательной системы на частоте 22 кГц. Большой диаметр волновода выбран равным 114,7 мм. При этом значении длины дуг между осями крепления активных накладок составляют также 120 мм, что соответствует половине длины волны ультразвуковых колебаний на данной частоте и обеспечивает устойчивую работу преобразователя.
На бронзовой присоединительной головке установлен кольцевой нагреватель удельной мощностью 4 Вт/см, данный нагреватель может обеспечить температуру до 450°С. Для поддержания и регулировки температуры применен терморегулятор ОВЕН ТРМ - 500, позволяющий регулировать температуру, пропорционально интегрально дифференцируя. Для контроля температуры в корпусе присоединительной головки расположена термопара.
Электродвигатель постоянного тока с бесступенчатым регулированием частоты вращения и с редуктором закреплен на одном основании с экструдером, и передает вращающий момент на червяк через зубчато-ременную передачу.
Предлагаемый экструдер используется следующим образом.
Для начала работы настраивают необходимую амплитуду колебаний фильеры, для чего включают генератор, а торца фильеры касаются ножкой индикатора часового типа с ценой деления 1 мкм (можно использовать индуктивные датчики микроперемещений типа 214 и аналоги с точностью измерения 0,5 мкм. Вращением регулятора изменяют состояние резонанса колебательной системы и, соответственно, амплитуду. Значение амплитуды, фиксируемое по индикатору, устанавливают равным 2-3 мкм. Далее выключают генератор и включают блок питания нагревателя для прогрева зоны расплава до температуры на (40-60)°С выше температуры плавления перерабатываемого полимера. Прогрев осуществляют 5-15 мин в зависимости от температуры окружающей среды и материала. Далее загружают отходы полимера в бункер-питатель. После этого, включают электродвигатель привода червяка и устанавливают частоту вращения (20-30) об/мин для транспортировки отходов полимера в зону расплава. После заполнения зоны расплава выключают привод и проводят плавление полимера, которое происходит через 3-8 мин в зависимости от теплофизических свойств и объема материала. После этого включают привод червяка и ультразвуковой генератор, производят экструзию.
Эффективность применения ультразвуковой экструзии нитей из полимерных материалов для аддитивного оборудования при помощи предлагаемой полезной модели подтверждена следующими экспериментальными результатами, представленными на фиг. 3 и фиг. 4.
Фиг. 3 представляет скриншоты диалогового окна лабораторной компьютерной установки для изучения прочности полимерных и композиционных материалов. На фиг. 3 обозначено: а - кинетика нарастания разрушающей нагрузки при разрыве нити из термопласта ABS, сформированной с воздействием ультразвука на фильеру; б - кинетика нарастания разрушающей нагрузки при разрыве нити из термопласта ABS, сформированной без ультразвука.
Фиг. 4 представляет микрофотографии поверхности нити, сформированной без воздействия ультразвука на фильеру (а, б) и с воздействием ультразвука (в, г). На фиг. 4 обозначено: увеличение х40 (а, в), увеличение х120 (б, г).
Исследовали прочность сформированных нитей на разрыв с использованием на лабораторной компьютерной установке тензометрическими датчиками усилий и программным обеспечением Lab View (ИП «Майоров», г. Орел) при помощи специального оснащения. Один конец образца нити закрепляли в держателе кронштейна, установленного на корпусе тензометрического датчика, второй конец - на рычаге нагружающего механизма. К рычагу прикладывали вращающий момент, фиксируемый датчиком и отображаемый в диалоговом окне установки. Предварительно замеряли микрометром диаметр образца нити с точностью 0,01 мм. Испытывали по 5 образцов. Напряжение разрушения при разрыве вычисляли по известной зависимости, как отношение разрушающей нагрузки к площади сечения нити.
Исследовали твердость образцов, сформированных с ультразвуком и без ультразвука по Шору-Д при помощи цифрового твердомера Novotest ТШ-Ц.
Морфологию поверхности образцов нитей исследовали при помощи цифрового микроскопа Bresser LCD 50х-2000х при увеличении х40 и х120.
В экспериментах использовали отходы наиболее распространенного аддитивного полимера марки ABS.
Частоту вращения привода червяка устанавливали равной от 20 да 25 об/мин. Температуру зоны расплава выбрали равной 250°С в соответствии с температурой плавления данного полимера.
Установлено, что скорость экструзии при выключенных ультразвуковых колебаниях формующей головки составила 75-90 см/мин. При воздействии на фильеру ультразвуковых колебаний скорость выхода нити увеличивается до 120 см/мин. При этом наибольшая скорость достигается при частоте ультразвуковых колебаний 22,1 кГц. Опыты были произведены как с гранулированным материалом, так и с отходами, влияние ультразвука в обоих случаях было одинаковым.
Среднее значение напряжения разрыва, вычисленное по результатам испытаний, у нитей, изготовленных с ультразвуковым воздействием, равно 239,1 МПа, у нитей, изготовленных без воздействия ультразвука - 145,6 МПа. Стандартные нити из пластика ABS показали предельные напряжения разрыва 250-255 МПа. Таким образом, экструзия нитей из отходов пластика ABS с воздействием ультразвука на экструдере, изготовленном в соответствии с предлагаемой полезной моделью, обеспечивает увеличение прочности нитей на разрыв на 64% по сравнению с нитями, сформированными без ультразвука. При этом снижение прочности по сравнению со стандартными нитями составляет не более 5%, что позволяет использовать вторичный пластик ABS в аддитивных процессах не только для формирования поддержек, но и изготовления основных деталей.
Воздействие ультразвука положительно влияет также на твердость нитей. Твердость нити, диаметром 1,5 мм, изготовленной с ультразвуковым воздействием равна в среднем 55 единиц по Шору-Д. Твердость нити, изготовленной без ультразвукового воздействия, составляет в среднем 32 единицы. Таким образом, увеличение составляет 71,8%.
Стабильность диаметра нити определяли путем измерения толщины нити микрометром 0-25 мм. На 10 метрах нити, изготовленной с воздействием ультразвука, отклонение диаметра от номинального значения не превысило 0,09 мм, что для трехмерной печати приемлемо. При экструзии без ультразвука отклонение составило 0,11 мм. При этом в продольном сечении нить имела волнообразную форму, практически отсутствовали достаточно протяженные участки одного диаметра.
На фиг. 4 видно, что нить, изготовленная с ультразвуковым воздействием на фильеру, имеет гораздо более однородную морфологию поверхности с минимальными кавернами и микроволнами, что обусловлено снижением трения в момент экструзии нити через фильеру, совершающую ультразвуковые колебания. Также это определяется акустическими течениями в пластичном материале и его перемешиванием за счет волновых процессов.
При осуществлении процесса 3D-печати такая морфология поверхности и большие твердость и прочность будут способствовать лучшему прохождению нити через отверстие печатающей головки, предотвращению разрыва нитей и их залипания, что повысит стабильность процесса.
Тем самым решается техническая проблема создания предлагаемой полезной модели: повышение равномерности параметров ультразвука в области формирования нити, улучшение управляемости интенсивности ультразвука, снижение массогабаритных характеристик формующей головки и уменьшение сопротивления движению полимерного материала через отверстие фильеры, что способствует улучшению качества полимерных нитей, формируемых из отходов аддитивного производства, образующихся при удалении поддержек и зачистке поверхности изделий, приближенного к характеристикам нового материала.