Портативный шнековый экструдер для производства древесно-полимерной нити

Область техники, к которой относится полезная модель.
Предполагаемая полезная модель относится к области производства расходных материалов для 30-печати (по конструкции к одношнековым экструдерам).
Уровень техники.
Данное изобретение относится к производству расходных материалов для F DM-печати (послойное выращивание изделия из расплавленной пластиковой нити). Из недостатков использования FDM-печати, выделяется относительно высокая стоимость расходных материалов. Разница между сырьем и готовой нитью весьма значительна - зачастую стоимость прутка превышает стоимость гранул аналогичного веса в несколько раз. Для решения данной проблемы был разработан портативный шнековый экструдер для производства нити, различного диаметра для 3 D-печати.
Так как при производстве изделий, нити используются различного диаметра, то в полезной модели реализовано сменное формирующее устройство для возможности изменять диаметр производимого прутка.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому варианту является экструдер, описанный в патенте РФ №2447995. Изобретение относится к способу получения из полимеров методом экструзии плоских синтетических нитей с заранее заданными характеристиками. Способ включает в себя формирование, по меньшей мере, двух расплавов с различными свойствами. Синтетическое сырье используют в виде гранул, порошка или агломерата. Полученную пленку охлаждают в ванне с водой. После охлаждения пленки проводят удаление воды с ее поверхности. Резку ее на полосы, а также вытягивание нарезанных полос для образования нитей и намотку полученных таким образом нитей на сердечники производится за счет отдельных устройств.
s
Экструдер является крупногабаритной установкой применяемой на производстве. Недостатком такого экструдера является: применение длинного корпуса и, соответственно, шнека, громоздкость конструкции,  дороговизна изготовления и техническая трудность в точном удержании длинного шнека внутри корпуса, что влечет за собой скорый износ и удорожание обслуживания. В экструдере нет возможности сменных сопел и формирующего устройства, нагревательные секции лишены теплоизолирующих блоков, повышенное потребление электроэнергии. Устройство не дает производить расходные материалы для 3D-печати без внесения изменений.
Также наиболее близкой полезной моделью является патент RU 156 861 U1. Экструдер относится к области обработки полимерных материалов давлением и может быть использован при переработке полимерных отходов с получением качественных изделий. Данный экструдер также является крупногабаритной установкой и не может быть использован для производства древесно-полимерной нити без внесения изменений.
Технической задачей новой полезной модели является разработка настольного шнекового экструдера для производства расходного материала для 3D-печати из древесной муки, лигнина, где в качестве связующего материала используется различные виды и типы пластиков.
Готовая нить, состоящая из материала, включающего около 60% мелкодисперсной древесины и 40% термопластичного связующего, позволяет печатать изделия на 3D-принтере не чем не отличающие по внешнему виду от обычных изделий, напечатанных с помощью стандартных прутков нити. В качестве наполнителей при создании нити используется, измельченная древесина: мука (продукт сухого измельчения древесины); волокно (продукт ударного измельчения влажной древесины); опилки и стружка (отходы механической обработки древесины); гидролизный лигнин (отходы гидролизной промышленности).
Одной из основных задач является снижение стоимости изготовления оборудования, упрощение конструкции шнекового экструдера и оптимизация под производство нити в малогабаритных помещениях для 3 D-принтера.
Следствием применения в экструдере короткого корпуса и шнека являются небольшие размеры, недорогое изготовление и обслуживание.
Использование короткого корпуса и шнека обеспечивает возможность достижения относительно высоких скоростей вращения шнека, что позволяет достигать высокой производительности. Степень смешивания и переработки, компонентов, скорость продвижения материала через корпус и продолжительность обработки в корпусе, и давление, создаваемое в корпусе, можно регулировать, используя элементы шнека с различным шагом резьбы, скоростью вращения шнека и интенсивностью введения компонентов в устройство для смешивания.
Размерность всей установки не превышает 500 мм (включая устройства для управления оборудованием). На изготовленных образцах скорость экструзии составляла 400 - 2300 мм в минуту в зависимости от диаметра изготовляемого прутка. Отклонения по диаметру нити не превышают 0,09 мм при использовании наматывающего устройства и охлаждающей ванны или 0,18 мм, если пруток производится без дополнительного оборудования.
Раскрытие полезной модели.
Технической задачей полезной модели является создание нового устройства для производства расходных материалов для 3D-печати. Получаемый материал используют в моделирование методом послойного наплавления (FDM) - технология подразумевает создание трехмерных объектов за счет нанесения последовательных слоев материала, повторяющих контуры цифровой модели. Как правило, в качестве материалов для печати выступают термопластики, поставляемые в виде катушек нитей или прутков (нить для 3D-принтера - более удобный для такого оборудования вид сырья по сравнению с гранулами).
3D-печать стоит дорого, что связано с высокой стоимостью самих расходных материалов. В качестве снижения себестоимости печати был разработан портативный экструдер, способный производить нить в лабораторных помещениях с приемлемым качеством нити.
При применении оборудования: упрощается технологический процесс изготовления нити; загрузка гранул или компонентов для производства нити осуществляется не поштучно, а групповым способом в одну емкость (если используется несколько компонентов, для лучшей смеси необходимо предварительно смешать их в отдельной емкости), управление оборудованием является очень простым за счет применения шагового двигателя (крепление вала шагового двигателя к шнеку производится через соединительную муфту) и хомутовых нагревательных колец с использованием температурного контроллера с термопарой; применение сменных насадок и сопел позволяет производить быструю очистку от накопившихся остатков, производится нить различного диаметра.
Описание чертежей.
Фиг. 1 - представлена схема портативного шнекового экструдера для производства древесно-полимерной нити.
Осуществление полезной модели.
Изобретение ниже описано со ссылками на чертеж, на котором схематически показан портативный экструдер (в разрезе) согласно полезной модели.
Настольный шнековый экструдер для производства древесно-полимерной нити включает: шаговый двигатель, работающий в комплекте с драйвером шагового двигателя и генератором импульсов с выбором направления (1); соединительная муфта (2); 1 секция портативного шнекового экструдера (3); шнек (возможно использование балочного сверла по дереву) (4); загрузочное отверстие с выполненным креплением под различные виды бункеров или воронок (5); проставка из фторопласта (возможно использование дубового бруска) (теплоизолирующий блок) (6); 2 секция портативного шнекового экструдера (7); хомутовые нагревательные кольца (8); ниппель (9); сменная заглушка (10); сменное удлиненное формующее устройство (11); кольца (12); сопло (13).
Полезная модель работает следующим образом.
Изначально подготавливается исходная смесь или берутся гранулы готового материала. Чтобы получить вещество с нужными параметрами, важно смешать основные компоненты в нужном количестве до загрузки в экструдер. С помощью генератора импульсов выбираем направление вращения и скорость вращения шнека. В основном скорость вращения шнека подбирается из оптимального соотношения скорости и качества получаемой нити. Также перед загрузкой компонентов в бункер включаются хомутовые нагревательные кольца (тэны) с помощью температурного контроллера с термопарой (загрузка компонентов осуществляется после нагрева до нужной нам температуры плавления). Все компоненты, помещенные в экструдер, нагревается в зазоре между шнеком и корпусом до температуры вязкопластического состояния и подается в профилирующий канал, образованный формующими элементами. Производится древесно-полимерная нить (однородная масса продавливается с помощью шнека через специальную насадку, она имеет определенный диаметр, который равен толщине будущей нити). Впоследствии нить охлаждается и сушится, после высыхания нить наматывается на катушку и готова к использованию.
Согласно полезной модели предложен портативный шнековый экструдер для производства древесно-полимерной нити, содержащий относительно короткий корпус цилиндрической формы из двух секций, соединенных между собой, внутри которых находится полость, где располагается шнек (возможно применение балочного сверла по дереву). В первой секции экструдера располагается загрузочное отверстие с креплением под воронку или бункер для смешивания компонентов. Шнек приводится в движение шаговым двигателем, который крепится через соединительную муфту. Управление шаговым двигателем осуществляется за счет генератора импульсов, подключаемый через драйвер шагового двигателя. В конце последней секции устанавливается заглушка с формующей трубкой различного диаметра (популярный диаметр нити 1.75 или 3 мм). При производстве собственной нити на основе древесной муки использовались удлинители с диаметром 6 мм. Для разогрева компонентов используются хомутовые нагревательные кольца (тэны). Максимальная температура нагрева зависит от мощности тэна, в среднем рабочая температура при работе с полезной моделью составляла 230°С (в зависимости от смешивающихся компонентов - температура регулируется).
Для получения более качественной нити стоит применять дополнительное оборудование, охлаждающие ванны и натяжители.