Шнековый экструдер в 3D-печати, его устройство и применение

В этой статье мы рассказываем о том, что такое шнековый экструдер, как он устроен, как применяется в 3D-печати и какие существуют примеры шнековых экструдеров для 3D-печати и основанного на них оборудования.

Содержание:

Что такое шнековый экструдер

В общем случае шнековый экструдер представляет собой устройство для подачи и дозирования материалов, как правило порошкообразных и пастообразных, и состоит из шнека — стержня с ребром винта вокруг него, и корпуса — окружающей его трубы. Вращаясь, винт проталкивает по трубе то, что туда подаётся, будь то щебень или жидкий цемент, например, и выталкивает материал через сопло.

Шнековый экструдер в 3D-печати представляет собой оконечное устройство 3D-принтера, позволяющее печатать пастообразными, порошкообразными или гранулированными материалами.

Шнековый экструдер для 3D-печати пластиками имеет в конце собственно экструдер в 3D-печатном смысле этого слова — блок деталей с нагревательным элементом и соплом с узким каналом. Вот его и его применение мы и рассмотрим в этой статье.

Читайте про шнековый экструдер для печати расплавленным пластиком из пеллет — полимерных гранул.

Основные принципы

Сложности экструзии расплавленных полимеров

Экструзия полимеров — сложный процесс, который сильно подвержен колебаниям. Параметры процесса связаны между собой сложным образом и поэтому трудно поддаются точной настройке и контролю. Точнее говоря, процессы шнековой экструзии подвержены флуктуациям из-за внешних возмущений, таких как перепады температур, неоднородность сырья, возникающие из-за них внутренние нестабильности потока, которые вызывают нежелательные эффекты, такие как ускорение или замедление экструзии на выходе из сопла. Этому могут способствовать внутренние изменения, такие как циклическое образование и разрушение твердого слоя в расплаве, примеси в потоке и нестабильность потока в сопле.

Сложность представления таких явлений, происходящих во время конвекции градиента тепла и массы пластика в экструдере, является основным препятствием при разработке высокоэффективных контроллеров, которые должны обеспечивать быструю экструзию пластика и высокое качество печатаемых изделий.

В настоящее время предложено несколько физических моделей поведения расплавленного полимера, основанных на гидродинамике. Эти модели связаны со значительными математическими сложностями. Упрощенная модель, ориентированная на управление устройствами, построена с учетом сохранения энергии, поступающей для нагрева экструдера, тепловых потерь на нагрев полимера и сопутствующих тепловых потерь на нагреве соплом окружающего воздуха.

Процесс экструзии шнековым экструдером

Гранулы поступают в канал шнека экструдера и перемещаются шнеком к отверстию сопла. Шнековый экструдер разделен на зоны транспортировки, зоны плавления материала и зоны смешивания — где полученный из гранул расплав подвергается воздействию высокого давления перед выбросом через сопло. Нагреватель возле сопла нагревает ствол и шнек, что приводит к разжижению полимера в процессе транспортировки гранул шнеком. После того, как материал разжижается и выходит из канала шнека, материал попадает в буферную камеру, которая представляет собой пустое пространство между нижней частью шнека и соплом. Вращение шнека перемещает и сжимает материал, проталкивая его через небольшое отверстие в сопле.

Испускающие и поглощающие тепло детали влияют на температуру, а через нее и на консистенцию материала на выходе. Конвекция потоков тепла между окружающей средой, нагревающим элементов экструдера и другими деталями устройства играют большую роль в механизме плавления материала внутри канала шнека. Количество времени, в течение которого материал находится под воздействием этих источников тепла (распределение времени пребывания — РВП) зависит от скорости вращения шнека. Если температура слишком высока, материал может расплавиться на входе и заклинить всю систему. Слишком высокая температура также может привести к тому, что материал сгорит и станет менее вязким на выходе. Слишком низкая температура препятствует экструзии, что приведет к заклиниванию из-за медленной скорости плавления.

Одним из факторов выработки тепла является температура, развиваемая локально в экструдере из-за вращающегося шнека — дополнительный нагрев от трения материала о поверхности деталей и частиц материала друг о друга. В некоторых случаях внутреннее тепловыделение в полимере может быть больше, чем тепло, необходимое для поддержания температуры внутри ствола шнека. Из-за этого эффекта многие экструзионные аппараты оснащаются системами охлаждения.

Вращающийся шнек, который обеспечивает транспортировку материала, влияет на скорость потока на выходе, в том числе как определяющий фактор вязкого тепловыделения (эффект сдвига) и ТДС, которые трудно измерить.

Теплопотери играют роль в общем потреблении энергии системой, из-за воздействия на температуру окружающей среды — энергия нагрева уходит в окружающий воздух. Это отнимает часть нагрева трения. Без учета тепловых потерь механическая энергия обычно составляет от 70 до 80 % общей энергии, а на нагрев приходится от 20 до 30 %.

Потери энергии в системе могут быть связаны с механической частью экструдера, например — энергия может уходить на преодоление силы трения в системе зубчатых передач, или на рассеивание тепла на стволе экструдера и потери тепла двигателем.

Как решаются проблемы экструзии шнековым экструдером

Все эти проблемы успешно решаются разными производителями шнековых экструдеров для 3D-печати, и один из ведущих производителей таких экструдеров — российская компания "F2 innovations". Читайте о ней далее в статье.

О компании "F2 innovations"

Производитель оборудования "F2 innovations" создает и выпускает промышленные решения для индустриальной 3D-печати.

Разработки компании ведутся в области 3D-печати расплавленным пластиком. Инновации компании позволяют заметно ускорить 3D-печать на оборудовании этого производителя, в первую очередь — за счет применения инновационных разработок в области методик нагрева сопла. Не последнюю роль играют и созданные компанией алгоритмы управления процессом нагрева сырья и работы кинематики во время 3D-печати.

Продукция F2 innovations: что это и для чего

Компания "F2 innovations" создает оборудование и состоящие из него системы для промышленной 3D-печати, в том числе — очень больших объектов, объемом во многие кубические метры, таких, которые невозможно создать на традиционных 3D-принтерах.

Избранное оборудование F2 innovations

F2 innovations Pellet

Преимущества F2 innovations Pellet

Открытая для модификаций система: экструдер может быть установлен на любого робота или портал.
Легко модифицируемая камера печати: возможность создания нагреваемой камеры вокруг робота.
Практически не ограниченная область печати: область печати ограничивается лишь областью действия роботизированной ячейки или портала.

Возможность создания уникальной платформы печати заданных формы и площади.
Автоматизированная подача гранул с пневмоприводом.
Автоматическая система загрузки гранул в экструдер.
Шнековый экструдер с производительностью до 3 кг/ч и температурой до 450°С позволяет быстро создавать крупногабаритные изделия.
Применение в гибридном производстве: получаемые изделия можно подвергать постобработке разного типа, такой как фрезеровка и токарная обработка например.
Примеры применения: для печати пресс-форм, пуансонов, матриц для выкладки композитов.
Материалы печати: ABS, PLA, PP, PE, HIPS, PVA, TPU, есть возможность печати переработанными, вторичными пластиками PET, PP, ABS и другими.

Сертификация и соответствие стандартам

Системы 3D печати компании F2 innovations имеют государственный Акт экспертизы, продукты находятся в реестре отечественных производителей Минпромторга РФ. Компания участвует в «Сколково».

F2 Pellet развивает технологии 3D-печати гранулами для создания особо крупных объектов — теперь можно печатать детали такого размера, какого необходимо.

F2 Pellet — промышленный гранульный экструдер, идеально подходящий для быстрой печати объёмных изделий. Технология трехзонного нагрева гранул внутри экструдера обеспечивает равномерную подачу материала и высокое качество получаемого изделия.

Материалы печати

Кроме стандартных гранул для печати, таких как ABS, PLA, PP, PE, экструдер позволяет печатать угленаполненными и стеклонаполненными гранулами.

Гранулы намного дешевле классической филаментной нити, а полученные изделия отлично подвергаются постобработке — токарных работам, фрезеровке и др., что позволяет внедрить аддитивные технологии в производственную цепочку предприятия.

Технология подходит для создания одноразовых пресс-форм, пуансонов, матриц для выкладки композитов, прототипирования, изготовления макетов, мебели, малых архитектурных форм и т. д.

Сложность работы и обучение

Для работы с роботом необходимо минимальное обучение. Пользоваться оборудованием так же просто, как и обычным 3D-принтером.

Вариативность платформы печати

По требованию заказчика может быть изготовлена подогреваемая или вакуумная платформа печати по индивидуальным размерам.

Характеристики F2 innovations Pellet

Максимальная температура экструдера 400 °C

Подача пластика Пневматическая система подачи гранул

Основной материал ABS, PLA, PP, PE. Переработанные пластиковые гранулы PET, PP, ABS, ПНД, ПВД и другие

Производительность До 3 кг/час Страна производитель Россия

F2 Pellet 8

Преимущества F2 Pellet 8

F2 Pellet 8 это высокопроизводительный шнековый экструдер собственного производства и разработки компании F2 innovations установленный на базе робота.
Есть возможность использования в гибридном производстве.
Производительность роботизированной системы составляет до 10 килограммов пластика в час.
Четырехзонная система нагрева.
Применение: идеально подходит для печати пресс-форм, пуансонов, матриц для выкладки композитов.
Камера печати: вокруг робота или портала может быть создана нагреваемая камера для печати инженерными гранулами.
Высокопроизводительный экструдер для гранульной печати деталей любого размера.

Высокая скорость работы

Скорость работы: F2 Pellet 8 — высокопроизводительный шнековый экструдер для гранульной печати с производительностью до 10 кг/ч. Технология четырехзонного нагрева гранул внутри экструдера обеспечивает равномерную подачу материала и высокое качество получаемого изделия.

Обилие совместимых материалов

Кроме стандартных гранул для печати, таких как ABS, PLA, PP, PE и другие, экструдер позволяет печатать армированными наполнением из стекловолокна или углепластика гранулами.

Детали, напечатанные из гранул, по прочностным характеристикам превосходят детали из филамента, так как обладают высокой межслойной адгезией. Гранульная печать позволяет снизить временные и финансовые затраты на производство изделий из разных сфер.

Высокая применимость

Возможность апгрейда

Открытая система: экструдер может быть установлен на любого робота или портал.
Камеру печати можно создать вокруг аппарата и сделать подогреваемой.
Область 3D-печати этим оборудованием ограничена лишь досягаемостью руки робота или границами портала.

Платформа для установки оборудования и печати им изготавливается в каждом случае персонально и может иметь разные размеры.
Материал для печати подается автоматически с помощью пневматической системы питания аппарата.
Шнековый, собственной конструкции производителя, экструдер принтера нагревает материал печати до 450 °С, обеспечивая производительность печати приблизительно равную 10 килограммам пластика в час.
F2 Pellet 8 на портале F2 Gigantry:

FGF технология печати

Технология четырехзонного нагрева гранул внутри экструдера обеспечивает равномерную подачу материала и высокое качество получаемого изделия.

Аппаратно-программное обеспечение

Для работы с роботом необходимо минимальное обучение, благодаря разработке F2 пользоваться роботом так же просто, как и обычным 3D принтером.

Платформа печати

По требованию заказчика может быть изготовлена подогреваемая или вакуумная платформа по индивидуальным размерам.

Характеристики F2 Pellet 8

Технология FGF Количество экструдеров 1
Тип экструдера шнековый Количество сопел 1
Диаметр сопла (мм) 3 / 5 / 8 / 10 / 12 Толщина слоя, мкм 1000-6000
Максимальная температура печати 450 °С

Основной материал ABS, TPU, PA, ABS+СF, Keltran, PLA, PP, PETg и другие

Типы файлов .stl, .obj, .3mf Операционная система Windows

Размеры, мм 190x945x207 Производительность до 10 кг/ч
Страна производитель Россия

F2 Gigantry

Преимущества F2 Gigantry

F2 Gigantry — высокопроизводительный шнековый экструдер F2 innovations на портале собственного производства и разработки, область построения такого 3D-принтера составляет 3,5 х 1,8 х 1,5 метра.

Экономия материала

Шнековый экструдер с производительностью до 10 кг/ч, с четырехзонной системой нагрева, экономит материал при печати — при использовании гибридной технологии коэффициент использованного материала составляет 0,8-0,9.

Удобство и эффективность использования

Собственная электроника разработки производителя системы и интуитивно-понятный интерфейс, также аутентичный.

Высокая надежность

Столь крупноформатный 3D-принтер действительно крупноформатен во всех своих узлах, что способствует высокому запасу прочности деталей.

Высокая производительность

Производительность такого принтера, рассчитанного на 3D-печать объектов размером с небольшую комнату столь же высока, как и его надежность.

Очень большие габариты печати

F2 Gigantry представляет собой открытый портал с экструдером, способным создавать детали до 3,5 метров в длину, 1,8 метра в ширину и 1,5 метра в высоту. Как и на ранее описанной модели, этому принтеру также технология позволяет печатать полимерными гранулами с производительностью до 10 кило пластика в час.

В чем уникальность F2 Gigantry

Прежде всего — в размерах. F2 Gigantry — уникальный крупногабаритный гранульный 3D-принтер, область печати которого составляет параллелограмм с рёбрами 3500 х 1800 х 1500 миллиметров по умолчанию, либо другие размеры по желанию предприятия заказчика.

Аппарат дает возможность печатать очень крупные полимерные детали быстро и дешево, масштабно сокращая издержки, до 40:1 — если сравнивать с другими способами изготовления аналогичных по размерам и материалам деталей.

На портале установлен экструдер F2 Pellet 8, производительность печати которого — до 10 кг/ч. Технология четырехзонного нагрева гранул внутри экструдера, как уже было упомянуто ранее, обеспечивает равномерную подачу материала и высокое качество получаемого изделия, за счет равномерности и постоянности прогрева сырья.

Гранулы намного дешевле классического филамента — пластикового прутка для 3D-печати, поставляемого в катушках. Гранулы также еще и значительно проще в применении. Пруток необходимо хранить при строгих условиях температуры и влажности, чтоб он не напитался водой, а гранулы сохнут в процессе прохода по шнеку, прямо в момент печати.

Как и напечатанные на выше упомянутых аппаратах, продукты этого комплекта оборудования также позволяют включить его в производственную цепочку разных по профилю промышленных предприятий, так как они отлично подвергаются постобработке разными способами — токарным работам, фрезеровке и прочим.

Используемая в этом оборудовании технология прекрасно подходит для создания одноразовых пресс-форм, пуансонов, матриц для выкладки композитов, прототипирования, изготовления макетов, мебели, малых архитектурных форм и многого другого.

Характеристики F2 Gigantry

Технология FGF Количество экструдеров 1
Тип экструдера шнековый Количество сопел 1
Область печати 4000x2000x1000 мм Диаметр сопла (мм) 3 / 5 / 8 / 10 / 12
Толщина слоя, мкм 1000-6000 Максимальная температура печати 450 °С

Основной материал ABS, TPU, PA, ABS+СF, Keltran, PLA, PP, PETg и другие

Типы файлов .stl, .obj, .3mf Операционная система Windows

Производительность до 10 кг/ч Страна производитель Россия

Объем бункера накопителя 200 л

Чем выгодна крупномасштабная печать на аппаратах F2 innovations

Экономия материала: эффективность использования материала при печати аддитивными аппаратами F2 innovations составляет 80-90%.
Экономия на стоимости материала: аппараты печатают многими широко распространенными материалами (ABS / TPU / PA / ABS+СF / Keltran / PLA / PP / PETG) и не требуют проприетарных дорогостоящих пластиков, кроме того — гранулированный полимер в принципе значительно дешевле калиброванного прутка.
Экономические эффекты от внедрения: сокращение затрат времени и денежных средств при использовании на производстве в разных отраслях.

Приобретайте оборудование и комплектующие F2 innovations у официального поставщика этого оборудования — компании Top 3D Shop.

F2 Gigiantry

F2 Pellet 8

F2 innovations Pellet