IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

Введение

Целью выполнения творческого проекта “3D моделирование механических конструкций” является создание макета экструдера для вторичной переработки ABS пластика, который используется в 3D печати.

3D печать на сегодняшний день на кафедре точного приборостроения института неразрушающего контроля является неотъемлемой частью учебного процесса. 3D печать используется при выполнении творческих проектов на 1 и 2 курсах, в учебных курсах “Системы автоматизированного проектирования”, “Автоматизированное проектирование приборов и систем”, при выполнении выпускных квалификационных работ у бакалавров и магистров, при выполнении инженерных проектов со школьниками.

На кафедре точного приборостроения используются 2 3D принтера – Picaso Designer и Prizm Pro. В процессе работы и обслуживания принтеров образуются отходы печати – фрагменты пластиковой нити, испорченные детали и т.д., которые накапливаются и требуют переработки.

Одним из способов переработки является переплавление пластика и вторичное его превращение в пластиковую нить [1,2].

1. Экструдер.

Устройство и принцип действия

Одной из основных технологий переработки пластмасс и изготовления из них разнообразных деталей и профильной продукции является экструзия. Заключается она в приготовлении расплава полимеров с последующим продавливанием его через формующие сопла – специальные насадки, придающие материалу заданную форму [1,2]. Главным элементом производственной линии, использующей подобную методику, является экструдер для пластика.

Экструдер представляет собой электромеханическое устройство, непосредственно предназначенное для процесса формовки пластмассовых профильных деталей или их полуфабрикатов.

Общее устройство экструдера для пластика:

• Корпус с системой нагрева до необходимой температуры плавления полимеров. В качестве источника тепловой энергии могут использоваться привычные резистивные системы или индукционные, создающие высокие температуры за счет наведенных на их корпус высокочастотных индукционных токов Фуко.

• Узел загрузки, через который различными способами сырье поступает в полость корпуса.

• Рабочий орган, создающий необходимое давление для перемещения сырья от узла загрузки до формующих насадок. Используются различные физические принципы, механизм может быть поршневым, дисковым или шнековым. Наибольшее распространение получили именно шнековые экструдеры.

• Экструзионная головка (сопло), задающая форму получаемых изделий.

• Механический привод (двигатель и редукторная система), создающий и передающий на рабочий орган необходимое усилие.

• Системы контроля и управления, поддерживающие необходимый технологический режим.

Общий принцип действия экструдера:

Загруженное в виде гранул, порошка или лома сырье под действием рабочего органа перемещается в рабочую зону корпуса, где под действием давления, трения и подаваемой извне температуры нагревается и плавится до состояния, требуемого по условиям технологического процесса.

В ходе движения в полости корпуса сырье тщательно перемешивается до однородной гомогенизированной массы.

Под действием высокого давления расплав продавливается через сетчатые фильтры и формующие головки, где происходят его окончательная гомогенизация и придание заданного профиля.

Затем, охлаждаясь естественным или принудительным способом, он полимеризуется, и в итоге получаются изделия необходимой конфигурации с заданными физическими и механическими свойствами.

Шнековые экструдеры – наиболее распространенные, так как практически в полной мере отвечают всем требованиям технологического процесса. Рабочим органом выступает шнек экструдера (винт Архимеда, известный каждому хотя бы по домашним мясорубкам).

Шнековые экструдеры подразделяются на одношнековые и двухшнековые.

Лопасть шнека экструдера захватывает сырье в области загрузки и перемещает последовательно по всей длине цилиндра корпуса, через зону нагрева, гомогенизации и формовки. В зависимости от технологической карты и вида исходного материала шнеки могут быть нормальными или быстроходными, цилиндрической или конической формы, сужающиеся к выходу. Одним из главных параметров является соотношение рабочего диаметра шнека к его длине. Различаются также шнеки шагом витков и их глубиной.

Однако одношнековые экструдеры не всегда применимы. Например, если в качестве сырья используется порошковый полуфабрикат, один винт не справится с тщательным его перемешиванием в ходе расплавления и гомогенизации.

В подобных случаях применяют двухшнековые экструдеры, винты которых могут находиться во взаимном зацеплении, совершать параллельное или встречное вращательное движение, иметь прямую или коническую форму.

В результате процессы разогрева, смешения и гомогенизации проводятся более тщательно, и на головку поступает полностью однородная и дегазированная масса.

Нельзя не отметить, что в некоторых технологических процессах применяются экструдеры и с большим количеством шнеков – до четырех, а кроме того, существуют и планетарные автоматы, когда вокруг центрального винта вращается до 12 сателлитных.

Это бывает необходимым при работе с некоторыми видами пластиков, которые под действием высоких температур имеют свойство к деструкции – потере физических качеств. Таким образом, их нагрев в подобных экструдерах осуществляется за счет силы трения и создаваемого высокого давления.

1. Создание 3D моделей

При выполнении творческого проекта сначала было изучено общее устройство и принцип действия экструдеров. Было рассмотрено несколько вариантов экструдеров для реализации на кафедре с целью переработки отходов пластика. Для создания макета был выбран экструдер [3], представленный на рис. 1.

Рис. 1. Экструдер

Создание 3D моделей деталей экструдера было произведено по чертежам, приложенным к пояснительной записке. 3D модели деталей выполнены в системе T-Flex CAD [4].

Рис. 2. Гильза	Рис. 3. Бункер для сырья

3D модели деталей, узлов и сборок экструдера представлены на рис. 2-33.

Рис. 4. Сопло	Рис. 5. Шнек
Рис. 6. Воронка	Рис. 7. Стойка
Рис. 8. Подшипник	Рис. 9. Упругое кольцо
Рис. 10. Муфта	Рис. 11. Кожух муфты

Рис. 12. Элемент-1 кронштейна для крепления вентиляторов	Рис. 13. Элемент-2 кронштейна для крепления вентиляторов
Рис. 14. Элемент-3 кронштейна для крепления вентиляторов	Рис. 15. Элемент-4 кронштейна для крепления вентиляторов
Рис. 16. Элемент-5 кронштейна для крепления вентиляторов	Рис. 17. Элемент-6 кронштейна для крепления вентиляторов
Рис. 18. Вентилятор	Рис. 19. Конструкция кронштейна для крепления вентиляторов
Рис. 20. Подставка коробки управления	Рис. 21. Коробка управления
Рис. 22. Панель управления температурой	Рис. 23. Кнопка включения/выключения
Рис. 24. Переключатель	Рис. 25. Ручка потенциометра
Рис. 26. Индуктор	Рис. 27. Электродвигатель
Рис. 28. Саморез	Рис. 29. Штифт
Рис. 30. Рабочая часть экструдера	Рис. 32. Коробка управления

Рис. 33. 3D модель сборки экструдера

1. Печать на 3D принтере

Детали для макета экструдера были напечатаны на принтерах Picaso Designer и Prizm Pro, находящихся на кафедре точного приборостроения.

Ниже на рис. 34 – 43 представлены фотографии деталей, напечатанных на принтере Picaso Designer.

Рис. 34. Электродвигатель

Рис. 35. Кожух муфты

Рис. 36. Вентиляторы

Рис. 37. Элемент-5 кронштейна вентилятора

Рис. 38. Сопло

Рис. 39. Муфта

Рис. 40. Упругое кольцо

Рис. 41. Подшипники

Рис. 42. Шнек

Рис. 43. Сборочная единица стойка-гильза-воронка

Ниже на рис. 44 – 48 представлены фотографии деталей, напечатанных на принтере Prizm Pro.

Рис. 44. Элемент-1 кронштейна вентилятора

Рис. 45. Элемент-2 кронштейна вентилятора

Рис. 46. Элемент-3 кронштейна вентилятора

Рис. 47. Бункер для сырья

Рис. 48. Элемент-4 кронштейна вентилятора

Видно, что разница в качестве печати очень заметна. Принтер Prizm Pro, предназначенный для печати более крупных деталей, маленькие детали напечатал хуже, чем принтер Picaso Designer, у которого качество печати намного выше, так как н предназначен для печати более мелких деталей.

Заключение

В результате творческого проекта был изучен принцип работы экструдера, разработаны чертежи деталей (3D модели), изготовлены все детали и собран макет экструдера. Все модели деталей были созданы в системе T-FLEX CAD 3D. На принтере Picaso Designer были напечатаны 15 деталей, а на принтере Prizm Pro 5 деталей.

Список используемой литературы

1. Экструдер пластик своими руками, [электронный ресурс], URL: http://wmt.spb.ru/ekstruder-plastik-svoimi-rukami.html

(дата обращения 19.01.2017)

1. Экструдеры для пластика, [электронный ресурс], URL:

http://promresursy.com/materialy/proizvodstvo/oborudovanie/ekstruder-dlya-plastika.html

(дата обращения 19.01.2017)

1. MICRO-EXTRUSORA DE FILAMENTO, Fabrício Luciano Wolski; Leandro Paulo Corassari; William Felipe Bernardi, Orientador: Mestrando Engenharia Biomédica UTFPR, Revista Eletrônica Multidisciplinar FACEAR, 2015.

2. T-FLEX CAD, [электронный ресурс], URL:

http://www.tflexcad.ru/t-flex-cad/

(дата обращения 19.01.2017)

Код для цитирования: Скопировать