Печатные головки для гранул: прямое смешивание пеллет-добавок — что нужно знать

Печать гранулами, также известная как FGF (Fused Granulate Fabrication), в основном ассоциируется с литьем под давлением, но также широко используется в FDM 3D-печати, особенно в профессиональных и промышленных условиях. Она позволяет пользователю создавать пользовательские смеси на основе выбранного базового полимера и добавок, все в виде гранул. FGF — идеальная методология для крупноформатной печати и прототипирования, а также для производства самого филамента. 3D-печать гранулами требует принтера с загрузочным бункером для гранул и печатной головкой для гранул, например высокопроизводительной Dyze Pulsar Pellet Extruder, совместимой с большинством крупногабаритных 3D-принтеров или устанавливаемой на манипуляторах.

3D-печать гранулами дает множество преимуществ. Производственные затраты значительно ниже (на 60–90%) по сравнению с филаментной печатью, так как гранулы более доступны и менее обработаны, чем филамент, что снижает их стоимость и время производства. Кроме того, FGF позволяет использовать переработанные материалы и подходит для крупноформатной печати, например в строительстве. Отличный пример печатной головки для гранул, интегрированной в крупномасштабное оборудование — печатная головка-робот, входящая в состав системы CEAD Flexbot.

Компаундинг пластиков

Очень распространенная практика в пластиковой промышленности — компаундинг пластиков. Он заключается в смешивании расплавленных полимеров с различными добавками для достижения улучшенных или передовых термомеханических свойств. Смесь затем формируется в экструдат (пластиковые нити), охлаждается и передается на гранулирован, который рубит экструдат на гранулы. Компаундинг — отличный способ улучшить свойства материала для 3D-печати.

Это делается путем добавления колорного мастербатча для изменения цвета полимера, или аддитивного мастербатча для улучшения термомеханической характеристики пластика (лучшая печатаемость, более высокая текучесть или жесткость) или придания специальных свойств. Некоторые свойства, которые можно достичь смешиванием гранул:

• Прочность и гибкость: полимеры можно смешивать с углеродным волокном или стекловолокном для улучшения термомеханических свойств.
• УФ-стойкость: деградацию пластика можно замедлить, добавляя соединения, защищающие от УФ-излучения.
• Пищевые добавки: необходимо обеспечить безопасность пластиков, предназначенных для контакта с пищей.
• Антимикробные свойства: компаундинг используется для создания смесей, подавляющих рост микробов на поверхности пластика, критически важное в медицине.
• Огнеупорность: некоторые полимеры обогащают веществами, предотвращающими или замедляющими распространение огня, качеством, полезным в авто- и авиапроме.
• Магнитная детектируемость: можно смешать полимерные гранулы с магнитно-детектируемыми гранулами для получения магнитно-детектируемого филамента.
• ESD-защита: смешивание ESD-безопасных гранул с полимерной базой даст ESD-безопасный материал.
• Цвет: компаундинг позволяет практически неограниченное цветовое смешивание.

Компаундинг выполняется профессиональными компаниями с помощью специализированного оборудования, такого как ко-нидеры, двойные винты (коаксиальные и контрвращающиеся) и внутренние миксеры для обеспечения правильного смешивания полимеров и добавок. Результатом этого процесса являются гранулы, готовые к использованию в 3D-принтере с печатной головкой для гранул.

Смешивание гранул

Смешивание гранул выполняется с помощью смесительных винтов, упомянутых ранее. Смесительный винт имеет три зоны, каждая с своей ролью в процессе смешивания:

1. Зона загрузки, через которую гранулы транспортируются вниз по экструдеру.
2. Переходная (компрессионная) зона, где удаляется воздух из смеси гранул при нагреве и плавлении.
3. Дозирующая зона, задача которой — накапливать давление и стабилизировать поток на выходе.

Существуют вариации указанной модели с винтами, имеющими модифицированные дозирующие секции, такие как винт Маддока, для дополнительного улучшения смешивания и гомogeneизации расплава.

Дополнительная смесительная секция в дозирующей части винта имеет недостатки (требования к крутящему моменту, нагрев из-за дополнительных сдвиговых движений) и может влиять на производительность винта и даже на выходной поток.

Лучший тип винта для смешивания пластиковых гранул — двойной винт. Это самое распространенное решение в компаундинге пластиков. Пример двойного винта — два взаимозацепляющихся коаксиально вращающихся винта внутри закрытой бочки для обеспечения правильного смешивания расплава и гомогенного выхода.

Преимущество экструдера с двойным винтом над одновинтовым в том, что в экструзионной системе с двумя винтами хороший поток материала не зависит от реологических свойств материала, так как два винта повышают насосную эффективность. Кроме того, в системе с двойным винтом теплопередача от бочки к материалу более равномерная и быстрая, чем в одновинтовой системе.

Некоторые винты не содержат смесительной секции для уменьшения веса и длины винта. Пример печатной головки для гранул, чей винт не содержит смесительной секции — Dyze Pulsar Pellet Extruder. У Pulsar есть специальный антидريبлинговый механизм, добавленный близко к соплу. Это дополнение значительно улучшает смешивание, добавляя некоторое смесительное пространство и фиксированное разделение расплава непосредственно перед прохождением через сопло. Помимо антидриплингового механизма, у Pulsar хорошее сдвиговое напряжение в самом винте.

Эти две особенности в совокупности компенсируют отсутствие стадии смешивания в винте и обеспечивают правильную гомогенизацию полимерной смеси. Эксперимент с участием Dyze Pulsar Pellet Extruder, мастербатча PETG и 1.6% цветных гранул дал удовлетворительный результат с отличной цветовой однородностью и гомогенностью материала.

Компаундинг пластиков путем смешивания гранул — это технология, которая не только позволяет средним и крупным производителям сократить время и стоимость производства, но и получить больший контроль над полимерной смесью для специфических приложений, так как специализированные гранулы и филамент можно создать из пластиковых гранул как базы с добавлением колорного или аддитивного мастербатча.