Устройство для получения нити (филамента) без экструдера. Новости подпольной лаборатории

Перед началом статьи, немного интересностей из смежных наук:

Как всегда, хочется поделиться с вами, дорогие читатели, некоторыми интересными фактами. Факты эти не всегда связаны с предметом повествования, но от этого остаются не менее любопытными.

В XIX веке жил среди нас ученый Василий Владимирович Петров, которому мы благодарны за открытие в 1802 году электрической дуги, а так же, он за 25 лет лет до Георга Симона Ома, впервые употребил термин сопротивления как физической величины! История не имеет сослагательного наклонения… Тем не менее, мы с Вами очень даже могли измерять сопротивление в «Петрах»…

В последствии, именно руководствуясь трудами В. В. Петрова, наши ученые Александр Николаевич Яблочков и Павел Николаевич Лодыгин представили миру свои знаменитые изобретения

Итак, приступим. Прежде всего, считаю необходимым заметить, что устройство выполняет функцию лабораторной установки.

Теперь по сути конструкции узлов и органов управления. Самое главное процесс автоматизирован, стабилен и прогнозируем, понятны технические параметры. Получены первые устраивающие образцы мононити толщиной 1,0 мм. (погрешность +/- 0,2 мм.) и 0,6 мм. (погрешность +/- 0,15 мм.). Выявлена причина высокой погрешности получаемой нити — текущая конструкция чаши, параметры иглы-веретена и нагреватель (обо всем этом далее).

Продемонстрирую начало процесса для общего понимания. Строго не судите, перегрел полипропилен немного (из-за некачественного кольцевого нагревателя немного подгорает). Можете наблюдать^ просто чаша, просто вращающаяся игла-веретено, никаких экструдеров, никаких фильер…

А вот так происходит сам процесс! Импровизированная крышка сделана для равномерности прогрева расплава и больше никакой функциональности не несет.

Проект абсолютно открытый для некоммерческого использования, поэтому буду рад слышать конструктивную критику и обоснованные рационализаторские предложения.

Чаша

Утеплена минеральной ватой слоем 10 см. Это позволило значительно улучшить равномерность прогрева полимера. К настоящему времени существует в изначальном виде.

Чаша имеет фиксированную массу загрузки в 400 грамм материала. Конструкционно система питания и подачи свежего материала не предусмотрена, но необходима, так как поддержание заданного уровня расплаваматериала — критически важный параметр, влияющий на объем подачи материала к точке съема нити.

В настоящее время мной принято решение о перепроектировании конструкции чаши, в том числе в связи необходимостью разделения проекта на два направления: 1) Работа с расплавами и 2) Работа с растворами. Это связано прежде всего с технологическими ограничениями, главным из которых является отсутствие высокотемпературных торцевых уплотнений вала. То есть, если для растворов возможно без проблем подобрать из существующего ассортимента герметизирующий элемент, а вот для расплавов температура эксплуатации (максимальная температура предполагается +360 град. С) не позволяет их использовать и необходимо другое решение. При этом для растворов и расплавов подразумевается система непрерывного питания с небольшими различиями в конструкции. Отдельно, для работы с расплавами, сейчас подбираем: 1) качественный кольцевой нагреватель (с минимальными параметрами погрешности температуры нагрева); 2) Плоский нагреватель (для размещения под днищем чаши); 3) PID-регулятор поддерживающий более 1 термопары (для конечного оборудования одной вполне достаточно, но для лабораторной установки желательно не менее двух для более оптимального контроля процесса) и имеющий PID-регулирование с диапазоном менее 15 градусов (текущий аппаратный уровень не устраивает).

Ну и в завершение того что касается чаши: расширение типоразмеров игл. Несомненно необходимо 3D моделирование в чём-то типа ANSYS градиента температуры для более оптимального проектирования её формы, толщины и длины. Буду рад любой помощи в этом вопросе.

Небольшое отступление

В ходе практических опытов был выявлен процесс, которому в данный момент пытаюсь найти объяснение (видео в ближайшее время постараюсь выложить), а пока постараюсь описать словами. На видео выше вы можете наблюдать собственно сам эффект Вайсенберга, в определенный момент, если не происходит съема материала с иглы-веретена у основания восходящего потока на уровне расплава образуется неисчезающий устойчивый шарообразный конгломерат, вращающийся вместе с основным потоком, словно на поверхность расплава поместили шарик.

Привод вала иглы-веретена

3D-модель, к сожалению здесь прикрепить не могу, в связи с чем — обращайтесь скину с удовольствием. Рациональные предложения и обоснованная критика — приветствуется. Выглядит следующим образом:

Начнем по порядку (немного повторюсь, частично перекликаясь с содержанием последней статьи, заодно объединю). Сама конструкция гильзы построена на стандартном мотор-редукторе для шуруповёрта на 14.4 В.

Напряжение питания 14.4В, на валу запрессована шестерня на 12 зубьев. Клеммы 4 мм. Со стороны клемм «+» клемма обозначена красной меткой. Варианты от Алиэкспресс вот, вот и вот.

В целом стандартный редуктор для шуруповертов на 14.4 В, размерность 80Х40 мм. Так же достаточно универсальная штука. Две скорости. Блокировка обратного хода (т. е. если крутящий момент будет приложен к валу крепления быстрозажимного патрона — редуктор блокируется). Корпус редуктора из полиамида 66 с 30% содержанием стекловолокна. (PA66-GF30). Резьба на выходном валу дюймовая 3/8« 24UNF (3/8 дюйма, 24 витка на дюйм). Варианты от Алиэкспресс вот. Как правило в комплекте с редуктором идет монтажная пластина для крепления к мотору.

В целом сборка, за счет планетарного редуктора выдает крутящий момент до 35 Нм, чего более чем достаточно. Можно брать и готовую сборку планетарного-редуктора с мотором. Под готовую сборку берем обычный кулачковый быстрозажимной патрон под требуемую резьбу.

Гильза для крепления сборки спроектирована и отпечатана под размеры и параметры указанной сборки и имеет следующий вид:

3D-модель выглядит следующим образом. Сама гильза в нижней части предусматривает крепление болтами М3 к раме установки, предусмотрены вентиляционные окна в районе коллектора двигателя для обеспечения охлаждения, паз для термостата на 60 градусов (KSD9700 60°C 5А 250В (нормально замкнутый, NC, металл) — полагаю оптимальный вариант защиты от перегрева), который прижимается нейлоновым хомутом к корпусу, а так же кронштейн крепления датчика Холла (М12), для примера разнообразим Озоном, хотя найти можно, как и любые другие электронные компоненты, практически в любом магазине, а вот для крепления магнита предусмотрен дисковый элемент, который крепится на выходном валу редуктора за счет прижима кулачковым патроном.

В принципе сборка может подразумевать и что-то типа Nema 17, но я не дружу с шаговыми двигателями от слова совсем, плюс это предусматривает немного другую систему управления, в то время как главная задача — максимально упростить (в том числе повторяемость даже для тех кто только знакомится с электроникой, мы к этому вопросу еще вернемся далее), сделать установку максимально надежной и т. п.

Вытяжная пара

Без вытяжной пары автоматизировать и прогнозировать процесс практически невозможно. Много копий было сломано относительно конструктива. 3D-модель итоговой версии на данный момент выглядит следующим образом:

Я очень признателен помогавшим мне ребятам за весь процесс 3D-моделирования и печати (включая выбор материала — стеклонаполненный ABS), к тому же вышло очень бюджетно. За основу для начала была взята исходная гильза-держатель для мотор-редуктора. В ходе многочисленных экспериментов стало понятно, что при ШИМ-регулировании осуществлять привод роликов вытяжной пары непосредственно от выходного вала редуктора нецелесообразно в связи с тем, что минимальное число оборотов составляло 14 об/мин. даже с учетом пониженных оборотов на редукторе. Для условий лабораторной установки этого слишком много, плюс не хотелось увеличивать габариты установки. Поэтому было принято решение использовать червячный редуктор с однозаходным червяком и соотношением 1:10. Для центровки нити на входе на вытяжной паре предусмотрен полукруглый кронштейн в который вплавлена развальцованная медная трубка. Оси вытяжных роликов располагаются на обычных подшипниках ABEC7 для самокатов (D посадочный 22 мм., d внутренний 8 мм., толщина 7 мм.). Если ведущий ролик сидит в глухих посадочных местах в корпусе (как всё соединяется вы поймете по 3D-модели), то в каретке ведомого прижимного ролика использовались прижимные бугели. Сами ролики имеют диаметр 40 мм. толщина 28 мм. на оси 8 мм. С роликами получилась отдельная песня: в ходе изучения вопроса стало ясно, что гуммированный ролик под требуемые параметры обойдется минимум в 5 000 р. каждый, что не есть гуманно и нецелесообразно. Выход из положения получился элементарный: на ОЗОНе были куплены резиновые виброопоры ЕС тип С вот такие (при цене 160 рублей за штуку — отличный вариант), после чего в металлических закладных проделаны сквозные отверстия и нарезана резьба М8×1,25, затем, сжав струбцинами, посажено на единый вал из обычной шпильки М8 — вот и получились требуемые ролики диаметром 40 мм. толщиной 28 мм. и длиной оси — под требуемые параметры. Отдельного внимания заслуживает прижим ведомого ролика… Как оказалось, если предметно искать, то выбирать элементарные пружины невозможно: все только под заказ, при этом внятно сказать могут только размеры и толщину проволоки навивки (на самом деле это очень грустно, так как даже производство пружин, в целом, превратилось в обезьянье кривлянье на китайских станках без понимания даже усилия сжатия/растяжения). Зная только габариты пружины мы спроектировали четыре посадочных места для них в корпусе вытяжной пары и прижимной каретке (по факту хватило одной пружины, но запас лишним не будет.)

На общем плане вы можете увидеть, что сама рама, каркас установки собран на обычном профилированном алюминии из ассортимента Леруа (квадрат 10 мм., прямоугольник 10х20 и т.п.), сварено (спаяно) на припое Castoline 192FBK горелкой Bernzomatic TS7000 на МАПП-газе. В квадрат 10 мм. (стенка 1 мм.) идеально в качестве стойки входит уже имеющаяся шпилька М8, а это как раз то что нужно для конструкции регулируемой по высоте и подвижной влево/вправо каретки, на которой подвешивается первая вытяжная пара (да, вторая тоже будет, под неё зарезервирован верхний ряд приборов и индикаторов, но чуть позже — мне она тоже нужна).

Остался последний момент: Органы управления и электрические схемы.

Что из себя представляют органы управления?

В нижнем правом углу рабочая, в настоящий момент, группа приборов. Два серебристых тумблера — включение общего питания 220 В и второй — включение БП на 12В. Нижний ряд приборов это привод вала иглы‑веретена: слева на право: крупный экран — реверсивный ШИМ‑регулятор оборотов включается зеленым тумблером (в выключенном состоянии или при срабатывании термозащиты горит красный индикатор, в рабочем — зеленый), далее идет монитор с указанием количества оборотов вала, под которым расположен вольтамперметр, крайний справа — PID‑регулятор нагрева (через твердотельное реле на 32А). Верхняя группа приборов это управление вытяжной парой (предусмотрена аналогичная индикация работы/срабатывания термозащиты), правда используется обычный ШИМ‑регулятор, далее идет индикатор оборотов и тот же вольтамперметр.

Электросхемы выглядят следующим образом:

Дорогие друзья, наличие некоторых элементов обусловлено прежде всего необходимостью контроля максимального количества параметров работы устройства в целом (прежде всего относится к напряжению питания двигателей и проходящим токам — как проверка расчетов, гипотез и предположений, так и проверка работы под нагрузкой). По большому счету Схема № 3 может быть Вами отредактирована и из нее, без вреда для Вас, может быть удален вольтамперметр с шунтом. Что касается Схемы № 1, то её придется собирать два раза для питания двух двигателей, редактировать не рекомендую, так как в самой схеме заложена термозащита на нормальнозамкнутом термостате на 60 градусов Цельсия, который замыкает силовые контакты на нормальноразомкнутых контактах реле на 40А (хотя, можно сделать ровно наоборот, т. е. играть с нормальноразомкнутым термореле и нормальнозамкнутыми контактами реле на 40А, по температуре срабатывания термостата тоже можно поиграться, для меня температура в 60 градусов кажется наиболее оптимальной). На Схеме № 2 (на каждый мотор‑редуктор) для счетчика оборотов Вы можете увидеть совершенно обычный датчик Холла с Алиэкспресс. А вот что касается Схемы № 4, то тут подключение будет зависеть от Вашего PID‑регулятора.

В целом всё, да соглашусь, что можно реализовать и на аналогах той же Малинки, но опять же аппаратные требования в целом ясны стали только сейчас. Плюс, повторю, максимальная ремонтопригодность.

Из электроники остался один важный не реализованный момент: непрерывный контроль диаметра нити и соответствующее его отображение. Мне видится только один перспективный вариант: ультразвуковой датчик на базе толщиномеров краски (так как оптический контроль бесполезен для прозрачных нитей). Может у вас найдутся более рациональные предложения?

До скорых встреч!

P.S.: Кстати, совсем забыл! Для конкретики, предлагаю ознакомиться со скриншотом моей рабочей EXEL таблички для расчета тех.параметров процесса (желтые поля — изменяемые вводные параметры).