3д печать
тел.: +7 903 310 0081

Экструдеры пасты, часть 3

Вытесняющие или Объемные Экструдеры — Positive Displacement Extruders

Часть первая — Шприцевые экструдеры с шаговым двигателем.
Часть вторая — Экструдеры с прямым давлением воздуха.

Итак, что бы мы взяли лучшего из предыдущих двух подходов?
— Мы хотим вывести шприц из конструкции экструдера.
— Должен использоваться шаговый двигатель для обеспечения совместимости.
— Мы хотим четко измеримую систему.
— Мы не хотим управлять экструзией нажатием на весь материал, управление должно быть как можно ближе к соплу.

Раздосадованный первыми двумя принципами, я начал искать новую идею, способную дать качество печати сравнимое с распространенными экструдерами пластиковых прутков. Я начал изучать различные промышленные способы, прочел множество книг и сайтов.
Ключевым определением является «прокачка постоянной массы». Каждый оборот механизма насоса выдавливает определенный объем материала и отправляет его к соплу. Если вращение производится шаговым двигателем, то мы имеем систему, в которой знаем, что Х шагов двигателя приводит к экструзии Y объема материала. Вы помещаете этот насос как можно ближе к соплу и пусть он тянет материал, словно экструдер прутка.
Разница лишь в том, что у нас не классная бобина с прутком, а беспорядочная масса в резервуаре. Причем резервуар нужен внешний. В случае с жидкой средой, такой как расплавленный шоколад, можно использовать систему гравитационной подачи (разместить резервуар с жидким материалов выше экструдера, так чтобы материал самотеком поступал в насос), но чаще всего необходимо создавать давление в резервуаре. Проще всего это сделать воздушным компрессором. Да, это неконтроллируемая вещь и мы отвергли ее ранее. В этом случае мы применяем воздушное давление только для подачи материала в экструдер, далее экструдер будет контроллировать скорость потока.

Давайте рассмотрим пару видов насосов, которые можно было бы использовать для экструдера пасты. Перистальтический насос — один из видов, где перекачка вещества происходит внутри трубки и вещество никогда не контактирует с механизмами насоса. Насос состоит из набора роликов, которые выжимают трубку и толкают вещество вперед. Но каждый контакт ролика и трубки дает в итоге пульсацию на выходе. Это можно исправить сделав множество трубок с чередующимися колесами. Ioan Festeu разработал очень элегантный, компактный перистальтический экструдер с двойным каналом подачи.
К сожаленью ни Иоанну, ни мне не удалось заставить его работать с более густыми смесями, и в литературе вы можете прочитать, что перистальтический насос предназначен для работы с жидкостями низкой вязкости.

Другой вид — шестерённый насос, чаще всего встречается в качестве маслянного насоса. Две сцепленные шестерни вращаются внутри герметичного корпуса и жидкость прокачивается по внешней стороне шестерен. Он отлично работает со смазочными материалами, которые его же и смазывают (и возможно получится с горячим шоколадом), но попытаться пропустить через него керамическую глину, которая фактически содержит абразивные частицы, просто ужасная идея.
Одна из систем, что попала нам на глаза в ходе исследований, была шнековым насосом, экструдер с винтом Архимеда, что часто используется в сборочных линиях электроники для выдачи небольших порций припоя. Они описываются как способные дозировать с высокой точностью вязкие материалы, абразивные, с мелкими частицами.
Шнековый насос работает следующим образом: материал подается из внешнего резервуара, находящегося под постоянным давлением, в верхнюю часть насоса. Насос состоит из шнека закрепленного внутри цилиндра, в нижней части которого находится сопло. Давление в резервуаре достаточно только для подачи материала в верхнюю часть насоса, где материал упирается в верхнюю часть шнека и останавливается вследствии роста силы трения, вызванного более узким каналом вдоль винтовой резьбы и в конечном счете еще более узким отверстием сопла. Винт приводится в действии с помощью двигателя и это вращение толкает материал вниз по винтовой резьбе, создавая разницу давлений и материал вытекает из сопла. Скорость потока контроллируется частотой вращения двигателя.
Мой первый экструдер, использующий данный принцип работы, я назвал Claystruder 2 (Clay — глина). Его часть конструкции со шнеком была основана на маленьком, стоимостью 25 евро, одноразовом пластиковом экструдере от промышленной системы розлива. Первые тесты с глиной были фантастическими, это было именно то, что нужно! Он работал также как ваш стандартный экструдер пластикового прутка. Включение шагового двигателя приводило к немедленной экструзии глины пропорциональной к скорости вращения. Остановка двигателя приводила также к немедленной остановке процесса, материал оставшийся в области шнека давлением от внешнего резервуара не проталкивался.
Мы сделали несколько начальных тестов с глиной, шоколадом и картофельным пюре, и они смотрелись очень перспективными. Но после обширного теста с фарфоровой глиной система потеряла надежность, расход стал нечетким и его стало необходимо корректировать во время печати, часть материала просочилась через остановленный шнек. При ближайшем рассмотрении наши опасения подтвердились, пластиковый шнек был полностью изношен благодаря керамической массе, и это всего за несколько минут печати. За 125 евро можно купить металлический шнек, но даже с ним износу будет подвержен пластиковый корпус насоса.

Немного увеличив бюджет можно купить «одноразовый» экструдер полностью из нержавейки и даже керамический, но цена их приближается к стоимости кита для сборки Менделя. Плюс все они ориентированы для дозирования небольших объемов материала, а не для непрерывной экструзии, которая мне нужна.
Я сделал пару тестов, чтобы посмотреть, что происходит при изменении давления воздуха на шприц, который питает материалом шнек. Очевидно, что если давление упадет ниже определенной границы, то материал перестанет поступать в шнек, но выше этой точки для достижения постоянной скорости истечения необходимо варьировать скорость вращения шнека в зависимости от входного давления. Конечно влияние давления не настолько велико, как при использовании Direct Air Extruder (экструдера с прямым давление воздуха), но все еще более чем достаточно. Это означает, что изменение вязкости все равно приведет к изменению расхода в сопле.
Весной 2013 студент инженерного факультета работал в Unfold над своей магистерской диссертацией на тему экструдеров пасты, и он также хотел посмотреть на работу шнекового экструдера. В то время я уже скептически относился к этой идее, но у него было по крайней мере две веские причины для продолжения: во-первых, шнековые экструдеры широко распространены в промышленности, во-вторых, ему поставил такую задачу его профессор. Основной его целью было изменить дизайн шнека таким образом, чтобы минимизовать его износ, даже если он напечатан на 3д-принтере.
Он начал с экспериментов со сверлами. Также кто-то из команды университета Bauhaus проводил тесты с ними некоторое время назад, но оба они не достигли особого успеха. Резьба у бура слишком крутая для экструдера, под одним только давлением воздуха материал протекает сквозь него. Мы построили около двух десятков различных прототипов варьируя различные параметры и тестируя их, чтобы наметить связь между скоростью вращения, входным давлением и полученным расходом. Мы делали измерения запуская экструдер на одну минуту и взвешивая полученную экструдированную массу.
После двух месяцев исследований и кропотливо тестирования нам удалось улучшить шнек, но получить измеримое управление не смогли. Всегда есть связь между вязкостью материала, давлением на входе и расходом.
Наблюдалась еще одна проблема, возможно только для специфичной глины (которая представляет собой суспензию), расход последовательно уменьшался с течением времени. При разборке экструдера мы постоянно находили почти высохшую глину в конце шнека закупоривавшую сопло. Так происходило раз за разом и мы пришли к выводу, что это связано с обратным потоком воды, которая выдавливалась из глины и текла обратно вверх по сторонам шнека. В то время как шнековый насос звучит просто, его основным механизмом управления является получаемая разность давлений, и контроллировать этот процесс достаточно сложно.
В книгах мы нашли, что несмотря на успешное применение шнековых экструдеров в промышленности, их различные аспекты еще не до конца изучены. Был сделан вывод, что собрать отличный экструдер пасты на основе шнека возможно, но необходимо тщательно подобрать параметры для каждого из различных материалов. Способ прекрасно работает для промышленных установок специального, какого-то одного, назначения. Также в одной исследовательской лаборатории я видел успешное применение шнекового дозатора за 3000 евро, но я сильно сомневаюсь, что он подойдет для разработки универсального reprap-экструдера и домашнего применения.
От новых экспериментов со шнековыми экструдерами меня удерживает найденная цитата: «Вытеснение означает, что определенный объем материала смещается определенным механическим действием. Вытеснение не оказывает влияния на температуру или вязкость. Насос с винтом Архимеда очень последователен, но эта последовательность зависит от вязкости и текучести материала. Архимедовы винты продавались в качестве объемных насосов, но их лучшим определением было бы — измеряющие вязкость насосы.»
Жирный плюс объемных насосов в способности производить один и тот же поток с различной скоростью вне зависимости от увеличения давления нагнетания. Последнее, что мне попалось на глаза, насос Moineau. (Moineau — французское слово. Может быть кто-нибудь подскажет как оно правильно читается? Моно?) Он вроде бы выглядит как шнековый насос, но геометрия шнека (ротора) и корпуса (статора) немного сложнее. У Moineau нет непрерывного пути до низа ротора, у него образуется несколько закрытых полостей между статором и ротором, которые при вращении ротора начинают двигаться вниз, общее название таких насосов — полостные прогрессивные насосы (progressing cavity pump). Каждая полость имеет известный объем, и с каждым оборотом одна или несколько полостей освобождаются. Сложная геометрия гарантирует чередование полостей таким образом, чтобы избежать пульсации.

Входное давление имеет только одно назначение — оно должно быть достаточно высоким чтобы подавать расходный материал в насос, но не слишком, иначе материал потечет между ротом и статором, а это довольно широкий диапазон. Другим полезным свойством Moineau является то, что он отлично подходит для различных паст и суспензий с частицами. То что он предназначен для экстремальных приложений, например используется в нефтедобывающей отрасли, делает его хорошо подходящим для менее требовательных пользователей.
Я никогда не думал, что возможно разработать печатаемый дизайн насоса Moineau, но в начале 2012 Tomi Salo разместил на thingiverse.com чертежи экструдера выполненные в OpenSCAD и основанные на параметрических роторе и статоре разработанных Emmett’ом Lalish. Но только они были выполнены для дизайна с гравитационной подачей материала (самотеком) и не подходили для работы под давлением. Я доработал их на скорую руку, чтобы загерметизировать все детали и вал шагового двигателя, и протестировал обновленный экструдер с глиной. Первое тестирование, ролик вы можете найти на youtube, показало отличную плотную экструзию с мгновенной остановкой и стартом. Механизм экструдера и приводной вал достаточно быстро пришли в негодность вследствии высокого крутящего момента необходимого для перекачки вязкой глины.
Несколько месяцев спустя, снова в рамках инженерной диссертации и после разочаровывающих работ со шнеком, мы снова взялись за полюбившийся дизайн Moineau. Проанализировав промышленный вариант Moineau, мы изменили длину и параметры ротора, добиваясь его лучшей герметизации. Это крайне важно, т.к., обычно ротор изготавливается из нержавеющей стали, а статор из очень прочной резины, и они плотно прилегают друг к другу. Это позволяет дозировать материалы с низкой вязкостью, как вода, с такой же легкостью как и плотную глину. В напечатанной 3д принтером пластиковой версии вы никогда не добьетесь такой же герметизации, но с другой стороны нам и не нужна способность работать с низкой вязкостью. Увеличение же длины ротора дает увеличение количества полостей и некоторое улучшение герметизации.
Различные другие улучшения, взятые из литературы, были намечены для уменьшения пульсации. Мы сделали так же одноминутные экструзионные тесты, такие же что и со шнековыми вариантами, и результаты Moineau были гораздо лучшими. На сегодня Moineau все еще нуждается в усовершенствовании, но это в основном касается механической части конструкции, сам же принцип работы кажется способен предложить то, что нам нужно.
Что нуждается в улучшении, так это механическая прочность соединения ротора и двигателя. Поскольку ротор перемещается в эксцентричной манере, необходимо использовать эластичную муфту вала, и этот вал с трудом вращается в материале во впускной камере. Сейчас это простая 3х зубцовая связка, имеющая тенденцию к дрожанию вверх и вниз и часто ломающаяся, потому что крутящий момент слишком высок. Стандартного шагового двигателя NEMA 17 едва достаточно для обеспечения необходимого момента силы. Иногда он работает, но иногда вдруг начинает пропускать шаги. Нужно либо увеличивать двигатель до NEMA 23, либо использовать редуктор. Таким образом получается, что для работы с высоким крутящим моментом, весь экструдер нуждается в усилении, и эту работу мы еще не закончили.

комментария 2
  1. Здравствуйте. Хотелось бы знать , Вы представляете дома будущего выполненные экструдорами в проекте «Венера» изобретателя и социокибернетика ЖАК ФРЕСКО.
    У нас есть площеди,сырье и даже деньги.
    А в первую очередь требуется мини-завод для производства кирпича!!!
    Красноярский край, пос. Таежный.

  2. Здравствуйте. Хотелось бы знать , Вы представляете дома будущего выполненные экструдорами в проекте «Венера» изобретателя и социокибернетика ЖАК ФРЕСКО.
    У нас есть площеди,сырье и даже деньги.
    А в первую очередь требуется мини-завод для производства кирпича!!!
    Красноярский край, пос. Таежный.

Добавить комментарий

Для отправки комментария вы должны авторизоваться.