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

в 12:18, , рубрики: diy-проекты, opensourse, мононить, физика, химия
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.

Устройство в настоящее время выглядит так.

Устройство в настоящее время выглядит так.

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, простое вращающееся 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.

Чертёж чаши и иглы веретена.

Чертёж чаши и иглы веретена.

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 расплава материала - 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.

Стандартный мотор RS550

Стандартный мотор RS550

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.

Редуктор

Редуктор

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:

Установленный на раму держатель мотор-редуктора

Установленный на раму держатель мотор-редуктора

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:

Вход-питание вытяжной пары

Вход-питание вытяжной пары
Червячный редуктор с насадкой для магнитного элемента датчика Холла

Червячный редуктор с насадкой для магнитного элемента датчика Холла
Ведомая шестерня зафиксирована самоконтрящейся гайкой

Ведомая шестерня зафиксирована самоконтрящейся гайкой

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 М8х1,25, 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 обезъянье кривляние 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.)

Болты М10 нужны в качестве внутренних направляющих для пружин

Болты М10 нужны в качестве внутренних направляющих для пружин

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 остальном - 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:

Устройство для получения нити (филамента) без экструдера. Новости подпольной лаборатории - 10

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 нармальнозамкнутом термостате на 60 градусов Цельсия, который замыкает силовые контакты на нормально разомкнутых контактах реле на 40А (хотя, можно сделать ровно наоборот, т. е. играть с нормально разомкнутым термореле и нормально замкнутыми 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: ульразвуковой датчик на базе толщиномеров краски (так как оптический контроль бесполезен для прозрачных нитей). Может у вас найдутся более рациональные предложения? До скорых встреч!

Автор: MadFisherman

Источник

* - обязательные к заполнению поля


https://ajax.googleapis.com/ajax/libs/jquery/3.4.1/jquery.min.js