Konstrukcja i optymalizacja parametrów pracy odciągu żyłki ...

POLITECHNIKA WARSZAWSKA

WYDZIAŁ CHEMICZNY

Kierunek: TECHNOLOGIA CHEMICZNA

Kamil Macios

Konstrukcja i optymalizacja parametrów pracy odciągu żyłki do

miniwytłaczarki laboratoryjnej

Praca dyplomowa

na stopieo inżyniera

Wykonana w: Katedrze Chemii i Technologii Polimerów

Kierujący pracą: dr inż. Andrzej Plichta

PODZIĘKOWANIA:

Pisanie pracy inżynierskiej to długotrwała czynność wymagająca wielkiej uwagi i

poświęceń. Właśnie dlatego w pierwszej kolejności chciałbym podziękować rodzinie i

narzeczonej, Annie za wyrozumiałość i cierpliwość oraz cenne wsparcie, bez którego na

pewno bym sobie nie poradził.

Dziękuję również mojemu promotorowi, dr inż. Andrzejowi Plichcie za

poświęcony czas, dzielenie się wiedzą, ważne wskazówki i korekty.

Całemu zespołowi KChiTP i innym studentom, za pomoc oraz miłą i życzliwą

atmosferę pracy. Są to ludzie, dzięki którym praca stawała się wielką przyjemnością.

Dodatkowo chciałem podziękować Panu Janowi Stefaniakowi za pomoc, porady

i udostępnienie warsztatu.

Oświadczenie autora pracy

Świadom odpowiedzialności prawnej oświadczam, że praca dyplomowa o w/w

tytule nie zawiera treści uzyskanych w sposób niezgodny z obowiązującymi przepisami.

Oświadczam również, że przedstawiona praca nie była wcześniej przedmiotem procedur

związanych z uzyskaniem tytułu zawodowego w wyższej uczelni.

Oświadczam, że wyniki zamieszczone w mojej pracy dyplomowej zostały

sfinansowane i wykonane z wykorzystaniem aparatury i urządzeń będących własnością

Wydziału Chemicznego Politechniki Warszawskiej. Niniejsza praca dyplomowa jest

utworem zbiorowym i jest własnością intelektualną Kierującego pracą, opiekuna

naukowego oraz moją.

Zobowiązuję się, że nie wykorzystam ani nie opublikuję wyników pracy bez zgody

Kierującego pracą i Kierownika Jednostki Wydziału Chemicznego Politechniki

Warszawskiej w której wykonano pracę.

7

SPIS TREŚCI

1. Wprowadzenie i cel pracy 8

2. Część literaturowa 9

2.1. Wytłaczanie 9

2.2. Linia produkcyjna do wytłaczania profili 12

2.3. Odciągi 13

2.4. Podstawy konstrukcji maszyn. 14

3. Założenia konstrukcyjne i materiały 17

3.1. Charakterystyka wytłaczarki MiniLab II 17

3.2. Program do projektowania ZWCAD 2011 17

3.3. Materiały 18

3.4. Materiały użyte do badań 23

4. Wykonanie odciągu 24

4.1. Założenia projektowe 24

4.2. Projekt 28

4.3. Wykonanie części odciągu 31

5. Testy laboratoryjne skonstruowanego odciągu 47

5.1. Wytłoczenie PP z odciąganiem żyłki 47

5.2. Wytłoczenie PLA z odciąganiem żyłki 49

5.3. Wytłoczenie blend PLA z odciąganiem żyłki 51

5.4. Pomiary mechaniczne żyłek 51

5.5. Wnioski 54

6. Streszczenie 55

7. Summary 56

8. Bibliografia 57

8

1. WPROWADZENIE I CEL PRACY

Z tworzywami sztucznymi można się spotkać w życiu codziennym jak i w prawie

każdej dziedzinie przemysłu. Stosowanie ich staje się coraz bardziej powszechne

i zaczynają one skutecznie wypierać inne materiały. Posiadają wiele zalet, a ich szybki

rozwój przyczynił się do wyeliminowania wad np.. łatwopalność. Produkcja wyrobów

z tworzyw sztucznych i gumy odgrywa w dzisiejszym świecie ogromną rolę. W Polsce

stanowiła 5,3% ogólnej produkcji roku 2010 r. i osiągnęła wartość 53575 mln zł. [1]

Z szerokim zastosowaniem tworzyw związana jest konieczność opracowywania

i wprowadzania nowych materiałów polimerowych. Dlatego też laboratoria stale starają

się znaleźć nowe polimery lub dodatki do już istniejących, modyfikując tym samym

ich właściwości. Syntezując nowe tworzywa sztuczne, niezbędne staje się sprawdzenie ich

właściwości chemicznych, przetwórczych (tj. reologia), oraz mechanicznych.

Jedną z najszerzej wykorzystywanych w przemyśle metod formowania tworzyw

sztucznych jest wytłaczanie. W skali laboratoryjnej małe wytłaczarki można wykorzystać

do tworzenia kompozycji polimerowych w ilości kilku gramów, do badania ich

właściwości reologicznych, a otrzymywane z nich wytłoczki do pomiarów

wytrzymałościowych. Do tego celu najdogodniejszą formą ze względu na swą prostotę jest

żyłka. Do wytłoczenia próbki poza wytłaczarką potrzebny jest szereg innych urządzeń.

Jedną z najważniejszych jednak jest odciąg. Pełni on rolę transportującą od strony głowicy

wytłaczarki. Z jego pomocą możemy również regulować właściwości wytłoczki np. jej

średnicę czy też orientację. Odciąg musi współpracować z wytłaczarką tak, aby prędkość

odprowadzania była adekwatna do wydajności wytłaczania.

Produkcja odciągów do wytłaczarek laboratoryjnych jest niszową gałęzią

przemysłu, wobec czego producenci zawyżają ich cenę. Staje się ona nieadekwatna

do rzeczywistej wartości urządzenia, a dodatkowo proponowane rozwiązania

konstrukcyjne nie zawsze spełniają oczekiwania odbiorcy.

Celem niniejszej pracy jest zaprojektowanie i skonstruowanie odciągu rolkowego

współpracującego z wytłaczarką laboratoryjną MiniLab II firmy Thermo Haake.

Dla gotowego urządzenia wykonana zostanie optymalizacja służąca dobraniu

odpowiednich parametrów pracy odciągu dla danych parametrów pracy wytłaczarki.

Optymalizacja ta przeprowadzona będzie dla różnych tworzyw sztucznych.

9

2. CZĘŚĆ LITERATUROWA

2.1. Wytłaczanie

Wytłaczanie jest jedną z najstarszych [2] i najbardziej rozpowszechnionych metod

przetwórstwa tworzyw polimerowych. Stosuje się ją w procesach przetwórczych mających

na celu otrzymanie różnego rodzaju profili tj. rury, płyty, folie. Cechą charakterystyczną

wytłoczki jest jej stały przekrój poprzeczny na całej długości.

Wytłaczanie jest procesem ciągłego formowania wyrobów z tworzyw sztucznych.

Polega na uplastycznieniu i ujednorodnieniu tworzywa w układzie uplastyczniającym

(układ ślimak-cylinder) wytłaczarki i przepchaniu go pod wpływem wytworzonego

ciśnienia przez kanały przepływowe głowicy wytłaczarskiej [3]. Budowę wytłaczarki

przedstawia Rysunek 1.

Rysunek 1. Zespół wytłaczania [4] (1-grzejniki; 2,3-kanały chłodzące; 4-

cylinder; 5-ślimak; 6- głowica; 7-lej zasypowy )

Przepływ tworzywa od leja zasypowego do wyjścia z głowicy wskazują strzałki.

W budowie wytłaczarki należy wyróżnić 5 różnych stref: I - strefa zasilania, II - strefa

uplastycznienia, III - strefa sprężania, IV - strefa dozowania, V - strefa kształtowania.

Należy również zwrócić uwagę, że każda z tych stref jest ogrzewana niezależnie.

Układ uplastyczniający w procesie wytłaczania pełni wiele ról. Po pierwsze,

transportuje, czyli dostarcza do głowicy tworzywo ze stałą prędkością. Działają tutaj trzy

składowe przepływu: wleczona i przeciwne do niej ciśnieniowa oraz przeciekowa. Druga

i trzecia składowa wpływa pozytywnie na mieszanie tworzywa, lecz obniża sprawność

transportową do poziomu ok. 20÷30%. Po drugie dostarcza ciepło do surowca w celu jego

uplastycznienia i podgrzania do wymaganej przez proces temperatury. Uplastycznienie jest

6

10

to przejście dostarczanego materiału polimerowego ze stanu stałego do stanu plastycznego.

Stan ten występuje powyżej temperatury mięknięcia dla tworzyw amorficznych i powyżej

temp. topnienia dla tworzyw krystalicznych. W celu polepszenia płynięcia, zmniejsza się

lepkość materiału podgrzewając je trochę ponad temp. plastyfikacji, jednak nie za wysoko,

aby nie spowodować jego degradacji. Ciepło dostarczane jest za pomocą grzałek, którymi

obudowany jest cylinder (patrz Rysunek 1) oraz dodatkowo powstaje w wyniku działania

sił ścinających i tarcia przy ruchu obrotowym ślimaka. Po trzecie spręża tworzywo w celu

usunięcia powietrza i pary wodnej spomiędzy jego ziaren. Jest to konieczne, ponieważ bez

tego mogą powstawać pęcherze lub otwory w otrzymanej wytłoczce. Wpływają one

niekorzystnie na wytrzymałość materiału i estetykę. Sprężenie tworzywa ma na celu

również wytworzenie ciśnienia wystarczającego dla pokonania oporów przepływu przez

głowicę. W tym celu stosuje się stopniowe lub ciągłe zmniejszanie skoku linii śrubowej

zwoju, zwiększanie szerokości zwojów lub najczęściej zmniejszanie średnicy ślimaka.

Ostatnią rolą układu uplastyczniającego jest zapewnienie jednorodności składu jak

i temperatury tworzywa. Często, aby zwiększyć mieszanie modyfikuje się kształt ślimaka

dodając specjalne strefy mieszające. [5]

Podstawowym elementem konstrukcyjnym jest ślimak. Charakteryzują go różne

parametry, z czego najważniejsze to: stosunek długości ślimaka do jego średnicy i stopień

sprężenia.

Uplastyczniony strumień pod wysokim ciśnieniem przechodząc przez głowicę

zostaje ukształtowany do wymaganej postaci (profilu). Opór hydrauliczny na głowicy jest

spowodowany dużą lepkością polimerów, redukcją pola przekroju i często skomplikowaną

budową kanałów, przez które przechodzi tworzywo. Jednak poziom ten może być różny.

Dla profili nieskomplikowanych np. gruby pręt czy też grubościenna rura nie będzie

on wysoki, ale dla siedmiokomorowego profilu okiennego już tak.

Dobór odpowiednich warunków wytłaczania takich jak: temperatura, prędkość

obrotowa ślimaka, jest bardzo ważny, ponieważ wpływają one w znacznym stopniu

na właściwości otrzymanej wytłoczki. Temperatura przetwórstwa zależy przede wszystkim

od temperatury uplastycznienia tworzywa i rozkładu, oraz zmiany lepkości tworzywa

pod wpływem temperatury. Prędkość obrotowa wpływa na wielkość sił ścinających

i intensywność mieszania. Warunki te oraz konstrukcję ślimaka dobiera się indywidualnie

dla każdego typu tworzywa.

Można wyróżnić wiele rodzajów wytłaczarek, jednak najczęściej spotyka się

podział na jedno- i wieloślimakowe. Spośród wieloślimakowych główną rolę odgrywają

11

wytłaczarki dwuślimakowe. Z nich z kolei można wyróżnić działające współbieżnie jak

i przeciwbieżnie. Układy ślimaków mogą między sobą różnić się również stopniem

zazębienia. W przemyśle jednak największą role odgrywają wytłaczarki o zwojach

zazębiających się nieszczelnie. Ma to na celu lepszą homogenizację materiału w układzie

uplastyczniającym wytłaczarki.

Tabela 1. Podział wytłaczarek dwuślimakowych. [6]

Typ pracy Współbieżny Przeciwbieżny

Zazębiające się

szczelnie

O zwojach

zazębiających się

nieszczelnie

Niezazębiające się

Różnice w poszczególnych rodzajach układów uplastyczniających najlepiej

przedstawia Tabela 2.

Tabela 2. Wybrane charakterystyki układów uplastyczniających

wytłaczarek. [6]

12

2.2. Linia produkcyjna do wytłaczania profili

W skład linii produkcyjnej do procesu wytłaczania prócz samej wytłaczarki

wchodzi wiele innych elementów. Przykładową linię produkcyjną przedstawia poniższy

Rysunek 2.

Rysunek 2. Linia do wytłaczania profili [5] (1 - wytłaczarka; 2 - głowica; 3 - stół

pozycjonujący; 4 - kalibrator próżniowy; 5 - przyłącza wody i próżni; 6 - wanna chłodząca; 7 - odciąg; 8 -

drukarka; 9 - piła tnąca; 10- układarka)

Głowica jest to element umieszczony na końcu wytłaczarki. Jego rolą jest nadanie

przetwarzanemu materiałowi żądanego kształtu. Przetłaczanie uplastycznionego materiału

przez kanały dyszy powoduje wstępne ukształtowanie strumienia. Uplastycznione

tworzywo następnie przechodzi do kalibratora, którego zadaniem jest schłodzenie,

skorygowanie i utrwalenie kształtu profilu. Ma on duży wpływ na końcowe wymiary

kształtki. Stół pozycjonujący pozwala na dokładnie ustawienie kalibratora względem

głowicy wytłaczarki.

Kalibrowanie odbywa się przez specjalne szczeliny doprowadzające podciśnienie,

jeszcze płynące tworzywo zostaje przyciągnięte do powierzchni kalibrującej. W wyniku

dotknięcia stale chłodzonej ścianki kalibratora, od tworzywa zostaje odprowadzone ciepło,

co skutkuje zestaleniem tworzywa. Odpowiedzialny za to jest system kanałów wodnych

przechodzących przez głowicę tuż przy powierzchni. Ze względu na skurcz polimerów,

kalibratory mają większy przekrój poprzeczny niż otrzymana wytłoczka. Powierzchnia

ta musi być dokładnie wypolerowana w kierunku ruchu profilu, w celu zredukowania

oporów, mogących deformować powierzchnię. [7]

W kalibratorze obecne są duże siły tarcia, wobec czego tworzywo chłodzi się

tylko powierzchniowo, a następnie podawane jest do wanny chłodzącej. Jej celem jest

całkowite odprowadzenie ciepła z wnętrza profilu. Korzystając z tego rozwiązania mamy

również możliwość odsuwania i dosuwania kalibratora, co jest konieczne przy jego

użytkowaniu.

13

W przypadku polimerów podatnych na degradację hydrolityczną, unika

się chłodzenia wodą, a stosuje chłodzenie powietrzem. Jest ono wydajne tylko

w przypadku dużego natężenia przepływu. [8]

Wytłoczka po wyjściu z głowicy jest stale pobierana przez odciąg znajdujący się

za kalibratorem i wanną chłodzącą. Następnie przechodzi przez drukarkę, nanoszącą

na produkt jego nazwę, numer partii i inne dane pozwalające na identyfikację wyrobu.

Za drukarką znajduje się piła tnąca zintegrowana z układarką. Piła tnie wytłaczany profil

na odcinki o zadanej długości, po czym zostają one układane w wyznaczonym do tego celu

miejscu.

2.3. Odciągi

Odciąg jest to urządzenie odbierające. Pobiera ono w sposób płynny i ze stałą

prędkością wytłoczkę. Kontroluje on pobieranie i naprężenie materiału wychodzącego

z wytłaczarki. Końcowe wymiary produktu są kontrolowane przez wydajność wytłaczarki

oraz szybkość odciągania. Przy stałych wymiarach głowicy oraz biorąc pod uwagę stałą

wydajność wytłaczarki istnieje tylko jedna prędkość odciągania, dla której można

otrzymać konkretne wymiary wytłoczyny. W wyniku tego prędkość pracy odciągu musi

być dopasowana do wydajności wytłaczarki. Jeśli nastąpią jakiekolwiek zmiany czy też

wahania prędkości pracy wytłaczarki lub odciągu, wymiary końcowego produktu

oczywiście również ulegną zmianie. [9]

Poślizg tworzywa w odciągu może spowodować pogrubienie wytłoczki w części,

która aktualnie zostaje wytłoczona z dyszy wytłaczarki jednak nie została jeszcze

schłodzona. Nacisk wywierany na profil musi być na tyle duży, aby zapobiec poślizgowi

profilu, lecz niski na tyle, aby zapobiec częściowej deformacji czy też powstawaniu

znaków na powierzchni tworzywa. Bardzo wysokie nacisk może zniszczyć końcowy

produkt, czyniąc go bezużytecznym. W związku z tym odciągi projektuje się, aby można

było kontrolować siłę nacisku na tworzywo. [10]

Odciąg może znajdować się daleko od wytłaczarki, jednak musi być on dokładnie

względem niej ustawiony, aby zapobiec ciągnięciu profilu poza oś. Powodowałoby

to orientację molekularną, która z kolei może wypaczać produkt.

Metodą wytłaczania jak już wcześniej było opisywane, można otrzymać wiele

różnych produktów. Mogą się one różnić między sobą wielkością, kształtem, twardością

jak i przyczepnością. Konstrukcja odciągu musi być dopasowana do produktu.

14

Wśród urządzeń odciągających można wyróżnić trzy główne typy:

Pasowy

Używany przy produkcji profili cienkich lub o płaskich powierzchniach.

Transport odbywa się między dwoma gumowymi pasami dociskającymi profil po

jego przeciwległych stronach. Każdy pas posiada oddzielny napęd, lecz sterowanie

ich prędkością jest wspólne, w celu uzyskania identycznej prędkości. Siła docisku

jest tutaj regulowana i wynika z działania na pasy siłowników pneumatycznych

lub mechanicznych.

Gąsienicowy

Stosowany przy profilach o przekroju okrągłym, głównie rury [11].

Gąsienice mogą być dwie lub więcej, w zależności od potrzeb. Umieszczane są one

parami jedna nad drugą i wzajemnie do siebie dociskane za pomocą pneumatycznie

sterowanych wózków dociskowych [12]. Gąsienice poruszają się pomiędzy dwoma

kołami nawrotowymi. Przy czym jedno jest napędzane, a drugie bierne umożliwia

napinanie gąsienicy dzięki zastosowaniu siłownika pneumatycznego. Zasada

działania jest podobna jak w odciągach pasowych.

Rolkowy

Używany głównie przy produkcji taśm, prętów, linek [13], przewodów

i grubych włókien. Ich głównym elementem są rolki. Tworzywo może przechodzić

między parami rolek [14], lub je oplatać, co znacznie zwiększa powierzchnię styku.

Rolki napędzane przez silnik elektryczny mogą poruszać się z różną prędkością.

Wykorzystuje się ten fakt podczas orientowania włókien [15].

W urządzeniach odciągających najważniejszym elementem jest część będąca

w bezpośrednim kontakcie się z odciąganą wytłoczką. Na powierzchni styku z profilem

posiadają elastyczną, o dużej adhezji, ale za to bardzo odporną na ścieranie warstwę,

najczęściej rolę tę pełnią elastomery np. guma. Przy odciągach pasowych stosuje się

gumowe pasy, gąsienicowych gumowe klocki, a przy rolkowych rolki pokrywa się

gumową powłoką.

2.4. Podstawy konstrukcji maszyn.

Każda maszyna, składa się z pewnych części składowych, nazywanych częściami

maszyn. Niektóre z nich są bryłami jednolitymi, stworzonymi z danego niepodzielnego

materiału (np. śruba). Inne natomiast stanowią zespół elementów tworzących razem całość,

15

spełniających określoną funkcję (np. sprzęgło). Można wyróżnić trzy najważniejsze

rodzaje części maszyn. [16]

a) Połączenia części maszyn

b) Łożyskowania wałów i osi

c) Przekładnie do przenoszenia ruchu obrotowego

Połączenia części maszyn dzielimy na nierozłączne, których elementów

składowych nie można oddzielić bez uszkodzenia elementu, oraz rozłączne, które można

łączyć i rozłączać dowolną ilość razy.

Najbardziej popularnym połączeniem rozłącznym jest połączenia śrubowe.

Łącznikami w tym przypadku są śruby, nakrętki i wkręty. Do typowych połączeń

gwintowych należą: a) połączenia z użyciem śruby i nakrętki; b) za pomocą śruby

dwustronnej i nakrętki c) za pomocą wkrętu. Połączenia te przedstawia Rysunek 3

Rysunek 3. Typowe połączenia gwintowe. [16]

Aby uzyskać takie połączenie trzeba wykonać szereg następujących operacji

technologicznych [17]:

Trasowanie otworów – wyznaczenie miejsca położenia śrub,

na powierzchni elementów łączących

Wiercenie otworów,

Nagwintowanie otworu.

Wkręcenie lub umieszczenie śrub w otworach łączonych elementów śrub

oraz dokręcenie ich nakrętek

Drugim bardzo popularnym typem połączeń rozłącznych są połączenia wpustowe.

Służą one do łączenia wałów z piastami osadzanymi na nich części np. kół zębatych.

Elementem łączącym w tym przypadku jest wpust. Kształty i wymiary wpustów

są znormalizowane [18]. Ich wadą jest możliwość przesuwania się elementów po wale.

Przykładowe połączenie wpustowe przedstawia Rysunek 4.

16

\

Rysunek 4. Połączenie wpustowe czopów i wałów i sprzęgła. [32]

17

3.ZAŁOŻENIA KONSTRUKCYJNE I

MATERIAŁY

Konstruowany odciąg ma za zadanie współpracować z miniwytłaczarką

laboratoryjną MiniLab II firmy Thermo Haake.

3.1. Charakterystyka wytłaczarki MiniLab II

Wytłaczarka dwuślimakowa MiniLab II produkowana przez firmę Haake posiada

silnik 400W i pozwala na pracę w zakresie od 1 do 360 obr/min. Zaopatrzona jest w dwa

zestawy ślimaków do pracy współbieżnej jak i przeciwbieżnej. Procesy można prowadzić

w temperaturze do 350°C. Może być sterowana ręczne poprzez panel lub też poprzez

podłączony do niej komputer z zainstalowanym oprogramowaniem (Polylab System).

Wytłaczarka posiada kanał powrotny, którego obecność pozwala na badanie reologii

próbki. Małe wymiary urządzenia pozwalają pracować z bardzo małymi ilościami

surowców w granicach od 5.5 do 7g. W celu uzyskania wytłoczki można użyć dostępnych

dysz o średnicach 0.5, 1, 1.5 oraz 2 mm. [19]

3.2. Program do projektowania ZWCAD 2011

Projekt wykonano w programie ZWCAD 2011, wersja 2010.11.25, producent

ZWCAD SOFTWARE CO., LTD. Korzystając z 30-dniowej wersji próbnej pobranej

ze strony producenta.

18

3.3. Materiały

Do wykonania odciągu korzystano z wielu gotowych elementów

konstrukcyjnych.

3.3.1. Koła zębate

Wykorzystano:

5 kół zębatych o d=40mm

4 koła o d = 15mm

O wymiarach przedstawionych w Tabela 3

Rysunek 5. Koła zębate walcowe z piastą [20]

Tabela 3. Charakterystyka kół zębatych1

Kod Ilość zębów da [mm] d [mm] dN1 [mm] d1 [mm]

T 16840 15 17 15 12 6

T 16855 40 42 40 25 10

1zęby proste; kąt przyboru 20°; Moduł 1; B=15mm; h=25mm; Stal C 43

Koła zębate zakupiono w firmie:

Komerc Sp. z o.o., ul. Okrzei 8, 59-225 Chojnów

3.3.2. Łożyska:

Łożyska kulkowe jednorzędowe

16 łożysk 6800 ZZ

10 łożysk 696 ZZ

Tabela 4. Wymiary łożysk

Oznaczenie Wymiary

d D B

6800 ZZ 10 19 5

696 ZZ 6 15 5

Rysunek 6. Łożysko

19

Łożyska przyklejano wykorzystując anaerobowy klej do łożysk firmy Meccanocar.

Łożyska zakupiono w:

Prema S.A., ul. Jaktorowska 3/5, 01-202 Warszawa

3.3.3. Blacha na obudowę

Elementy obudowy wykonano z blachy aluminiowej o grubości 5mm

3.3.4. Pręty na wałki

Wałki wykonano z następujących prętów ze stali kwasoodpornej:

Średnica 10 mm

Średnica 6 mm

3.3.5. Tuleje:

Tuleje wykonano węża silikonowego typu Tygon o wymiarach

Większe:

Średnica zewnętrzna: 28 mm

Średnica wewnętrzna: 12,8 mm

Mniejsze:

Średnica zewnętrzna: 12 mm

Średnica wewnętrzna: 8 mm

Natomiast do wykonania tulei dystansowych docisku użyto węża gumowego

o średnicach:

Średnica zewnętrzna: 9 mm

Średnica wewnętrzna: 5 mm

3.3.6. Dociski:

3 mechanizmy dociskające zbudowane z elementów:

Płaskownik o szerokości 30 mm i grubości 2 mm

Śruby:

o 6 szt. M2 x 8

o M4 x 5 z łbem walcowym z gniazdem sześciokątnym

o M6 x 35 z łbem sześciokątnym

Nakrętki sześciokątne:

20

o 7 nakrętek M2

o Nakrętka M6

Pręty:

o Aluminiowy o średnicy 6 mm

o Aluminiowy o średnicy 5 mm

o Ze stali kwasoodpornej o średnicy 3 mm

Dwuskładnikowy klej epoksydowy DISTAL Rapid

Sprężyna naciągająca

Sprężyna dociskająca

3.3.7. Podstawa:

Sklejka grubości 10 mm o wymiarach 400 x 160 mm

2 x sklejka grubości 4 mm o wymiarach 120 x160 mm

Drewno wkręty 8 sztuk

Ceownik aluminiowy o wymiarach:

A-15, B-25, S-2

Rysunek 7. Ceownik

3.3.8. Silnik

Trójfazowy silnik indukcyjny ogólnego przeznaczenia Sg 71 – A na łapach IM B3

firmy Zeltech.

Dane znamionowe:

Moc 0,18 kW

Prędkość obrotowa: 900 obr/min

Rodzaj pracy: S1

Napięcie znamionowe: 380V, 400V, 690V

Częstotliwość zasilania: 50 Hz

Temperatura otoczenia: od -15°C do + 40 C

Wysokość zainstalowania: do 1000 m n.p.m.

21

Liczba wolnych końców wału: 1

Klasa izolacji: F

Wymiary montażowe:

Rysunek 8. Wymiary montażowe silnika

Silnik zakupiono w firmie:

Mechanika Maszyn Andrzej Kacperek, 01-141 Warszawa, ul. Wolska 82a

3.3.9. Falownik

Falownik iE5 0,2 kW zasilanie jednofazowe 230V, maksymalna moc

silnika 0,2 kW.

Znamionowe zakresy mocy: 0,2kW

Zasilanie 1-fazowe

Obudowa: IP20

Bardzo małe gabaryty

Metoda sterowania: U/f

Częstotliwość max do 200Hz

Wbudowany regulator PID

22

Moment 150% przy 0.5 Hz

Autorestart po ustąpieniu awarii

5 prędkości krokowych

Omijanie częstotliwości

5 wejść wielofunkcyjnych

Wielofunkcyjne wyjście przekaźnikowe

Wyjście analogowe (0 - 10V)

Funkcja szukania prędkości

Sterowanie 3-przewodowe

Częstotliwość nośna od 1 do 10 kHz

Forsowanie momentu ręczne i automatyczne

Falownik zakupiono w firmie:

Mechanika Maszyn Andrzej Kacperek, 01-141 Warszawa, ul. Wolska 82a

3.3.10. Wyłącznik nadprądowy

Wyłącznik nadprądowy 3-bieg CLS6-B6/3 6A serii xClear firmy Moelle

Zakupiono w firmie:

Hurtownia Elektryczna Grodno S.A., ul. Wilcza 51, 00-001 Warszawa

3.3.11. Sprzęgło

W celu połączenia wału silnika z wałem wychodzącym z segmentu II,

wykorzystano sprzęgło kłowe ROTEX®

BS 14 firmy KTR

Rysunek 9. Sprzęgło kłowe ROTEX® BS 14

Sprzęgło zakupiono w firmie:

Mechanika Maszyn Andrzej Kacperek, 01-141 Warszawa, ul. Wolska 82a

23

3.3.12. Elementy mocujące

W celu łączenia i mocowania elementów użyto następujących części:

- 80 śrub M3x10 z łbem stożkowym [21]

-2 śruby z łbem sześciokątnym M4x15 wraz z nakrętkami i podkładkami

-4 śruby z łbem sześciokątnym M6x25 wraz z nakrętkami i podkładkami [22]

- 4 śruby z łbem sześciokątnym M6x35 wraz z nakrętkami i podkładkami

3.4. Materiały użyte do badań

Polilaktyd (PLA, NatureWorks, Mn=147 000) - stosowany bez suszenia

Polipropylen (PP, Basell Orlen Polyolefins) - stosowano bez oczyszczania

Poli(adypinian butylenu) (PBA, Mn,NMR ~ 9100) - otrzymano w procesie polikondensacji

przez Rafała Kasaka, sposób i warunki prowadzenia procesu opisane w pracy dyplomowej

mgr inż. Katarzyny Dzioby (Politechnika Warszawska, Wydział Chemiczny, 2010),

przechowywano w temp. 4°C.

24

4.WYKONANIE ODCIĄGU

4.1. Założenia projektowe

Przed wykonaniem projektu, konieczne było sformułowanie odpowiednich

założeń, charakteryzujących pracę odciągu. Pozwoliło to w sposób przejrzysty

i zrozumiały stawiać wymagania poszczególnym elementom urządzenia. Poniżej zebrałem

wszystkie rozważane kryteria.

A) Małe rozmiary

Projektowany odciąg ma być urządzeniem laboratoryjnym, przez co musi

być odpowiednio niewielkich rozmiarów. Jego docelowym miejscem pracy jest pozycja

pod wyciągiem przed wytłaczarką. Stanowisko to jest również jest zaopatrzone w inne

urządzenia potrzebne do obsługi wytłaczarki tak jak np. panel sterujący wytłaczarką,

czy komputer. Ze względu na konieczność wychłodzenia wytłaczanego materiału, odciąg

musi znajdować się w pewnej odległości od wytłaczarki. Wobec powyższych faktów

przestrzeń, jaką może zajmować odciąg była ograniczona przestrzenią o wymiarach 50 x

20 cm.

B) Możliwość zmiany prędkości odciągania w szerokim zakresie

Praca odciągu musi być zintegrowana z prędkością wytłaczarki, która pracuje

w zakresie od 1 do 360 obr./min. Konieczne było, zatem wstępne oszacowanie wydajności

wytłaczarki. W tym celu mierzono ilość wytłoczonego tworzywa w ciągu jednej minuty

dla różnych prędkości obrotowych ślimaka. Do pomiarów zastosowano przeciwbieżny

układ ślimaków oraz średnią dyszę o średnicy 1mm. Wytłaczanym polimerem był PP,

którego gęstość waha się w granicach 0,90-0,92 g/cm3

[23]. Do obliczeń przyjęto gęstość

0,91 g/cm3. Wyniki pomiarów przedstawiono poniżej (Tabela 5).

Tabela 5. Masa wytłoczonego materiału w czasie 1 min

prędkość obrotowa ślimaka

nr pomiaru 50 150 300

1 1,95 5,01 8,11

2 2,22 5,06 6,6

3 2,08 5,37 6,8

średnia masa 2,08 5,15 7,17

Odchylenie standardowe 0,135 0,195 0,820

25

Nie udało się jednak otrzymać wytłoczki w kształcie żyłki, dlatego też nie było

możliwości zmierzenia jej długości. Długość tę oszacowano wykorzystując Równanie 1

z Zakładając, że otrzymana żyłka miałaby średnicę 1 mm. Jej przekroju wyniosło by 0,785

mm2.

Równanie 1. Wzór na objętość

Gdzie:

V - objętość [m3]

m - masa [kg]

ρ – gęstość [kg/m3]

Tabela 6. Szacowana długość żyłki wytłoczonej przez minutę

Prędkość wytłaczarki [Obr./min] 50 150 300

Średnia długość żyłki [cm] 292 720 1004

Ze względu na duże trudności przy próbie wykonania tych pomiarów, obarczone

są one dużym błędem. Im większa prędkość, tym wyniki obarczone są większym błędem,

można to zaobserwować patrząc na odchylenie standardowe (Tabela 5).

C) Wykorzystanie elementów ogólnodostępnych

Wykorzystanie standardowych (katalogowych) elementów może znacznie

przyspieszyć pracę, jak również zmniejszyć cenę otrzymanego odciągu. Elementy takie

zazwyczaj dostępne są ,,od ręki", a ich cena jest dużo niższa niż tych wykonywanych

na zamówienie.

D) Wytłoczka - żyłka (materiał polimerowy) będzie poddana

badaniom mechanicznym.

Jednym z celów pracy jest otrzymanie wytłoczki w postaci żyłki, dogodnej

do przeprowadzenia pomiarów wytrzymałościowych. Jest to ważne założenie i nakłada

wiele konsekwencji. Wytłaczanie nie jest procesem czysto mechanicznym, ale

mechaniczno-fizycznym. Sposób przetwórstwa determinuje budowę wewnętrzną

tworzywa znacznie zmieniając tym samym jego właściwości. Jedną z nich jest brak

możliwości zastosowania odciągu rolkowego jak w tradycyjnych maszynach do tworzenia

26

włókien, w których wytłoczka jest przeplatana między systemem rolek, a nawet często

nawijana. Ma to na celu zwiększenie pola powierzchni styku wytłoczki z rolkami

odciągającymi. Taki sposób jednak może dodatkowo orientować cząsteczki tworzywa.

Wobec powyższych faktów odrzucono pierwszą wersję ułożenia rolek w odciągu , którą

przedstawia Rysunek 10, a przyjęto wersję drugą - Rysunek 11

Rysunek 10. Pierwsza wersja układu rolek

Rysunek 11. Druga lepsza wersja układu rolek

Dodatkowym atutem urządzenia byłaby możliwość otrzymania wytłoczki

do badań mechanicznych z niewielkiej ilości materiału. Do badań reologicznych wsad

wytłaczarki wynosi zaledwie 7g, przy czym większość tworzywa pozostaje w wytłaczarce,

jako pozostałość w kanale powrotnym oraz częściowo na ślimakach. Możliwość

wytworzenia żyłki z ok. 2g wytłoczonego materiału pozwoliłoby na przeprowadzenie

badań wytrzymałościowych na materiałach otrzymanych bezpośrednio po próbach

starzeniowych czy też reologicznych.

E) Zautomatyzowana praca

Projektowana maszyna po uruchomieniu i ustawieniu parametrów pracy powinna

działać sama, bez potrzeby ingerencji operatora. Odciągana żyłka raz wprowadzona

między rolki powinna być stale odciągana i nie może mieć możliwości wypadnięcia.

27

F) Konieczność pracy ciągłej

Wytłaczanie jest procesem ciągłego formowania wyrobów z tworzyw sztucznych.

Jeśli wytłaczarka musi pracować w sposób ciągły taki sam warunek musi spełniać również

zintegrowany z nią odciąg.

G) Stabilność pracy

Jedną z najważniejszych cech pracy odciągu jest stabilność jego pracy. Raz

ustawione parametry muszą być niezmienne w czasie nawet podczas długiego działania.

Tworzywo powinno być odciągane ze stałą szybkością nawet, jeśli wytłoczka będzie

stawiała większy opór i maszyna będzie musiała użyć większej siły. Zmiana prędkości

odciągania, zmieni średnicę odciąganej żyłki jak również znacznie zwiększy jej orientację.

Z tego też względu muszą być wyeliminowane wszelkiego rodzaju wahania w prędkości

pracy.

H) Powtarzalność

Aby móc wykorzystać otrzymane wytłoczki przy porównywaniu różnych

tworzyw sztucznych, praca odciągu musi być powtarzalna. Tzn. konieczne jest uzyskanie

pewnych wartości na stałym poziomie, niezależniekiedy będziemy prowadzić badania.

Musi być możliwość odtworzenia tych samych warunków tworzenia żyłki przy

zastosowaniu innych tworzyw. Otrzymane żyłki będą poddawane badaniom

na wytrzymałość przy rozciąganiu.

28

4.2. Projekt

Projekt stworzono w programie ZWCAD 2011. Wzorowano się na

przemysłowym odciągu rolkowym (Rysunek 12), skonstruowanym na własne potrzeby w

firmie INSTALACJE-ST, 05-300 Mińsk Mazowiecki, Stojadła ul. Mińska 55. Projekt

zmodyfikowano w wielu aspektach, w celu jego miniaturyzacji, oraz przystosowania do

pracy w laboratorium. Ideą maszyny było odciąganie przez system rolek, pokrytych gumą.

Rysunek 12 Przemysłowy odciąg rolkowy

Zaprojektowane przeze mnie urządzenie składa się z dwóch głównych elementów

napędowego i odciągającego. Zostały one osadzone na podstawie i połączone za pomocą

sprzęgła. Schemat budowy przedstawia Rysunek 13. W skład części napędowej wchodzi

silnik, jego układ sterowania i bezpiecznik. Dochodzi do niego zasilanie z sieci oraz

operator sterujący pracą odciągu. Część odciągająca z kolei została stworzona z dwóch

segmentów. Jeden odpowiada za redukcję prędkości obrotowej silnika i przekazanie jej

dalej. Kolejny segment z kolei odpowiada za odciąganie żyłki przez system rolek. System

ten skonstruowany jest z trzech par rolek, z których dolne napędzane są przez silnik,

29

natomiast górne zamocowane na łożyskach dociskają wytłoczkę, umożliwiając tym samym

jej odciąganie.

Dzięki takiemu rozwiązaniu, dostarczane tworzywo może zostać wytłoczone,

następnie po schłodzeniu odciągane, dając jako efekt końcowy żyłkę.

Rysunek 13. Schemat budowy odciągu

Należy również zwrócić uwagę na związek przyczynowo skutkowy pomiędzy

operatorem, a odciąganiem żyłki. Jest to konieczne, aby operator miał ciągły wpływ

na pracę maszyny jednak jego zaangażowanie konieczne do pracy maszyny było znikome.

Element odciągający, pomimo swej prostoty działania, posiada wiele elementów

współpracujących ze sobą. W związku z tym trzeba było wykonać dokładny projekt.

Ważne jest to przede wszystkim ze względu na zastosowaną przekładnie zębatą. Koła

zębate wchodzące w jej skład muszą być dokładnie umieszczone względem siebie, aby

umożliwić ich styk, jak również zapewnić wystarczającą ilość miejsca do swobodnego

obrotu. Koła te zostały zamocowane na wałkach, te z kolei na łożyskach wstawionych w

obudowę.

Zaprojektowania wymagał również system dociskowy. Pozwala on regulować

wysokość rolek górnych, jak również dzięki obecności sprężyn regulować jego siłę

nacisku. Rolki te muszą też współpracować on z rolkami napędzanymi przez silnik.

Odciąg

Napęd

Sprzęgło

Element odciągający

Podstawa

Silnik

Bezpiecznik

Układ sterujący silnikiem

Segment IIReduktor

Segment IRolkowy

Wytłaczarka

żyłkaZasilenie z sieci

Odciąganie

Operator

Układ chłodzący

Tworzywo sztuczne

30

Sprężyny muszą być odpowiednio naciągnięte, jak również nie mogą przeszkadzać

w pracy innych elementów.

Ograniczone również były gabaryty, projektowanej maszyny. Konieczne było

zatem ustalanie położenia poszczególnych elementów, tak aby w jak najbardziej

ekonomicznym stopniu wykorzystać przestrzeń dostępną w obudowie.

Po zebraniu wszystkich informacji dotyczących części, których dobór będzie

wyjaśniony w poszczególnych działach. Zaprojektowano urządzenie, którego ogólny

wygląd przedstawiają poniższe rysunki:

Rysunek 14. Projekt odciąg: a) w obudowie; b) bez obudowy I segmentu;

c) bez obudowy, rzut z przodu; d) bez obudowy, rzut z tyłu

a) b)

c) d)

31

4.3. Wykonanie części odciągu

4.3.1. Obudowa

Obudowę wykonano z blachy aluminiowej o grubości 5 mm. Blachę tę pocięto

na odpowiednie odcinki, a następnie wyrównano brzegi za pomocą frezarki.

Wykonano płyty aluminiowe grubości 5 mm, po dwie sztuki o wymiarach:

Segment 1

40 x 100 mm

100 x 150 mm

50 x 150 mm

Segment 2

60 x 100 mm

60 x 110 mm

110 x 110 mm

W celu wykonania połączeń śrubowych wykonano następujące operacje.

Odpowiadające sobie kawałki blachy ustawiano w imadle parami, prostopadle do siebie.

Następnie wiercono zaprojektowane wcześniej otwory na łączące je śrubki M3x10.

Zgodny z normami [24] [25] [26]projekt przedstawia Rysunek 15.

Rysunek 15. Gwintowe połączenie obudowy

32

Otwory te wiercono początkowo wiertłem o Φ2,5 mm [27] na głębokość 15mm

następnie wiertłem Φ3mm na głębokość 5 mm. Użyto do tego kolumnowej wiertarki

stołowej. Otwory te nagwintowano, używając zestawu do gwintowania. Zestaw taki składa

się z trzech gwintowników - gwintownika wstępnego, zdzieraka i gwintownika

wykańczającego.

W blachach bocznych segmentu 1, w których mają być umieszczone łożyska

wywiercono otwory o Φ1mm używając do tego celu wiertarki koordynacyjnej. Miejsce

otworów i ich średnice przedstawia Tabela 7, Tabela 8 oraz Rysunek 16. Konieczne tutaj

było pozycjonowanie elementów obudowy. W tym celu za pomocą wysokościomierza,

zakreślono połowę wysokości w dwóch płaszczyznach płaskich. Line te wykorzystano

jako linie bazowe.

Tabela 7. Otwory wykonane w części bocznej obudowy segmentu 1

Otwór 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

X 30 75 120 52,5 97,5 34,83 30 34,83 79,83 75

Y 39,24 39,24 39,24 23,5 23,5 79,9 68,24 56,57 79,9 68,24

Φ 19 19 19 15 15 6 6 6 6 6

Otwór 11 12 13 14 15 16 17

X 79,83 124,83 120 124,83 46,5 91,5 136,5

Y 56,57 79,9 68,24 56,57 68,24 68,24 68,24

Φ 6 6 6 6 5 5 5

Rysunek 16. Część boczna obudowy segmentu 1. X

Y

33

Tabela 8. Otwory wykonane w części bocznej obudowy segmentu 1

Otwór A B

Liczba 10 10

Wymiar Φ 3,2 M 3 x 10

Ponieważ wiertarka ta jest przeznaczona tylko do wierteł o małej średnicy, otwory

poszerzono korzystając z wspomnianej wcześniej kolumnowej wiertarki stołowej.

Po ustawieniu blachy w imadle, i wypozycjonowaniu jej używając wiertła Φ1mm,

wiercono otwory wiertłami o różnej średnicy. Dla otworu o średnicy 15 mm, użyto kolejno

wierteł o Φ 4, 8, 12, 14.5 mm, a następnie rozwiertaka o Φ15mm. Dla otworu o średnicy

19 mm, użyto kolejno wierteł o Φ: 4, 8, 12, 15, 18.5, a następnie rozwiertaka o Φ19mm.

Poszerzenie otworów rozwiertakiem było konieczne z tego względu, że wiertła Φ15mm

rozbijają otwór do średnicy ok. 15,43 mm.

Analogiczną procedurę przeprowadzono dla elementów bocznych obudowy

segmentu 2. Wykonany projekt, oraz pozycję otworów przedstawia Rysunek 17 i Tabela 9.

W blasze górnej segmentu pierwszego wykonano 3 otwory o średnicy 5 mm,

a następnie je nagwintowano, element ten przedstawia Rysunek 18. Dzięki tej operacji

będzie później możliwość zamocowania śrub regulujących docisk.

Tabela 9 Otwory wykonane w części bocznej obudowy segmentu 2

Otwór 1 2 3

X 52,5 78,6 88

Y 28,5 37,16 63

Φ 19 19 i 15 15

Rysunek 17. Część boczna obudowy segmentu 2

X

Y

34

Rysunek 18. Część górna obudowy segmentu 1

4.3.2. Rolki

Dobór odpowiednich rolek ze względu na bardzo duże wymagana był trudny.

Rolki te muszą przede wszystkim charakteryzować się umiarkowaną adhezją i dużym

współczynnikiem tarcia w stosunku do odciąganego materiału. Nie mogą posiadać

bieżnika, który mógłby deformować powierzchnię wytłoczki. Muszą być wytrzymałe i

odporne, aby nie trzeba było po ich często wymieniać. Powinny być niewielkich

rozmiarów, dzięki czemu nie będą zwiększały gabarytów maszyny. Ich wielkość wpływa

na stopień redukcji obrotów silnika: im mniejszy, tym mniej skomplikowana budowa

reduktora.

W zaprojektowanym urządzeniu wyróżniamy dwa typy rolek: napędzane i bierne.

Napędzane nałożone są na wałek bezpośrednio połączony z przekładnią zębatą, bierne

natomiast na łożyska będące elementem docisku. W związku z tym potrzebujemy

nie jednego, lecz dwóch typów rolek, różniących się między sobą średnicą wewnętrzną.

Odpowiedniego produktu szukałem przez długi czas wśród wszelkiego rodzaju

gotowych rolek i kółek dostępnych na rynku. Niestety nie udało się znaleźć materiałów

spełniających wszystkie wymagania. Najprostsze rozwiązanie okazało się najlepszym.

Wykonałem tuleje z węża silikonowego o Φ30, tnąc go na odcinki 30 mm. Średnica

wewnętrzna okazała się na tyle duża, że zmieściły się w niej małe łożyska. Aby założyć

je bezpośrednio na wałki, użyto dodatkowo tuleje wykonane z węża o mniejszej średnicy.

Otrzymane rolki przedstawia Rysunek 19. .

35

4.3.3. Tuleje gumowe

Tuleje wykonane z pociętego węża silikonowego typu Tygon o wymiarach:

Większe:

Średnica zewnętrzna: 28 mm

Średnica wewnętrzna: 12,8 mm

Długość: 30 mm

Mniejsze:

Średnica zewnętrzna: 12 mm

Średnica wewnętrzna: 8 mm

Długość: 34 mm

Wąż cięto z użyciem noża z łamanym ostrzem.

CIĘCIE

CIĘCIE

Rysunek 19. Schemat tworzenia wałków.

36

4.3.4. Przekładnia zębata

Przełożenie przekładni oszacowano na podstawie przedstawionych wcześniej

testów wydajności (rozdziale 4.1). Wykorzystując Równanie 2 można obliczyć, jaką

długość żyłki odciągają rolki podczas jednego obrotu.

Równanie 2. Obwód koła

Gdzie: l - obwód koła, d - średnica koła (tutaj d=3,1 mm)

Znamionowa prędkość obrotowa silnika dla 50 Hz wynosi 900 obr./min. Jednak

przy użyciu falownika możemy zmieniać częstotliwość, a co za tym idzie i prędkość pracy

silnika. Zakres bezpiecznej pracy dla tego falownika oraz silnika wynosi 0-60 Hz, co jest

jednoznaczne z możliwością pracy silnika w zakresie 0-1080 obr./min.

Przedstawiona poniżej Tabela 10 przedstawia zestawienie długości wytłaczanej

żyłki (dla założonego 1mm średnicy) oraz prędkość obrotową, jaką powinny mieć rolki dla

danych prędkości pracy wytłaczarki. Z doświadczenia podczas pracy przy wytłaczarce

wynika, że im niższa prędkość pracy wytłaczarki tym łatwiej uzyskać jednostajne

podawanie tworzywa polimerowego. Warunek ten jest konieczny do osiągnięcia stałej

wydajności wytłaczania, a co za tym idzie stałej średnicy wytłoczki.

Przy doborze kół zębatych należy również wziąć pod uwagę średnicę dostępnych

handlowo prętów, oraz łożysk, aby uniknąć tym samym dodatkowych prac tokarskich.

Ważne jest również, aby przełożenie było jak najprostsze, ułatwiając tym samym

konstrukcję i obniżając cenę materiałów.

Tabela 10. Teoretyczne wymagania pracy wytłaczarki.

V wytł. 0 50 150 300

H [cm/min] 0 292 720 1004

V odc. [ obr/min] 0 30 74 103 V wytł. - prędkość obrotowa ślimaka wytłaczarki; H - długość żyłki wytłaczanej w ciągu 1

minuty; V odc. prędkość obrotowa rolek odciągu.

Przedstawiony poniżej Rysunek 20 i Rysunek 21 przedstawia schemat przekładni

zębatej. Przekładnia ta zbudowana jest z 5 większych kół zębatych d = 40 mm i 4

mniejszych o d = 15 mm, osadzonych na wałkach. Wałki z kolei, zostały wbite na łożyska

kulkowe umożliwiając im swobodny obrót wokół własnej osi, oraz stanowiły mocowanie

w obudowie.

37

Skonstruowana zgodnie ze schematem przedstawionym na Rysunek 20

i Rysunek 21.

Przełożenie pojedyncze przekładni:

Przełożenie całkowite przekładni:

4.3.5. Wałki i łożyska

W celu przenoszenia napędu konieczne było wykorzystanie wałków. Zostały one

osadzone na łożyskach w obudowie[28], a na nich z kolei nałożono koła zębate, łożysko

oraz rolki. Wykorzystano do tego celu przedstawione poniżej wałki:

3 wałki Φ 10 mm dł. 110 mm – osadzono na nich po jednej rolce oraz kole

zębatym o d=40

Wałek Φ 6 mm dł. 50 mm – osadzono na nim koło zębate d=15, pełni on

rolę przekaźnika momentu obrotowego.

Wałek między segmentami Rysunek 22 (A) – osadzono na nim w

zwężonej części koło zębate d=15, oraz w części szerszej koło d=40.

Dzięki niemu możliwe jest przeniesienie momentu obrotowego między

segmentami, oraz redukcja obrotów na wyjściu.

Wałek redukujący Rysunek 22 (B) – nałożone na nim są koła zębate o

d=15 i 40. Redukowana jest na nim prędkość obrotowa

Rysunek 20. Przekładnia zębata rzutnia 3D

Rysunek 21. Schemat przekładni zębatej

38

(A)

(B)

Wałek do sprzęgła ᴓ 6 dł.100 mm – nałożone na nim jest koło zębate o

d=15. Wychodzi on poza obudowę segmentu II, na końcu zamocowane

jest sprzęgło

Rysunek 22. Wymiary wałków

Koła zębate przymocowane zostały do wałków za pomocą śrub dociskowych.

Aby to umożliwić konieczne było wykonanie w nich odwiertów, a następnie

nagwintowanie. W wałkach wykonano zagłębienia stożkowe. Połączenie to przedstawiona

Rysunek 23. Łożyska natomiast zostały wklejone klejem do łożysk.

Rysunek 23. Mocowanie koła zębatego

39

Elementem łączącym między silnikiem, wałkiem wychodzącym poza obudowę

jest sprzęgło kłowe elastyczne z wkładką. Sprzęgło to zbudowane jest z dwóch osłoniętych

piast kłowych oraz elastycznej wkładki umieszczonej między nimi. Wkładka ta wykonana

jest z poliuretanu, który charakteryzuje się: dobra udarność, wyjątkowa odporność

na ścieranie, oraz zdolność do tłumienia drgań.[29]

Takie rozwiązanie zapewnia optymalną pracę układu nawet w przypadku

niedokładnego wyosiowania wałów silnika i urządzenia. Dzięki wkładce stanowi

jednocześnie elastyczne i trwałe ogniwo łączące, zdolne do tłumienia drgań generowanych

przez silnik.

W celu zamontowania sprzęgła na wałkach konieczne było wykonanie otworów

w piastach sprzęgła. Do wału silnika przymocowane zostało za pomocą połączenia

wpustowego. Z powodu braku możliwości wykonania wcięcia wpustowego w warsztacie,

czynność tą zleciłem sprzedawcy sprzęgła. Aby zapobiec przesuwaniu się elementów

po wale, na wał silnika nałożono silikonowy stoper. Do wału wychodzącego

z konstruowanego odciągu, przymocowane zostało analogicznie jak w przypadku kół

zębatych, za pomocą śrub dociskających. Jednakże w tym wypadku ze względu na duże

prędkości obrotowe, użyto do tego celu trzech śrub znajdujących się w jednakowych

od siebie odległościach.

Konstrukcja i sposób mocowania sprzęgła zapewnia łatwy montaż i demontaż,

a także bardzo szybką wymianę wkładki poprzez osiowe rozsunięcie piast bez

konieczności zmiany pozycji silnika czy części maszyny.

4.3.6. Docisk

Mechanizm docisku ma za zadanie podnosić i opuszczać rolki górne. Ruch

ten wykonywany jest pod wpływem wkręcania lub wykręcania śrub umocowanych

w górnej części obudowy. Jego działanie przedstawia Rysunek 24 i Rysunek 25.Ponieważ

mechanizm ten bazuje na sprężynach, pełnią one rolę amortyzatora i pozwalają na płynną

regulację siły docisku. Górne rolki osadzone są na łożyskach nałożonych na wałek

docisku, a dolne osadzone są bezpośrednio na wałkach napędzanych silnikiem. Odległość

między rolkami jest również ważna, jeśli wytłoczka będzie miała większą grubość, wtedy

też powinna być ona większa.

Duża siła docisku zapobiega wystąpieniu poślizgu tworzywa na rolkach. Zbyt

duża siła jednak może powodować deformację próbki na powierzchni, tworząc fakturę.

Konieczne zatem staje się odpowiednie dobranie siły dociskania.

40

Wytłaczarka

Możliwośd ruchuGóra-dół

Śruby wykręcone

Rolki podniesione

Rysunek 24. Docisk w pozycji górnej

Śruby wkręcone

Rolki opuszczone

Wytłaczarka

Rysunek 25. Docisk w pozycji dolnej

Zasadę działania mechanizmu dociskającego oraz jego dokładny wygląd

przedstawia Rysunek 26. Część podstawową stanowi blaszka, do której przymocowane

są pozostałe elementy. Jest to element ruchomy, obracający się wokół osi, którą tworzy

wałek (3). Przymocowana do niej jest również sprężyna naciągowa (2), która z drugiej

strony jest zakotwiczona w obudowie. Wałek wychodzący poza obudowę (4), posiadający

41

możliwość swobodnego ruchu po łuku dzięki wycięciu w obudowie. Do tego wałka

przymocowane są również rolki. Nad tym wałkiem do blaszki zamocowany jest element

naciskowy.

34

5

2

1

6

7

8

9

1-sprężyna naciskowa; 2- sprężyna naciągowa; 3-wałek osiowy; 4-wałek do gumowej tulei; 5-śruba regulująca docisk; 6-nakrętka

przytrzymująca; 7-góra obudowy; 8- mocowanie do obudowy; 9- śruby i nakrętki mocujące; 10-blaszka aluminiowa

10

Oś obrotu

Rysunek 26. Schemat elementu dociskającego

W sumie wykonałem trzy mechanizmy dociskające zbudowane z elementów:

o Blaszki aluminiowej o wymiarach 26 x 30 x 5 mm z nawierconymi

sześcioma otworami o ᴓ 2 mm

o Wałek o ᴓ 5 mm i dł. 50 mm, w którym

Sfrezowano na głębokość 3 mm na dł. 30 mm

Wykonano 3 otwory o ᴓ 2

o Wałek o ᴓ 6 mm i dł. 110 mm, w którym

Sfrezowano na głębokość 2 mm na dł. 30 mm

Wykonano 3 otwory o ᴓ 2

o 6 śrub M2 x 8 z nakrętkami

o Sprężyna naciągająca wraz z zaczepem do obudowy na gwint M3

o Sprężyna dociskająca z zaczepem dostosowanym do śrub M2

42

o śruba sześciokątna M6 z przyklejoną nakrętką, służąca jako regulacja

wysokości docisku

Element naciskowy zbudowany jest z śruby M6 wkręconej w górną część

obudowy, dzięki nagwintowanemu otworowi. Na tę śrubę, we wnętrzu segmentu

przymocowana na stałe jest nakrętka. Nakrętka ta w zależności od stopnia wkręcenia

śruby, napiera na sprężynę z różną siłą. Mocowanie sprężyny do wałka (4) następuje przez

element, który przedstawia Rysunek 27. W jego skład wchodzi śruba z łbem walcowym

z wewnętrznym sześciokątem M4. W otwór sześciokątny wklejona jest nakrętka M2,

dzięki czemu można element przymocować. Do śruby przyklejona jest również sprężyna

naciskowa.

Przyklejonasprężyna

Wklejonanakrętka M2

Śruba Imbus M4

Rysunek 27. Sprężyna naciskowa

Blaszkę wycięto z płaskownika aluminiowego o szerokości 30 mm i grubości 2

mm. Projekt blaszki wraz z wałkami przedstawiono na Rysunek 28. Wykonano w niej

i w wałkach otwory A w celu połączenia za pomocą śrub wraz z nakrętkami. Dodatkowy

otwór B nawiercono w celu zaczepienia sprężyny naciągającej.

43

Rysunek 28. Projekt blaszki oraz wałków

W celu dokładnego dopasowania wałków do blaszki konieczne było

wyfrezowanie w nich wycięcia o długości równej szerokości blaszki (30mm) oraz

głębokości równej grubości blaszki (2 mm). Projekt wałków przedstawiony został poniżej

(Rysunek 29).

Rysunek 29. Projekt wałków dociskających

Sprężyny działają naprzeciw sobie, pełniąc rolę amortyzatora, jak również

pozwalają na płynną regulację siły nacisku. Sprężyna naciągowa, przymocowana jest

do obudowy za pomocą specjalnie skonstruowanych do tego celu zaczepów. Gotowe

elementy przedstawia Rysunek 30. Zostały one wykonane z pręta ze stali kwasowej,

o średnicy 3 mm. Ucięto trzy odcinki o długości ok. 8mm. Każdy z nich przeszedł

analogiczny proces. Na początku z pomocą młotka spłaszczono jeden koniec. Następnie

go zaokrąglono i w jego środku wykonano otwór o średnicy 1 mm. Z drugi zaś koniec

odcinka nagwintowano. Do gotowego elementu zamocowano sprężynę, a następnie

wkręcono w nagwintowany otwór obudowy tak, aby sprężyna stale była naprężona.

44

Na wałek tworzący oś, zamocowano tulejki dystansowe, pozycjonujące docisk

w obudowie i zapobiegające przesuwaniu. Tuleje te wykonano z gumowego węża, tnąc go

na odcinki o długości 5 mm. Część elementu dociskającego przedstawia Rysunek 31

Rysunek 31. Mechanizm dociskający

Na wystające poza obudowę wałki docisku nałożono wykonane wcześniej rolki

gumowe osadzone na łożyskach.

4.3.7. Silnik i sterowanie

Silnik i falownik połączono zgodnie z instrukcją, schemat podłączenia

przedstawia Rysunek 32. W celu podłączenia zasilania na trójżyłowy kabel założono

wtyczkę elektryczną rozbieralną boczna 2P+Z. Przewód neutralny i zewnętrzny przecięto

i podłączono z obu stron do wyłącznika nadprądowego, uziemienie natomiast

poprowadzono bokiem. Kable drugiego końca kabla przyłączono do falownika. Falownik

Rysunek 30. Elementy

kotwiczące sprężyny

naciągowe w obudowie

45

i silnik połączono kablem pięciożyłowym, pozostawiając jeden przewód niewykorzystany.

Wykorzystano kabel pięciożyłowy nie cztero, ponieważ ten drugi jest trudniej dostępny.

Rysunek 32. Schemat podłączenia silnika i falownika[30]

W instalacji elektrycznej, która znajduje się w urządzeniu konieczne jest

umieszczenie elementów zapewniających bezpieczeństwo pracy użytkownikom. Jednym

z nich są wyłączniki nadprądowe CLS6. Wyłączają one zasilanie w sytuacjach

awaryjnych, czyli w przypadku zwarcia w instalacji lub jej przeciążenia. Ich głównym

zadaniem jest ochrona całej instalacji elektrycznej i przyłączonych do niej odbiorników.

[31]

Na końcówkę kabla zasilającego nałożono wtyczkę sieciową z uziemieniem

(2P+Z), którą można podłączyć do gniazda zasilającego.

4.3.8. Podstawa

Podstawę wykonano w celu umieszczenia i unieruchomienia względem siebie

wszystkich części maszyny. Miała ona za zadanie również wyrównanie położenia wału

silnika z wałem wychodzącym z segmentu drugiego. Było to konieczne, ponieważ, przy

składaniu zamówienia sprzedawca silnika podał mi jego błędne wymiary, w konsekwencji

czego zaprojektowane urządzenie posiadało wałek 8 mm poniżej potrzebnej wysokości.

46

Początkowo podstawę w zaprojektowanym urządzeniu stanowiła sklejka

drewniana, oraz dodatkowe dwie sklejki grubości 4 mm w celu podniesienia segmentu 1

i 2 które zostały na nich osadzone. Podstawa ze sklejki niestety okazała się zbyt łatwa

do wygięcia i uginała się pod ciężarem elementów. Konieczne zatem było zamocowanie

dodatkowych ceowników w celu zwiększenia wytrzymałości podstawy. Zostały one

wycięte z ceownika aluminiowego parami o długościach 500 i 110 mm i przymocowane

za pomocą drewno wkrętów do sklejki od spodu.

W celu przymocowania silnika, części odciągającej oraz falownika do podstawy

wykonano 4 odwierty w sklejce do przymocowania silnika, 2 odwierty w sklejce

i segmencie drugim w celu jego przymocowania, oraz analogicznie jeden w segmencie

pierwszym oraz sklejce. Do przymocowania falownika wykonano dwa otwory

w ceownikach. Tak przygotowane elementy skręcono ze sobą tworząc zwartą i jednolitą

maszynę, z której wychodzi tylko kabel zasilający wraz z bezpiecznikiem.

4.3.9. Gotowy odciąg

Łącząc poszczególne elementy według mojego projektu otrzymałem urządzenie,

które przedstawia Rysunek 33. Na rysunku pokazano również wytłaczarkę MiniLabII,

z którą współpracuje wykonany przez mnie odciąg.

Rysunek 33. Odciąg przed wytłaczarką.

47

5.TESTY LABORATORYJNE

SKONSTRUOWANEGO ODCIĄGU

W celu sprawdzenia poprawności działania wykonanego odciągu i współpracy

z miniwytłaczarką laboratoryjną, wykonano szereg operacji. Dokonano również

optymalizacji pracy odciągu i wytłaczarki dla różnych tworzyw. Celem optymalizacji było

otrzymanie żyłki o stałym przekroju poprzecznym oraz powtarzalnej pracy urządzeń.

5.1. Wytłoczenie PP z odciąganiem żyłki

Pierwsze próby przeprowadzono z użyciem polipropylenu przy prędkości

wytłaczania 30 i 50 obr./min dla współbieżnego układu ślimaków, zastosowano dyszę

o średnicy 1 mm. Otrzymaną wytłoczkę ucinano co minutę, a następnie mierzono jej

długość, wagę, szerokość i grubość, dwie ostatnie wartości w trzech miejscach równio od

siebie oddalonych. Wyniki pomiarów zestawiono poniżej (Tabela 11)

Tabela 11. Wyniki wytłaczania Polipropylenu

WYTŁACZANIE PP ślimaki współbieżne

Lp. V wyt. V odc. Temp. dana l sz. 1 grub.

1 sz. 2

grub.

2 sz. 3

grub.

3 waga

1 50 30 220 śr. 282 2,36 0,54 1,72 0,51 2,02 0,52 2,552

σ 1,442 0,298 0,012 0,106 0,006 0,106 0,025 0,136

2 50 30 210 śr. 284 2,00 0,54 1,89 0,51 1,96 0,52 2,446

σ 2,892 0,180 0,026 0,309 0,026 0,188 0,020 0,317

3 50 30 200 śr. 282 1,92 0,55 1,99 0,55 1,87 0,56 2,637

σ 0,404 0,172 0,000 0,104 0,021 0,212 0,032 0,198

4 50 40 200 śr. 376 1,61 0,50 1,70 0,50 1,35 0,49 2,404

σ 1,528 0,203 0,026 0,036 0,015 0,355 0,035 0,240

5 50 20 200 śr. 189 2,46 0,67 1,85 0,73 2,19 0,69 2,237

σ 0,866 0,283 0,026 0,824 0,025 0,297 0,015 0,563

6 30 30 200 śr. 283 1,42 0,54 1,06 0,59 1,23 0,57 1,637

σ 0,577 0,076 0,032 0,065 0,017 0,115 0,059 0,103

7 30 16 200 śr. 154 2,01 0,77 2,08 0,80 2,11 0,79 1,946

σ 2,887 0,189 0,017 0,189 0,035 0,031 0,006 0,091

V odci. – Wartość zadana na falowniku [Hz], V wytł.– prędkość obrotowa wytłaczarki [Obr./min], Temp. –

temperatura wytłaczania, σ – odchylenie standardowe, l – długość wytłoczonej żyłki [cm], sz. 1,2,3 –

szerokość wytłoczki mierzona kolejno w trzech miejscach [ mm], grub. 1,2,3 – grubość wytłoczki mierzona

kolejno w trzech miejscach [ mm], d 1,2…6 - średnica żyłki mierzona kolejno w sześciu miejscach [mm],

waga – masa wytłoczki [g], śr. - średnia arytmetyczna

Ustawiono odciąg równo względem wytłaczarki. Nagrzano i skalibrowano

wytłaczarkę dla temp. 220 °C. Uruchomiono odciąg z nastawą 20 Hz oraz prędkość

48

obrotową wytłaczarki na 50 obr./min. Następnie zaczęto dodawać tworzywo za pomocą

pneumatycznego podajnika. Niestety tworzywo wychodzące z wytłaczarki było zbyt

płynne i ciężko było otrzymać ładną wytłoczkę. Tworzywo uginało się pod własnym

ciężarem i wyciągało, w konsekwencji czego wytłoczka zaczęła zaczepiać o korpus

wytłaczarki przyklejając się do niego. Zwiększenie prędkości pracy odciągu do 30 Hz na

falowniku pozwoliło otrzymać wytłoczkę jednak niejednorodną ponieważ tworzyło nie

zdążyło się wystarczająco ochłodzić przed dojściem do odciągu.

W celu zmniejszenia płynności wytłoczki poprzez zwiększenie jego lepkości

zmniejszono temp. o 10 °C. Dla temperatury 210 °C lepkość tworzywa znacznie wzrosła,

jednak była nadal zbyt niska. Kolejne obniżenie temperatury o kolejne 10 °C dało

już zadowalające rezultaty, wytłoczkę z łatwością można było przekazać do odciągu,

a zmiana jego prędkości pracy nie powodowała większych komplikacji.

Otrzymano wytłoczki dla odciągu ustawionego na 20, 30 i 40 Hz. Wytłoczka

ta z powodu krótkiego odcinka pomiędzy wytłaczarką a odciągiem, nie zdążyła

się wystarczająco wychłodzić i pomimo ustawieniu niewielkiej siły nacisku ulegała

ona spłaszczeniu między rolkami. Było to spowodowane poprzez dużą grubość wytłoczki

i brak możliwości wychłodzenia jej w całej objętości. Otrzymana wytłoczka miała postać

taśmy o przekroju zbliżonym do prostokątnego, a nie oczekiwanego przekroju okrągłego.

Dodanie chłodzenia powietrzem na tym odcinku za pomocą dmuchawy(gun) nie wpłynęła

w wystarczający sposób na szybkość chłodzenia wytłoczki, lecz utrudniła odbieranie

wytłoczki zdmuchując ją z rolek. Zwiększenie odległości między wytłaczarką a odciągiem

powodowała zwiększenie zwisu pomiędzy nimi, przez co zaczepiała ona o obudowę

wytłaczarki.

Wydajność wytłaczania oszacowano na podstawie masy wytłoczonego materiału

w czasie jednej minuty. Podajnik pneumatyczny posiada niewielką pojemność, więc stale

trzeba było stale podawać kolejne porcje granulatu. Znacznie to utrudniało pracę

uniemożliwiało otrzymanie stałej szybkości ładowania tworzywa, a w konsekwencji

niezmiennej wydajności wytłaczania. Można to zaobserwować patrząc na rozrzut mas

wytłoczek przedstawia Tabela 12. Widać, że odchylenie standardowe wynosi ok. 10%

wartości średniej. Duży błąd wynika z braku możliwości dozowania granulatu ze stałą

szybkością przy tak dużej prędkości wytłaczarki.

49

Tabela 12. Średnia masa wytłoczki PP

V wytł. Wydajność [ g/min] σ %odchylenie

50 2,455 0,31 12,6

30 1,792 0,19 10,6

Prędkość liniową odciągu można wyznaczyć na podstawie długości wytłoczonej

taśmy w czasie jednej minuty. Długość ta odpowiada prędkości liniowej odciągu. Maszyna

dla zadanej częstotliwości pracowała ze stałą prędkością, o czym świadczą niskie wartości

odchylenia standardowego (Tabela 13). Różnice między poszczególnymi długościami były

niewielkie i wynikały przede wszystkim z błędów pomiaru czasu i długości.

Tabela 13. Średnie długości wytłoczki PP

V odci. Prędkość liniowa

odciągu [m/min]

σ %odchylenie

40 376 1,53 0,4

30 283 2,08 0,7

20 189 0,87 0,5

16 154 2,89 1,9

5.2. Wytłoczenie PLA z odciąganiem żyłki

Analogiczne dane zebrano dla próby z PLA. Wytłaczano go w temp. 175 °C przy

prędkościach wytłaczarki wynoszących: 70, 50, 30 i 20 obr./min, stosując przeciwbieżny

układ ślimaków i dyszę o średnicy 0,5 mm.

Dla prędkości wytłaczarki wynoszącej 70 obr/min wytłoczka przybierała postać

karbowanej żyłki(Rysunek 34). Zmniejszano więc prędkość obrotową wytłaczarki kolejno

na 60, 50, 40 i dopiero przy prędkości obrotowej 30 otrzymano żyłkę o gładkiej

powierzchni.

Rysunek 34. Karbowana żyłka

Dla niektórych wartości prędkości pracy wytłaczarki zmieniano prędkość pracy

odciągu. Wytłoczka tutaj miała przekrój okrągły, przez co osiągnęła postać żyłki. Co

minutę odcinano wytłoczoną żyłkę za odciągiem, po czym mierzono jej długość, wagę

oraz średnicę w 6 różnych punktach, oddalonych od siebie w identycznych odstępach.

50

Wyniki przedstawiono w tabeli poniżej(Tabela 14). Na podstawie zebranych danych

można było zestawić średnie prędkości liniowe odciągu z nastawioną na falowniku

częstotliwością. Warto zauważyć, że zmiana częstotliwości, odpowiadała zmianie

prędkości odciągania w sposób liniowy. Dzieje się tak zarówno dla PP jak i PLA (Wykres

1).

Tabela 14. Wyniki wytłaczania Polilaktydu

Lp. V wyt. V odc. Temp. dana l d waga

0 70 25 240 śr. 241 0,80 1,692

σ 0,289 0,066 0,110

1 50 30 230 śr. 287 0,49 1,042

σ - 0,081 -

2 30 20 220 śr. 192 0,61 0,510

σ 0,115 0,015 0,1

3 30 30 210 śr. 288 0,50 0,512

σ 0,306 0,028 0,008

4 30 40 200 śr. 387 0,42 0,802

σ 0,289 0,031 0,022

5 20 30 200 śr. 287 0,38 0,486

σ 0,577 0,017 0,009

6 20 20 200 śr. 193 0,43 0,460

σ 0,058 0,026 0,002

7 20 15 200 śr. 143 0,56 0,481

σ 0,866 0,014 0,009

8 20 10 200 śr. 94 0,66 0,463

σ 0,153 0,013 0,010

V odci.– Wartość zadana na falowniku [Hz], V wytł.– prędkość obrotowa wytłaczarki [Obr./min],Temp. –

temperatura wytłaczania, σ – odchylenie standardowe, l – długość wytłoczonej żyłki [cm], waga – masa

wytłoczki [g], d - średnica żyłki, śr. - średnia arytmetyczna

Wykres 1. Liniowa zależność nastawy odciągu a prędkości odciągania.

(y=ax - równanie liniowe; R2 - Wariancja)

y = 9,6232x R² = 0,9998 y = 9,4341x

R² = 0,9997

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

0 10 20 30 40

prę

dko

ść li

nio

wa

[m/m

in]

prędkość nastawna odciągu [Hz]

długość a prędkość odciągu

PLA

PP

Liniowy (PLA)

Liniowy (PP)

51

5.3. Wytłoczenie blend PLA z odciąganiem

żyłki

Przeprowadzono również próby dla blendy PLA z 5% dodatkiem plastyfikatora

poli(adypinianu butylenu) (PBA). W tym celu odważono 6,648 g granulatu PLA oraz

0,353 g PBA. Zastosowałem przeciwbieżny układ ślimaków i dyszę o średnicy 0,5 mm.

Wytłaczarkę uruchomiono i rozgrzano do 170°C, po czym skalibrowano. Ustawiono

na obieg zamknięty i prędkość 20 obr./min. Wytłaczarką sterowałem z komputera przy

użyciu programu Polylab System, program ten zbierał też stale informacje

o właściwościach reologicznych materiału polimerowego. Następnie ręcznie dodawałem

tworzywo do wytłaczarki w czasie 3 minut. Po czasie homogenizacji trwającym kolejne 12

minut zmieniłem obieg tworzywa na otwarty w celu wytłoczenia tworzywa. Wytłoczkę

pobierano z wytłaczarki za pomocą skonstruowanego urządzenia otrzymując żyłkę.

Podczas wytłaczania prędkości wytłaczarki wynosiła 20 obr./min, a odciągu został

nastawiony na 20 Hz. Z 7 g tworzywa udało się wytłoczyć ok. 15m żyłki nadającej się do

badań mechanicznych.

5.4. Pomiary mechaniczne żyłek

W celu przetestowania użyteczności otrzymanego urządzenia przeprowadziłem

również pomiary właściwości mechanicznych wytłoczonych żyłek. Pomiary

wytrzymałości mechanicznej przeprowadziłem z użyciem urządzenia INSTRON 5566

zaopatrzonego w szczęki pneumatyczne do pomiarów żyłek i sznurów oraz podłączonego

do komputera z zainstalowanym oprogramowaniem BlueHill. Żyłki pocięte na odcinki

o długości 300mm i zważone w celu ustalenia gęstości liniowej. Odcinek pomiarowy

wynosił 200mm. Moduł wyznaczono na podstawie linii trendu pierwszych 100 pomiarów

zarejestrowanych przez urządzenie. Wyniki przeprowadzonych badań zestawiłem poniżej

(Wykres 2, Wykres 3 i Wykres 4)

52

Wykres 2. Naprężenie granicy plastyczności.

Wykres 3. Wydłużenie przy zerwaniu.

Wykres 4. Moduł sprężystości przy rozciąganiu.

0,48

0,30

0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

Naprężenie granicy plastyczności [MPa]

PLA Blenda

σ=0,95 σ=0,30

1,65%

20,94%

0,00%

5,00%

10,00%

15,00%

20,00%

25,00%

Wydłużenie przy zerwaniu

PLA Blenda

σ=0,53%

σ=17,48%

2,94

1,88

0,00

0,50

1,00

1,50

2,00

2,50

3,00

3,50

Moduł sprężystości przy rozciąganiu

PLA Blenda

σ=0,167

σ=0,220

53

Z przedstawionych wykresów można odczytać, że żyłki z czystego PLA

są bardziej wytrzymałe niż żyłki wykonane z blendy. Jednakże te ostatnie charakteryzują

się dużo większą elastycznością oraz znacznym wydłużeniem przy zerwaniu. Takie wyniki

są spójne z doniesieniami literaturowymi dla tego typu materiałów. Dowodzi to,

że otrzymane przeze mnie żyłki z użyciem skonstruowanego odciągu oraz wytłaczarki

laboratoryjnej nadają się do badań wytrzymałościowych.

54

5.5. Wnioski

W ramach pracy zaprojektowano i skonstruowano urządzenie odciągające

wytłoczkę z wytłaczarki laboratoryjnej. Niniejszy odciąg charakteryzuje się następującymi

cechami:

- działa zgodnie ze wszystkimi początkowymi założeniami,

- jest na tyle mały, że swobodnie mieści się w przeznaczonym miejscu,

- została wykonana niewielkim kosztem z użyciem łatwo dostępnych materiałów,

- dzięki falownikowi posiada możliwość zmiany prędkości odciągania w szerokim

zakresie (przy ustawieniach fabrycznych od 0 do 5,7 m/min).

- dla całego obszaru obsługiwanych prędkości odciągania praca urządzenia jest

stabilna w czasie i powtarzalna,

- praca z odciągiem po rozruchu nie wymaga dalszej obsługi,

- pozwala otrzymać żyłkę o stałym przekroju poprzecznym z różnych tworzyw

termoplastycznych. Ilość tworzywa niezbędnego do wytworzenia żyłki jest niewielka.

Umożliwia to wytworzenie kilkunastu metrów wytłoczki, na której można przeprowadzić

badania mechaniczne z zaledwie kilku gramów tworzywa.

Otrzymanie stabilnych wyników możliwe jest tylko przy prędkości pracy

wytłaczarki poniżej 30 obr./min i zastosowaniu cienkiej dyszy o średnicy 0,5 mm.

W zależności od szybkości wytłaczarki i odciągu otrzymujemy wytłoczkę o różnej

średnicy. Gdy prędkość odciągu względem wytłaczarki jest za mała wytłoczka zwiesza się

pod własnym ciężarem, a gdy jest za wysoka ulega ona zerwaniu.

Wytłoczone żyłki można z powodzeniem wykorzystać do przeprowadzenia badań

mechanicznych wytłaczanego tworzywa.

55

6. STRESZCZENIE

Wprowadzenie

Niniejsza praca zatytułowana ,,Konstrukcja i optymalizacja parametrów pracy

odciągu żyłki do miniwytłaczarki laboratoryjnej” przedstawia proces projektowania

i konstrukcji odciągu współpracującego z miniwytłaczarką laboratoryjną. Głównym

założeniem projektowym była możliwość otrzymania wytłoczki o kształcie żyłki

posiadającą stały przekrój poprzeczny, zdolnej do prowadzenia z jej użyciem badań

właściwości mechanicznych dla różnych tworzyw termoplastycznych.

W pierwszej części przedstawiono przegląd literaturowy, w którym omówiono

jeden procesów przetwórczych polimerów jakim jest wytłaczanie. Opisano linię

produkcyjną w procesie wytłaczania, zwracając szczególną uwagę na odciągi. Na koniec

omówiono proces projektowania i konstrukcji maszyn.

Wyniki i dyskusja

W części eksperymentalnej przedstawiono otrzymany projekt odciągu. Opisano

elementy użyte do jego konstrukcji, oraz kryteria wyboru jakimi się kierowano podczas ich

doboru.

Praca zawiera opis wykonania wszystkich części urządzenia, funkcje jakie mają

pełnić, oraz zdjęcia gotowych elementów. Po ich połączeniu otrzymano odciąg

laboratoryjny. Wykonano szereg testów mających na celu sprawdzenia poprawności

działania urządzenia, oraz optymalizację parametrów pracy. Z pomocą skonstruowanego

odciągu i miniwytłaczarki laboratoryjnej wytłaczano żyłkę z różnych tworzyw

termoplastycznych. Sprawdzono użyteczność wytłoczek do prowadzenia badań

mechanicznym na aparacie INSTRON 5566.

Wnioski

Zaprojektowany oraz skonstruowany odciąg działa i spełnia wszystkie założenia

projektowe. Otrzymane z jego pomocą żyłki nadają się znakomicie do pomiarów

mechanicznych z niewielkiej ilości tworzywa syntetyzowanego w laboratorium.

Praca dyplomowa została częściowo wykonana w ramach projektu

POIG.01.03.01-00-018/08 MARGEN pt. ,, Materiały opakowaniowe w nowej generacji z

tworzywa polimerowego ulegającego recyklingowi organicznemu” współfinansowanego

przez Unię Europejską – Europejski Fundusz Rozwoju Regionalnego.

56

7.SUMMARY

Introduction

The thesis entitled ,,The design and optimization of operation parameters of haul-

off for fibers with laboratory miniextruder” presents process of design and construction of

a haul-off machine cooperating with a miniextruder. The main goal of the design was the

possibility of obtaining an extrudate in the shape of a fiber having a constant cross section,

able to research the mechanical properties of various thermoplastics.

In the first part of the thesis a literature review has been presented, which

characterizes one method of the processing of polymers - extrusion. It describes the

production line in the extrusion process, paying particular attention to the haul-offs. At the

end of this section the process of the machines design and construction has been described.

Results and discussion

In the experimental part the haul-off project has been shown. The components

used in this construction have been described. The description of the implementation of all

parts of the device, information what they must do, and photographs of finished parts are

presented. After assembling all the parts of the laboratory haul-off, a series of tests

designed to validate the operation of the device, and optimization of working parameters

have been carried out. With the aid of the extruder and constructed machine, fibers from

different thermoplastics have been extruded. The usefulness of the extrudate has been

checked by conducting research on the INSTRON 5566 Machine.

Conclusion

Designed and constructed haul-off works and meets all the design assumptions.

The fibers obtained with its aid from a small amount of polymeric material synthesized in

the laboratory are ideal for mechanical measurements.

The thesis was partially carried out within the Innovative Economy Project

number POIG.01.03.01-00-018/08 (acronym MARGEN) “New generation of packing

materials made from plastics undergoing organic recycling”. The project was financially

supported by European Union – European Regional Development Fund.

57

8.BIBLIOGRAFIA

1. Mały Rocznik Statystyczny Polski 2011. Warszawa : Głównu Urząd

Statystyczny, 2011.

2. Montero, Bruno. Method of making Fibers. 2,544,763 United States, 21 04

1947.

3. Wytłaczanie tworzyw sztucznych. http://tworzywa.blogspot.com. [Online]

4. Krzemiński, J. Technologia tworzyw sztucznych - przetwórstwo. Warszawa :

Wydawnictwa Politechniki Warszawskiej, 1985.

5. Wytłaczanie tworzyw sztucznych. Warszawa : PLASTECH Wydawnictwo

Poradników i Książek Technicznych, 1999.

6. Iwko, J. Wytłaczarki dwuślimakowe. Porównanie jedno- i dwuślimakowych

układów uplastyczniających. PlastNews . 01/2009, 2009.

7. Stasiek, Joachim. Wytłaczanie tworzyw polimerowych: zagadnienia wybrane.

Bydgoszcz : Wydawnictwo Uczelniane Uniwersytetu Technologiczno-Przyrodniczego,

2007.

8. Noda, Isao. Fibers, nonwoven fabrics and absorbent articeles comprising a

biodegradable polyhydroxyalkanoate comprising 3-hydroxybutyrate and 3-

hydroxyhexanoate. 6,143,947 United States, 30 08 1999.

9. H. F Files, J. R. Wagner, E. M. Mount. Extrusion The Definitive Processing

Guide and Handbook. brak miejsca : Plastics Design Library, 2005.

10. Giles, Harold F. Jr., Wagner, John R. Jr. i Mount, Eldridge. Extrusion The

Definitive Processing Guide and Handbook. brak miejsca : Plastics Design Library, 2005.

11. Aalo, Arnold. Tube Haul-Off machine. 3,946,924 United States, 1 11 1974.

12. Comprex, Przedsiębiorstwo Produkcyjno-Wdrożeniowe. Oferta na odciągi

gąsienicowe firmy Comprex. http://www.comprex.com.pl/. [Online]

13. Stallard, John A. Dental tape. 4,646,766 Englad, 21 09 1983.

14. Pellegatti, Giampaolo. Eopolymers of propylene with hexane-1 and blown

films obtained from them. US 2010/0260995 United States, 14 10 2010.

15. Shiffer, Irwin J. Method for making extruded oriented fiber. US 6,613,254

United States, 13 10 2000.

16. Praca Zbiorowa, mały poradnik mechanika tomy 1-2. Warszawa :

Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, 1994.

58

17. Biegus, Antoni. Połączenia śrubowe. Warszawa-Wrocław : Wydawnictwo

Naukowe PWN, 1997.

18. PN-70/M-85005 - Wpusty pryzmatyczne.

19. RHL-Service. http://www.rhl.poznan.pl. [Online] 21 11 2011.

http://www.rhl.poznan.pl/Wytlaczarka_MiniLab,4,25,67.html.

20. KOMERC Sp. z o.o. http://www.komerc.pl/. [Online] 29 04 2011.

http://www.komerc.pl/.

21. PN-83/M-02013 Gwinty metryczne ogólnego przeznaczenia o średnicach 1 do

600 mm. Wymiary.

22. DIN EN ISO 4014 (2001-03) - Wymiary śrub z łbem sześciokątnym z

trzpieniem i gwintem zwykłym .

23. Z. Floriańczyk, S. Penczek. Chemia polimerów tom II. Warszawa : Oficyna

Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, 2002.

24. DIN EN 20273 - Średnice otworów przejściowych pod śruby .

25. ISO DIN 76-1 (2004-06) - Wybiegi do metrycznych gwintów.

26. PN-ISO 724:1995 Gwinty metryczne ISO ogólnego przeznaczenia. Wymiary

nominalne.

27. Potrykus, dr hab. inż. Joachim. Poradnik mechanika. Warszawa : REA s.j.,

2008.

28. PN-EN 20286-2:1996 Układ tolerancji i pasowań ISO -- Tablice klas

tolerancji normalnych oraz odchyłek granicznych otworów i wałków.

29. Żuchowska, Danuta. Polimery konstrukcyjne. Warszawa : Wydawnictwo

Naukowo-Techniczne, 1995.

30. Instrukcja obsługi przemiennika częstotliwości LS serii iE5.

31. Wyłączniki nadprądowe CLS6 i różnicowoprądowe CFI6. Tomaszewski,

Mariusz. 10, 2005.

32. Felis, dr inż. J. Zapis i Podstawy Konstrukcji.