Pellet-extruders: Directe pellet-additief mixing - Wat u moet weten

Afbeelding 1. Grootformaat 3D-pelletprinten met de CEAD AM Flexbot. Bron: CEAD.

Kunststof compounderen

Een veelvoorkomende praktijk in de kunststofindustrie is kunststof compounderen. Het bestaat eruit gesmolten polymeren te mengen met diverse additieven om verbeterde of geavanceerde thermomechanische eigenschappen te bereiken. De mengsel wordt vervolgens gevormd tot de extrudaat (kunststofstrengen), afgekoeld, en doorgegeven aan de granulator die de extrudaat in pellets hakjes. Kunststof compounderen is een geweldige manier om de eigenschappen van het 3D-printmateriaal te verbeteren.

Afbeelding 2. Een monster van een PETG masterbatch mix. Bron: Dyze Design.

Dit wordt gedaan door een kleur masterbatch toe te voegen om de kleur van het polymeer te veranderen, of een additief masterbatch om de thermomechanische prestaties van het plastic te verbeteren (betere printbaarheid, hogere vloeisnelheid of hogere stijfheid) of het speciale eigenschappen te geven. Enkele van de eigenschappen die bereikt kunnen worden door pellet mixing zijn:

• Sterkte en flexibiliteit: polymeren kunnen gemengd worden met koolstofvezel of glasvezel voor verbeterde thermomechanische eigenschappen.
• UV-bestendigheid: plastic degradatie kan vertraagd worden door verbindingen die beschermen tegen UV-straling aan de mix toe te voegen.
• Voedselveiligheidsadditieven: er moet gewaarborgd worden dat kunststoffen bedoeld voor contact met voedsel veilig zijn voor dat doel.
• Antimicrobiële eigenschappen: kunststof compounderen wordt ook gebruikt om mengsels te maken die groei van bacteriën op het oppervlak van het plastic remmen, een eigenschap van uiterste belang in de geneeskunde.
• Brandvertraging: sommige polymeren worden verrijkt met stoffen die de verspreiding van brand voorkomen of remmen, een kwaliteit heel nuttig in de auto- of luchtvaartindustrie.
• Magnetische detectie: het is mogelijk om polymere pellets te mengen met magnetisch detecteerbare pellets om een magnetisch detecteerbaar filament te verkrijgen.
• ESD-bescherming: het mengen van ESD-veilige pellets met een polymeerbasis resulteert in een ESD-veilig materiaal.
• Kleur: kunststof compounderen stelt praktisch onbeperkte kleurmenging toe.

Compounderen wordt gedaan door professionele bedrijven met behulp van gespecialiseerde apparatuur zoals co-kneaders, dubbele schroeven (co-rotatie en counter-rotatie) en interne mengers om de juiste menging van polymeren en additieven te garanderen. Het resultaat van dit proces zijn pellets die klaar zijn voor gebruik in een 3D-printer uitgerust met een pellet-extruder.

Pellet mixing

De menging van de pellets wordt gedaan door mengschroeven zoals eerder genoemd. Een mengschroef heeft drie verschillende zones, elk met een rol in het mengproces:

1. De voedingszone, doorheen de pellets getransporteerd worden naar beneden de extruder.
2. De overgangs- (compressie-) zone, waar de lucht uit de pelletmix wordt verwijderd terwijl het wordt verwarmd en gesmolten.
3. De meetzone, wiens taak is om druk op te bouwen en de stroom van de output te stabiliseren.

Er zijn variaties van het bovenstaande model, met schroeven met gewijzigde meetsecties, zoals de Maddock-schroef, om de menging en homogenisatie van de smelt verder te verbeteren.

Afbeelding 3. Typen mengschroeven, met de (1) Voeding, 2) Overgang, (3) Ontluchting en (4) Meetsecties. Bron: Dyze Design.

De additionele mengsectie in de meetsectie van de schroef heeft zijn nadelen (koppelvereisten, verhitting door de extra afschuifbewegingen) en de prestaties van de schroef en zelfs de output kunnen beïnvloed worden.

Het beste type schroef voor het mengen van plastic pellets is een dubbele schroef. Het is de oplossing die het meest gebruikt wordt in kunststof compounderen. Een voorbeeld van een dubbele schroef zouden twee in elkaar grijpende schroeven co-rotierend binnenin een gesloten lop zijn om de juiste menging van de smelt en een homogene output te garanderen.

Video 1. Een simulatie van compounderen met een dubbele schroef extrusiesysteem. Bron: EnginSoftSpa.

Het voordeel van een dubbele schroef extruder over een enkele schroef extruder is dat in een extrusiesysteem met twee schroeven, een goede materiaalstroom niet afhangt van de stromingseigenschappen van het materiaal, aangezien twee schroeven de pompefficiëntie verhogen. Bovendien is in een dubbel extrudersysteem de warmteoverdracht van de lop naar het materiaal meer gelijkmatig en sneller dan in een eenschroefsysteem.

Sommige schroeven bevatten de mengsectie niet om het gewicht en de lengte van de schroef te verminderen. Een voorbeeld van een pellet-extruder wiens schroef de mengsectie niet bevat, is de Dyze Pulsar Pellet Extruder. De Pulsar heeft een speciaal anti-oozing mechanisme dicht bij de nozzle toegevoegd. Deze toevoeging verbetert de menging aanzienlijk door wat mengpad en vaste scheiding aan de smelt toe te voegen vlak voordat deze door de nozzle passeert. Naast het anti-oozing mechanisme, heeft de Pulsar goede afschuiving in de schroef zelf.

Video 2. De Dyze Pulsar Pellet Extruder aan het werk. Bron: Dyze Design.

Die twee gecombineerde kenmerken compenseren voor het ontbreken van de mengfase in de schroef, en garanderen de juiste homogenisatie van de polymermix. Een experiment met de Dyze Pulsar Pellet Extruder, een masterbatch van PETG pellets en 1,6% kleurpellets leverde een bevredigend resultaat op, met uitstekende kleurconsistentie en materialhomogeniteit.

Afbeelding 4: Een experiment met de Dyze Pulsar Pellet Extruder, een masterbatch van PETG pellets en 1,6% kleurpellets. Bron: Dyze Design.

Kunststof compounderen middels pellet mixing is een technologie die niet alleen midden- en grootschalige fabrikanten laat de productietijd en -kosten verlagen maar ook meer controle geeft over de polymermix voor specifieke toepassingen, aangezien gespecialiseerde pellets en filament gemaakt kunnen worden uit plastic pellets als basis en de toevoeging van een kleur- of additief masterbatch.

Dyze Pulsar Pellet Extruder AM Flexbot Systeem Kleur masterbatch voor pellets ABS ESD pellets