Twin screw extruder design literature review/it

▼Gruppo di ricerca Free Appropriate Sustainability Technology (FAST) della Western University

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▼Questa pagina è una rassegna della letteratura . Sentiti libero di modificarla e aggiungere fonti e riassunti.

L'obiettivo principale di questa revisione della letteratura è definire una procedura standardizzata passo passo per la progettazione di un estrusore bivite. Questa pagina è dedicata al progetto Fast di trasformazione dei rifiuti plastici in cibo, sotto la supervisione del Prof. Joshua M Pearce .

L'estrusore bivite è composto dai seguenti componenti: tramoggia, cilindro, sistema di controllo della velocità e della temperatura della vite, motore elettrico e matrici intercambiabili per la produzione di prodotti di diverse dimensioni e forme. Lo schema di un estrusore bivite è illustrato nella figura 1.

Riassumendo: Schneider ^{[ 1 ]} ha ripercorso storicamente il progresso evolutivo dell'estrusore bivite controrotante, originariamente sviluppato all'inizio degli anni '50 da Anton e Wilhelm Anger, che costruirono un estrusore bivite con una lunghezza di 12*D superando il problema dell'unione dei tubi mediante la plastica. Dopo due decenni di progressi nella tecnologia degli estrusori bivite, le due aziende più attive, ovvero Thyssen e Rheinstahl, si fusero nel 1972 e Thyssen Plastik Maschinen (TPM) iniziò la sua attività sviluppando un nuovo modello parallelo di serie di estrusori bivite nel 1976 con diametri delle viti di 50, 60, 85, 107, 130 e 160 mm. Per risolvere il problema della regolazione sicura delle forze radiali e assiali nei modelli paralleli, furono sviluppati estrusori bivite conici che presentavano vantaggi di progettazione per la forma dell'azionamento del distributore. Il primo modello fu progettato da Anger (AGM) nel 1964 e venne chiamato estrusore a vite conica singola. Nel 1974, Krauss-Maffei introdusse un estrusore a doppia vite conica, in cui la profondità della spira diminuiva costantemente dalla sezione di alimentazione a quella di dosaggio, con conseguente aumento della portata. Poco dopo, sempre nel 1974, Krauss-Maffei propose un estrusore multivite, adatto alla produzione di tubi di grandi dimensioni con portate comprese tra 800 e 1000 kg/h. Alcuni modelli multivite furono realizzati combinando due coppie di viti in un'unica vite bivite. Diametri delle viti più piccoli offrono una maggiore percentuale di superficie di contatto con la portata, consentendo un maggiore apporto di energia termica dall'esterno. Furono sviluppati sistemi di strozzatura per migliorare la compressione del materiale, oltre all'apporto di energia termica e di taglio. Nel 1976 furono presentati sei nuovissimi estrusori bivite paralleli con diametri compresi tra 50 e 160 mm. Le viti di profilatura, anziché la piastra di rottura, erano dotate di una valvola di strozzatura a doppia elica a ingranamento ravvicinato, mentre le viti di pellettizzazione e di formatura dei tubi erano equipaggiate con deflettori.

Riassunto: Arvind et al. ^{[ 2 ]} hanno realizzato un estrusore a vite di base per la produzione di filamenti per stampanti 3D, che rappresenta una parte vitale dell'industria della stampa 3D. Il trasportatore a vite, la trasmissione, l'unità di alimentazione, il sistema di riscaldamento, la fusione e la testa di estrusione sono componenti essenziali di qualsiasi estrusore a vite. Il nostro approccio per la scelta delle proprietà ottimali dell'estrusore a vite progettato è stato organizzato sulla base di un'intervista con esperti del settore e di una revisione della letteratura. La metodologia è stata quindi organizzata in cinque fasi, tra cui la raccolta dei dati, la selezione dei parametri, la determinazione dei vincoli, l'acquisizione dei materiali e il disegno. Nella fase di disegno, è stato utilizzato Autodesk Inventor per assemblare i vari componenti dell'estrusore a vite in un progetto complessivo. Infine, il progetto finale dell'estrusore è stato realizzato e testato per garantire che l'estrusore a vite potesse funzionare correttamente per ottenere il filamento di plastica attraverso l'ugello. Per ottenere una buona estrusione, sono stati effettuati calcoli di espansione sia dell'acciaio dolce che dell'acciaio inossidabile durante il loro utilizzo nella struttura dell'estrusore a vite.

Per la realizzazione della barra filettata viene utilizzato acciaio al carbonio medio EN-8 (Euro Standard 8), con passo costante di 40 mm e diametro del centro variabile da 20 a 32 mm. La filettatura ha un diametro esterno di 37,8 mm. L'angolo di elica è di 18° e la larghezza della filettatura è di 4 mm. Per la realizzazione della barra filettata viene utilizzata una singola barra di acciaio al carbonio medio EN8 (Euro Standard 8) (acciaio non legato, fornito mediante trafilatura a freddo). Un blocco cilindrico di acciaio per stampi è stato montato su un tornio dotato di mandrino a quattro griffe. Il materiale grezzo in acciaio per stampi è stato allineato con il centro dell'asse del tornio per garantire la concentricità del materiale prima e durante l'intero processo di lavorazione. L'ugello è realizzato in ottone ed è fissato alla testa di estrusione. Il pezzo grezzo in ottone è stato ottenuto con un diametro standard di 25,4 mm e successivamente sottoposto a diverse procedure di lavorazione. I test iniziali, le osservazioni e le analisi sono stati condotti per esaminare l'estrusore a vite fabbricato, dal quale è emerso che la tramoggia si riscaldava e la temperatura era più bassa nella zona dell'ugello. L'estrusore a vite fabbricato è stato sottoposto a test preliminari, osservazioni e analisi, che hanno rivelato che la tramoggia si riscaldava sempre di più e che la temperatura nella zona dell'ugello era più bassa. Pertanto, la modifica finale è stata applicata all'estrusore a vite fabbricato per ottenere un diametro adeguato dei filamenti.

Riassumendo: Justino Netto e Silveira ^{[ 3 ]} hanno proposto una tecnica di procedura metodica per segmenti di estrusore bivite co-rotanti che forniscono informazioni preziose per progettare una testina di stampa intercambiabile nella produzione additiva. I loro risultati hanno mostrato che le viti possono ruotare correttamente senza errori e il materiale viene trasferito come previsto verso la filiera. Il loro metodo si basa sulla progettazione di un micro estrusore bivite destinato a processare piccoli volumi di materiale in polvere (circa 100 g) secondo Pahl et al. , ^{[ 4 ]} il cui processo di progettazione include il pre-dimensionamento che viene dopo le fasi di raccolta delle informazioni e progettazione concettuale. Dopo le garanzie della configurazione del modello standard, gli aspetti della progettazione includono dimensioni e tolleranze, procedure di produzione e prezzi sono stati finalizzati.

Nota 1: Per aumentare costantemente la velocità lungo il canale di flusso, durante la progettazione dello stampo è necessario considerare aspetti fondamentali per evitare punti morti; pertanto, il parametro di resistenza al flusso ( _Kp ) è stato calcolato mediante l'equazione 13 nel loro articolo.

Nota 2: I loro risultati hanno dimostrato che l'approccio di progettazione sviluppato è appropriato per l'utilizzo come mini estrusore per la miscelazione di polimeri e testina di stampa 3D.

Riassumendo: Sun et al. ^{[ 5 ]} hanno esaminato i lavori pubblicati nel contesto della " stampa alimentare tramite tecniche di estrusione " per identificare i problemi e gli sviluppi in quest'area di ricerca. Le configurazioni multiasse, tra cui Cartesian, Delta, Polar e Selective Compliant Assembly Robot Arm (Scara), sono utilizzate principalmente nella procedura di stampa alimentare. La struttura cartesiana ha assi X, Y e Z per il movimento da sinistra a destra, avanti e indietro e su e giù. Nella Delta, è installato un piano di stampa circolare e la testina di stampa è posizionata sopra di esso da tre bracci triangolari. Una stampante alimentare polare include un piano rotante e una testina di stampa che può muoversi su e giù per coprire l'asse Z e da sinistra a destra per coprire tangenzialmente gli assi X e Y. La configurazione SCARA è composta da un braccio robotico che si muove sul piano XY e da un attuatore aggiuntivo che si muove lungo l'asse Z. Grazie alla maggiore proporzione tra il volume del componente alimentare stampato e le dimensioni della stampante, ai tempi di produzione più brevi e ai costi inferiori, si registra un crescente interesse nella progettazione di stampanti con struttura Delta o Polar. Sebbene la precisione di stampa sia importante per una fabbricazione coerente e ripetibile, in genere è meno esigente nella stampa alimentare rispetto alla stampa su plastica o alla stampa medicale. In diverse stampanti alimentari progettate, vengono utilizzati tre meccanismi di estrusione: siringa, pressione dell'aria e vite. L'unità di estrusione a siringa è composta da una siringa per contenere i materiali di alimentazione e da un motore passo-passo per alimentare l'operazione di estrusione. Un dispositivo di estrusione azionato da pressione dell'aria è costituito da una pompa pneumatica e una cartuccia alimentare incapsulata, con la pompa pneumatica che spinge il materiale contenuto nella cartuccia alimentare incapsulata fuori dall'ugello. Nel caso dell'estrusione a vite, i materiali alimentari vengono caricati nella cartuccia e trasferiti all'ugello tramite una vite a coclea per la stampa continua.

Guo et al. ^{[ 6 ]} hanno organizzato una ricerca computazionale per studiare la differenza tra stampanti 3D alimentari basate su siringa e su vite, due delle quali sono principalmente utilizzate nell'industria alimentare. I modelli di fluidodinamica computazionale (CFD) sono stati discussi in questo studio per valutare e confrontare le caratteristiche del fluido di due tipi di stampa 3D. Inoltre, è stata eseguita una valutazione sperimentale della stampa 3D per confrontare due diverse stampanti 3D alimentari. Le simulazioni CFD sono state eseguite utilizzando il software COMSOL Multiphysics, un programma per computer basato su FEM disponibile in commercio. Le caratteristiche di macchinari rotanti e flusso laminare del modulo CFD sono state utilizzate in questo studio per affrontare le caratteristiche del fluido all'interno dell'hardware di stampa 3D a estrusione basata su vite e a estrusione basata su siringa, rispettivamente. L'inchiostro per la stampa 3D è stato realizzato con purè di patate. Durante l'esperimento, la temperatura è rimasta costante a 26 gradi Celsius. Il fluido è stato considerato un fluido monofase incomprimibile con un'interfaccia di flusso laminare.

Nota: un'indagine su un modello simulato ha rivelato che la stampante 3D per alimenti a vite presentava caratteristiche del fluido complesse, con alcuni riflussi rilevati nello spazio tra le pareti e le spire della vite nel tubo di estrusione. La stampante 3D per alimenti a siringa, d'altra parte, sembrava avere caratteristiche del fluido più semplici e facilmente modificabili. Inoltre, la stampa 3D sperimentale ha suggerito che le stampanti 3D per alimenti a vite non sono adatte all'estrusione di inchiostri viscosi. Il presente studio fornisce dati per la corretta selezione della strategia di stampa, una base teorica e una guida specializzata per la ricerca avanzata sulla stampa 3D e la progettazione di stampanti moderne.

Riassumendo: Porpíglio et al. ^{[ 7 ]} hanno progettato una procedura integrata basata sul metodo delle varianti di soluzione e sul metodo assiomatico che è stata applicata a una testina di stampa 3D modulare. Il metodo delle varianti di soluzione è determinato dedicando un numero positivo tra 0 e 1 a ciascun criterio in base alla sua importanza. Valutando il telaio di trasmissione di una testina a doppia vite verticale collegata a una stampante 3D di prova, il metodo proposto è stato testato in uno scenario di problema reale. La stampante 3D del caso di studio utilizzava polvere come materia prima in piccole quantità (circa 200 g) ^{[ 8 ]} per esperimenti di stampa 4D, contenenti la definizione di miscele di composti e polimeri, nonché la generazione di filamenti. I loro risultati hanno mostrato che la coppia di ingranaggi a vite senza fine era l'opzione migliore per azionare il telaio (valore più alto ottenuto dalla variazione della soluzione di valutazione). Per quanto riguarda lo strumento di sincronizzazione agli alberi (doppia vite correlazionale), è stato scelto mediante variazione della soluzione di valutazione un telaio con un ingranaggio di sincronizzazione che collega i due estrusori, il che ha indicato che i valori ponderati totali aumentano a 7,55. I risultati sono stati integrati da elenchi di angolarità e semangularità, che hanno prodotto valori rispettivamente di 0,838 e 0,500, confermando la scelta della coppia di ingranaggi a vite senza fine combinata come struttura di azionamento con un elevato grado di flessibilità di progettazione.

Riassunto: Ji et al. ^{[ 9 ]} hanno creato un estrusore bivite per materiali energetici fornendo condizioni di sicurezza. In questo lavoro, è stata inclusa un'accurata simulazione numerica basata sull'approccio degli elementi finiti per prevedere il momento esplosivo dei materiali energetici nei cilindri bivite con varie configurazioni di sfiato della pressione. Le specifiche geometriche degli elementi filettati sono le seguenti: il diametro esterno della vite è di 50,4 mm, la sua distanza centrale è di 40,8 mm, il suo diametro esterno e il cilindro sono separati da un gap di 0,5 mm e i suoi passi sono rispettivamente di 50 mm e 75 mm. Inoltre, è stato utilizzato il modello Bird-Carreau per caratterizzare le proprietà di flusso del canale. ^{[ 10 ]} È stato progettato un cilindro specifico per resistere alle onde esplosive, per cui sono stati considerati due fori di sfiato della pressione nel modello del cilindro. I loro risultati hanno mostrato che la parte superiore della spirale della vite e la zona di interingranamento hanno la pressione e il tasso di taglio maggiori durante la produzione di materiali energetici mediante estrusori bivite. Pertanto, è più probabile che si verifichino esplosioni e detonazioni in questi punti. La pressione all'interno della canna divisa orizzontalmente è visibilmente inferiore rispetto a una canna di configurazione standard. Si dimostra che la pressione secondaria si annulla e la deformazione della canna è notevolmente ridotta.

Riassunto: Li et al. ^{[ 11 ]} hanno proposto un design ottimizzato della vite dell'estrusore a filo per modellazione a deposizione fusa (FDM), una delle tecnologie di stampa 3D più utilizzate al mondo. In questa ricerca, il software agli elementi finiti ANSYS è stato applicato per prevedere i parametri del flusso nella vite dell'estrusore. Il metodo di test ortogonale è stato utilizzato per studiare gli effetti del passo della vite, della profondità della vite, della larghezza della scanalatura della vite, della larghezza del bordo della vite e della lunghezza della sezione di dosaggio sul campo di velocità, sul campo di pressione, sul campo di temperatura e sulla velocità di taglio. Inoltre, il software SolidWorks è stato utilizzato per generare il modello 3D della vite e durante la simulazione è stato utilizzato materiale ABS con proprietà specifiche. Infine, l'efficacia del modello proposto è stata esaminata per ciascun parametro utilizzando il software Minitab versione 17. Dopo aver determinato i fattori ideali, la vite ottimizzata è stata esaminata e validata. I loro risultati hanno dimostrato che l'estrusore a filo proposto può funzionare in modo efficiente quando il passo della vite, la profondità della scanalatura della vite, la larghezza del bordo della vite e la lunghezza della sezione di misurazione sono rispettivamente di 15 mm, 1,3 mm, 1,5 mm e 85 mm. La vite ottimizzata può migliorare l'efficienza di fusione del materiale ABS.

Riassunto: Zheng et al. ^{[ 12 ]} hanno studiato il processo di granulazione a doppia vite (TSG) utilizzando un metodo agli elementi discreti (DEM). In questo studio, è stata utilizzata una piattaforma di unità di elaborazione grafica (GPU) per sviluppare il DEM al fine di ottenere informazioni sia macroscopiche che microscopiche. I movimenti traslazionali e rotazionali di ciascuna particella nel DEM sono determinati dalla seconda legge di Newton. Il raggio della vite (R _s ), la distanza della linea centrale (C _l ), ​​lo spazio tra le due viti (s), lo spazio tra il cilindro interno e la vite (b) e il numero di canali paralleli (e) sono le principali caratteristiche geometriche. Le due viti sono ortogonali. Inizialmente, le geometrie del granulatore a doppia vite sono state generate utilizzando un software di progettazione assistita da computer (CAD) e salvate come file in formato stereolitografia standard (STL) per l'ulteriore elaborazione. Quindi, il file STL è stato caricato in BlazeDEM-GPU, dove è stato creato il modello DEM per il granulatore a doppia vite. Per la valutazione delle prestazioni del sistema, la distribuzione del tempo di residenza (RTD) è stata determinata dalla velocità della vite, dalla configurazione della vite e dai parametri del materiale. La funzione di distribuzione del tempo di residenza (curve a E) ha mostrato una dispersione ridotta per dimensioni delle particelle maggiori e velocità della vite più elevate, il che significa che le particelle avevano un tempo di residenza considerevole nel granulatore a doppia vite. Infine, i loro risultati hanno mostrato che il DEM può fornire una base affidabile per la modellazione della granulazione a doppia vite. Tuttavia, gli effetti della disposizione delle viti e dei parametri di formulazione (come la forma delle particelle e l'aggiunta di legante liquido) sul comportamento della granulazione a doppia vite devono essere esaminati in lavori futuri.

Riassunto: Kowalski et al. ^{[ 13 ]} hanno sviluppato un nuovo metodo per ottimizzare il processo di progettazione del profilo della vite utilizzando una combinazione di un modello di algoritmo genetico e una funzione di fitness di rete neurale. Sono state considerate, nelle condizioni necessarie, le caratteristiche specifiche dei profili della vite per vari prodotti target. Sono state previste diverse quantità per prestazioni ottimali di estrusione alimentare a doppia vite, tra cui pressione, coppia del motore, energia meccanica specifica (SME), rapporto di espansione (ER), assorbimento d'acqua (WAI) e solubilità in acqua (WSI). In questo studio è stata utilizzata farina di grano duro rosso primaverile ceroso (var. Sagitario), ottenuta dal Laboratorio di Qualità del Grano Occidentale dell'USDA (Pullman, WA, USA). La farina conteneva il 14,1% di proteine ​​(percentuale su base secca), che è stata idratata a 4 ℃ in un miscelatore per raggiungere il contenuto di umidità specificato. L'esame colorimetrico con una soluzione di iodio è stato utilizzato per verificare l'assenza di amilosio. Il processo di estrusione è stato eseguito con un estrusore bivite co-rotante di 20 mm di diametro (modello TSE 20/40, CW Brabender Instruments Inc., South Hackensack, NJ, USA). L'estrusore è stato condotto con un rapporto L/D di 20:1 e quattro zone separate a temperatura controllata. Sia un modello di algoritmo genetico che un modello di rete neurale sono stati eseguiti utilizzando MATLAB (R2015b, MathWorks, Inc., Natick, MA, USA). Per le risposte di processo relative a pressione, coppia del motore e SME, i modelli di rete neurale hanno dimostrato valori di R² elevati ⁽ >0,979), mentre le risposte dei prodotti ER (0,935), WSI (0,900) e WAI (0,847) hanno dimostrato valori di R² significativamente inferiori ^. Cinque diversi prodotti target sono stati generati in cinque prove indipendenti utilizzando il modello di algoritmo genetico. Tra le prove 1, 3, 4 e 5 con due deviazioni standard, la prova due ha avuto un'espansione leggermente superiore a quella prevista. Per le prove 1, 2 e 4, l'indice di assorbimento d'acqua era entro due deviazioni standard. Per le prove 1, 3, 4 e 5, l'indice di solubilità dell'acqua era entro due deviazioni standard. La varianza prevista era particolarmente significativa nel WAI, che ha un intervallo di variabilità più ampio. Infine, i loro risultati hanno mostrato che il metodo proposto ha un'efficienza sufficiente per prevedere le caratteristiche ottimali della progettazione del profilo della vite per fornire un processo di estrusione migliore.

Riassunto: Kumar et al. ^{[ 14 ]} hanno costruito un sistema di estrusione per la produzione di filamenti da plastiche riciclabili, che è una parte vitale della progettazione di stampanti 3D. In questo lavoro, è stata costruita una macchina di espulsione per generare fibre per la stampa 3D da pellet di bottiglie in PET. Il progetto finale era una macchina a basso costo e ad alte prestazioni che tritura, dissolve e mescola bottiglie d'acqua in plastica di polietilene tereftalato dopo averle espulse come fibra omogenea. La procedura principale del sistema di estrusione progettato contiene una vite che trasferisce i pellet di plastica riciclabile da un supporto attraverso un punto di riscaldamento in una linea metallica dove la plastica viene liquefatta ad alta temperatura termica. Quindi, i pellet di plastica liquefatti vengono spostati nella vite dal supporto per essere compressi attraverso un beccuccio verso l'estremità della linea per formare una fibra. Il processo di estrusione ha cinque fasi individuali che includono l'installazione dell'ugello dell'estrusore, il fissaggio della temperatura del materiale, la tramoggia di alimentazione, il filamento guida e la misurazione del diametro del filamento, in cui la temperatura può essere modificata per ottenere diverse dimensioni del filamento. Il processo di progettazione è stato eseguito in sette fasi, tra cui cilindro, tramoggia, ugello, asta della vite, lama del trituratore, fusione del trituratore e assemblaggio dell'estrusione. I risultati hanno dimostrato che è possibile ottenere un risultato ottimale fissando gli intervalli di temperatura tra 230 e 250 °C e che si può raggiungere un'elevata efficienza riducendo la conduzione del calore. Con una maggiore distanza tra il contenitore e la zona calda, è possibile includere un volume maggiore di plastica, consentendo all'estrusore di scaricare più fibra senza il rischio di ostruire il delta della linea di riscaldamento.

Riassunto: Sun et al. ^{[ 15 ]} hanno sviluppato un design strutturale per migliorare la qualità degli analoghi della carne a base vegetale simili alla carne animale reale. In questo studio, la tecnologia di estrusione ad alta umidità è stata utilizzata per valutare le formulazioni e ottimizzare le condizioni di estrusione, ed è stato spiegato il collegamento tra struttura e formulazione/processo. È stata studiata l'importanza di componenti strutturali importanti come proteine, polisaccaridi e le loro miscele nella produzione di strutture fibrose negli analoghi della carne. Quindi, è stata esplorata l'influenza della temperatura del cilindro, del design della matrice di raffreddamento e del livello di umidità dell'alimentazione nel raggiungimento della qualità dell'analogo della carne. I loro risultati hanno dimostrato che l'estrusione ad alta umidità è un metodo di lavorazione realistico ed economicamente vantaggioso per la produzione di analoghi della carne a base vegetale. Inoltre, le qualità richieste del prodotto finale possono essere raggiunte regolando fattori di processo come la temperatura del cilindro e il contenuto di umidità dell'alimentazione.

Riassunto: Bernardo et al. ^{[ 16 ]} hanno suggerito un metodo di monitoraggio ottico online per valutare le prestazioni di miscelazione globale degli estrusori bivite co-rotanti considerando varie geometrie. La tecnologia proposta si basa sulla diffusione e sul ritardo della luce causati dalle particelle della fase dispersa, che possono essere utilizzate per ottenere informazioni sul numero di particelle (come torbidità) e sulla forma (come birifrangenza di forma). Quindi, in vari punti assiali lungo tre blocchi di impastamento separati e sotto una varietà di velocità della vite, sono state formate curve di distribuzione del tempo di residenza (RTD). I parametri K (una costante nella curva dell'impulso legata all'area sotto una curva RTD) e la varianza delle curve RTD sono stati utilizzati per descrivere gli indici di miscelazione dispersiva e distributiva. È dimostrato che K è un indicatore accurato della miscelazione dispersiva, mentre la varianza può essere utilizzata per valutare la miscelazione distributiva. I risultati degli esperimenti hanno indicato che questi indici di miscelazione sono sensibili alle variazioni delle condizioni di lavorazione e riflettono il comportamento previsto per ciascuna geometria del blocco impastatore.

Riassumendo: Emin ^{[ 17 ]} ha studiato lo stato dell'arte degli sviluppi tecnologici del processo di estrusione che occupa un posto importante nell'industria alimentare grazie alla sua flessibilità nell'utilizzo di varie materie prime per la produzione di prodotti alimentari adattabili. Gli studi su questo processo sono principalmente suddivisi in due sezioni essenziali, ovvero la vite e la matrice, che si occupano della materia prima estrusa e di conferire la forma e la consistenza desiderate ai prodotti. Dopo queste due sezioni, un prodotto sarà pronto per essere consumato dai clienti. Per garantire la qualità dei prodotti progettati, sono state condotte alcune analisi, tra cui le proprietà di reazione e le proprietà reologiche. Nell'analisi delle proprietà di reazione, non vengono considerate solo le interazioni molecolari, ma anche alcuni fattori quali temperatura, tempo, sforzo di taglio, componenti, rapporto di miscelazione e contenuto di acqua. Nelle proprietà reologiche, vengono esaminate le proprietà di miscelazione, il profilo di stress termico e meccanico nella sezione della vite, o l'espansione e la testurizzazione nella sezione della matrice. L'analisi delle condizioni di processo è un altro passaggio critico che include l'analisi del profilo di stress termico e l'analisi del profilo di stress termomeccanico e delle caratteristiche di miscelazione. Per la prima analisi (profilo di stress termico), è fondamentale raccogliere informazioni sulla temperatura del materiale e sul suo tempo di permanenza. Per la seconda (profilo di stress termomeccanico e caratteristiche di miscelazione), si esegue un'analisi numerica, principalmente con il metodo degli elementi finiti (FEM) utilizzando il codice FEM ANSYS POLFLOW, per ottenere informazioni essenziali sul profilo di stress termomeccanico e sulle caratteristiche di miscelazione. Le informazioni raccolte possono quindi essere utilizzate per ottimizzare il processo e ottenere con precisione il prodotto desiderato o per realizzare prodotti in diverse scale preferite.

Riassunto: Questa procedura di progettazione è stata utilizzata da Sobowale et al. ^{[ 18 ] [ 19 ]} per fabbricare un estrusore bivite. L'estrusore è stato progettato per risolvere tutti i problemi menzionati nella costruzione di un estrusore bivite condotta da Senanayake e Clarke ^{[ 20 ]} e Yamsaengsung e Noomuang . ^{[ 21 ]} In questo lavoro, le prestazioni dell'estrusore progettato sono state studiate utilizzando vari strumenti tra cui farina di taro, contenuto di umidità di alimentazione variabile (FMC) e velocità della vite (SS). Vari fattori come rapporto di espansione, tempo di residenza (RT), portata ed efficienza funzionale sono stati analizzati per garantire che tutte le parti dell'estrusore siano assemblate in modo appropriato e funzionino correttamente con elevata efficienza. L'estrusore costruito ha funzionato in modo ammirevole, con prodotti che si espandono abbastanza bene. Ad eccezione dello scolorimento dell'estruso di taro a temperature elevate, che ha portato a un prodotto indesiderabile, non ci sono stati problemi seri durante il funzionamento. Ciò ha infine influenzato la temperatura del cilindro e l'FMC utilizzato, e si suggerisce che l'estrusione a freddo sia più appropriata per l'estruso di taro. Inserendo nella macchina un'unità di estrusione di ricambio di varie forme, i test sull'apparecchiatura hanno dimostrato le sue capacità come estrusore multifunzionale in grado di generare numerosi articoli estrusi di diverse forme e dimensioni.

I calcoli di progettazione sono stati eseguiti sulla base del lavoro di Senanayake e Clarke, ^{[ 20 ]} Harold et al. , ^{[ 22 ]} Khurmi e Gupta, ^{[ 23 ]} Singh e Heldman, ^{[ 24 ]} e lavori di Sobowale et al . ^{[ 25 ] [ 26 ] [ 19 ]} I vari parametri di un estrusore bivite progettato sono elencati nella Tabella I. I valori essenziali sono stati definiti e altri valori di minore importanza sono stati ottenuti durante i calcoli di progettazione. Questi parametri sono fondamentali per soddisfare gli obiettivi di progettazione di un estrusore bivite adeguato in termini di prodotti estrusi commerciali, di massa e precisi. Pertanto, la definizione dei valori dei parametri e la relazione tra di essi devono essere attentamente considerate durante la progettazione dell'estrusore bivite.

Riassumendo: Justino Netto e Silveira ^{[ 27 ]} hanno progettato una testina di stampa 3D (Fig. 2) applicando il concetto di estrusione a doppia vite, in cui entrambi gli approcci di miscelazione multimateriale in-process e deposizione diretta del prodotto sono stati organizzati simultaneamente per la corretta creazione di oggetti 3D. La loro metodologia è stata stabilita sulla base del libro di Kohlgrüber sulla progettazione di estrusori a doppia vite co-rotanti . ^{[ 28 ]} Per valutare la correttezza della procedura formalizzata, è stata prodotta una testina di stampa in scala reale in ABS utilizzando una stampante 3D. L'esperimento di prototipazione ha rivelato che la produzione di piccoli elementi a vite è impegnativa, sebbene fattibile. Inoltre, i loro risultati hanno rivelato che è necessario predisporre procedure alternative per una maggiore compattezza del sistema di trasmissione. Inoltre, il framework utilizzato potrebbe essere impiegato in altri progetti che si occupano di progettazione su piccola scala e fornire un utile approccio sistematico per definire chiaramente i fattori di influenza sulla progettazione di testine di stampa 3D.

La Tabella II mostra i parametri di progettazione di una testina di stampa tridimensionale basata sull'estrusione a doppia vite proposta da Netto e Silveira. ^{[ 27 ]} Lavori simili in letteratura ignorano la segnalazione di queste preziose informazioni. In questo lavoro, è stato riportato un approccio sistematico agli aspetti della procedura di progettazione proprio per fornire una guida completa per i lavori futuri. Inoltre, i modelli analitici di questo lavoro sono molto utili per adattare il processo decisionale in altri estrusori di piccole dimensioni in lavori simili.