Twin screw extruder design literature review/ru
Цель
Основная цель данного обзора литературы — определить стандартизированную пошаговую процедуру проектирования двухшнекового экструдера. Эта страница посвящена проекту компании Fast по переработке пластиковых отходов в продукты питания под руководством профессора Джошуа М. Пирса .
Концепции
Двухшнековый экструдер состоит из следующих компонентов: бункера, цилиндра, системы регулирования скорости вращения шнека и температуры, электродвигателя и сменных фильер для производства изделий различных размеров и форм. Принципиальная схема двухшнекового экструдера представлена на рисунке 1.
Предыстория (в хронологическом порядке)
Историческое развитие двухшнекового экструдера с противоположным вращением шнеков
Резюме: Schneider [ 1 ] исторически рассмотрел прогресс эволюции двухшнекового экструдера с противоположным вращением, который был первоначально разработан в начале 1950-х годов Антоном и Вильгельмом Ангер, которые построили двухшнековый экструдер длиной 12*D, преодолев проблему соединения труб с помощью пластика. После двух десятилетий прогресса в технологии двухшнековых экструдеров, две самые активные компании, а именно Thyssen и Rheinstahl, объединились в 1972 году, и Thyssen Plastik Maschinen (TPM) начала свою работу, разработав в 1976 году новую параллельную модель серии двухшнековых экструдеров с диаметром шнеков 50, 60, 85, 107, 130, а также 160 мм. Для решения проблемы безопасной регулировки радиальных и осевых сил в параллельных моделях были разработаны конические двухшнековые экструдеры, которые имели конструктивные преимущества для формирования привода распределителя. Первая модель была разработана компанией Anger (AGM) в 1964 году и называлась одноконусными шнеками. В 1974 году компания Krauss-Maffei представила двухконусный шнек, в котором глубина витка постоянно уменьшается от секции подачи к секции дозирования, и, следовательно, производительность увеличивается. Немного позже, в 1974 году, компания Krauss-Maffei предложила многошнековый экструдер, подходящий для производства труб большого диаметра с производительностью приблизительно от 800 до 1000 кг/ч. Некоторые многошнековые конструкции были изобретены путем объединения двух пар шнеков в один двухшнековый. Меньший диаметр шнеков обеспечивает больший процент площади поверхности к производительности, что позволяет вводить большую тепловую энергию снаружи. Были разработаны конструкции дросселей для обеспечения лучшего сжатия материала в дополнение к вводу тепловой и сдвиговой энергии. В 1976 году были представлены шесть совершенно новых параллельных двухшнековых экструдеров с диаметром от 50 до 160 мм. Профильные шнеки вместо отбойной пластины были снабжены двухзаходными, плотно зацепленными дросселями, а грануляционные и трубчатые шнеки были снабжены перегородками.
Изготовление базового шнекового экструдера для производства нити для 3D-принтеров
Резюме: Арвинд и др. [ 2 ] изготовили базовый шнековый экструдер для производства нити для 3D-принтеров, что является жизненно важной частью индустрии 3D-печати. Винтовой конвейер, привод, подающий узел, система нагрева, литье и экструзионная головка являются важнейшими компонентами любого шнекового экструдера. Наш подход к выбору оптимальных свойств спроектированного шнекового экструдера был основан на интервью с промышленными экспертами и обзоре литературы. Затем методология была разделена на пять этапов, включая сбор данных, выбор параметров, определение ограничений, приобретение материалов и черчение. На этапе черчения Autodesk Inventor использовался для сборки различных компонентов шнекового экструдера в качестве единой конструкции. В конечном итоге окончательная конструкция экструдера была изготовлена и испытана, чтобы убедиться, что шнековый экструдер может работать должным образом для получения пластиковой нити через сопло. Для достижения хорошей экструзии были проведены расчеты расширения как мягкой, так и нержавеющей стали при использовании в конструкции шнекового экструдера.
Среднеуглеродистая сталь EN-8 (евростандарт-8) используется для изготовления винтового стержня, который имеет постоянный шаг 40 мм и сменный диаметр центра от 20 до 32 мм. Резьба винта имеет наружный диаметр 37,8 мм. Угол подъема винтовой линии составляет 18, а ширина резьбы составляет 4 мм. Для изготовления винтового стержня используется один стержень из среднеуглеродистой стали EN8 (евростандарт 8) (нелегированная сталь, которая поставляется путем холодного волочения). Цилиндрический блок штамповой стали был установлен на токарном станке, оснащенном четырехкулачковым патроном. Штамповая сталь была совмещена с центром оси токарного станка, чтобы обеспечить концентричность материала заготовки до и во время процесса обработки. Сопло изготовлено из латуни и прикреплено к экструзионной головке. Латунная заготовка была получена со стандартным диаметром 25,4 мм, а затем подвергнута различным процедурам механической обработки. Были проведены первоначальные испытания, наблюдения и анализ изготовленного шнекового экструдера, в результате которых был выявлен нагрев бункера и снижение температуры в области сопла. Изготовленный шнековый экструдер был подвергнут предварительным испытаниям, наблюдениям и анализу, которые показали, что бункер нагревался сильнее, а температура в области сопла снижалась. В результате была проведена окончательная модификация изготовленного шнекового экструдера для достижения необходимого диаметра нитей.
О КОНСТРУКЦИИ И ТЕХНОЛОГИИ ДВУХШНЕКОВЫХ ЭКСТРУДЕРОВ С ВРАЩЕНИЕМ В ОДНОМ НАПРАВЛЕНИИ ШНЕКОВ
Резюме: Justino Netto и Silveira [ 3 ] предложили методическую процедуру для совместно вращающихся сегментов двухшнекового экструдера, которая предоставляет ценную информацию для проектирования сменной печатающей головки в аддитивном производстве. Их результаты показали, что шнеки могут вращаться должным образом без сбоев, а материал передается к матрице, как и предполагалось. Их метод основан на проектировании микродвухшнекового экструдера, предназначенного для обработки небольших объемов порошкового материала (около 100 г), согласно Pahl et al. [ 4 ] ,процесс проектирования которого включает в себя определение размеров после этапов сбора информации и концептуального проектирования. После подтверждения стандартной конфигурации модели были окончательно согласованы аспекты проектирования, включая размеры и допуски, производственные процедуры и цены.
Примечание 1: Чтобы стабильно увеличивать скорость вдоль канала потока, при проектировании головки необходимо учитывать основные аспекты, чтобы избежать мертвых зон, поэтому параметр сопротивления потоку ( Kp ) был рассчитан с помощью уравнения 13 в их статье.
Примечание 2: Результаты исследования показали, что разработанный подход к проектированию пригоден для использования в качестве мини-экструдера для компаундирования полимеров и 3D-печатной головки.
Пищевая печать на основе экструзии для цифрового проектирования продуктов питания и контроля их питательной ценности
Резюме: Sun и др. [ 5 ] рассмотрели опубликованные работы в контексте « пищевой печати с помощью методов экструзии », чтобы определить проблемы и разработки в этой области исследований. Многоосевые конфигурации, включая декартову, дельта-, полярную и селективную совместимую сборку роботизированной руки (Scara), в основном используются в процедуре пищевой печати. Декартова структура имеет оси X, Y и Z для движения слева направо, спереди назад и вверх-вниз. В Delta установлен круглый печатный стол, а печатающая головка размещена над ним тремя треугольными рычагами. Пищевой принтер Polar включает вращающийся стол, а также печатающую головку, которая может двигаться вверх и вниз для покрытия оси Z и влево и вправо для покрытия осей X и Y по касательной. Конфигурация SCARA состоит из роботизированной руки, которая движется в плоскости XY, и дополнительного привода, который движется вдоль оси Z. Из-за более высокой доли объема печатаемого компонента питания по отношению к размеру принтера, более короткого времени производства и более низкой стоимости, наблюдается растущий интерес к разработке принтеров с дельта- или полярной структурой. Хотя точность печати важна для последовательного и повторяемого производства, она, как правило, менее требовательна к пищевой печати, чем к пластиковой или медицинской печати. В различных разработанных пищевых принтерах используются три механизма экструзии, включая шприц, давление воздуха и шнек. Экструзионный узел на основе шприца состоит из шприца для хранения расходных материалов и шагового двигателя для приведения в действие операции экструзии. Пневматический насос и инкапсулированный пищевой картридж составляют экструзионное устройство, приводимое в действие давлением воздуха, при этом пневматический насос выталкивает материал из инкапсулированного пищевого картриджа из сопла. Пищевые материалы загружаются в картридж и переносятся к соплу шнековым шнеком в винтовой экструзии для непрерывной печати.
Сравнительное исследование пищевых 3D-принтеров на основе шприца и шнека с использованием компьютерного моделирования
Guo et al. [ 6 ] организовали вычислительное исследование для изучения разницы между шприцевыми и шнековыми 3D-принтерами для пищевых продуктов, которые в основном использовали 3D-печать на основе экструзии в пищевой промышленности. В этом исследовании обсуждались модели вычислительной гидродинамики (CFD) для оценки и сравнения характеристик жидкости двух типов 3D-печати. Также была проведена экспериментальная оценка 3D-печати для сравнения двух разных 3D-принтеров для пищевых продуктов. Моделирование CFD проводилось с использованием компьютерного программного обеспечения COMSOL Multiphysics, которое является коммерчески доступной компьютерной программой на основе метода конечных элементов. Характеристики вращающегося оборудования и ламинарного потока модуля CFD использовались в этом исследовании для рассмотрения характеристики жидкости в шнековой экструзионной 3D-печати и оборудовании для экструзии 3D-печати на основе шприца, соответственно. Чернила для 3D-печати были изготовлены из картофельного пюре. На протяжении всего эксперимента температура оставалась постоянной на уровне 26 градусов Цельсия. Жидкость рассматривалась как однофазная несжимаемая жидкость с ламинарным интерфейсом течения.
Примечание: Исследование с помощью имитационного моделирования показало, что 3D-принтер для пищевых продуктов, работающий на шнеке, имеет сложную характеристику потока жидкости, при этом в зазоре между стенками и витками шнека в экструзионной трубке наблюдалось несколько обратных токов. С другой стороны, 3D-принтер для пищевых продуктов, работающий на шприце, имел более простые характеристики потока жидкости, которые можно было легко изменить. Более того, экспериментальная 3D-печать показала, что 3D-принтеры для пищевых продуктов, работающие на шнеке, не подходят для экструзии вязких чернил. Данное исследование предоставляет данные для выбора правильной стратегии печати, теоретическую основу и специализированное руководство для передовых исследований в области 3D-печати и проектирования современных принтеров.
Аксиоматическая конструкция и варианты решения, применяемые к модульной 3D-печатной головке, основанной на экструзии материала
Подведем итог: Porpíglio и др. [ 7 ] разработали интегрированную процедуру, основанную на методе вариантов решения и аксиоматическом методе, который был применен к модульной печатающей головке 3D. Метод вариантов решения определяется путем назначения положительного числа от 0 до 1 для любого критерия в соответствии с его важностью. Оценивая передаточную структуру вертикальной головки с двумя шнеками, связанной с тестовым 3D-принтером, предложенный метод был протестирован в сценарии реальной проблемы. В практическом исследовании 3D-принтера в качестве сырья использовался порошок в небольших количествах (около 200 г) [ 8 ] для экспериментов по 4D-печати, включающих определение состава и смеси полимеров, а также генерацию нити. Их открытие показало, что червячная передача была наилучшим вариантом для привода структуры (более высокое значение, полученное при вариации оценочного решения). Что касается инструмента синхронизации валов (двойные корреляционные шнеки), то в результате оценочного анализа был выбран вариант конструкции с синхронизирующей передачей, соединяющей два экструдера, что показало увеличение общего весового значения до 7,55. Результаты были дополнены таблицами реугольности и семангулярности, которые дали значения 0,838 и 0,500 соответственно, что подтверждает выбор червячной пары в качестве приводной конструкции с высокой степенью гибкости конструкции.
Проектирование безопасности и численное моделирование двухшнекового экструдера для энергетических материалов
Резюме: Джи и др. [ 9 ] создали двухшнековый экструдер для энергетических материалов, обеспечив безопасные условия. В этой работе использовалось точное численное моделирование на основе метода конечных элементов для прогнозирования взрывного момента энергетических материалов в двухшнековых цилиндрах с различными конфигурациями сброса давления. Геометрические характеристики элементов резьбы следующие: внешний диаметр шнека составляет 50,4 мм, его межосевое расстояние составляет 40,8 мм, его внешний диаметр и цилиндр разделены зазором 0,5 мм, а его шаги составляют 50 мм и 75 мм соответственно. Также для характеристики свойств потока рабочего колеса использовалась модель Берда-Карро. [ 10 ] Был разработан специальный цилиндр для сопротивления взрывным волнам, в модели цилиндра которого рассматривались два отверстия для сброса давления. Их результаты показали, что верхняя часть витка шнека и зона переплетения имеют наибольшее давление и скорость сдвига во время производства энергетических материалов двухшнековыми экструдерами. Таким образом, в этих точках наиболее вероятны сбои при взрыве и детонация. Давление в горизонтальном разъёмном стволе заметно ниже, чем в стволе обычной конструкции. Видно, что вторичное давление исчезает, а деформация ствола значительно уменьшается.
Анализ структуры и оптимизация конструкции шнека экструдера FDM-проволоки
Резюме: Ли и др. [ 11 ] предложили оптимизированную конструкцию шнека экструдера с моделированием послойного наплавления (FDM), который является одной из наиболее широко используемых технологий 3D-печати в мире. В этом исследовании программное обеспечение для конечных элементов ANSYS применялось для прогнозирования параметров потока в шнеке экструдера. Метод ортогональных испытаний использовался для исследования влияния шага шнека, глубины шнека, ширины канавки шнека, ширины кромки шнека и длины дозирующей секции на поле скорости, поле давления, поле температуры и скорость сдвига. Также программное обеспечение SolidWorks использовалось для создания 3D-модели шнека, а во время моделирования использовался материал ABS с определенными свойствами. Наконец, эффективность предложенной модели была исследована для каждого параметра с использованием программного обеспечения Minitab версии 17. После определения идеальных факторов оптимизированный шнек был исследован и проверен. Результаты показали, что предлагаемый экструдер для проволоки может эффективно работать при шаге шнека, глубине канавки шнека, ширине кромки шнека и длине измерительной части 15 мм, 1,3 мм, 1,5 мм и 85 мм соответственно. Оптимизированный шнек позволяет повысить эффективность плавления АБС-пластика.
Анализ распределения времени пребывания с помощью DEM в процессе двухшнековой грануляции
Резюме: Чжэн и др. [ 12 ] изучали процесс грануляции с двумя шнеками (TSG) с использованием метода дискретных элементов (DEM). В этом исследовании для разработки DEM использовалась основа графического процессора (GPU) для получения как макроскопических, так и микроскопических данных. Поступательные и вращательные движения каждой частицы в DEM определяются вторым законом Ньютона. Радиус шнека (R s ), расстояние между центральной линией (C l ), зазор между двумя шнеками (s), зазор между внутренним цилиндром и шнеком (b) и количество параллельных каналов (e) являются основными геометрическими характеристиками. Два шнека являются ортогональными. Первоначально геометрия двухшнекового гранулятора была создана с использованием программного обеспечения для автоматизированного проектирования (CAD) и сохранена как стандартный файл формата стереолитографии (STL) для дальнейшей обработки. Затем файл STL был загружен в BlazeDEM-GPU, где была создана модель DEM для двухшнекового гранулятора. Для оценки производительности системы было определено распределение времени пребывания (RTD) в зависимости от скорости вращения шнека, его конфигурации и параметров материала. Функция распределения времени пребывания (E-кривые) демонстрировала меньший разброс при увеличении размера частиц и скорости вращения шнека, что означает, что частицы проводили значительное время в двухшнековом грануляторе. В конечном итоге, результаты исследования показали, что метод DEM может служить надежной основой для моделирования двухшнековой грануляции. Однако влияние расположения шнеков и параметров рецептуры (таких как форма частиц и добавление жидкого связующего) на характеристики двухшнековой грануляции необходимо изучить в будущих исследованиях.
Оптимизация профилей шнеков для двухшнековой экструзии пищевых продуктов с помощью генетических алгоритмов и нейронных сетей
Резюме: Ковальски и др. [ 13 ] разработали новый метод оптимизации процесса проектирования профиля шнека, используя комбинацию модели генетического алгоритма и функции приспособленности нейронной сети. Специфические характеристики профилей шнеков для различных целевых продуктов были рассмотрены в необходимых условиях. Для оптимальной производительности двухшнековой экструзии пищевых продуктов были спрогнозированы разнообразные величины, включая давление, крутящий момент двигателя, удельную механическую энергию (SME), степень расширения (ER), водопоглощение (WAI) и водорастворимость (WSI). В этом исследовании использовалась мука из твердой красной яровой восковой пшеницы (сорт Sagitario), которая получена в Лаборатории качества пшеницы Министерства сельского хозяйства США (Пуллман, штат Вашингтон, США). Мука содержала 14,1 процента белка (процент сухого вещества), который был гидратирован при 4 ℃ в смесителе для достижения заданного содержания влаги. Для проверки отсутствия амилозы использовалось колориметрическое исследование с раствором йода. Процесс экструзии проводился с помощью двухшнекового экструдера диаметром 20 мм с сонаправленным вращением (модель TSE 20/40, CW Brabender Instruments Inc., Южный Хакенсак, Нью-Джерси, США). Экструдер работал при соотношении длины к диаметру 20:1 и четырех отдельных зонах с регулируемой температурой. Как модель генетического алгоритма, так и модель нейронной сети были выполнены с использованием MATLAB (R2015b, MathWorks, Inc., Натик, Массачусетс, США). Для откликов давления, крутящего момента двигателя и процесса SME модели нейронной сети продемонстрировали высокие значения R2 ( >0,979), но отклики продукта ER (0,935), WSI (0,900) и WAI (0,847) продемонстрировали значительно более низкие значения R2 . Пять различных целевых продуктов были получены в пяти независимых испытаниях с использованием модели генетического алгоритма. Среди испытаний 1, 3, 4 и 5 с двумя стандартными отклонениями испытание два имело немного более высокое расширение, чем прогнозировалось. В испытаниях 1, 2 и 4 индекс водопоглощения находился в пределах двух стандартных отклонений. В испытаниях 1, 3, 4 и 5 индекс водорастворимости находился в пределах двух стандартных отклонений. Прогнозируемая дисперсия была особенно значительна для показателя WAI, который имеет более широкий диапазон изменчивости. Наконец, результаты исследования показали, что предложенный метод достаточно эффективен для прогнозирования оптимальных характеристик конструкции профиля шнека, что обеспечивает более эффективный процесс экструзии.
Проектирование и изготовление экструзионной машины для переработки пластмасс
Подведем итог: Кумар и др. [ 14 ] построили экструзионную систему для производства филамента из перерабатываемого пластика, что является жизненно важной частью проектирования 3D-принтеров. В этой работе была сконструирована выталкивающая машина для получения волокна для 3D-печати из гранул ПЭТ-бутылок. Окончательная конструкция представляла собой недорогую, высокопроизводительную машину, которая измельчает, растворяет и смешивает пластиковые бутылки для воды из полиэтилентерефталата после выталкивания их в виде однородного волокна. Основная процедура разработанной экструзионной системы включает шнек, который перемещает перерабатываемые пластиковые гранулы из держателя через нагревательное пятно в металлической линии, где пластик разжижается под действием высокой тепловой температуры. Затем разжиженные пластиковые гранулы перемещаются в шнек из держателя для сжатия через желоб к концу линии для формирования волокна. Процесс экструзии состоит из пяти отдельных этапов, включая установку сопла экструдера, фиксацию температуры материала, загрузочную воронку, направляющую нить и измерение диаметра нити, на котором температура может изменяться для достижения различных размеров нити. Процесс проектирования был выполнен в семь этапов, включая цилиндр, воронку, сопло, шнек, лезвие измельчителя, заливку измельчителя и сборку экструзии. Их результаты показали, что оптимального результата можно достичь, устанавливая диапазон температур от 230 до 250 °C, а высокой эффективности можно добиться за счет снижения теплопроводности. При большем расстоянии между контейнером и теплой зоной может быть включен больший объем пластика, что позволяет экструдеру выгружать больше волокна без риска блокирования дельты нагревательной линии.
Разработка структуры для улучшения характерных свойств экструдированных аналогов мяса на растительной основе
Резюме: Сан и др. [ 15 ] разработали конструкцию структуры для улучшения качества аналогов мяса на растительной основе, аналогичных настоящему мясу животных. В этом исследовании технология экструзии с высокой влажностью использовалась для оценки рецептур и оптимизации условий экструзии, а также была объяснена связь между структурой и рецептурой/обработкой. Было исследовано значение важных структурных компонентов, таких как белки, полисахариды и их смеси, в производстве волокнистых структур в аналогах мяса. Затем было исследовано влияние температуры цилиндра, конструкции охлаждающей матрицы и уровня влажности корма на достижение качества аналога мяса. Их выводы показали, что экструзия с высокой влажностью является реалистичным и экономически эффективным методом обработки для производства аналогов мяса на растительной основе. Кроме того, требуемые качества конечного продукта могут быть достигнуты путем регулирования таких факторов процесса, как температура цилиндра и влажность корма.
Оптический мониторинг эффективности смешивания в двухшнековых экструдерах с однонаправленным вращением шнеков в режиме реального времени
Резюме: Бернардо и др. [ 16 ] предложили метод оптического мониторинга в режиме реального времени для оценки глобальной производительности смешивания двухшнековых экструдеров с однонаправленным вращением с учетом различных геометрий. Предлагаемая технология основана на рассеянии света и замедлении, вызванном частицами дисперсной фазы, что может быть использовано для получения информации о количестве частиц (как мутности) и форме (как двойном лучепреломлении формы). Затем в различных осевых точках вдоль трех отдельных месильных блоков и при различных скоростях шнека были построены кривые распределения времени пребывания (RTD). Параметры K (константа на импульсной кривой, связанная с площадью под кривой RTD) и дисперсия кривых RTD были использованы для отображения индексов дисперсионного и распределительного смешивания. Показано, что K является точным индикатором дисперсионного смешивания, тогда как дисперсия может быть использована для оценки распределительного смешивания. Результаты экспериментов показали, что эти индексы смешивания чувствительны к изменениям условий обработки и отражают прогнозируемое поведение каждой геометрии месильного блока.
Ключевые технологические достижения экструзионной обработки
Резюме: Эмин [ 17 ] изучил современные технологические разработки в области экструзионной обработки, которые занимают ценное место в пищевой промышленности благодаря своей гибкости в использовании различного сырья для производства адаптируемых пищевых продуктов. Исследования этого процесса в основном делятся на два основных раздела, включая шнек и фильеру, которые касаются экструдированного сырья и придания продуктам желаемой формы и текстуры. После этих двух разделов продукт будет готов к употреблению потребителями. Для обеспечения качества разработанных продуктов были проведены некоторые анализы, включая реологические свойства и свойства реакции. При анализе свойств реакции рассматриваются не только молекулярные взаимодействия, но и некоторые факторы, включая температуру, время, напряжение сдвига, компоненты, соотношение смешивания и содержание воды. В реологических свойствах изучаются свойства смешивания, профиль термических и механических напряжений в секции шнека или расширение и текстурирование в секции фильеры. Анализ условий обработки является еще одним важным шагом, который включает анализ профиля термических напряжений, профиль термомеханических напряжений и анализ характеристик смешивания. Для первого анализа (профиль термических напряжений) крайне важно собрать информацию о температуре материала и времени его пребывания. Для второго анализа (профиль термомеханических напряжений и характеристики смешивания) выполняется численный анализ, в основном методом конечных элементов (FEM) с использованием FEM-кода ANSYS POLFLOW для получения необходимой информации о профиле термомеханических напряжений и характеристиках смешивания. Собранная информация затем может быть использована для корректировки процесса для точного получения желаемого продукта или для получения продуктов в различных предпочтительных масштабах.
Дизайн
Дизайн 1
Резюме: Эта процедура проектирования была использована Собовале и др. [ 18 ] [ 19 ] для изготовления двухшнекового экструдера. Экструдер был спроектирован для решения всех проблем, упомянутых в конструкции двухшнекового экструдера, проведенной Сенанаяке и Кларком [ 20 ] и Ямсэнгсунгом и Ноомуангом . [ 21 ] В этой работе производительность спроектированного экструдера была исследована с использованием различных инструментов, включая муку из какао, различное содержание влаги в корме (FMC) и скорость шнека (SS). Различные факторы, такие как степень расширения, время пребывания (RT), пропускная способность и функциональная эффективность, были проанализированы, чтобы гарантировать, что все части экструдера надлежащим образом собраны и работают должным образом с высокой эффективностью. Сконструированный экструдер работал превосходно, продукты расширялись довольно хорошо. За исключением обесцвечивания экструдата из какао при повышенных температурах, что привело к нежелательному продукту, не было никаких серьезных проблем во время работы. Это в конечном итоге повлияло на температуру цилиндра и используемую FMC, и было высказано предположение, что холодная экструзия более подходит для экструдата из кокосового ямса. Испытания оборудования, в ходе которых в машину были установлены сменные фильеры различных форм, подтвердили его многофункциональность, позволяя получать множество изделий различных форм и размеров.
Расчеты
Проектные расчеты были выполнены на основе работ Сенанаяке и Кларка, [ 20 ] Гарольда и др. , [ 22 ] Курми и Гупты, [ 23 ] Сингха и Хелдмана, [ 24 ] и Собовале и др. [ 25 ] [ 26 ] [ 19 ] Различные параметры двухшнекового экструдера, спроектированного в, перечислены в Таблице I. В ходе проектных расчетов были определены основные значения, а другие, менее важные, значения были получены. Эти параметры имеют решающее значение для достижения целей проектирования надлежащего двухшнекового экструдера с точки зрения коммерческого, массового производства и точного экструдирования продуктов. Поэтому определение значений параметров и взаимосвязь между ними должны быть тщательно продуманы при проектировании двухшнекового экструдера.
| Параметр | Символ | Единица | Предположения | Номер формулы |
| Длина ствола | Фунт | мм | - | (1) |
| Длина винта | Л | мм | 1898, соотношение L/D составляет 25/1 | (1) |
| Диаметр винта | Д | мм | 65, соотношение L/D составляет 25/1 | (1) |
| Высота луча | Yмакс | мм | - | (2) |
| Начальный диаметр делительной окружности | По | мм | - | (2) |
| Толщина балки | б | мм | - | (2) |
| Длина лицевой поверхности балки | я | мм | - | (2) |
| Общая потребляемая мощность | Пт | кВт | - | (3) |
| Доля потребляемой мощности на вязкое рассеивание | Пс | кВт | - | (3) |
| Диаметр скорости | Вд | мм | - | (3) |
| Разница давлений | ΔP | Н мм -2 | - | (3) |
| Мощность винта число | Нп | об/мин | - | (4) |
| Плотность экструдата | ρ | кг/м 3 | - | (4) |
| Скорость винта | Н | об/мин | - | (4) |
| Соотношение скоростей | № | об/мин | - | (5) |
| Диаметр ведомого шкива | Д2 | мм | 73,5 | (5) |
| Диаметр ведущий шкив | Д1 | мм | - | (5) |
| Скорость ведущего шкива | Н1 | об/мин | - | (6) |
| Скорость ведомого шкива | N2 | об/мин | - | (6) |
| Длина ствола | Б л | мм | - | (7) |
| Ширина полета | ε | мм | 5.6 | (8) |
| Радиальный зазор полета | δf | мм | 0,2 | (9) |
| Внутренний диаметр цилиндра экструдера | Дб | мм | 65.2 | (15) |
| Угол наклона винтовой линии корень винта | θs | степень | - | (10) |
| Угол наклона винтовой линии у основания болта | θb | степень | - | (10) |
| Ширина канала на уровне корень винта | Вс | мм | - | (11) |
| Ширина канала на уровне корень болта | Вб | мм | - | (11) |
| Вес шкива | ВП | Н | 14.715 | (12) |
| Масса шкива | депутат | кг | 1.501 | (12) |
| Объем бункера | В | м 3 | 4,125 × 10 3 | (13) |
| Изменение радиуса вала | Δr | мм | - | (13) |
| Высота вала | час | мм | - | (13) |
| Диаметр вала | Дс | мм | 24 | (14) |
| Допустимое касательное напряжение вала (крутящий момент) | Т | Нм | 4.95 | (14) |
| Массовый расход | м | кг/час | 50 | (15) |
| Глубина канала измерения | Хм | мм | 2.72 | (15) |
| Удельный вес | Г | нет единицы | - | (15) |
| Динамическая грузоподъемность упорного подшипника | Крек | кН | 15.14 | (16) |
| Фактор направления вращения | фд | нет единицы | - | (16) |
| Давление осевого напора от экструдера | Факс | кН | 15.14 | (16) |
| Срок службы подшипника | Лф | час | - | (16) |
Дизайн 2
Подведем итог: Justino Netto и Silveira [ 27 ] спроектировали головку 3D-принтера (рис. 2), применив концепцию двухшнековой экструзии, в которой оба подхода к технологическому смешиванию нескольких материалов и прямому осаждению продукта одновременно были организованы для надлежащего создания 3D-объектов. Их методология была основана на книге Kohlgrüber по проектированию двухшнековых экструдеров с однонаправленным вращением . [ 28 ] Для оценки правильности формализованной процедуры была изготовлена печатающая головка реального масштаба из АБС с помощью 3D-принтера. Эксперимент по прототипированию показал, что изготовление небольших винтовых элементов является сложной задачей, хотя и осуществимым. Кроме того, их выводы показали, что необходимо организовать альтернативные процедуры для большего уплотнения системы передачи. Более того, используемая структура может быть использована в других проектах, связанных с мелкосерийным проектированием и обеспечивающих полезный систематический подход для четкого определения факторов влияния на проектирование печатающих головок 3D-принтера.
В таблице II представлены параметры проектирования трёхмерной печатающей головки на основе двухшнековой экструзии, предложенной Нетто и Сильвейрой. [ 27 ] Аналогичные работы в литературе не содержат этой ценной информации. В данной работе систематический подход к аспектам процедуры проектирования представлен именно для того, чтобы предоставить полное руководство для будущих исследований. Более того, аналитические модели, представленные в данной работе, весьма полезны для адаптации процесса принятия решений к другим малогабаритным экструдерам в аналогичных работах.
| Параметр | Символ | Единица | Предположения | Номер формулы |
| Внешний диаметр | Д Е | мм | 12.0 | (1) |
| Расстояние между осями | А | мм | 10.2 | (1) |
| Количество потоков | З | 2 | (1) | |
| Шаг винта | П | мм | 18, 12, 6 | (6) |
| Зазор между винтами | с | мм | 0,2 | - |
| Угол наклона профиля смещения | Ф В1 | град | 70.44, 69.31, 66.89 | - |
| Угол наклона полностью очищенного профиля | Ф В0 | град | 63.6 | - |
| Угол наклона профиля смещения | К W1 | град | 12.69, 14.95, 19.78 | - |
| Угол наклона полностью очищенного профиля | К В0 | град | 26.4 | - |
| Уменьшенный внешний диаметр | Д А | мм | 11.8 | (3) |
| Уменьшенный внутренний диаметр | Д К | мм | 8.2 | - |
| Внутренний диаметр | Д Я | мм | 8.4 | - |
| Предполагаемая низкая скорость вращения винтов | Н | об/мин | 10 | (3) |
| Минимальный диаметр валов | дс | мм | 5.5 | (2) |
| Предусмотренный крутящий момент | М Д | Нм | 10 | (2) |
| Допустимое напряжение | τ адм | МПа | 689.6 | (2) |
| Распродажа | σ | мм | 0,2 | (3) |
| Длина винта | Л | мм | 120 | (5) |
| Площадь свободного сечения между винтами и стволом | Бесплатный | мм 2 | 74.4 | (6) |
| Диаметр отверстия | д 0 | мм | 2.38 | (7) |
| Скорость сдвига стенки | с -1 | 43,5 | (7) | |
| Длина штампа | L умирает | мм | 12.5 | (8) |
| Безразмерный параметр сопротивления потоку | К п | Нет единицы | 3,8 × 10 4 | (8) |
| Описанный диаметр шестигранных валов | д с | мм | 5.5 | (10) |
| Эффективная длина валов | L эфф | мм | 240 | (10) |
| Сжимающая нагрузка | F -приложение | мм | 155 | - |
| Падение давления на фильере | Δp | МПа | 1.37 | (8) |
Ссылки
- ↑ Шнайдер, Ханс-Петер (2005). «Историческое развитие двухшнекового экструдера с противоположным вращением шнеков». Kunstoffe Plast. Eur 1 : 1–6.
- ↑ Кристиан, Джая (01.09.2016). «Изготовление простого шнекового экструдера для производства нити для 3D-принтеров». Международный журнал исследований в области техники и технологий, 5 .
- ↑ Сильвейра, Зильда де Кастро; Хустино Нетто, Хоаким Маноэль (2017). «О КОНСТРУКЦИИ И ТЕХНОЛОГИИ ДВУХВИНТОВЫХ ЭКСТРУДЕРОВ СОВОРОТНОГО ВРАЩЕНИЯ» . Анаис до IX Конгресса Бразилии по инженерному делу фабрик . Бразильский конгресс инженеров-производителей. АВСМ. дои : 10.26678/ABCM.COBEF2017.COF2017-0017 . Проверено 11 января 2022 г.
- ↑ Паль, Герхард; Бейтц, Вольфганг; Фельдхузен, Йорг; Гроте, Карл-Генрих (2007). «Процесс разработки продукта» . Герхард Пал, Вольфганг Байтц, Йорг Фельдхузен, Карл-Генрих Гроте (ред.). Инженерное проектирование: системный подход . Лондон: Спрингер. стр. 125–143. ISBN 978-1-84628-319-2 . Проверено 11 января 2022 г.
- ↑ Сан, Цзе; Чжоу, Вэйбяо; Янь, Лянкунь; Хуан, Дэцзянь; Линь, Лянь-я (01.03.2018). «Экструзионная печать пищевых продуктов для цифрового проектирования продуктов питания и контроля их питательной ценности» . Журнал «Пищевая инженерия» . 3D-печать продуктов питания – дизайн и технологии. 220 : 1–11. doi : 10.1016/j.jfoodeng.2017.02.028 . ISSN 0260-8774 . Дата обращения: 11.01.2022 .
- ↑ Го, Чао-Фань; Чжан, Минь; Бхандари, Бхеш (01.07.2019). «Сравнительное исследование 3D-принтеров для пищевых продуктов на основе шприца и шнека методом компьютерного моделирования» . Компьютеры и электроника в сельском хозяйстве 162 : 397–404. doi : 10.1016/j.compag.2019.04.032 . ISSN 0168-1699 . Дата обращения: 11.01.2022 .
- ↑ I, Porpíglio; Rk, Scalice; Zc, Silveira (01.01.2019). «Аксиоматическая конструкция и варианты решений, применяемые к модульной 3D-печатной головке, основанной на экструзии материалов». 29-я конференция CIRP Design Conference 2019, 8–10 мая 2019 г., Повуа-ди-Варзин, Португалия , 84 : 143–148. doi : 10.1016/j.procir.2019.04.319 . ISSN 2212-8271 .
- ↑ Ван, Хаоци; Чжан, Сюй; Тан, Чэнтун; Томсон, Винсент (01.06.2018). «Семантическая модель для проектирования аксиоматических систем» . Труды Института инженеров-механиков, часть C: Журнал машиностроительной науки 232 (12): 2159–2184. doi : 10.1177/0954406217718858 . ISSN 0954-4062 . Дата обращения: 11.07.2022 .
- ↑ Цзи, Дандан; Сяо, Юн; Хуан, Цюань; Ши, Хуэйфан (2020-03). «Проектирование и численное моделирование безопасности двухшнекового экструдера для энергетических материалов» . Journal of Physics: Conference Series 1507 (2): 022027. doi : 10.1088/1742-6596/1507/2/022027 . ISSN 1742-6596 . Дата обращения: 21.07.2022 .
- ↑ Дус, С. Дж.; Кокини, Дж. Л. (1990). «Прогнозирование нелинейных вязкоупругих свойств теста из муки твердых сортов пшеницы с использованием модели Берда–Карро». Журнал реологии 34 (7): 1069–1084. ISSN 0148-6055 .
- ↑ Ли, Бин; Чжан, Пэн; Гу, Хай; Цзян, Цзе; Сунь, Цзяньхуа; Сюй, Юаньюань; Чжан, Цзе (2021-03). «Анализ структуры и оптимизация проектирования шнека экструдера для FDM-проводов» . Journal of Physics: Conference Series 1802 (2): 022003. doi : 10.1088/1742-6596/1802/2/022003 . ISSN 1742-6596 . Дата обращения: 21.07.2022 .
- ↑ Чжэн, Чао; Чжан, Лин; Говендер, Николин; У, Чуань-Ю (02.01.2021). «Анализ распределения времени пребывания в процессе двухшнековой грануляции с помощью DEM» . Powder Technology 377 : 924–938. doi : 10.1016/j.powtec.2020.09.049 . ISSN 0032-5910 . Дата обращения: 21.07.2022 .
- ↑ Ковальски, Райан Дж.; Петрисяк, Эва; Ганджьял, Гириш М. (01.08.2021). «Оптимизация профилей шнеков для двухшнековой экструзии пищевых продуктов с помощью генетических алгоритмов и нейронных сетей» . Журнал «Пищевая инженерия» 303 : 110589. doi : 10.1016/j.jfoodeng.2021.110589 . ISSN 0260-8774 . Дата обращения: 21.07.2022 .
- ↑ Кумар, Сагар; Сурадж, Р.; Кумар, М.В. Винод (2021-02). «Проектирование и изготовление экструдера для переработки пластика» . Серия конференций IOP: Материаловедение и машиностроение 1065 (1): 012014. doi : 10.1088/1757-899X/1065/1/012014 . ISSN 1757-899X . Дата обращения: 11.01.2022 .
- ↑ Сан, Цуйся; Фу, Цзялин; Чан, Юйян; Ли, Сайя; Фан, Япэн (01.06.2022). «Разработка структуры для улучшения характеристик экструдированных аналогов мяса на растительной основе» . Food Biophysics 17 (2): 137–149. doi : 10.1007/s11483-021-09692-w . ISSN : 1557-1866 . Дата обращения: 29.07.2022 .
- ↑ Бернардо, Фелипе; Ковас, Хосе А.; Каневароло, Себастьян В. (01.2022). «Онлайн-оптический мониторинг характеристик смешивания в двухшнековых экструдерах с однонаправленным вращением шнеков» . Polymers 14 (6): 1152. doi : 10.3390/polym14061152 . ISSN 2073-4360 . Дата обращения: 29.07.2022 .
- ↑ Эмин, М. Азад (01.01.2022). «7 ключевых технологических достижений экструзионной обработки» . В сборнике под редакцией Пабло Джулиано, Романа Букова, Минь Х. Нгуена, Кай Кнёрцера и Джея Селлахева. Инновации в пищевой инженерии в цепочке поставок продуктов питания . Academic Press. С. 131–148. ISBN 978-0-12-821292-9 . Дата обращения: 11.01.2022 .
- ↑Перейти к:18,0 18,1 Собовале, СС; Адебо, О.; Адебии, Дж. А. (2018). «Разработка двухшнекового экструдера» . Проверено 9 января 2022 г.
- ↑Перейти к:19,0 19,1 19,2 Собовале, Сандей Сэмюэл (2017). «Проектирование, изготовление и оценка производительности двухшнекового экструдера». Agricultural Engineering International: CIGR Journal 19 (4): 181–186. ISSN 1682-1130 .
- ↑Перейти к:20,0 20,1 Сенанаяке, С. С.; Кларк, Б. (1 мая 1999 г.). «Упрощённый двухшнековый экструдер с сонаправленным вращением шнеков: проектирование, изготовление и испытания» . Журнал «Пищевая инженерия» 40 (1): 129–137. doi : 10.1016/S0260-8774(99)00049-7 . ISSN 0260-8774 . Дата обращения: 9 января 2022 г.
- ↑ Ямсэнгсунг, Рам; Ноомуанг, Чумпорн (2010). Моделирование методом конечных элементов для проектирования одношнекового экструдера для снековых продуктов на основе крахмала . С. 5.
- ↑ Мл., Гарольд Ф. Джайлс; III, Элдридж М. Маунт; Мл., Джон Р. Вагнер (31 декабря 2004 г.). Экструзия: полное руководство и справочник по обработке . Уильям Эндрю. ISBN 978-0-8155-1711-5 .
- ↑ Гупта, Р. С. Кхурми (2005). Учебник по проектированию машин . Издательство S. Chand. ISBN 978-81-219-2537-2 .
- ↑ Сингх, Р. Пол; Хелдман, Деннис Р. (29 июня 2001 г.). Введение в пищевую инженерию . Gulf Professional Publishing. ISBN 978-0-08-057449-3 .
- ↑ «Проектирование и оценка производительности шелушильной машины для дынь — Sobowale — 2016 — Журнал по инжинирингу пищевых процессов — Электронная библиотека Wiley» . Дата обращения: 09.01.2022 .
- ↑ Собовале, Сандей Сэмюэл; Адебии, Джанет Адейинка; Адебо, Олувафеми Айодеджи (2017). «Проектирование, конструкция и оценка производительности жаровни гари» . Журнал пищевой промышленности 40 (3): –12493. дои : 10.1111/jfpe.12493 . ISSN 1745-4530 . Проверено 9 января 2022 г.
- ↑Перейти к:27,0 27,1 27,2 Жустино Нетто, Жоаким М.; Силвейра, Зильда де К. (2018). «Разработка инновационной трёхмерной печатающей головки на основе двухшнековой экструзии». Журнал «Journal of Mechanical Design» 140 (12): 125002. ISSN 1050-0472 .
- ↑ Кольгрубер, Клеменс (2012). Двухшнековый экструдер соосного вращения . Карл Хансер Верлаг ГмбХ Ко КГ. ISBN 3-446-43341-4 .
| Авторы | Сейед Али Садат |
|---|---|
| Лицензия | CC-BY-SA-4.0 |
| Расположение | {{{координаты}}} |
| Организации | Западный университет , FAST |
| Цитировать как | Сейед Али Садат (2022–2024). «Обзор литературы по проектированию двухшнековых экструдеров» . Appropedia . Дата обращения: 26 августа 2025 г. |
