Twin screw extruder design literature review/zh

▼西安大略大学自由适用可持续技术（FAST）研究小组

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▼本页面为文献综述。欢迎编辑此页面，添加参考文献和摘要。

目标

本次文献综述的主要目标是制定一套标准化的双螺杆挤出机设计步骤。本页专门介绍Fast公司在Joshua M Pearce教授指导下开展的塑料垃圾制食品项目。

概念

双螺杆挤出机由以下部件组成：料斗、料筒、可变螺杆转速和温度控制装置、电机以及用于生产不同尺寸和形状产品的可更换模具。双螺杆挤出机的示意图如图1所示。

背景（按时间顺序排列）

反向旋转双螺杆挤出机的历史发展

总结：施耐德^{[ 1 ]}回顾了反向旋转双螺杆挤出机的发展历程。该挤出机最初由安东·安格尔和威廉·安格尔于20世纪50年代初开发，他们通过塑料连接管道，克服了管道连接难题，制造了一台长度为12倍直径的双螺杆挤出机。经过二十年的双螺杆挤出机技术发展，两家最活跃的公司——蒂森和莱茵斯塔尔于1972年合并，蒂森塑料机械公司（TPM）于1976年开始研发新型并联式双螺杆挤出机系列，螺杆直径分别为50、60、85、107、130和160毫米。为了解决安全问题，人们通过调整并联模型中的径向力和轴向力，开发了锥形双螺杆挤出机，这种挤出机在设计上有利于分配器驱动装置的形状。第一个模型由Anger（AGM）于1964年设计，被称为单锥形螺杆。1974年，Krauss-Maffei公司推出了双锥形螺杆，其螺杆螺纹深度从进料段到计量段逐渐减小，从而提高了产量。不久之后，Krauss-Maffei公司于1974年提出了一种多螺杆挤出机，适用于生产大型管材，产量约为800至1000 kg/h。一些多螺杆设计是将两对螺杆组合成一个双螺杆。较小的螺杆直径可以提供更大的表面积与吞吐量之比，从而允许从外部输入更多的热能。为了在热能和剪切能输入之外提供更好的物料压缩，节流阀的设计应运而生。1976年，六台全新的平行双螺杆挤出机问世，其直径范围从50毫米到160毫米不等。型材螺杆（而非断流板）配备了双螺旋紧密啮合的节流阀，而造粒螺杆和管材螺杆则配备了挡板。

用于制造3D打印机耗材的基本螺杆挤出机的制造

摘要： Arvind等人^{[ 2 ]}制造了一种用于3D打印机耗材制造的基本螺杆挤出机，这是3D打印行业的重要组成部分。螺杆输送机、传动系统、进料单元、加热系统、浇铸装置和挤出头是任何螺杆挤出机的基本组成部分。我们基于对行业专家的访谈和文献综述，制定了选择设计螺杆挤出机最佳性能的方法。该方法分为五个步骤：数据收集、参数选择、约束条件确定、材料采购和设计。在设计步骤中，我们使用Autodesk Inventor软件将螺杆挤出机的各个组件组装成一个整体设计。最终，我们对挤出机的最终设计进行了制造和测试，以确保螺杆挤出机能够正常工作，并通过喷嘴挤出塑料丝。为了实现良好的挤出效果，我们对螺杆挤出机结构中使用的低碳钢和不锈钢进行了膨胀计算。

螺杆采用EN-8（欧洲标准8）中碳钢制造，螺距恒定为40mm，中心直径可在20至32mm范围内变化。螺纹外径为37.8mm，螺旋角为18°，螺纹宽度为4mm。螺杆由单根EN-8（欧洲标准8）中碳钢棒（冷拔成型的非合金钢）制成。模具钢坯被安装在配备四爪卡盘的车床上。模具钢坯与车床轴线中心对齐，以确保加工前后材料的同心度。喷嘴由黄铜制成，并安装在挤压头上。黄铜坯料的标准直径为25.4mm，然后进行各种加工工序。初步测试、观察和分析旨在检验所制造的螺杆挤出机，通过这些观察发现料斗温度升高，而喷嘴区域温度较低。对所制造的螺杆挤出机进行初步测试、观察和分析后发现，料斗温度持续升高，而喷嘴区域温度降低。因此，对所制造的螺杆挤出机进行了最终改进，以获得合适的丝材直径。

关于同向旋转双螺杆挤出机的设计与技术

总结： Justino Netto 和 Silveira ^{[ 3 ]}提出了一种用于同向旋转双螺杆挤出机部件的系统化方法，该方法为增材制造中可互换打印头的设计提供了有价值的信息。他们的结果表明，螺杆可以正常旋转，材料能够按预期输送到模具。他们的方法基于 Pahl等人[ ^{4 ]设计的微型双螺杆挤出机，该挤出机旨在处理少量粉末材料（约 100克}）。设计过程包括在信息收集和概念设计步骤之后进行尺寸标注。在确认标准模型配置后，最终确定了设计的各个方面，包括尺寸和公差、制造工艺和价格。

注 1：为了沿流道稳定地提高速度，在模具设计过程中必须考虑基本方面以避免死角，因此，流动阻力参数 ( K _p ) 是在他们的论文中通过公式 13 计算的。

注 2：他们的研究结果表明，所开发的设计方法适合用作聚合物复合微型挤出机和 3D 打印头。

基于挤出技术的食品打印在数字化食品设计和营养控制中的

总结： Sun等人^{[ 5 ]}回顾了“挤出式食品打印技术”领域已发表的研究成果，旨在识别该研究领域存在的问题和发展趋势。食品打印过程中主要采用多轴配置，包括笛卡尔坐标系、Delta坐标系、极坐标系和选择性柔性装配机器人手臂（SCARA）。笛卡尔坐标系结构具有X、Y和Z三个轴，分别用于左右、前后和上下运动。Delta坐标系结构安装了一个圆形打印平台，打印头通过三个三角形臂放置在平台上。极坐标食品打印机包含一个旋转平台以及一个可上下移动以覆盖Z轴、左右移动以覆盖X轴和Y轴切向运动的打印头。SCARA配置由一个在XY平面内运动的机器人手臂和一个沿Z轴运动的附加执行器组成。由于食品打印过程中打印的营养成分体积占打印机尺寸的比例更高，生产时间更短，成本更低，因此人们对采用Delta或Polar结构的打印机设计越来越感兴趣。虽然打印精度对于实现一致且可重复的制造至关重要，但食品打印对精度的要求通常低于塑料打印或医疗打印。在各种设计的食品打印机中，使用了三种挤出机制：注射器式、气压式和螺杆式。注射器式挤出单元由用于储存原料的注射器和用于驱动挤出操作的步进电机组成。气压式挤出装置由气动泵和封装的食品盒组成，气动泵将封装的食品盒内的物料从喷嘴挤出。在螺杆式挤出中，食品原料被装入食品盒，并通过螺旋输送器输送到喷嘴，实现连续打印。

对基于注射器和基于螺杆的3D食品打印机进行比较研究

Guo等人^{[ 6 ]}开展了计算研究，旨在探究基于注射器和基于螺杆的3D食品打印机之间的差异，这两种打印机在食品行业中主要采用挤出式3D打印技术。本研究探讨了计算流体动力学（CFD）模型，以评估和比较两种3D打印方式的流体特性。此外，还进行了实验性3D打印评估，以比较两种不同的3D食品打印机。CFD模拟采用COMSOL Multiphysics计算机软件进行，该软件是一款商用有限元法（FEM）计算机程序。本研究利用CFD模块的旋转机械和层流特性，分别分析了基于螺杆挤出式3D打印和基于注射器挤出式3D打印硬件内部的流体特性。3D打印墨水由土豆泥制成。实验过程中，温度保持在26摄氏度。流体被视为具有层流界面的单相不可压缩流体。

注：模拟模型研究表明，螺杆式3D食品打印机的流体特性较为复杂，在挤出管壁与螺杆螺纹之间的缝隙处存在少量回流现象。相比之下，注射器式3D食品打印机的流体特性则更为简单，易于调整。此外，实验性3D打印结果表明，螺杆式3D食品打印机不适用于挤出粘稠油墨。本研究为选择合适的打印策略提供了数据，奠定了理论基础，并为高级3D打印研究和现代打印机设计提供了专门的指导。

基于材料挤出的模块化3D打印头的公理化设计和解决方案变体

总结： Porpíglio等人^{[ 7 ]}设计了一种基于解变体法和公理化法的集成程序，并将其应用于模块化3D打印头。解变体法通过为每个准则赋予一个介于0和1之间的正数来确定其重要性。通过评估与测试3D打印机相连的垂直双螺杆打印头的传动系统，该方法在实际应用场景中得到了验证。该案例研究的3D打印机使用少量（约200克）粉末作为原材料^{[ 8 ]}进行4D打印实验，实验内容包括化合物和聚合物混合物的配制以及丝材的生成。他们的研究结果表明，蜗轮蜗杆副是驱动该传动系统的最佳选择（从解变体评估中获得的数值最高）。关于轴的同步装置（相关双螺杆），通过解变体评估，他们选择了一个带有连接两个挤出机的同步齿轮的传动系统，这使得总加权值增加到7.55。研究结果辅以重角性和半角性列表，其值分别为 0.838 和 0.500，证实了选择蜗轮蜗杆副作为驱动框架具有高度的设计灵活性。

高能材料双螺杆挤出机的安全设计与数值模拟

摘要： Ji等人^{[ 9 ]}通过提供安全条件，研制了一种用于高能材料的双螺杆挤出机。本研究采用基于有限元方法的精确数值模拟，预测了不同泄压配置下双螺杆料筒内高能材料的爆炸力矩。螺杆单元的几何参数如下：螺杆外径为50.4 mm，中心距为40.8 mm，外径与料筒之间的间隙为0.5 mm，螺距分别为50 mm和75 mm。此外，还采用Bird-Carreau模型表征了流道的流动特性。 ^{[ 10 ]}他们设计了一种特殊的料筒以抵抗爆炸波，该料筒模型中考虑了两个泄压孔。结果表明，在双螺杆挤出机生产高能材料的过程中，螺杆螺纹顶部和啮合区承受的压力和剪切速率最大。因此，爆炸事故和爆轰最容易发生在这些位置。水平分体式炮管内的压力明显低于常规炮管结构。结果表明，二次压力消失，炮管变形也大大减少。

FDM线材挤出机螺杆的结构分析与优化设计

摘要： Li等人^{[ 11 ]}提出了一种熔融沉积成型（FDM）线材挤出机螺杆的优化设计，FDM是世界上应用最广泛的3D打印技术之一。本研究采用ANSYS有限元软件预测挤出机螺杆内的流动参数。通过正交试验法研究了螺距、螺杆深度、螺杆槽宽、螺杆边缘宽以及计量段长度对速度场、压力场、温度场和剪切速率的影响。此外，还使用SolidWorks软件生成了螺杆的三维模型，并在仿真过程中使用了具有特定性能的ABS材料。最后，使用Minitab 17软件对每个参数的模型有效性进行了检验。在确定了最佳参数后，对优化后的螺杆进行了检验和验证。他们的研究结果表明，当螺杆螺距、螺杆槽深度、螺杆边缘宽度和测量段长度分别为15mm、1.3mm、1.5mm和85mm时，所提出的线材挤出机能够高效工作。优化后的螺杆可以提高ABS材料的熔化效率。

双螺杆造粒过程中停留时间分布的DEM分析

总结： Zheng等人^{[ 12 ]}采用离散元法(DEM)研究了双螺杆造粒(TSG)过程。本研究基于图形处理器(GPU)构建DEM模型，以获得宏观和微观层面的分析结果。DEM中每个颗粒的平移和旋转运动均由牛顿第二定律确定。螺杆半径(R_{_s} )、中心线距离(C_{_l} )、两螺杆间隙(s)、内筒与螺杆间隙(b)以及平行通道数(e)是主要的几何参数。两个螺杆相互正交。首先，使用计算机辅助设计(CAD)软件生成双螺杆造粒机的几何模型，并将其保存为标准立体光刻(STL)格式文件以备后续处理。然后，将STL文件导入BlazeDEM-GPU，创建双螺杆造粒机的DEM模型。为了评估系统性能，通过螺杆转速、螺杆结构和物料参数确定了停留时间分布（RTD）。停留时间分布函数（E曲线）显示，随着颗粒尺寸增大和螺杆转速提高，分布范围减小，这意味着颗粒在双螺杆造粒机中具有相当长的停留时间。最终，研究结果表明，离散元法（DEM）可以为双螺杆造粒过程的建模提供可靠的基础。然而，螺杆排列方式和配方参数（例如颗粒形状和液体粘合剂的添加量）对双螺杆造粒行为的影响仍需在未来的工作中进行研究。

利用遗传算法和神经网络优化双螺杆食品挤压加工的螺杆轮廓

摘要： Kowalski等人^{[ 13 ]}开发了一种结合遗传算法模型和神经网络适应度函数的新型螺杆轮廓设计优化方法。该方法考虑了各种目标产品在必要条件下的螺杆轮廓特征。预测了双螺杆食品挤压最佳性能的多种参数，包括压力、电机扭矩、比机械能（SME）、膨胀比（ER）、吸水率（WAI）和水溶性（WSI）。本研究采用硬质红春糯小麦粉（品种：Sagitario），该小麦粉购自美国农业部西部小麦质量实验室（位于美国华盛顿州普尔曼市）。该小麦粉的蛋白质含量为14.1%（干基），在4℃下于搅拌机中水合至规定的水分含量。采用碘溶液比色法验证了直链淀粉的缺乏。挤出过程采用直径为20 mm的同向旋转双螺杆挤出机（型号TSE 20/40，CW Brabender Instruments Inc.，美国新泽西州南哈肯萨克）进行。挤出机的长径比为20:1，并设有四个独立的温控区。使用MATLAB（R2015b，MathWorks公司，美国马萨诸塞州纳蒂克）分别构建了遗传算法模型和神经网络模型。对于压力、电机扭矩和SME工艺响应，神经网络模型的R²值较高^（ >0.979），但ER（0.935）、WSI（0.900）和WAI产品响应（0.847）的R²值则显著较低^。使用遗传算法模型，在五次独立试验中生成了五种不同的目标产品。在试验1、3、4和5中，试验2的膨胀率略高于预测值（两个标准差）。在试验1、2和4中，吸水指数均在两个标准差范围内。在试验1、3、4和5中，水溶性指数均在两个标准差范围内。吸水指数的预测方差尤为显著，因为其变异范围更广。最后，他们的研究结果表明，所提出的方法能够有效地预测螺杆轮廓设计的最佳特性，从而提供更优的挤出工艺。

塑料回收挤出机的设计与制造

总结： Kumar等人^{[ 14 ]}构建了一个用于生产可回收塑料丝材的挤出系统，这是3D打印机设计的关键环节。该研究构建了一台挤出机，用于从PET瓶颗粒中生成3D打印纤维。最终设计出的设备是一款低成本、高性能的机器，它能够将聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）塑料水瓶粉碎、溶解并混合，最终挤出成均匀的纤维。该挤出系统的主要流程包括：一个螺杆将可回收塑料颗粒从托架输送到金属管内的加热区，在那里，塑料颗粒被高温液化；然后，液化的塑料颗粒从托架进入螺杆，通过喷嘴挤压至管线末端，形成纤维。挤出过程分为五个阶段：安装挤出喷嘴、设定物料温度、进料斗、导向丝材以及测量丝材直径。在测量丝材直径的过程中，可以通过调节温度来获得不同尺寸的丝材。设计过程分为七个阶段，包括料筒、料斗、喷嘴、螺杆、撕碎刀片、撕碎机铸件和挤出组件。结果表明，将温度范围固定在230-250°C之间可获得最佳效果，降低热传导可提高效率。容器与加热区之间更大的距离可以容纳更多塑料，使挤出机能够排出更多纤维，而不会堵塞加热管路的三角区。

改善挤压植物肉制品特性的结构设计

摘要： Sun等人^{[ 15 ]}开发了一种结构设计，旨在提高植物基肉类替代品的品质，使其更接近动物肉。本研究采用高水分挤压技术评估配方并优化挤压条件，阐述了结构与配方/加工之间的联系。研究探讨了蛋白质、多糖及其混合物等重要结构成分在肉类替代品纤维结构形成中的作用。随后，研究分析了料筒温度、冷却模头设计和原料水分含量对肉类替代品品质的影响。研究结果表明，高水分挤压是一种切实可行且经济高效的植物基肉类替代品生产方法。此外，通过调节料筒温度和原料水分含量等工艺因素，可以达到最终产品所需的品质。

在线光学监测同向旋转双螺杆挤出机的混合性能

总结： Bernardo等人^{[ 16 ]}提出了一种在线光学监测方法，用于评估同向旋转双螺杆挤出机的整体混合性能，该方法考虑了多种几何形状。所提出的技术基于分散相颗粒引起的光散射和延迟，可用于获取颗粒数量（以浊度表示）和形状（以形状双折射表示）的信息。然后，在三个独立的捏合块的不同轴向位置，并在不同的螺杆转速下，绘制了停留时间分布曲线（RTD）。参数K（脉冲曲线中与RTD曲线下面积相关的常数）和RTD曲线的方差被用于描述分散混合和分布混合的指标。结果表明，K是分散混合的准确指标，而方差可用于评估分布混合。实验结果表明，这些混合指数对加工条件的变化很敏感，反映了每个捏合块几何形状的预测行为。

挤出加工的关键技术进步

总结： Emin ^{[ 17 ]}研究了挤压加工的最新技术发展，该技术因其能够灵活利用各种原材料生产适应性强的食品，在食品工业中占据着重要地位。对该工艺的研究主要分为两个关键部分：螺杆和模头，它们分别负责挤压原材料并赋予产品所需的形状和质地。经过这两个部分后，产品即可供消费者食用。为了确保设计产品的质量，进行了一些分析，包括反应特性和流变特性分析。在反应特性分析中，不仅考虑分子间相互作用，还考虑温度、时间、剪切应力、组分、混合比和水分含量等因素。在流变特性分析中，考察了混合特性、螺杆部分的应力分布（热应力和机械应力分布）以及模头部分的膨胀和纹理化。加工条件分析是另一个关键步骤，包括热应力分布分析、热机械应力分布分析和混合特性分析。对于第一项分析（热应力分布），收集材料温度及其停留时间等信息至关重要。对于第二项分析（热机械应力分布和混合特性），主要采用有限元法（FEM）进行数值分析，并使用有限元软件ANSYS POLFLOW来获取热机械应力分布和混合特性等关键信息。收集到的信息可用于调整工艺流程，从而精确地获得所需产品或不同规格的产品。

设计

设计 1

摘要： Sobowale等人^{[ 18 ] [ 19 ]}采用此设计流程制造了一台双螺杆挤出机。该挤出机的设计旨在解决Senanayake和Clarke ^{[ 20 ]}以及Yamsaengsung和Noomuang ^{[ 21 ]}在双螺杆挤出机制造过程中提到的所有问题。本研究使用多种仪器，包括芋头粉、不同的进料水分含量（FMC）和螺杆转速（SS），对所设计的挤出机的性能进行了研究。分析了膨胀比、停留时间（RT）、产量和功能效率等各种因素，以确保挤出机的所有部件组装合适且高效运行。所制造的挤出机运行良好，产品膨胀效果也相当不错。除了芋头挤出物在高温下出现变色导致产品质量不佳外，运行过程中未出现其他严重问题。这最终影响了料筒温度和FMC的使用，并表明冷挤压更适合芋头挤出物。通过在机器中安装各种形状的替换模头，设备测试证明了其作为多功能挤出机的能力，能够生产出多种形状和尺寸的挤出产品。

计算

设计计算基于 Senanayake 和 Clarke ^{[ 20 ]} 、 Harold等人^{[ 22 ]}、Khurmi 和 Gupta ^{[ 23 ]} 、 Singh 和 Heldman ^{[ 24 ]}以及Sobowale等人^{[ 25 ] [ 26 ] [ 19 ]}的研究成果。表 I 列出了所设计的双螺杆挤出机的各项参数。在设计计算过程中，确定了关键参数值，并获得了其他一些次要参数值。这些参数对于设计一台能够满足商业化、大规模生产和精确挤出产品要求的双螺杆挤出机至关重要。因此，在双螺杆挤出机设计过程中，必须仔细考虑参数值及其相互关系。

设计 2

总结： Justino Netto 和 Silveira ^{[ 27 ]}设计了一种 3D 打印头（图 2），该打印头采用双螺杆挤出技术，同时结合了在线多材料混合和产品直接沉积两种方法，以实现 3D 物体的精确打印。他们的方法论基于 Kohlgrüber 关于同向旋转双螺杆挤出机设计的著作^{[ 28 ]}。为了验证该方法的正确性，他们使用 3D 打印机制作了一个 ABS 材质的实际尺寸打印头。原型实验表明，制造小型螺杆元件虽然可行，但极具挑战性。此外，他们的研究结果表明，必须设计其他方法来进一步简化传动系统。而且，该方法框架可用于其他小型设计项目，并为明确影响 3D 打印头设计的各种因素提供了一种系统的方法。

表 II 展示了 Netto 和 Silveira 提出的基于双螺杆挤出的三维打印头设计参数。^{[ 27 ]}文献中类似的研究往往忽略了这些重要信息。本文系统地阐述了设计流程的各个方面，旨在为未来的研究提供完整的指导。此外，本文的分析模型对于其他小型挤出机的类似研究也具有重要的参考价值，有助于改进决策过程。

参考文献