Получение опытных образцов нанокомпозитного материала

Для получения опытных образцов нанокомпозитного материала был разработан и собран одношнековый экструдер, блок-схема которого представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 – Блок-схема экструдера

Компоненты экструдера:

1. Блок питания

2. Выключатели температуры и двигателя

3. Регулятор температуры

4. Кольцевой нагреватель

5. Регулятор оборотов

6. Двигатель

7. Шнек

8. Сопло

Блок питания питается от источника переменного тока 220 В, преобразует напряжение в постоянный ток 12 В с целью обеспечения работы двигателя установки и кольцевого нагревателя. Обороты двигателя регулируются за счет подстроечного (переменного) резистора. При 12 В обороты двигателя максимальны, с изменением значения сопротивления регулируются обороты двигателя. Регистрация или регулирования температуры в установки происходит за счет одноканального терморегулятора “ОВЕН”.

Чертеж экструдера Лаймана, взятый в качестве прототипа[9], изображен на рисунке 3.

Рисунок 3 – Экструдер Лаймана

Компоненты экструдера Лаймана:

1. Латунная заглушка

2. Кольцевой нагреватель

3. Муфта стальная с резьбой

4. Сгон с резьбой

5. М4 гайки

6. Алюминиевый фланец с резьбой

7. Сверло (шнек)

8. Фланец без резьбы

9. Винты М4

10. Подставка

11. Шурупы

12. Корпус

13. Двигатель

14. Соединительная муфта

15. Винты М4

16. Шайбы М4

17. Бронзовая втулка с фланцем

18. Упорный подшипник

19. Плоская шайба

20. Бронзовая втулка с фланцем

21. Термопара

22. Загрузочная воронка

Описание работы экструдера: двигатель приводит в движение шнек, который проталкивает ABS пластик к соплу. Диаметр сопла, скорость шнека, температура плавления подобраны таким образом, чтобы на выходе получалась нить диаметром 1,75мм. Нагрев сопла происходит при помощи кольцевого нагревательного элемента. Для начала работы нужно нагреть сопло до 230-260 °C. Загрузка пластика происходит через воронку. После нагрева и стабилизации температуры включается двигатель и происходит экструзия нити. Фотография разработанного одношнекового экструдера представлена на рисунке 4.

Рисунок 4 – Одношнековый экструдер

На данном оборудовании были получены образцы ABS пластика в виде нити с содержанием УНТ 1% и 5% (рисунок 5).

Один из основных параметров полученных образцов - это диаметр. Допускается диаметр нити в 1,75 ± 0,05 мм. Если отклонения будут больше, то есть риск что при печати на 3D-принтере полученной нитью произойдет засор экструдера принтера. Если будут меньше, то недоэкструзия при печати на 3D-принтере. Регулируя скорость экструзии, можно добиться диаметра 1,75 мм, после чего печатать на 3D-принтере такой нитью. В таблице 1 приведены значения измерений диаметра нити.

Таблица 1 – Значения измерений диаметра нити

Среднее значение, мм	Отклонение, мм	Отклонение, %
1,77	+0,02	1,14
1,75
1,76	+0,01	0,56
1,73	+0,02	1,14
1,75
1,74	-0,01	0,56
1,73	-0,02	1,14

Также важными критериями являются однородность и чистота нити. При подаче гранул ABS пластика в экструдер туда не должны попадать никакие посторонние объекты, такие как пыль, вода, и др. Посторонние объекты могут создавать артефакты внутри и на поверхности нити, что может привести к засору экструдера принтера. Другими важными факторами являются температура плавления и скорость вращения шнека. При слишком быстрой или слишком медленной скорости вращения зона плавки либо не успевает нагреться полностью, либо происходят отклонения диаметра. Также однородность нити зависит от температуры. При слишком низкой пластик не плавится, а при слишком большой температуре ABS пластик теряет прочность и внутри нити образуются пузырьки воздуха. Они делают нить хрупкой и/или полой, причем обнаружить этот дефект можно только во время печати на 3D-принтере.

Существуют некоторые сложности при получении такого вида нанокомпозитов. Это однородность распределения добавки в объеме нити и получение необходимой концентрации добавки. Неоднородность может привести к неравномерным свойствам по всей длине нити. Таким образом, перед получением нити необходимо равномерно смешать гранулы ABS пластика с УНТ. Подбор необходимой концентрации происходит экспериментальным путем. Смешивание ABS пластика с УНТ выполнено разными способами, наиболее удачный взят за основу патента. Получены образцы нити с разными концентрациями, исследованы их свойства. Используя 3D-принтер Wanhao Duplicator 4, были напечатаны образцы для исследования характеристик полученной нити.

Рисунок 5 – Образцы ABS пластика в виде нити с содержанием УНТ 1% и 5%