CZ2020389A3

CZ2020389A3 - Vytlačovací hlava s inertní výstupní štěrbinou, zejména pro vysoké výstupní rychlosti polymerních tavenin

Info

Publication number: CZ2020389A3
Application number: CZ2020389A
Authority: CZ
Inventors: Martin ZATLOUKAL; D.Sc. Zatloukal Martin prof. Ing.
Original assignee: Univerzita Tomáše Bati ve Zlíně
Priority date: 2020-07-02
Filing date: 2020-07-02
Publication date: 2022-01-12
Also published as: CZ309071B6

Abstract

Vytlačovací hlava má výstupní štěrbinu (1) vymezenou segmenty (2) uloženými v pouzdru (3) a navzájem k sobě těsně přiléhajícími svými dělicími plochami (4) tak, že takto vytvořený celek ponechává ve své centrální oblasti průchozí výstupní štěrbinu (1) se souvislým povrchem. Dvojice sousedících dělicích ploch (4) umístěné v různých dělicích rovinách (5) jsou pak orientovány tak, že tyto dělicí roviny (5) se navzájem protínají v centrální oblasti tvořící průchozí výstupní štěrbinu (1). Povrch výstupní štěrbiny (1) může být opatřen povrchovou úpravou. Výstupní štěrbina (1) může mít ve směru kolmém na směr toku taveniny plochu průřezu minimalizovanou na 1 nm2 až 10 mm2 a může být vymezena s výhodou dvěma až osmi segmenty (2). Průřez výstupní štěrbiny (1) může být s výhodou kruhového tvaru. Řešení umožňuje aplikaci principu tzv. nulové délky výstupní štěrbiny (1), což je výhodné zejména u malých průřezů výstupní štěrbiny (1) a při velkých deformačních rychlostech.

Description

Vytlačovací hlava s inertní výstupní štěrbinou, zejména pro vysoké výstupní rychlosti polymerních tavenin

Oblast techniky

Vynález se týká vytlačovací hlavy s inertní výstupní štěrbinou, zejména pro vysoké výstupní rychlosti polymerních tavenin. Tato vytlačovací hlava je určena k použití jak pro technologie s výstupními štěrbinami běžných rozměrů, tak pro nanotechnologie.

Dosavadní stav techniky

Vytlačovací hlavy dosud známých konstrukcí, používané zejména u reometrů, založených na principu kapiláry s nulovou délkou, vykazují určité problémy spojené s nepřesností a zkreslením výsledků měření v důsledku nepříznivého chování taveniny na výstupu z kapiláry, což souvisí s nalepováním taveniny kolem ústí kapiláry a postupným zaplňováním přilehlého prostoru. Tento problém a jeho řešení se blíže popisuje v patentu CZ 304382, který se týká vytlačovací hlavy s inertní kapilárou s nulovou délkou, tedy zde popsané konstrukce kapiláry o průměru 0,1 až 8 mm a délce rovné 0,03 až 0,4 násobku jejího průměru. Na toto řešení navazují další patenty CZ 305409 a CZ 307664. Všechna tato řešení jsou zaměřena na optimalizaci procesu vytlačování polymerních tavenin, zejména v extrémních podmínkách, jako jsou minimální výstupní průřezy a vysoké rychlosti taveniny. Tyto parametry nabývají na významu jednak ve výzkumu při přesném měření tokových vlastností tavenin, jednak v průmyslových aplikacích při složitějších podmínkách vytlačovacího procesu, jako je koextruze, rozfukování taveniny či výroba nanovláken nebo 3D tisk. Všechny tyto technologie kladou mimořádné požadavky na chování polymerních tavenin i znalost a optimalizaci jejich Teologických vlastností.

U uvedených technologií je aktuálně využíváno výstupních štěrbin velmi malých průřezů a rovněž speciálních tvarů průřezu. Povrchová úprava výstupních štěrbin, u nichž je požadována složitější geometrie průřezu, přináší problém dodržení přesného tvaru, zejména u lomených průřezů. V bodech zlomu průřezu vznikají nežádoucí radiusy, čemuž z technologického hlediska nelze zamezit. Tyto proti sobě působící faktory nabývají na významu se zmenšujícím se průřezem výstupní štěrbiny, kdy je stále obtížnější dosáhnout nezkresleného tvaru, zejména po aplikaci povrchové úpravy. S klesajícími rozměry tvarované výstupní štěrbiny se stává problematickou i samotná její vyrobitelnost, a to i bez povrchové úpravy. Povrchová úprava, je-li nutná, pak představuje aditivní problém, a to již její samotné provedení v malém prostoru, tím spíše pak zachování přesného původního tvaru průřezu.

Extrémní nároky na skloubení všech požadavků - přesnosti výroby výstupních štěrbin složitějších tvarů a možnost jejich nezkreslující povrchové úpravy - se pak projevují ve vysoké míře zejména u nanotechnologií, které pracují s miniaturními průřezy výstupních štěrbin. Zde již dosavadní tradiční konstrukce vytlačovacích hlav citelně narážejí na určité technologické limity.

Úkolem vynálezu tedy je vytvořit takovou konstrukci vytlačovací hlavy, která poskytne možnost výroby výstupních štěrbin složitějších tvarů i ve velmi malých rozměrech s dodržením přesného tvaru průřezu, a to i s aplikací povrchové úpravy.

Podstata vynálezu

Uvedené nevýhody a nedostatky dosud známých řešení vytlačovacích hlav do značné míry odstraňuje vytlačovací hlava s inertní výstupní štěrbinou, zejména pro vysoké výstupní rychlosti polymerních tavenin, podle vynálezu. Podstata vynálezu spočívá v tom, že výstupní štěrbina vytlačovací hlavy je vymezena segmenty uloženými v pouzdru a navzájem k sobě těsně

-1 CZ 2020 - 389 A3 přiléhajícími svými dělicími plochami tak, že takto vytvořený celek ponechává ve své centrální oblasti průchozí výstupní štěrbinu se souvislým povrchem. Dvojice sousedících dělicích ploch umístěné v různých dělicích rovinách jsou pak orientovány tak, že tyto dělicí roviny se navzájem protínají v centrální oblasti tvořící průchozí výstupní štěrbinu.

Vytlačovací hlava s inertní výstupní štěrbinou, zejména pro vysoké výstupní rychlosti tavenin, podle vynálezu, může mít povrch výstupní štěrbiny opatřen povrchovou úpravou. Výstupní štěrbina může mít ve směru kolmém na směr toku taveniny plochu průřezu minimalizovanou na 1 nm² až 10 mm² a může být vymezena s výhodou dvěma až osmi segmenty. Průřez výstupní štěrbiny může být s výhodou kruhového tvaru.

Stavebnicový charakter vytlačovací hlavy podle vynálezu má bez ohledu na velikost výstupní štěrbiny dále uvedené výhody a přednosti:

1) umožňuje snadnější výrobu tvarově komplikovaných vytlačovacích hlav, například hlav pro vytlačování profilů, kdy výroba jednotlivých segmentů ajejich následné složení může být snadnější a cenově výhodnější než výroba celé hlavy z jednoho kusu;

2) výroba v segmentech je díky zjednodušení přístupnější např. pro technologii 3D tisku;

3) řešení umožňuje výrobu jednotlivých segmentů z odlišných materiálů (např. Kovl-Kov2, Kovplast či Kov-pryž) a usnadňuje opatření různými povlaky; obojí může zajišťovat výraznou stabilizaci toku, zvláště pak při koextruzi, kdy jsou jednotlivé části tokového kanálu smáčeny odlišnými polymery;

4) segmenty mohou být opatřeny různými senzory (pro měření např. tlaku, teploty apod.), a to zejména na principu bezdrátového přenosu dat, což může být zvláště významné při použití pro 5G síť - aplikace v rámci konceptu Průmysl 4.0.

K těmto výhodám se přičítají významné výhody uplatňující se u výstupních štěrbin velmi malých rozměrů:

1) usnadnění/umožnění přesné výroby hlav i s velmi malou výstupní štěrbinou - až do plochy průřezu řádově v nm², a to i složitějších tvarů;

2) značné usnadnění či vůbec umožnění povrchové úpravy této štěrbiny při zachování přesného tvaru;

3) aplikace principu „inertní štěrbiny s nulovou délkou“ (viz dále příklad 3) i v těchto geometriích (určených zejména pro nanotechnologie), což by jinak bylo velmi obtížné, pokud vůbec možné.

Vytlačovací hlava podle vynálezu je tedy vedle svých specifických předností daných dělenou konstrukcí navíc dobře využitelná v kombinaci s principem inertní výstupní štěrbiny s tzv. nulovou délkou, kdy se současně dosahuje eliminace tlakové ztráty vznikající v důsledku smykového toku. Celková tlaková ztráta je pak určena v podstatě elongačním tokem, což nabývá na významu zejména u měření pevnostních a tahových charakteristik polymemích tavenin při extrémně vysokých deformačních rychlostech. Tato měření jsou přitom klíčová pro optimalizaci a vývoj nových polymemích materiálů určených pro výrobu mikro- a nanoproduktů pomocí pokročilých technologií, jako je například technologie meltblown (rozfukování taveniny) či 3D tisk.

Objasnění výkresů

K bližšímu objasnění podstaty vynálezů slouží přiložené výkresy, kde značí:

- 2 CZ 2020 - 389 A3

- obr. 1 - konstrukční provedení oblasti výstupní štěrbiny s obdélníkovým průřezem;

- obr. 2 - konstrukce oblasti výstupní štěrbiny s kruhovým průřezem;

- obr. 3 - konstrukce oblasti výstupní štěrbiny nulové délky s kruhovým průřezem;

- obr. 4 - sestavený celek v pouzdru před začleněním do vytlačovací hlavy.

Příklady uskutečnění vynálezu

Příklad 1

Vytlačovací hlava s inertní výstupní štěrbinou, znázorněná na obr. 1, má výstupní štěrbinu 1 vytlačovací hlavy vymezenou několika segmenty 2, 2/, 2. 2' loženými v pouzdru 3 a navzájem k sobě těsně přiléhajícími svými dělicími plochami 4, 4' atd. tak, že takto vytvořený celek ponechává ve své centrální oblasti průchozí výstupní štěrbinu 1 obdélníkového průřezu se souvislým povrchem. Pokud dělicí plochy 4, 4' leží ve více různých dělicích rovinách 5, 5.

5' - viz obr. lc, Id - tyto dělicí roviny 5, V, 5. 5' se navzájem protínají v centrální oblasti tvořící průchozí výstupní štěrbinu L Je-li tedy oblast výstupní štěrbiny 1 tvořena více než dvěma segmenty 2, 2\ 2. 2' o úhlu menším než 180°, jsou jejich dělicí roviny 5, navzájem různoběžné a protínají se v oblasti výstupní štěrbiny L Tato geometrie zajišťuje při společném uzavření všech segmentů 2, 2\ 2. 2' celistvým pouzdrem 3 velmi dobrou soudržnost celku a vznik tvarově stabilní výstupní štěrbiny 1.

Dělená oblast výstupní štěrbiny 1 usnadňuje či vůbec umožňuje přesnou výrobu vytlačovací hlavy i s velmi malou výstupní štěrbinou.

Konstrukce znázorněná na obr. la, 1b (také na obr. Id) umožňuje výrobu jednotlivých segmentů 2, 2' z materiálu s navzájem odlišnou smáčivostí polymemí taveninou, čímž je možno vyjít vstříc speciálním požadavkům při souběžném vytlačování dvou polymerů s odlišnými technologickými parametry a stabilizovat tak proces vytlačování a tím optimalizovat výsledný produkt.

Konstrukce znázorněná na obr. lc, ale i na obr. Id, umožňuje přesnější dosažení požadovaného tvaru ve vrcholech obdélníkového průřezu výstupní štěrbiny 1 a dále umožňuje zachování tohoto tvaru při nanesení povlaku - povrchové úpravy, která se aplikuje na jednotlivé segmenty 2, 2/, 2. 2' odděleně.

Vedle řešení znázorněného na obr. 1 může být analogická segmentace oblasti výstupní štěrbiny 1 aplikována také na výstupní štěrbinu 1 odlišné geometrie, například s oválným či eliptickým průřezem, u níž je při malých rozměrech rovněž usnadněna výroba.

Příklad 2

Na obr. 2 je v nárysném řezu a půdorysu sestaveného celku znázorněna konstrukce vytlačovací hlavy s kruhovým průřezem S výstupní štěrbiny 1. Průřez Sje relativně malých rozměrů. Fotografie představují vyrobené znázorněné části. Segmentace oblasti výstupní štěrbiny 1 je provedena analogicky jako u konstrukce podle obr. la, b. Viditelné jsou rovněž montážní otvory, sloužící pro vsazení do vyššího celku.

Vzhledem k segmentaci a jednoduchému tvaru průřezu Sje možno takto vyrobit i výstupní štěrbinu 1 skutečně miniaturního průřezu S, jejíž výroba tradičním postupem by byla velmi obtížná.

-3CZ 2020 - 389 A3

Příklad 3

Vytlačovací hlava podle obr. 3, s inertní výstupní štěrbinou 1 kruhového průřezu Sas konstrukcí již uvedenou v příkladu 2, má oproti příkladu 2 navíc oblast výstupní štěrbiny 1 (viz obr. 3a) modifikovanou tak, že tloušťka její stěny se směrem k výstupní štěrbině 1 postupně snižuje (zde lineárně), takže v místě obvodu výstupní štěrbiny 1 je již rovna její délce L. Délka L výstupní štěrbiny 1 přitom odpovídá 0,1 násobku průměru D (případně 0,1 násobku světlosti u obdélníkového průřezu), tedy splňuje požadavek natzv. nulovou délku (L je z intervalu 0,03 až 0,4 D).

Stejně jako v příkladu 2 je i zde celé konstrukční řešení umístěné v pouzdru 3 provedeno tak, že jeho vsazením do vyššího celku (připravená podsestava viz obr. 4) nedojde ke zmenšení celkového prostoru vytlačovací hlavy. Jedná se tedy o nadstavbu, která má z hlediska výsledného objemu aditivní charakter.

Průmyslová využitelnost

Vytlačovací hlava s inertní výstupní štěrbinou podle vynálezu je určena k použití pro celé spektrum rozměrů i tvarů průřezu výstupní štěrbiny, která může být podle požadavků dané aplikace opatřena i vhodnou povrchovou úpravou. Konstrukci této vytlačovací hlavy lze tedy použít jak pro technologie s výstupními štěrbinami běžných rozměrů, tak pro nanotechnologie. Vytlačovací hlava podle vynálezu je navíc dobře využitelná v geometrii inertní výstupní štěrbiny s tzv. nulovou délkou, kdy se současně dosahuje eliminace tlakové ztráty vznikající v důsledku smykového toku, a tedy zvýšení přesnosti stanovení pevnostních a tahových charakteristik polymemích tavenin při extrémně vysokých deformačních rychlostech. Tento faktor je klíčový pro optimalizaci a vývoj polymemích materiálů, určených pro výrobu mikro- a nanoproduktů pomocí pokročilých technologií, jako například meltblown či 3D tisk.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

E Vytlačovací hlava s inertní výstupní štěrbinou, zejména pro vysoké výstupní rychlosti polymemích tavenin , vyznačující se tím, že výstupní štěrbina (1) vytlačovací hlavy je vymezena segmenty (2, 2', 2”, 2'”) uloženými v pouzdru (3) a navzájem k sobě těsně přiléhajícími svými dělicími plochami (4) tak, že takto vytvořený celek ponechává ve své centrální oblasti průchozí výstupní štěrbinu (1) se souvislým povrchem, a současně dělicí plochy (4, 4') ležící v různých dělicích rovinách (5, 5', 5”, 5”') jsou vůči sobě orientovány tak, že jednotlivé dělicí roviny (5, 5', 5”, 5'”) se navzájem protínají v centrální oblasti tvořící průchozí výstupní štěrbinu (1).5, 5', 5”, 5'” se navzájem protínají v centrální oblasti tvořící průchozí výstupní štěrbinu 1.
2. Vytlačovací hlava s inertní výstupní štěrbinou pro vysoké výstupní rychlosti taveniny podle nároku 1, vyznačující se tím, že povrch výstupní štěrbiny (1) je opatřen povrchovou úpravou.
3. Vytlačovací hlava s inertní výstupní štěrbinou pro vysoké výstupní rychlosti taveniny podle nároku 1, vyznačující setím, že výstupní štěrbina (1) má ve směru kolmém na směr toku taveniny plochu průřezu S v rozmezí 1 nm² až 10 mm².
4. Vytlačovací hlava s inertní výstupní štěrbinou pro vysoké výstupní rychlosti taveniny podle nároku 1, vyznačující se tím, že výstupní štěrbina (1) je vymezena dvěma tvarově shodnými segmenty (2, 2').
5. Vytlačovací hlava s inertní výstupní štěrbinou pro vysoké výstupní rychlosti taveniny podle nároku 1, vyznačující se tím, že výstupní štěrbina (1) má průřez S kruhového tvaru.

4 výkresy