Estrusori per granuli: È possibile miscelare direttamente i granuli con additivi?

La stampa 3D a pellet, nota anche come fabbricazione di granuli fusi (FGF), è principalmente associata allo stampaggio ad iniezione, ma è anche ampiamente utilizzata nella stampa 3D FDM, specialmente in condizioni professionali o industriali. Consente all'utente di creare mischie personalizzate basate sul polimero di base scelto con additivi, il tutto sotto forma di granuli. Il FGF è la metodologia ideale per la stampa 3D di grandi dimensioni e la creazione di prototipi, così come per la produzione del proprio filamento. La stampa 3D con pellet richiede una stampante 3D dotata di un'unità di alimentazione di pellet e un estrusore di pellet, come l'estrusore di pellet ad alto flusso Dyze Pulsar, che è compatibile con la maggior parte delle stampanti 3D di grande formato o può essere installato su bracci robotici.

La stampa 3D con pellet offre numerosi vantaggi. I costi di produzione sono significativamente inferiori (tra il 60% e il 90%) rispetto alla stampa 3D con filamento, poiché i pellet sono più disponibili e il materiale è meno elaborato rispetto al filamento, riducendo così il costo e il tempo di produzione. Inoltre, il FGF consente l'uso di materiali riciclati ed è adatto per la stampa 3D di grandi dimensioni, come i lavori di costruzione. Un ottimo esempio di estrusore di pellet incorporato in un sistema di produzione in scala è il robot estrusore di pellet che fa parte del sistema CEAD Flexbot.

Immagine 1. Stampa 3D di grandi dimensioni con CEAD AM Flexbot. Fonte: CEAD.

Additivazione (compounding)

Una pratica comune nell'industria della plastica è il compounding dei polimeri. Consiste nel mescolare polimeri fusi con vari additivi per ottenere proprietà termomeccaniche migliorate o avanzate. Successivamente, la miscela diventa un estruso (fili di plastica), si riscalda e si trasforma in granuli tramite il granulatore. Il compounding della plastica è un ottimo modo per migliorare le proprietà del materiale per la stampa 3D.

Immagine 2. Un campione di masterbatch di PETG. Fonte: Dyze Design.

Questo viene fatto aggiungendo un masterbatch di colore per modificare il colore del polimero o un masterbatch di additivi per migliorare le prestazioni termomeccaniche della plastica (migliore stampabilità, maggiore fluidità o maggiore rigidità) o conferire proprieta speciali. Alcune delle proprietà che possono essere ottenute attraverso la miscelazione di pellet sono:

• Resistenza e flessibilità: i polimeri possono essere miscelati con fibre di carbonio o vetro per migliorare le proprietà termomeccaniche.
• Resistenza ai raggi UV: la degradazione della plastica può essere rallentata aggiungendo composti alla miscela che proteggono dai raggi UV.
• Additivi per sicurezza alimentare: è necessario garantire che le plastiche destinate al contatto con gli alimenti siano sicure per questo scopo.
• Caratteristiche antimicrobiche: i composti plastici vengono utilizzati anche per creare miscele che inibiscono la crescita dei germi sulla superficie della plastica, una caratteristica estremamente importante nella medicina.
• Ignifughi: alcuni polimeri sono arricchiti con sostanze che impediscono o ritardano la propagazione del fuoco, una qualità molto utile nell'industria automobilistica o aerospaziale.
• Rilevazione magnetica: è possibile mescolare granuli di polimero con pellet rilevabili magneticamente per ottenere un filamento rilevabile magneticamente.
• Protezione ESD: la miscela di pellet sicuri ESD con una base di polimero darà come risultato un materiale sicuro per ESD.
• Colore: il composto plastico consente una miscela di colori praticamente illimitata.

Le aziende specializzate si occupano della composizione con l'aiuto di attrezzature specializzate come co-estrusori, viti gemelle (rotazione e contro-rotazione) e mescolatori interni per garantire la giusta miscelazione di polimeri e additivi. Il risultato di questo processo sono pellet pronti per l'uso in una stampante 3D dotata di un estrusore di pellet.

Miscelazione di pellet

La miscelazione dei granuli avviene tramite le viti miscelatrici menzionate in precedenza. Una vite miscelatrice ha tre diverse zone, ognuna con un ruolo nel processo di miscelazione:

1. Zona di alimentazione, attraverso la quale i pellet vengono trasportati attraverso l'estrusore.
2. Zona di transizione (compressione), dove l'aria viene espulsa dalla miscela di pellet mentre questa si riscalda e fonde.
3. Zona di misurazione, la cui funzione è aumentare la pressione e stabilizzare il flusso in uscita.

Esistono varianti del modello sopra descritto, con viti con sezioni di misurazione modificate, come la vite Maddock, per migliorare ulteriormente la miscelazione e l'omogeneizzazione del materiale fuso.

Immagine 3. Tipi di viti mescolatrici, con le sezioni (1) di alimentazione, (2) di transizione, (3) di ventilazione e (4) di misurazione. Fonte: Dyze Design.

La sezione di miscelazione aggiuntiva nella sezione di misurazione della vite ha i suoi svantaggi (requisiti di coppia di torsione, riscaldamento dovuto ai movimenti di taglio aggiuntivi) e le prestazioni della vite e persino la produzione possono essere influenzate.

Il miglior tipo di vite per la miscelazione di pellet di plastica è una vite gemella. È la soluzione più comune per la miscelazione della plastica. Un esempio di vite gemella sarebbe due viti interconnesse che ruotano insieme all'interno di un barile chiuso per garantire la giusta miscelazione della massa fusa e un risultato omogeneo.

Video 1. Simulazione di compounding con sistema a vite gemelle. Fonte: EnginSoftSpa.

Il vantaggio di un estrusore a doppia vite rispetto a un estrusore a vite singola è che in un sistema di estrusione a due viti, il flusso del materiale non dipende dalle proprietà di flusso del materiale stesso, poiché le due viti aumentano l'efficienza della pompa. Inoltre, in un sistema di estrusione a due viti, la transizione termica dal barile al materiale è più uniforme e veloce rispetto a un sistema a vite singola.

Alcune viti non contengono la sezione di miscelazione per ridurre peso e lunghezza della vite stessa. Un esempio di estrusore a pellet il cui vite non contiene la sezione di miscelazione è l'Estrusore di pellet Dyze Pulsar. Pulsar ha un meccanismo speciale anti-diffusione aggiunto vicino all'ugello. Questa aggiunta migliora notevolmente la miscelazione aggiungendo un percorso di miscelazione e una separazione fissa alla massa fusa proprio prima che passi attraverso l'ugello. Oltre al meccanismo anti-congelamento, Pulsar ha una buona azione di taglio nella vite stessa.

Video 2. Estrusore di pellet Dyze Pulsar in azione. Fonte: Dyze Design.

Queste due caratteristiche combinate compensano l'assenza della fase di miscelazione nella vite e garantiscono la corretta omogeneizzazione della miscela di polimeri. Un esperimento utilizzando l'estrusore di pellet Dyze Pulsar, un masterbatch di pellet di PETG e il 1,6% di pellet colorati, ha dato risultati soddisfacenti, con un'ottima coerenza del colore e omogeneità del materiale.

Immagine 4. Un esperimento con l'estrusore di pellet Dyze Pulsar, un masterbatch di pellet di PETG e 1,6% di pellet colorati. Fonte: Dyze Design.

Il compounding della plastica tramite la miscelazione di pellet è una tecnologia che consente non solo a produttori di medio e grande formato di ridurre il tempo e il costo di produzione, ma anche di avere un maggiore controllo sulla miscela di polimeri per applicazioni specifiche, in quanto è possibile creare pellet e filamenti specializzati dai pellet di un polimero base e l'aggiunta di un masterbatch di colore o additivo.