Extrusoras de pellets: É possível misturar directamente pellets com aditivos?

A impressão com pellets, também conhecida como fabricação de granulado fundido (FGF), se associa sobretudo ao moldo por injeção, mas também se utiliza largamente na impressão 3D FDM, especialmente em condições profissionais ou industriais. Permite ao utente criar misturas personalizadas baseadas no polímero base eleito e nos aditivos, todo isso em forma de gránulos. O FGF é a metodologia ideal para a impressão e a criação de protótipos de grande formato, bem como para a fabricação do próprio filamento. A impressão 3D com pellets requer uma impressora 3D equipada com uma tremonha de pellets e um extrusor de pellets, como o extrusor de pellets de alto fluxo Dyze Pulsar, que é compatível com a maioria das impressoras 3D a larga escala ou se instala em braços robóticos.

A impressão 3D com pellets oferece numerosas vantagens. Os custos de produção são significativamente menores (entre um 60 e um 90 %) em comparação com a impressão 3D com filamento, já que os pellets estão mais disponíveis e são menos processados que o filamento, o que reduz o seu custo e tempo de produção. Além disso, o FGF permite o uso de materiais reciclados, e é adequado para a impressão de grande formato, como os trabalhos de construção. Um grande exemplo de extrusor de pellets incorporado a uma equipa de AM a larga escala é o robô extrusor de pellets que faz parte do sistema CEAD Flexbot.

Imagem 1. Impressão 3D de grande formato em pellets com o CEAD AM Flexbot. Fonte: CEAD.

Aditivação (compounding)

Uma prática muito habitual na indústria do plástico é o compounding de plásticos. Consiste em misturar polímeros fundidos com diversos aditivos para conseguir propriedades termomecánicas melhoradas ou avançadas. A seguir, a mistura converte-se em um extruido (fios de plástico), se enfría e passa ao granulador, que trocea o extruido em pellets. O compounding de plástico é uma grande maneira de melhorar as propriedades do material de impressão 3D.

Imagem 2. Uma amostra de um masterbatch PETG. Fonte: Dyze Design.

Faz-se acrescentando um masterbatch de cor para alterar a cor do polímero, ou um masterbatch de aditivos para melhorar o rendimento termomecánico do plástico (melhor imprimibilidad, maior fluidez ou maior rigidez) ou dar-lhe propriedades especiais. Algumas das propriedades que podem conseguir mediante a mistura de pellets são:

• Resistência e flexibilidade: os polímeros podem misturar-se com fibra de carbono ou de vidro para melhorar as propriedades termomecánicas.
• Tolerância aos raios UV: a degradação do plástico pode reduzir-se acrescentando à mistura compostos que protejam da radiação UV.
• Aditivos de segurança alimentária: deve garantir-se que os plásticos destinados a entrar em contacto com os alimentos sejam seguros para esse fim. deve garantir-se que os plásticos destinados a entrar em contacto com os alimentos sejam seguros para esse fim.
• Características antimicrobianas: os compostos de plástico também se utilizam para fazer misturas que inhiben o crescimento de gérmenes na superfície do plástico, uma característica extremamente importante em medicina.
• Ignífugo: alguns polímeros estão enriquecidos com substâncias que impedem ou inhiben a propagación do fogo, uma qualidade muito útil na indústria automobilística ou aeroespacial.
• Detecção magnética: é possível misturar gránulos de polímero com pellets detectables magneticamente para conseguir um filamento detectable magneticamente.
• Proteção ESD: a mistura de pellets seguros para ESD com uma base de polímero dará como resultado um material seguro para ESD.
• Cor: o composto de plástico permite uma mistura de cores praticamente ilimitada.

As empresas profissionais encarregam-se da composição com a ajuda de equipas especializados, como co-amasadores, parafusos gémeos (co-rotação e contra-rotação) e misturadores internos para garantir a mistura adequada dos polímeros e os aditivos. O resultado deste processo são pellets que estão prontos para ser utilizados em uma impressora 3D equipada com uma extrusora de pellets.

Mistura de pellets

A mistura dos gránulos realiza-se mediante os parafusos misturadores mencionados anteriormente. Um parafuso misturador tem três zonas diferentes, a cada uma com um papel que desempenhar no processo de mistura:

1. A zona de alimentação, através da qual os pellets são transportados pela extrusora.
2. A zona de transição (compressão), onde o ar é removido da mistura de pellets à medida que aquece e derrete.
3. A zona de medição, cuja tarefa é aumentar a pressão e estabilizar o fluxo de saída.

Existem variações do modelo anterior, com parafusos com secções de medição alteradas, como o parafuso Maddock, para melhorar ainda mais a mistura e a homogeneização da massa fundida.

Imagem 3. Tipos de parafusos misturadores, com as secções de (1) alimentação, (2) de transição, (3) de ventilação e (4) de medição. Fonte: Dyze Design.

A secção de mistura adicional na secção de medição do parafuso tem os seus inconvenientes (requisitos de par de torção, aquecimento devido aos movimentos de cizallamiento adicionais) e o rendimento do parafuso e inclusive a produção podem ver-se afetados.

O melhor tipo de parafuso para misturar pellets de plástico é um parafuso gémeo. É a solução mais utilizada na mistura de plásticos. Um exemplo de parafuso duplo seria o de dois parafusos interligados que giram conjuntamente no interior de um barril fechado para garantir a mistura adequada da massa fundida e um resultado homogéneo.

Vídeo 1. Uma simulação de compounding com um sistema de extrusão de parafusos gémeos. Fonte: EnginSoftSpa.

A vantagem de uma extrusora de duplo parafuso sobre uma extrusora de um só parafuso é que em um sistema de extrusão com dois parafusos, o bom fluxo do material não depende das propriedades de fluxo do material, já que dois parafusos aumentam a eficiência de bombeo. Além disso, em um sistema de extrusão de dois parafusos, a transição de calor do barril ao material é mais uniforme e rápida que em um sistema de um só parafuso.

Alguns parafusos não contêm a secção de mistura para reduzir o peso e a longitude do parafuso. Um exemplo de extrusora de pellets cujo parafuso não contém a secção de mistura, seria a Extrusora de Pellets Dyze Pulsar. A Pulsar tem um mecanismo especial de antidifusión acrescentado cerca da boquilha. Esta adição melhora significativamente a mistura ao acrescentar uma trajetória de mistura e uma separação fixa à massa fundida justo antes de que passe pela boquilha. Aparte do mecanismo de anti-congelação, a Pulsar tem um bom cizallamiento no próprio parafuso.

Vídeo 2: A extrusora de pellets Dyze Pulsar em funcionamento. Fonte: Dyze Design.

Estas duas características combinadas compensam a falta da etapa de mistura no parafuso, e asseguram a correta homogeneização da mistura de polímeros. Um experimento no que se utilizou a extrusora de pellets Dyze Pulsar, um masterbatch de pellets de PETG e um 1,6 % de pellets de cor deu um resultado satisfatório, com uma excelente consistência de cor e homogeneidade do material.

Imagem 4: Um experimento com a extrusora de pellets Dyze Pulsar, um masterbatch de pellets de PETG e 1,6 % de pellets de cor. Fonte: Dyze Design.

O compounding de plásticos mediante a mistura de pellets é uma tecnologia que não só permite aos fabricantes de média e larga escala reduzir o tempo e o custo de produção, senão também ter um maior controlo sobre a mistura de polímeros para aplicações específicas, já que se podem criar pellets e filamentos especializados a partir de pellets de plástico como base e uma adição de um masterbatch de cor ou aditivo.