Projeto integrador I - Pesquisa em Estética

Extrusora de

Filamento para Reciclagem de PLA

	Gabriel Luiz Felipe [e-mail] Iago Matos [e-mail] Mizael Lude Neves [e-mail] Otavio Angeli [e-mail]
	Equipe de Projeto Integrador II
	Instituto Federal de Santa Catarina
	Joinville, Santa Catarina, Brasil.

        Resumo - Neste artigo, considera-se como resultado de pesquisas sobre reciclagem de PLA para impressoras 3D e da construção de um protótipo capaz de reciclar o material rejeitado de impressões, através da reextrusão do próprio. Para efeito de testes práticos, foi preferível o uso de um material granulado doado, para redução de despesas e por estar em conformidade com o necessário a ser utilizado nos testes. Por fim, o PLA reciclado foi testado e comparado com o produto comercial.

        Palavras-chaves - Impressão 3D. Extrusão. PLA. Reciclagem. Projeto Integrador.

I.  Introdução

                  Na prática de impressão tridimensional (impressão 3D), o material de impressão mais comum é o plástico, mais precisamente ABS (acrilonitrila butadieno estireno) e o PLA (poliácido láctico). (SCULPTEO, 2018). No estudo em análise, o material utilizado é o PLA por questões de baixo custo do material, alta rigidez e propriedades biodegradáveis.
         Ao utilizar uma impressora 3D, uma grande quantidade de plástico é desperdiçada. Fontes de descarte mais comuns são durante testes de material, suportes para impressões mais complexas e peças defeituosas. Talvez, isoladamente, as quantidades pareçam mínimas, mas a quantidade de material descartado pode tornar-se considerável rapidamente. É por considerar as quantidades que até então iriam para o lixo, que surgiu o interesse de elaborar um estudo preciso, para a reciclagem do PLA.
         O projeto consiste na construção de uma extrusora para a reciclagem e uso do PLA, na forma de filamento com 1,75mm de diâmetro, mais comum nas impressoras 3D. O processo é possível pela condução de um fuso preso a um motor e o aquecimento do material entre a temperatura de transição vítrea e de fusão do PLA.   Objetivos secundários são a adaptação para reciclagem do ABS e a comparação das propriedades mecânicas do material reciclado com produtos comerciais.
         Os materiais poliméricos respondem a tratamentos térmicos que produzem alterações estruturais e de suas propriedades (CALLISTER, 2000). Dessa forma, dois aspectos fundamentais para uma boa extrusão do material seriam a temperatura específica para fusão do material estudado, haja vista que se trata de um polímero que possui uma temperatura de fusão diferente comparado a outro polímero e a pressão que esse material fundido irá sofrer no momento da extrusão. Para a construção da extrusora, foi necessário integrar conhecimentos específicos, fluxo de calor e equação da continuidade para fluidos, na questão de extrusão. Para o controle dos motores, programação em C, microcontroladores e elementos de eletrônica analógica são usados para confeccionar uma placa de controle capaz de gerenciar os motores. Usando equipamentos de ensaio de tração e compressão, foi possível calcular as diferenças em relação a propriedades mecânicas, usando como referência o material comercial.

II.  Referencial Teórico

1. Extrusão

          O processo de extrusão é utilizado na maioria das vezes   quando se deseja modelar um dado polímero através de uma temperatura de fusão e principalmente uma força mecânica aplicada no bico extrusor. Para uma perfeita extrusão do material é necessário um controle em relação a faixa de temperatura de fusão, assim como a força aplicada por meio de uma broca serpentina fixada na ponta do eixo do motor. O transporte do material do local de despejo até o local que será feito o processo de extrusão é dado por uma ou mais brocas, isso dependerá da necessidade de aplicação de cada extrusora.  Comumente, tem-se apenas uma broca onde o diâmetro é definido de acordo com a quantidade de material que se é despejado para que seja feita a extrusão. Para o material que será reaproveitado, o mesmo precisa estar em forma triturada ou granulada, ambos em pequenas partículas para que se obtenha um melhor transporte desse material até o bico extrusor. A não conformidade desse material com relação ao diâmetro do granulado, pode ocasionar um entupimento no bico extrusor, daí a importância do ajuste ao conjunto de fatores essenciais para a reciclagem do material. Outro fator importante que deve ser levado em consideração é a velocidade do motor  responsável pelo enrolamento do material extrusado, uma vez que a velocidade deste motor seja ajustada de forma rápida, poderá ocasionar o rompimento do filamento e se a velocidade for ajustada de forma muito lenta, ocorrerá a aglomeração do filamento na estrutura da extrusora. Então, como é possível notar, o controle nesse processo de reciclagem é de extrema importância, uma vez que algum dos fatores essenciais para uma perfeita extrusão não esteja dentro dos parâmetros, ocorrerá uma falha sistêmica de todo processo.

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Figura 01: Representação esquemática do bico extrusor

Fonte: Autores

          A pressão necessária para induzir a passagem do material fundido viscoso pela matriz e pelo bico com diâmetro reduzido, é causada pela própria movimentação do filamento no estado sólido, que funciona como um êmbolo para expulsar a parte liquefeita, isto é, o próprio material granulado empurra o material fundido em direção a saída do bico extrusor, como esquematizado na Figura 01.

1. Escoamento do Fluído

          Com relação ao escoamento do PLA, tem-se uma característica de escoamento laminar, onde as partículas do fluido movem-se ao longo de trajetórias bem definidas, apresentando lâminas ou camadas. No escoamento laminar, a viscosidade age no fluido no sentido de amortecer a tendência de surgimento da turbulência. Esse escoamento ocorre geralmente a baixas velocidades e em fluidos que apresentam grande viscosidade.