Extrusores de pellets: mezcla directa de pellets y aditivos — Lo que necesitas saber

La impresión con pellets, también conocida como fabricación por granulado fundido (FGF), se asocia principalmente al moldeo por inyección, pero también se usa ampliamente en impresión 3D FDM, especialmente en entornos profesionales o industriales. Permite al usuario crear mezclas personalizadas basadas en el polímero base y aditivos elegidos, todo en forma de pellets. La FGF es la metodología ideal para impresión de gran formato y prototipado, y la fabricación del propio filamento. La impresión 3D con pellets requiere una impresora 3D equipada con una tolva de pellets y un extrusor de pellets, como el extrusor de pellets de alto flujo Dyze Pulsar, compatible con la mayoría de impresoras 3D de gran escala o instalado en brazos robóticos.

La impresión 3D con pellets ofrece numerosas ventajas. Los costes de producción son significativamente menores (un 60-90 % menos) comparados con la impresión 3D con filamento, porque los pellets están más disponibles y son menos procesados que el filamento, lo que reduce su coste y tiempo de producción. Además, la FGF permite el uso de materiales reciclados, y es adecuada para impresión de gran formato, como trabajos de construcción. Un gran ejemplo de extrusor de pellets incorporado en equipos de fabricación aditiva a gran escala es el robot extrusor de pellets que forma parte del Sistema CEAD Flexbot.

Imagen 1. Impresión 3D de gran formato con pellets con el CEAD AM Flexbot. Fuente: CEAD.

Compuesto de plásticos (plastic compounding)

Una práctica muy común en la industria del plástico es el compuesto de plásticos (plastic compounding). Consiste en mezclar polímeros fundidos con diversos aditivos para lograr propiedades termo-mecánicas mejoradas o avanzadas. La mezcla se forma en extrudado (hilos de plástico), se enfría y pasa al granulador que trocea el extrudado en pellets. El compounding es una excelente forma de mejorar las propiedades del material de impresión 3D.

Imagen 2. Muestra de una mezcla masterbatch de PETG. Fuente: Dyze Design.

Se realiza añadiendo un masterbatch de color para alterar el color del polímero, o un masterbatch de aditivos para mejorar el rendimiento termo-mecánico del plástico (mejor imprimibilidad, mayor fluidez o mayor rigidez) u otorgarle propiedades especializadas. Algunas de las propiedades que se pueden lograr mediante la mezcla de pellets son:

• Resistencia y flexibilidad: los polímeros pueden mezclarse con fibra de carbono o fibra de vidrio para mejorar propiedades termo-mecánicas.
• Tolerancia UV: la degradación del plástico puede ralentizarse añadiendo compuestos protectores contra la radiación UV a la mezcla.
• Aditivos para seguridad alimentaria: debe asegurarse que los plásticos diseñados para contacto con alimentos sean seguros para ese fin.
• Propiedades antimicrobianas: el compounding también se usa para crear mezclas que inhiben el crecimiento de gérmenes en la superficie del plástico, característica extremadamente importante en medicina.
• Retardancia al fuego: algunos polímeros se enriquecen con sustancias que previenen o inhiben la propagación del fuego, calidad muy útil en la industria automotriz o aeroespacial.
• Detección magnética: es posible mezclar pellets de polímero con pellets detectables magnéticamente para lograr un filamento detectable magnéticamente.
• Protección ESD: mezclar pellets seguros ESD con una base de polímero resultará en un material seguro ESD.
• Color: el compounding permite una mezcla de colores prácticamente ilimitada.

El compounding lo realizan empresas profesionales con ayuda de equipos especializados como co-amasadores, husillos gemelos (co-rotantes y contra-rotantes) y mezcladores internos para asegurar la correcta mezcla de polímeros y aditivos. El resultado de este proceso son pellets listos para usar en una impresora 3D equipada con extrusor de pellets.

Mezcla de pellets

La mezcla de los pellets se realiza mediante los husillos de mezcla mencionados anteriormente. Un husillo de mezcla tiene tres zonas diferentes, cada una con un papel en el proceso de mezcla:

1. Zona de alimentación, por donde los pellets son transportados hacia abajo en el extrusor.
2. Zona de transición (compresión), donde se elimina el aire de la mezcla de pellets mientras se calienta y funde.
3. Zona de dosificación, cuya tarea es acumular presión y estabilizar el flujo de salida.

Existen variaciones del modelo anterior, con husillos con secciones de dosificación alteradas, como el husillo Maddock, para mejorar aún más la mezcla y homogenización del fundido.

Imagen 3. Tipos de husillos de mezcla, con secciones (1) Alimentación, 2) Transición, (3) Desgasificación y (4) Dosificación. Fuente: Dyze Design.

La sección de mezcla adicional en la zona de dosificación del husillo tiene sus inconvenientes (requisitos de par, calentamiento por los movimientos de cizallamiento extra) y el rendimiento del husillo e incluso la salida pueden verse afectados.

El mejor tipo de husillo para mezclar pellets de plástico es el husillo gemelo (twin screw). Es la solución más usada en compounding de plásticos. Un ejemplo de husillo gemelo serían dos husillos engranados co-rotantes dentro de un barril cerrado para asegurar la correcta mezcla del fundido y una salida homogénea.

Vídeo 1. Simulación de compounding con sistema de extrusión de husillo gemelo. Fuente: EnginSoftSpa.

La ventaja de un extrusor de husillo gemelo sobre uno de husillo simple es que en un sistema de extrusión con dos husillos, el buen flujo de material no depende de las propiedades de flujo del material, ya que dos husillos aumentan la eficiencia de bombeo. Además, en un sistema de extrusor gemelo, la transferencia de calor del barril al material es más uniforme y rápida que en un sistema de un husillo.

Algunos husillos no contienen la sección de mezcla para reducir el peso y longitud del husillo. Un ejemplo de extrusor de pellets cuyo husillo no contiene sección de mezcla sería el Extrusor de Pellets Dyze Pulsar. El Pulsar tiene un mecanismo anti-goteo especial añadido cerca del hotend. Esta adición mejora significativamente la mezcla al añadir algo de camino de mezcla y separación fija al fundido justo antes de pasar al hotend. Además del mecanismo anti-goteo, el Pulsar tiene buen cizallamiento en el propio husillo.

Vídeo 2. El Extrusor de Pellets Dyze Pulsar en acción. Fuente: Dyze Design.

Esas dos características combinadas compensan la falta de la etapa de mezcla en el husillo, y aseguran la correcta homogenización de la mezcla de polímero. Un experimento con el Extrusor de Pellets Dyze Pulsar, un masterbatch de pellets PETG y 1.6 % de pellets de color dio un resultado satisfactorio, con excelente consistencia de color y homogeneidad del material.

Imagen 4: Experimento con el Extrusor de Pellets Dyze Pulsar, masterbatch de pellets PETG y 1.6 % de pellets de color. Fuente: Dyze Design.

El compounding de plásticos mediante mezcla de pellets es una tecnología que no solo permite a fabricantes de mediana y gran escala reducir el tiempo y coste de producción, sino también tener más control sobre la mezcla de polímero para aplicaciones específicas, ya que pellets y filamentos especializados pueden crearse a partir de pellets de plástico como base y la adición de un masterbatch de color o aditivos.

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