Extrusores de pellets: ¿Es posible mezclar pellets con aditivos directamente?

La impresión 3D de pellets, también conocida como fabricación mediante granulado fundido (FGF), se asocia sobre todo al moldeo por inyección, pero también se utiliza ampliamente en la impresión 3D FDM, especialmente en condiciones profesionales o industriales. Permite al usuario crear mezclas personalizadas basadas en el polímero base elegido con aditivos, todo ello en forma de gránulos. El FGF es la metodología ideal para la impresión 3D de gran formato y la creación de prototipos, así como para 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, que es compatible con la mayoría de las impresoras 3D de gran escala o se instala en brazos robóticos.

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

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

Aditivación (compounding)

Una práctica muy habitual en la industria del plástico es el compounding de plásticos. Consiste en mezclar polímeros fundidos con diversos aditivos para conseguir propiedades termomecánicas mejoradas o avanzadas. A continuación, la mezcla se convierte en un extruído (hilos de plástico), se enfría y se pasa al granulador, que trocea el extruído en pellets. El compounding de plástico es una gran manera de mejorar las propiedades del material de impresión 3D.

Imagen 2. Una muestra de un masterbatch de PETG. Fuente: Dyze Design.

Se hace añadiendo un masterbatch de color para alterar el color del polímero, o un masterbatch de aditivos para mejorar el rendimiento termomecánico del plástico (mejor imprimibilidad, mayor fluidez o mayor rigidez) o darle propiedades especiales. Algunas de las propiedades que pueden conseguirse mediante la mezcla de pellets son:

• Resistencia y flexibilidad: los polímeros pueden mezclarse con fibra de carbono o de vidrio para mejorar las propiedades termomecánicas.
• Tolerancia a los rayos UV: la degradación del plástico puede ralentizarse añadiendo a la mezcla compuestos que protejan de la radiación UV.
• Aditivos de seguridad alimentaria: debe garantizarse que los plásticos destinados a entrar en contacto con los alimentos sean seguros para ese fin.
• Características antimicrobianas: los compuestos de plástico también se utilizan para hacer mezclas que inhiben el crecimiento de gérmenes en la superficie del plástico, una característica extremadamente importante en medicina.
• Ignífugo: algunos polímeros están enriquecidos con sustancias que impiden o inhiben la propagación del fuego, una cualidad muy útil en la industria automovilística o aeroespacial.
• Detección magnética: es posible mezclar gránulos de polímero con pellets detectables magnéticamente para conseguir un filamento detectable magnéticamente.
• Protección ESD: la mezcla de pellets seguros para ESD con una base de polímero dará como resultado un material seguro para ESD.
• Color: el compuesto de plástico permite una mezcla de colores prácticamente ilimitada.

Las empresas profesionales se encargan de la composición con la ayuda de equipos especializados, como co-amasadores, tornillos gemelos (co-rotación y contra-rotación) y mezcladores internos para garantizar la mezcla adecuada de los polímeros y los aditivos. El resultado de este proceso son pellets que están listos para ser utilizados en una impresora 3D equipada con una extrusora de pellets.

Mezclado de pellets

La mezcla de los gránulos se realiza mediante los tornillos mezcladores mencionados anteriormente. Un tornillo mezclador tiene tres zonas diferentes, cada una con un papel que desempeñar en el proceso de mezcla:

1. La zona de alimentación, a través de la cual los pellets son transportados por la extrusora.
2. La zona de transición (compresión), donde se elimina el aire de la mezcla de pellets mientras se calienta y funde.
3. La zona de medición, cuya tarea es aumentar la presión y estabilizar el flujo de salida.

Existen variaciones del modelo anterior, con tornillos con secciones de medición alteradas, como el tornillo Maddock, para mejorar aún más la mezcla y la homogeneización de la masa fundida.

Imagen 3. Tipos de tornillos mezcladores, con las secciones (1) de alimentación, (2) de transición, (3) de ventilación y (4) de medición. Fuente: Dyze Design.

La sección de mezcla adicional en la sección de medición del tornillo tiene sus inconvenientes (requisitos de par de torsión, calentamiento debido a los movimientos de cizallamiento adicionales) y el rendimiento del tornillo e incluso la producción pueden verse afectados.

El mejor tipo de tornillo para mezclar pellets de plástico es un tornillo gemelo. Es la solución más utilizada en la mezcla de plásticos. Un ejemplo de tornillo doble sería el de dos tornillos interconectados que giran conjuntamente en el interior de un barril cerrado para garantizar la mezcla adecuada de la masa fundida y un resultado homogéneo.

Vídeo 1. Una simulación de compounding con un sistema de extrusión de tornillos gemelos. Fuente: EnginSoftSpa.

La ventaja de una extrusora de doble tornillo sobre una extrusora de un solo tornillo es que en un sistema de extrusión con dos tornillos, el buen flujo del material no depende de las propiedades de flujo del material, ya que dos tornillos aumentan la eficiencia de bombeo. Además, en un sistema de extrusión de dos tornillos, la transición de calor del barril al material es más uniforme y rápida que en un sistema de un solo tornillo.

Algunos tornillos no contienen la sección de mezcla para reducir el peso y la longitud del tornillo. Un ejemplo de extrusora de pellets cuyo tornillo no contiene la sección de mezcla, sería la Extrusora de Pellets Dyze Pulsar. Pulsar tiene un mecanismo especial de antidifusión añadido cerca de la boquilla. Esta adición mejora significativamente la mezcla al añadir una trayectoria de mezcla y una separación fija a la masa fundida justo antes de que pase por la boquilla. Aparte del mecanismo de anti-congelación, Pulsar tiene un buen cizallamiento en el propio tornillo.

Vídeo 2. La extrusora de pellets Dyze Pulsar en funcionamiento. Fuente: Dyze Design.

Estas dos características combinadas compensan la falta de la etapa de mezcla en el tornillo, y aseguran la correcta homogeneización de la mezcla de polímeros. Un experimento en el que se utilizó la extrusora de pellets Dyze Pulsar, un masterbatch de pellets de PETG y un 1,6 % de pellets de color, dio un resultado satisfactorio, con una excelente consistencia de color y homogeneidad del material.

Imagen 4: Un experimento con la extrusora de pellets Dyze Pulsar, un masterbatch de pellets de PETG y 1,6 % de pellets de color. Fuente: Dyze Design.

El compounding de plásticos mediante la mezcla de pellets es una tecnología que no sólo permite a los fabricantes de mediana y gran escala reducir el tiempo y el coste de producción, sino también tener un mayor control sobre la mezcla de polímeros para aplicaciones específicas, ya que se pueden crear pellets y filamentos especializados a partir de pellets de un polímero base y la adición de un masterbatch de color o aditivo.