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Master's Dissertation
DOI
Document
Author
Full name
Joaquim Manoel Justino Netto
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Carlos, 2017
Supervisor
Committee
Silveira, Zilda de Castro (President)
Antonialli, Armando Italo Sette
Chinelatto, Marcelo Aparecido
Title in Portuguese
Projeto de uma miniextrusora dupla-rosca corrotativa vertical para aplicação em Manufatura Aditiva
Keywords in Portuguese
Cabeçote intercambiável
Extrusão dupla-rosca
Impressão 3D
Projeto de rosca
Abstract in Portuguese
O objetivo deste trabalho é avaliar a viabilidade técnica do desenvolvimento de uma miniextrusora dupla-rosca corrotativa que, além de processar a matéria-prima, possa exercer a função de um cabeçote de impressão 3D. Os avanços tecnológicos na área da manufatura relacionados à impressão 3D têm gerado grande entusiasmo nos últimos 10 anos, na medida em que possibilitam a fabricação de formas geométricas de alta complexidade diretamente a partir de arquivos digitais, agilizando a cadeia de produção e reduzindo custos de ferramental associados. Apesar das inúmeras vantagens, a Manufatura Aditiva (MA) ainda é uma tecnologia em desenvolvimento e, portanto, apresenta desafios para que possa realmente atender às novas demandas criadas pela comunidade científica e industrial, muitos deles relacionados com a busca por novos materiais de impressão, com a melhoria dos materiais utilizados, das estratégias de deposição visando menor tempo de fabricação e maior precisão dimensional e com a ausência de padronização para os processos. As tendências no desenvolvimento de materiais para as técnicas de MA por extrusão apontam tanto para a elaboração de compósitos de matriz polimérica e blendas capazes de conferir propriedades mecânicas mais apropriadas às impressões e/ou proporcionar novas funcionalidades, quanto para o desenvolvimento de sistemas que possibilitem a deposição de matérias-primas diferenciadas ou a incorporação de soluções de pós-processamento para compor sistemas híbridos de manufatura. Nesse contexto, a principal motivação deste trabalho é a ausência de um equipamento para produção de compósitos poliméricos e blendas a partir pequenas quantidades de material em pó (cerca de 200 g) e que também seja capaz de estruturar objetos tridimensionais por meio da deposição de camadas sucessivas de material fundido. A fim de obter o conjunto de parâmetros geométricos e operacionais fundamentais para a definição e avaliação da miniextrusora dupla-rosca, houve a necessidade de se desenvolver um procedimento sistemático integrando conceitos de projeto de máquinas, processo de extrusão dupla-rosca e reologia aplicados ao contexto da MA. O método de projeto resultante considera requisitos funcionais e restrições geométricas específicas, conciliando a necessidade de manter uma folga constante entre as roscas com a desejada ação de autolimpeza obtida por meio da interpenetração das mesmas. A capacidade de processar o material viscoso com o torque fornecido às roscas, requisito crítico a ser atendido, foi avaliada teoricamente para o ABS (acrilonitrila butadieno estireno) virgem e validada experimentalmente para três sistemas baseados em ABS com auxílio de um reômetro de torque. Ao final do estudo, foi obtido um modelo geométrico virtual de dimensões reduzidas (69,6x75x201 mm) e na sequência foi construído um mock-up com auxílio da impressão 3D para avaliação das tolerâncias dimensionais, cinemática e funcionalidades básicas do conjunto. Estima-se que a miniextrusora projetada, operando a 10 rpm, seja capaz de processar até 0,2 kg/h e gerar 60% do calor necessário para a fusão (ABS), mostrando-se viável para aplicação como cabeçote intercambiável de impressão 3D destinado à pesquisa de novos materiais para MA.
Title in English
Design of a mini vertical co-rotating twin-screw extruder for applications in Additive Manufacturing
Keywords in English
3D printing
Interchangeable printhead
Screw design
Twin-screw extrusion
Abstract in English
The objective of this document is accessing the development feasibility of a mini co-rotating twin-screw extruder capable of mixing different materials and performing the function of 3D printhead. The technological progress in the manufacturing context related to 3D printing have generated great enthusiasm in the last 10 years, as it enables fabricating complex geometric shapes directly from digital files, speeding up production chain and reducing associated tooling costs. Despite the many advantages, Additive Manufacturing (AM) is still an emerging technology and must overcome challenges to effectively meet the new demands created by scientific and industrial communities, many of them related to the search for new building materials, improving current materials and deposition strategies, in order to achieve faster fabrication and increased dimensional precision, as well as the lack of process standardization. Tendencies towards material development to AM techniques based in extrusion points to the formulation of different polymer matrix composites and blends capable of imparting more appropriate mechanical properties to the 3D prints and/or provide new functionalities, as well as to the development of systems capable of depositing special raw materials or to the incorporation of post processing solutions composing hybrid manufacture systems. In that context, the main motivation for this work is the lack of an equipment for producing polymer composites and blends from small amounts of powder material (about 200 g) that is also capable of structuring three-dimensional objects depositing successive layers of fused material. In order to obtain the fundamental geometric and operational parameters set to define and access the mini twin-screw extruder, it was necessary to develop a systematic procedure integrating concepts from machine design, twin-screw extrusion and rheology applied to the AM context. The resulting design method considers specific functional requisites and geometric constraints, conciliating the need for a constant clearance between the screws and the desired self-cleaning action obtained with closely intermeshing screws. The capacity to process viscous material with the torque provided to the screws, a critical requisite to be met, was theoretically evaluated considering ABS resin (acrylonitrile butadiene styrene) and experimentally validated to three polymer systems based in ABS with a torque rheometer. At the end of the study, a virtual geometric model with reduced dimensions (69.6x75x201 mm) was obtained and then a mock-up was 3D printed in order to evaluate dimensional tolerances, cinematics and basic functionalities. It is estimated that the mini twin-screw extruder designed is able to process up to 0.2 kg/h running at 10 rpm and generate 60% of the heat necessary to melt the polymer (ABS), showing to be feasible to its application as an interchangeable 3D printhead for research of new materials in AM.
 
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Publishing Date
2019-07-05
 
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