Una extrusora de filamento para impresión 3D
Las impresoras 3D de filamento dependen de un insumo que en 2015 se importaba. Este proyecto diseñó y construyó la máquina que lo produce: una extrusora de un solo husillo que toma gránulos de polímero, los funde y los empuja a través de una boquilla. La máquina se fabricó completa por 2,1 millones de pesos y en su primera prueba extruyó filamento de forma continua. La prueba se detuvo pronto por un problema mecánico, y el documento no reporta mediciones del filamento.
Contexto
Dentro de una extrusora ocurren tres procesos en serie. En la zona de alimentación el polímero sólido avanza por fricción contra el cilindro. En la zona de compresión se funde, por el calor de las resistencias y por el trabajo de cizalladura. En la zona de dosificación, el polímero fundido se bombea hacia la boquilla con presión estable. La geometría del tornillo determina cómo ocurre cada uno.
Diseño
El documento, de 175 páginas, desarrolla el cálculo de cada zona a partir de la teoría clásica de extrusión.
Conducción de sólidos. Para cada profundidad de canal y cada presión se calcula el ángulo de avance del material y la tasa másica. La profundidad del canal en la zona de alimentación se eligió con esas curvas y con el tamaño medido de los gránulos.
Tasa másica de conducción de sólidos en función de la profundidad del canal, para distintas relaciones de presión
Fusión y bombeo. Se usó el modelo de Tadmor para la longitud de fusión y el de flujo entre placas para la zona de dosificación.
Estructura. Se verificaron los esfuerzos en la raíz del tornillo y en el cilindro, la deflexión del tornillo en voladizo y la selección de rodamientos para la carga axial.
Modelo del tornillo con sus tres zonas
Manufactura
El tornillo se mecanizó en torno de control numérico y recibió un tratamiento térmico superficial. El cilindro tiene ranuras para los termistores y una garganta de alimentación con la geometría recomendada en la literatura. La tolva se imprimió en 3D.
Tornillo de extrusión antes y después del tratamiento térmico
El calentamiento se hace con resistencias de abrazadera a lo largo del cilindro, y un perfil con ventiladores refrigera la zona de alimentación.
Resistencias eléctricas de abrazadera
Prueba de funcionamiento
La máquina se montó con un motorreductor prestado por el laboratorio de fluidos.
Gránulos en la tolva al inicio de la prueba
Cabezal y boquilla con el material llegando al punto de extrusión
El material avanzó, se fundió y salió por la boquilla de forma continua. A los pocos segundos de extruido ya se podía manipular. La prueba se interrumpió por seguridad, porque el cilindro comenzó a girar sobre su soporte. Al desarmar la máquina se encontró además que los cables de los termistores se habían quemado.
Frente a las restricciones de diseño, el costo se cumplió, el peso fue de 19,6 kg frente a un máximo de 22,5 kg, y el largo y el ancho excedieron lo previsto por el tamaño del motorreductor disponible.
Lo que falta
No se midió el diámetro del filamento ni su variación, que es lo que determina si sirve para imprimir. Tampoco hay un sistema de enrollado ni un control de tracción, que es el mecanismo con el que una extrusora de filamento regula el diámetro. Los cálculos usan coeficientes de fricción y viscosidades tomados de la literatura, y el autor advierte que pueden diferir de los reales.
El soporte que falló se rediseñó y se fabricó dentro del mismo proyecto, y se propusieron termistores con recubrimiento de vidrio. La máquina corregida no se volvió a probar.
Relación con Robiolab
Este es un proyecto de diseño de máquinas de la etapa inicial del grupo, dentro de la línea de manufactura digital que incluye la impresora de estereolitografía. Su relación con la robótica es indirecta: controlar el material de impresión abre la posibilidad de fabricar filamentos con propiedades a la medida, por ejemplo flexibles o conductores, que son de interés para robots blandos y sensores.