Se você já viu um daqueles fabricantes de macarrão girar a massa no tubo e se perguntou como a fabricação de plástico funciona-bem, você não está completamente errado. A extrusão de parafuso é basicamente esse conceito, exceto que tudo está mais quente, sob mais pressão e você definitivamente não pode comer o que sai.
Por que girar é melhor que derreter (normalmente)
Aqui está a questão do plástico. Não conduz calor que valha a pena. Metal? Claro, jogue-o em uma fornalha e ele derreterá bem rápido. Mas de plástico? Essa coisa é teimosa. Você o deixa no forno tentando derretê-lo e duas coisas acontecem: a parte externa queima enquanto o interior ainda está sólido, ou você espera tanto que todo o lote se transforma em lixo.
É aí que entra o parafuso giratório e, honestamente, quem descobriu isso merece mais crédito do que provavelmente recebeu.
A parte genial não é apenas a rotação-é que o plástico se aquece sozinho. Parece estranho, certo? Mas quando você empurra pellets de plástico para frente com um parafuso giratório dentro de um cilindro apertado, todo aquele atrito entre os pellets, entre o plástico e o cilindro, entre o plástico e o próprio parafuso-tudo isso gera calor. Calor de verdade. O tipo que derrete o plástico com eficiência, sem se degradar.
Já vi caras tentarem extrudar plástico com brocas modificadas ou parafusos sem-fim em lojas de ferragens. Nunca vai bem. O plástico não derrete corretamente ou você obtém uma pasta inconsistente que entope tudo. Há ciência real nesses parafusos, mesmo que pareçam simples.
O parafuso em si (não a broca comum)
Um parafuso de extrusão adequado é longo. Tipo, muito longo em comparação com sua largura. A maioria tem algo entre 20 a 30 vezes o seu diâmetro. Isso é muita merda. Mas você precisa desse comprimento porque derreter o plástico leva tempo e distância-o material precisa para gradualmente aquecer, derreter, misturar e criar pressão à medida que desce pelo barril.
O parafuso também não é uniforme. Ele diminui. Os canais onde o plástico fica ficam mais rasos à medida que você se move da extremidade de alimentação em direção à saída. Essa compressão realiza duas funções críticas: espreme bolsas de ar e aumenta a pressão necessária para forçar o plástico derretido através de qualquer matriz ou bico que você tenha no final.
A maioria dos parafusos decentes também possui cromagem ou algum outro revestimento liso. O plástico que gruda no parafuso simplesmente gira no lugar em vez de avançar. Você quer que esse material deslize, não se apegue à vida.
E a liberação é mais importante do que você imagina. Muito espaço entre o parafuso e o cano? O plástico flui para trás em vez de para frente, matando sua produção. As extrusoras industriais mantêm tolerâncias em torno de 0,001 vezes o diâmetro do parafuso, e é por isso que custam o que custam. Um parafuso de 25 mm girando dentro de um cilindro de 25,025 mm requer muita precisão de usinagem.
Três zonas, três empregos
Zona de alimentação: entrada de material
A gravidade deixa cair os pellets do seu funil na primeira seção do parafuso, onde os canais são mais profundos. O parafuso os agarra e começa a avançar. Bastante simples, exceto quando não é.
Alguns plásticos não fluem bem. Materiais-de baixa densidade gostam de atravessar a abertura em vez de cair. Flocos reciclados-especialmente de garrafas amassadas-se comprimem com muita facilidade e podem emperrar as coisas. A temperatura também é importante aqui. Se a garganta de alimentação ficar muito quente (por exemplo, o calor retornando do barril), os pellets começam a derreter prematuramente. Então você tem um material pegajoso que não será transmitido e todo o seu processo será revertido.
Coletes de água fria ao redor da garganta de alimentação ajudam a prevenir isso. Manter a caçamba fria não é ser paranóico-é prevenir dores de cabeça.
Zona de compressão: onde a mágica acontece
É aqui que os pellets sólidos se transformam em plástico derretido. As passagens do parafuso ficam progressivamente mais rasas, comprimindo o material à medida que ele derrete. Esse derretimento acontece por causa do atrito-entre os pellets se esfregando, do plástico arrastando contra o barril, tudo gerando calor por meio de forças de cisalhamento.
Pense nisso como espalhar manteiga de amendoim fria com uma faca. No início não se move com facilidade, mas toda aquela fricção e pressão o aquece até que se espalhe suavemente. O mesmo princípio, exceto que a "manteiga de amendoim" atinge 200-300 graus dependendo do material.
A taxa de compressão-quanto mais rasa a seção de medição é comparada à seção de alimentação-precisa corresponder ao seu plástico. A maioria dos plásticos básicos funciona entre compressão 2:1 e 4:1. Muito agressivo e você gerará pressão excessiva que pode danificar o parafuso ou queimar o material. Muito gentil e você não criará pressão suficiente para empurrar seu dado de forma consistente.
Já observei extrusoras com taxas de compressão erradas lutando o dia todo. A saída aumenta e cai aleatoriamente ou o motor trava devido à contrapressão excessiva. A correspondência da geometria do parafuso com o material não é opcional.
Zona de Medição: Empurrão Final
Quando o plástico chegar à seção de medição, ele deverá estar totalmente derretido e misturado. Os canais rasos e de{1}}profundidade constante aqui fazem exatamente o que o nome sugere:-eles medem um fluxo consistente de material. Esta seção cria a pressão final necessária para forçar o derretimento através de sua matriz.
Se tudo o upstream funcionou corretamente, esta zona oferece uma saída suave e estável. Se a alimentação foi inconsistente ou a zona de compressão não derreteu totalmente o material? É aqui que você verá isso-na saída pulsante, nas oscilações de temperatura ou nos problemas de qualidade do produto final.
Os materiais se comportam de maneira diferente
Nem todos os plásticos funcionam bem com o mesmo design de parafuso. PLA e ABS? Muito indulgentes, eles funcionam na maioria dos parafusos padrão sem muito barulho. O PETG fica pegajoso e precisa de atenção no controle de temperatura ou começará a se degradar e ficar marrom.
O náilon flui como água depois de derretido, para que possa suportar uma compressão mais acentuada. TPU e outros materiais flexíveis? Pesadelos. Eles comprimem em vez de transportar, então você precisa de parafusos especialmente projetados com seções de alimentação ranhuradas para prendê-los corretamente.
Materiais preenchidos-coisas com fibras de vidro ou partículas de carbono-desgastam os parafusos rapidamente. É aí que entram os parafusos nitretados ou especialmente endurecidos. Ignore isso e você usará um parafuso cromado em meses, em vez de anos.
O equilíbrio térmico sobre o qual ninguém fala o suficiente
Aqui está algo que confunde as pessoas: os aquecedores do seu barril não estão lá para derreter o plástico. Estranho, certo? A sua principal função é evitar que o plástico arrefeça e solidifique prematuramente. A fusão em si acontece quando o parafuso realiza trabalho no material -aquecimento por cisalhamento devido a todo esse atrito e pressão.
É por isso que operar uma extrusora de parafuso muito devagar pode causar problemas. A baixa velocidade da rosca significa menos trabalho mecânico, o que significa menos aquecimento por cisalhamento. Então você depende mais dos aquecedores de barril e, de repente, volta ao problema do aquecimento condutivo que dificulta o processamento do plástico.
Por outro lado, muito rápido e você gera calor excessivo. O plástico que fica acima do seu ponto de fusão por muito tempo se degrada. Descolora, libera vapores, perde propriedades mecânicas. Todo plástico tem um tempo máximo de residência na temperatura de processamento. Exceda-o e você estará fazendo sucata.
Quando as coisas dão errado
E eles vão dar errado. As extrusoras não se importam com sua programação.
Fazendo uma ponte no funil? Geralmente significa que seu material tem características de fluxo ruins ou que você está tentando processar flocos que são muito compressíveis. As soluções vão desde o uso de um vibrador de tremonha até a mistura de material-com melhor fluidez.
Saída inconsistente? Pode estar saindo da alimentação, pode ser uma matriz parcialmente obstruída, pode haver hélices de parafuso desgastadas, deixando o material deslizar para trás. A solução de problemas exige paciência e observação.
Plástico descolorido ou queimado? Ou você está muito quente, muito lento ou tem pontos mortos no barril onde o material fica e cozinha. Pontos mortos geralmente significam acúmulo de contaminação ou parafuso danificado.
Contrapressão excessiva desligando seu motor? Taxa de compressão errada, restrição da matriz muito alta ou o plástico não derreteu completamente e você está tentando forçar a passagem de sólidos.
Segurança não é opcional
Tudo em uma extrusora em funcionamento pode machucá-lo. As superfícies do cano estão quentes o suficiente para causar queimaduras graves instantaneamente. O parafuso gira com torque suficiente para quebrar ossos se você for pego. E há pressão-muita pressão-dentro desse barril. Já vi vedações estouradas espalhando plástico derretido por uma sala.
Sempre use luvas-resistentes ao calor ao tocar em qualquer coisa perto do cano. Mantenha as mãos afastadas do parafuso e de qualquer abertura de alimentação durante a operação. Certifique-se de ter ventilação adequada porque alguns plásticos liberam gases desagradáveis na temperatura de processamento, especialmente se estiverem começando a se degradar.
As mudanças nas matrizes são particularmente perigosas. Você está trabalhando com superfícies quentes enquanto lida com plástico derretido pressurizado. Use ferramentas, não suas mãos. Espere a pressão cair. Não se apresse.
Considerações Finais
A extrusão de parafuso não é intuitiva à primeira vista. A ideia de que o plástico se aquece através da fricção, em vez de depender do aquecimento externo, parece retrógrada. Mas uma vez que você entende esse mecanismo-aquele parafuso giratório que gera forças de cisalhamento que derretem e misturam o material-todo o processo faz mais sentido.
Combine a geometria do parafuso com o seu material, controle as temperaturas para evitar derretimento ou degradação prematura, mantenha uma alimentação consistente e, o mais importante, respeite a capacidade da máquina de causar ferimentos. Faça essas coisas e você estará extrusando plástico com sucesso, seja para filamento, impressão 3D alimentada por pellets ou qualquer outro projeto que esteja realizando.
Apenas lembre-se: é tudo uma questão de rotação fazer o verdadeiro trabalho.