ELABORAÇÃO DE PROTÓTIPO COMPACTO DE BAIXO CUSTO PARA RECICLAGEM E PARA PRODUÇÃO DE FILAMENTOS DESTINADO A IMPRESSORAS 3D DE BAIXO CUSTO

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1 ELABORAÇÃO DE PROTÓTIPO COMPACTO DE BAIXO CUSTO PARA RECICLAGEM E PARA PRODUÇÃO DE FILAMENTOS DESTINADO A IMPRESSORAS 3D DE BAIXO CUSTO MARCELO J. SIMONETTI 1, LAURO FERNANDO DE MELO 2, WELINTON CHRISTENSEN DE MELO 3, IVAN SANTOS DA SILVA 4. 1 Professor, Ms. Marcelo José Simonetti, Faculdade de Tecnologia de Tatuí, SP. mjsimonetti@yahoo.com.br 2 Tecnologo, Lauro Fernando de Melo, Faculdade de Tecnologia de Tatuí, SP. lauro.fernando@hotmail.com 3 Tecnologo, Welinton Christensen de Melo, Faculdade de Tecnologia de Tatuí, SP. weliton_even@hotmail.com 4 Tecnologo, Ivan Santos da Silva, Faculdade de Tecnologia de Tatuí, SP. ivan-santos55@hotmail.com RESUMO- A preocupação do homem em desenvolver novas soluções para atender as suas necessidades sempre foi constante. A partir daí, diversos processos industriais foram desenvolvidos, dentre eles o da extrusão, largamente utilizado na obtenção de partes industrialização de produtos automotivos, eletrônicos, metal mecânico, naval, aeronáutico entre outros. O processo consiste em basicamente comprimir o material aplicando elevadas forças, e, em alguns casos, temperatura contra uma matriz. De forma análoga, seria o mesmo efeito de uma pasta de dente forçada a sair de dentro de seu recipiente. Esse projeto tem por objetivo a elaboração de um protótipo compacto de baixo custo para reciclagem e para produção de filamentos plásticos destinados a impressoras 3D, utilizando como matéria-prima peças plásticas descartadas pelo homem que poderiam poluir o meio ambiente. Como etapa do processo de construção, o projeto foi desenvolvido utilizando-se de software 3D. A partir dos estudos realizados, foram elaborados todos os desenhos para a construção física de todas as partes envolvidas, como o bico ejetor, rosca sem fim, cilindro, estrutura de sustentação e alimentador. Para esse equipamento foi criado um painel de controle para as variáveis como temperatura da resistência e de velocidade dos motores da rosca e do extensor. Foi possível a obtenção de um protótipo capaz de produzir a partir de material reciclável a matéria prima destinada a impressoras 3D. Destaca-se ainda a construção de uma impressora 3D com capacidade de utilização dos filamentos gerados pela extrusora e comprovação de suas qualidades. Como todo insumo é de origem reciclada, foi possível obter um filamento plástico com custo bastante inferior ao praticado no mercado, com qualidade comprovada. Como resultado, evidenciam-se a eficiência do equipamento e a capacidade de reutilizar os materiais plásticos que atualmente prejudicam o meio ambiente. Palavra chave: Extrusora; Impressora 3D; Reciclagem de materiais plásticos.. 1 INTRODUÇÃO A extrusão é um processo bastante difundido nos dias atuais. É utilizado para obtenção de perfilados em geral, como persianas, forros de residências, coberturas de piscinas, entre outros muito presentes em nosso cotidiano. Os processos com máquinas extrusoras necessitam de alta demanda para que sejam minimizados seus custos de produção (RAWENDAAL, 1986). Hoje em dia, existem muitas máquinas para extrusão nas mais variadas formas e tamanhos. Nesse contexto, são obtidos os filamentos utilizados por impressoras 3D, que nada mais são que um fio com características normalmente cilíndricas e diâmetro constante que alimenta o equipamento para a realização do processo de obtenção das peças 34

2 definidas pelo cliente. A matéria prima são as resinas, ou seja, os polímeros em geral (TECNOLOGIA, 2015). Observa-se, por outro lado, que existe uma vasta quantidade de materiais plásticos que são descartados junto ao meio ambiente, gerando poluição e danos ao mesmo de uma forma geral. Ao se deparar com esse cenário, surgiu a decisão de construir uma extrusora capaz de utilizar, como matéria-prima, diversos materiais plásticos considerados por muitos como lixo. O processamento desses materiais visa à obtenção de um filamento (fio desse material plástico) com baixo custo operacional, com baixo índice de refugo, com produtividade dentro dos parâmetros pré-estabelecidos, com boa qualidade e com fácil manuseio e transporte. Dessa forma, houve o desenvolvimento de um equipamento de extrusão compacto, de baixo custo, de fácil manuseio para reciclagem de materiais plásticos como PET, PP, ABS, NYLON entre outros polímeros (MECANICA, 2015), transformando a sucata em filamentos destinados as impressoras 3D. De forma a comprovar a qualidade do material produzido pela extrusora, também houve a construção de uma impressora 3D que será utilizada para validar o produto filamento produzido na extrusora. 2 A MATÉRIA PRIMA O PLÁSTICO O nome "plástico" origina-se do grego plassein e exprime a característica dos materiais quanto à moldabilidade (mudança de forma física) por meio de alterações de condições de pressão e calor, ou por reações químicas. O plástico é composto por grandes moléculas formando as estruturas para originar produtos diversos e que estão presentes ao nosso cotidiano. O plástico é conseguido através da reação química de óleos e moldado por calor ou pressão (PLÁSTICO, 2015). Diversos tipos de resinas são comercialmente encontrados para as mais amplas aplicações, e, nos dias atuais, esses materiais estão muito presentes em nosso cotidiano, como nas peças de computadores, nos automóveis, nos eletrodomésticos entre outras aplicações. Alguns tipos de resinas, bem como suas aplicações, podem ser encontrados em sites de empresas especializadas na comercialização destes materiais (FOX, 2015). 3 A EXTRUSORA Para melhor compreender, extrudar significa empurrar ou forçar a sair. Muitos materiais são transformados pelo processo de extrusão: metais, argila, alimentos, plásticos etc. O processo de extrusão de plásticos consiste basicamente em forçar a passagem (controlada) do material granulado por dentro de um cilindro aquecido, por meio de uma ou duas roscas sem fim, que transporta, mistura, compacta e permite a retirada de gases liberados no processo. Na saída do cilindro, o material é comprimido contra uma matriz de perfil desejado, a qual dá formato ao produto, sendo esse, depois, calibrado, resfriado, cortado ou enrolado. Os principais componentes de uma extrusora são: motor elétrico (acionamento), conjunto de engrenagens redutoras (transferência de torque do motor para a rosca), cilindro, rosca, matriz, carcaça, painel de comando, resistências de aquecimento, ventiladores de resfriamento e bomba de vácuo. Os polímeros são normalmente 35

3 extrudados no estado fundido e, nesse caso, o polímero é alimentado no estado sólido, se funde e é levado à saída da extrusora (PLÁSTICO, 2015). Matéria Prima Resistência Elétrica Figura1 Esquema de funcionamento de uma extrusora (PLÁSTICO, 2015). Adaptado pelos autores 4 - IMPRESSORA 3D As impressoras 3D são máquinas de prototipagem rápida que trabalham com a adição de materiais, desenvolvidas para criar produtos inovadores no menor tempo possível, se diferenciando das máquinas convencionais. No início dessa nova tecnologia, as máquinas eram utilizadas apenas em indústrias, mas o processo se expandiu e o principal objetivo dos pesquisadores dessa área é adotar seu uso em escritórios e residências particulares. O desenvolvimento de protótipos por impressão 3D é semelhante às impressoras comuns, onde o cabeçote deposita a tinta sobre o papel, linha por linha. No sistema de impressão tridimensional, o produto é desenvolvido graficamente em 3D no software computacional e, em seguida, o modelo é convertido em coordenadas, dividindo-se em camadas, que são transferidos para a impressora em linguagem de máquina. O material de construção presente no cabeçote da impressora é depositado numa plataforma de acordo com o desenho final, formando o protótipo ou o que se deseja obter. Atualmente, esse processo pode ser replicado utilizando diversos tipos de materiais, como resinas e até mesmo materiais metálicos. (VOLPATO, 2007). Dentre as empresas pioneiras na área de impressora 3D (opensource), podemos citar a RepRap e a Makerbot. A RepRap (replicatingrapid-prototyper) foi inventada por Adrian Bowyer, engenheiro e matemático pela Universidade de Bath, UK. Funcionacom plástico aquecido para que, quando solidificado,crie objetos 3D a partir dos desenhos criados emcomputador. É importante destacar que existem vários modelos de impressora RepRap, cada qual voltada a sua melhor aplicação. 5 - METODOLOGIA Para alcançar os objetivos anteriormente citados foram realizados diversos estudos sobre o equipamento a ser desenvolvido, com auxilio de diversos livros que abordam extrusora, resinas, polímeros e processos de fabricação, para somente então definir uma dimensão do equipamento compatível aos ideais do grupo. Como este trabalho também contempla a criação de uma impressora 3D então o grupo subdividiu 36

4 este projeto em duas fases distintas, a primeira a criação de uma extrusora e a segunda fase a criação de uma impressora 3D CRIAÇÃO DA EXTRUSORA O projeto foi desenvolvido a partir de software de modelamento 3D para um correto dimensionamento das partes presentes nesse equipamento, procurando ainda manter suas características básicas como qualidade e produção do produto extrudado, bem como economia de energia e recuperação de material descartável (polímeros). Através da figura a seguir,verifica-se o projeto do conjunto modelado em 3D. Figura 2: Extrusora modelada (AUTORIA PRÓPRIA) Diversos equipamentos foram dimensionados para compor esse protótipo: um inversor de frequência, um controlador de temperatura da marca Autonics, um termopar tipo J, um motor trifásico de 235W, uma resistência do tipo abraçadeira de 200W/220V, um canhão para acomodar a rosca de30 mm com comprimento de 150 mm. Toda parte da estrutura do equipamento foi construída em metalon 20x20mm, somando ainda a diversos elementos de fixação. A estrutura da máquina está compreendida nas seguintes dimensões externas: 30x30x50cm, dotada de uma fonte ATX, um painel para acomodação dos equipamentos de controle, suporte para o motor, rosca e barril. Através da figura2, é possível observar a nomenclatura do equipamento. 37

5 Redutor 1/100 Controlador de temperatura Motor Funil Gabinete Resistência Termopar Matriz/Bico de extrusão Figura3: Extrusora montada (AUTORIA PRÓPRIA) Depois de concluído o processo de montagem, foi parametrizado o inversor de frequência e o controlador de temperatura. Destaca-se que a temperatura irá ser ajustada para cada tipo de material a ser processado na extrusora, bem como a velocidade de extrusão do filamento, buscando uma boa homogeneização do produto final. Importante destacar que, quando o equipamento utiliza-se de peças descartadas como fonte de matéria prima, essas são fragmentadas para um correto funcionamento DESENVOLVIMENTO DA IMPRESSORA 3D Como mencionado anteriormente, esse trabalho também é integrado por uma impressora 3D, que, nesse projeto, tem a finalidade de certificar que o filamento obtido pelo processo de extrusão contempla todos os parâmetros de qualidade previamente estabelecidos pelo processo de manufatura de extrusão. Para a construção da impressora 3D, foram utilizados projetos open source, distribuídos na internet de forma gratuita. No entanto, toda montagem e melhorias no equipamento foram de autoria própria. 38

6 Figura 4: Modelamento tridimensional da impressora 3D (AUTORIA PRÓPRIA) Para a montagem da impressora 3D do tipo Prusa Mendel V1.1., RepRap, foram consultados diversos sites e onde informações adicionais foram coletadas para solucionar problemas como: configuração do software de interface, ajustes nos sistemas mecânico, aquecimento correto da matéria prima. Problemas este que não foram previstos no projeto inicial, mas que foram surgindo ao longo do try out (FÓRUM ), (COMUNIDADE ), (E-VOO, 2015), (REP ). Figura 5: Impressora montada(autoria PRÓPRIA) Após a montagem completa da impressora, foi necessário parametrizar suas configurações por meio do computador. Isso para que fosse possível receber os arquivos a serem impressos como no formato STL (stereolithography). O arquivo STL descreve somente a geometria da superfície tridimensional de um objeto qualquer com representação de cor, textura ou qualquer outro atributo do modelo CAD em questão. O Software utilizado para estabelecer a comunicação entre o computador (gerador da peça a ser impressa - arquivo STL) e a própria impressora foi o 39

7 RepetierHost, responsável em gerar todos os códigos "G" para a obtenção da peça modelada. 6 RESULTADOS OBTIDOS Com a realização desse trabalho, todos os objetivos foram alcançados, destacando a possibilidade de reutilização de materiais que antes eram destinados de forma irregular junto ao meio ambiente. Com a criação da extrusora, será possível seu completo reaproveitamento para confecção de novos produtos e de peças que possam compor novos conjuntos. Destaca-se algumas peças inicialmente projetada não atendiam as necessidades previstas, surgindo então a adequação destas peças e utilizando do próprio equipamento para com a reprodução destas partes pelo próprio equipamento, ou seja a impressora 3D produziu peças novas para a própria impressora e também para a extrusora, peças como: as engrenagens, parte estrutural da impressora e extrusora, coifa do sistema de arrefecimento, entre outras peças, que melhoraram o desempenho dos conjuntos. Coifa Engrenagens Parte Estrutural Peças Figura 6: Exemplos de peças em impressão (AUTORIA PRÓPRIA) Figura 7: Sistema de controle da impressora 3D (AUTORIA PRÓPRIA) 40

8 O equipamento de extrusão elaborado com simples elementos, tornando fácil sua construção e funcionamento, com na capacidade de produzir os filamentos com qualidade e que podem ser utilizados em impressoras 3D com níveis de qualidade que excederam a previsão inicial; tudo isso devido aos elementos de controle presente neste equipamento. Destacam-se ainda que os custos praticados pelo mercado na comercialização dos filamentos destinados às impressoras 3D, são muito elevados e existe certa dificuldade quanto a sua obtenção. Com a extrusora desenvolvida, foi possível reduzir custos em até 80% e obter material a uma taxa de produção que varia entre 0,5 e 0,8kg por hora, respeitando todos os parâmetros de qualidade. Figura 8: Filamento produzido na extrusora (AUTORIA PRÓPRIA) Em testes com outros tipos de materiais, foram processados pela extrusora materiais como: PET, PP, ABS, respeitando as características técnicas de cada polímero. 7 CONCLUSÃO As impressoras 3D estão se tornando comuns juntos aos lares, criando peças com tamanhos e formas diversas, que antes eram impossíveis de serem obtidas. Porém, a maior restrição aos usuários deste tipo de equipamento é a matéria prima, que apresenta alto custo para sua aquisição. Nesse trabalho, foi possível minimizar esses custos com a elaboração da extrusora de pequena dimensão, destacando ainda que esse conjunto de processo abre uma nova rota de recuperação para os polímeros abordados, que antes poderiam ir parar na natureza sendo descartados indevidamente. REFERÊNCIAS COMUNIDADE Imprima 3D Disponível em: < Acesso em: 4 out

9 E-VOO Disponível em: <ttp:// Acesso em: 4 out FÓRUM impressora 3D - Facebook Disponível em: < Acesso em: 10 out FOX, Reciclagem. Reciclagem de produtos plastico. Disponível em: < Acesso em: 13 out MECÂNICA, Tecnologia. Processamento de plásticos. Disponível em: < disponível>. Acesso em: 10 out PLÁSTICO, Abip Associação Brasileira da Industria do. Processos de Fabricação - Extrusora. Disponível em: < Acesso em: 10 out RAWENDAAL, C. Polymer extrusion. New York: Marcel Dekker, REP RAP Disponível em: < Acesso em: 04 out TECNOLOGIA, Ciencias e. IMPRESSÃO 3D. Disponível em: < Acesso em: 11 out VOLPATO, N. Prototipagem rápida - tecnologias e aplicações. São Paulo: Edgar Blücher,