BR112021003481A2

BR112021003481A2 - sistema de impressão 3d para preparar um objeto tridimensional

Info

Publication number: BR112021003481A2
Application number: BR112021003481-1A
Authority: BR
Inventors: Stephen Shields; Daniele TAMMARO; Ulla TROMMSDORFF; Claudio Walker
Original assignee: Sulzer Management Ag
Priority date: 2018-08-30
Filing date: 2019-08-26
Publication date: 2021-05-18
Also published as: EP3820667C0; CN112888542A; US20210331389A1; TW202023796A; CN112888542B; WO2020043660A1; MX2021002211A; JP7282162B2; CA3110940A1; JP2022539929A; EP3616876A1; EP3820667A1; EP3820667B1; KR20210049867A

Abstract

SISTEMA DE IMPRESSÃO 3D PARA PREPARAR UM OBJETO TRIDIMENSIONAL. A presente invenção se refere a um sistema de impressão tridimensional para preparar um objeto tridimensional feito, pelo menos parcialmente, de um polímero expandido compreendendo: i) um dispositivo de impressão (10) para preparar uma fusão de polímero expansível e para depositar um filamento do polímero expansível, em expansão ou expandido sobre uma superfície e ii) um dispositivo de movimento tridimensional para ajustar a posição do dispositivo de impressão em uma matriz tridimensional predefinida, de modo a permitir o depósito do filamento de polímero expansível, em expansão ou expandido em um momento predeterminado em uma posição precisa dentro da matriz tridimensional, em que o dispositivo de impressão compreende: a) uma seção de alimentação (16) na extremidade a montante do dispositivo de impressão b) uma seção de aquecimento (20), c) uma seção de pressurização (22), d) uma linha de fornecimento de agente de sopro (26), e) uma seção de mistura (24), f) uma seção de resfriamento (28) e g) uma seção de cabeça de impressão terminal (30) na extremidade a jusante do dispositivo de impressão incluindo uma matriz para depositar o filamento do polímero expansível, em expansão ou expandido sobre a superfície,em que a seção de mistura e) e a seção de resfriamento f) são dispostas a jusante da seção de alimentação a), da seção de aquecimento b) e da seção de pressurização c), e em que a linha de fornecimento de agente de sopro d) tem uma ou mais extremidades de descarga, que são conectadas com uma ou mais dentre a seção de pressurização c), seção de mistura e) e seção de resfriamento f).

Description

“SISTEMA DE IMPRESSÃO 3D PARA PREPARAR UM OBJETO TRIDIMENSIONAL”

[0001] A presente invenção se refere a um sistema de impressão tridimensional para preparar um objeto tridimensional feito, pelo menos parcialmente, de um polímero expandido, como de espuma de poliestireno, assim como a um método para preparar um objeto tridimensional feito, pelo menos parcialmente, de um polímero expandido.

[0002] Os polímeros expandidos, isto é, espumas de polímero, são estruturas celulares, que são caracterizadas por uma densidade baixa. As espumas são divididas em espumas de célula fechada, espumas de célula aberta, espumas de células mistas e espumas integrais. Embora as espumas de célula fechada compreendam células, que são completamente circundadas pelo material de polímero sólido e que são preenchidas com gás, as células de espumas de célula aberta não são completamente circundadas pelo material de polímero sólido e, portanto, interconectadas uma à outra. Por isso, as espumas de célula aberta podem absorver líquido, como água, enquanto as espumas de célula fechada não podem. As espumas de células mistas compreendam células abertas, assim como células fechadas, enquanto espumas integrais têm paredes externas espessas não celulares ou pelo menos essencialmente não celulares e, entre as mesmas, um núcleo celular, em que a densidade é reduzida a partir das paredes externas para o núcleo interno, de modo essencialmente contínuo.

[0003] As espumas são facilmente formáveis, têm uma resistência baixa à tração, têm uma propriedade de isolamento acústico alta e são adicionalmente caracterizadas por uma condutividade térmica baixa. Devido a essas propriedades, as espumas são facilmente trabalháveis e são aplicadas em várias áreas comerciais. Por exemplo, espumas de célula fechada, como aquelas feitas de poliestireno ou poliuretano, são usadas como materiais de isolamento térmico em uma pluralidade de setores de indústria, como, por exemplo, como materiais de construção de isolamento. Outros exemplos para a aplicação comercial de espumas são materiais de isolamento acústico, acolchoamentos, colchões, tapetes e esponjas.

[0004] As espumas podem ser feitas de aproximadamente todos os polímeros disponíveis comercialmente, como de etileno-acetato de vinila, de polietileno, de borracha de nitrila, de um copolímero de acrilonitrila e butadieno, de policloropreno, de poli-imida, de poliéster, de polipropileno, de poliestireno, de poliuretano, de ácido polilático e de cloreto de polivinila.

[0005] Vários métodos para produzir artigos de espuma são conhecidos. Um exemplo, portanto, é o processo de moldagem de espuma expandida por injeção direta, em que uma fusão de polímero pressurizada incluindo um agente de sopro é injetada através de bocais em um molde. No molde, em que está presente uma pressão inferior à pressão da fusão de polímero pressurizada, o agente de sopro se expande, formando, assim, a espuma de polímero no formato desejado. Outro exemplo consiste em incubar granulados de polímero em uma autoclave a uma temperatura elevada e sob pressão com um agente de sopro, como dióxido de carbono, antes que a pressão seja liberada e a temperatura reduzida, de modo a espumar os granulados em microesferas de espuma. Estas microesferas de espuma podem, então, ser injetadas em um molde, antes que as microesferas de espuma sejam fusionadas por calor, no mesmo, no formato desejado pela aplicação de pressão e vapor. Ainda outro exemplo, portanto, é formar microesferas de polímero expansíveis extrudando um agente de sopro pressurizado incluindo fusão de polímero através das matrizes de uma placa de matriz e granulando os filamentos de fusão de polímero diretamente atrás das matrizes em um granulador subaquático, em que a fusão de polímero é resfriada sob pressão, de modo a fornecer uma expansão do filamento de polímero. As microesferas de polímero expansíveis, então, podem ser espumadas e fusionadas em um molde em um artigo que tem o formato desejado.

[0006] Recentemente, foi proposta a produção de artigos espumados fazendo uso de impressão tridimensional (3D). Isso tem a vantagem de que moldagens, que são trabalhosas e dispendiosas para se produzir, não são necessárias. Ademais, a impressão 3D é rápida, permite alterar o material durante o processo e gera apenas quantidades muito pequenas de refugo.

[0007] O documento CN 106493968 A revela um método e um aparelho para produzir um produto espumado à base de impressão 3D. O aparelho compreende uma impressora 3D como unidade de moldagem, uma unidade de infiltração supercrítica e uma unidade de formação de espuma. Embora a unidade de infiltração supercrítica compreende um preaquecedor, uma bomba propulsora, um tanque de armazenamento de dióxido de carbono e um recipiente de infiltração, a unidade de formação de espuma é principalmente composta por um gerador de vapor, uma caixa de espuma e uma placa de cobertura. O método compreende as seguintes etapas: primeiramente, imprimir um modelo tridimensional de uma fusão de polímero por meio da impressora 3D; em segundo lugar, então, colocar o modelo tridimensional conformado no recipiente de infiltração da unidade de infiltração supercrítica e infiltrar o dióxido de carbono supercrítico e, em terceiro lugar, executar a formação de espuma a vapor do modelo tridimensional na caixa de espuma, de modo a obter o produto espumado. Entretanto, este processo tem várias desvantagens. Primeiramente, ele não permite produzir artigos híbridos compreendendo seções espumadas e seções não espumadas. Em vez disso, este método permite apenas produzir artigos, os quais são completa e uniformemente espumados. Além disso, a estrutura de espuma e a densidade do produto espumado produzido com este método não podem ser controladas de modo satisfatório.

[0008] Em vista disso, o objetivo subjacente à presente invenção é fornecer um sistema de impressão 3D e um método para preparar um objeto tridimensional feito pelo menos parcialmente de um polímero expandido, que é mais flexível e que permite particularmente controlar a estrutura de espuma e a densidade do produto espumado e permite produzir artigos híbridos compreendendo seções espumadas e seções não espumadas.

[0009] De acordo com a presente invenção, este objetivo é satisfeito fornecendo um sistema de impressão 3D para preparar um objeto tridimensional feito pelo menos parcialmente por um polímero expandido compreendendo: i) um dispositivo de impressão para preparar uma fusão de polímero expansível e para depositar um filamento do polímero expansível, em expansão ou expandido sobre uma superfície e ii) um dispositivo de movimento tridimensional para ajustar a posição do dispositivo de impressão em uma matriz tridimensional predefinida, de modo a permitir o depósito do filamento de polímero expansível, em expansão ou expandido em um momento predeterminado em uma posição precisa dentro da matriz tridimensional, em que o dispositivo de impressão compreende: a) uma seção de alimentação na extremidade a montante do dispositivo de impressão, b) uma seção de aquecimento, c) uma seção de pressurização, d) uma linha de fornecimento de agente de sopro, e) uma seção de mistura, f) uma seção de resfriamento e g) uma seção de cabeça de impressão terminal na extremidade a jusante do dispositivo de impressão incluindo uma matriz para depositar o filamento do polímero expansível, em expansão ou expandido sobre a superfície, em que a seção de mistura e) e a seção de resfriamento f) são dispostas a jusante da seção de alimentação a), da seção de aquecimento b) e da seção de pressurização c), e em que a linha de fornecimento de agente de sopro d) tem uma ou mais extremidades de descarga, que são conectadas com uma ou mais dentre a seção de pressurização c), a seção de mistura e) e a seção de resfriamento f).

[0010] O sistema de impressão 3D de acordo com a presente invenção não deposita, sobre a superfície-alvo, um filamento de polímero, que precisa subsequentemente ser injetado com agente de sopro e, então, espumado.

Em vez disso, o sistema de impressão 3D de acordo com a presente invenção deposita, sobre a superfície-alvo, um filamento de uma mistura de polímero incluindo agente de sopro.

Após ter sido alimentado à seção de alimentação a) do dispositivo de impressão, o polímero é fusionado na seção de aquecimento b) e pressurizado na seção de pressurização c), antes que o agente de sopro seja injetado por meio da linha de fornecimento de agente de sopro d) na fusão de polímero pressurizada.

Devido à pressão aplicada, a fusão de polímero pressurizada expansível assim formada não se expande ou espuma, respectivamente, nesta seção do dispositivo de impressão.

Subsequentemente, a fusão de polímero pressurizada expansível é misturada e resfriada, antes de ser depositada sobre a superfície-alvo pressionando a mesma através da matriz da seção de cabeça de impressão terminal do dispositivo de impressão.

Dependendo, entre outras coisas, da taxa de fluxo da mistura ajustada no dispositivo de impressão e da temperatura ajustada na seção de resfriamento, um filamento de polímero expansível, de polímero em expansão ou de polímero expandido é depositado sobre a superfície- alvo.

Se a temperatura da mistura for suficientemente baixa na seção de cabeça de impressão terminal, a mistura irá apenas expandir ou espumar, respectivamente, após deixar a seção de cabeça de impressão terminal, quando for submetida à temperatura ambiente fora do dispositivo de impressão, de modo que um filamento de polímero expansível, isto é, de polímero não expandido, seja depositado, o qual se expande durante a deposição ou imediatamente após a mesma na superfície.

Entretanto, se a temperatura da mistura na seção de cabeça de impressão terminal for superior, então, a mistura já expandirá ou espumará, respectivamente, ao deixar a seção de cabeça de impressão terminal (de modo que um filamento de polímero em expansão seja depositado) ou até mesmo antes de deixar a seção de cabeça de impressão terminal (de modo que um filamento de polímero já expandido seja depositado). Portanto, o sistema de impressão 3D de acordo com a presente invenção é muito flexível neste aspecto.

Além disso, o sistema de impressão 3D de acordo com a presente invenção permite alterar a concentração de agente de sopro na mistura de polímero incluindo agente de sopro no dispositivo de impressão, permite alterar a temperatura da mistura no dispositivo de impressão alterando a temperatura da seção de resfriamento, permite alterar a taxa de fluxo da mistura através do dispositivo de impressão e permite alterar o tipo de polímero sendo alimentado ao dispositivo de impressão ao longo do tempo.

Por estas razões, o sistema de impressão 3D de acordo com a presente invenção permite controlar a estrutura de espuma e a densidade do produto espumado a critério.

Ademais, ele permite produzir artigos híbridos compreendendo seções espumadas e seções não espumadas, interrompendo temporariamente a adição de agente de sopro à fusão de polímero.

De modo geral, a presente invenção fornece um sistema de impressão 3D e um método para preparar um objeto tridimensional feito pelo menos parcialmente de um polímero expandido, que é mais flexível e que permite particularmente controlar a estrutura de espuma e a densidade do produto espumado e permite produzir artigos híbridos compreendendo seções espumadas e seções não espumadas.

[0011] Em princípio, a presente invenção não é particularmente limitada em relação à forma do dispositivo de impressão e suas seções. Portanto, uma ou mais das seções podem ter, por exemplo, uma seção transversal quadrada, retangular, elipsoide ou circular, em que as dimensões das seções únicas podem ser iguais ou diferentes entre si. Bons resultados são obtidos particularmente quando uma ou mais dentre a seção de alimentação a), a seção de aquecimento b), a seção de mistura e) e a seção de resfriamento f) têm uma seção transversal circular e são, portanto, tubulares (vistas tridimensionalmente). Cada uma das seções pode ter o mesmo diâmetro interno ou um diâmetro interno diferente, por exemplo, 1 a 10 mm ou de 2 a 4 mm. Mais preferencialmente, todas dentre pelo menos a seção de alimentação a), a seção de aquecimento b), a seção de mistura e) e a seção de resfriamento f) são seções tubulares que têm o mesmo diâmetro interno, que é preferencialmente entre 1 e 10 mm e mais preferencialmente entre 2 e 4 mm.

[0012] Além disso, a presente invenção, em princípio, não é particularmente limitada em relação à ordem das seções únicas do dispositivo de impressão, desde que a seção de mistura e) e a seção de resfriamento f) sejam dispostas a jusante da seção de alimentação a), da seção de aquecimento b) e da seção de pressurização c) e desde que a linha de fornecimento de agente de sopro d) tenha uma ou mais extremidades de descarga, que são conectadas a uma ou mais dentre a seção de pressurização c), a seção de mistura e) e a seção de resfriamento f). Neste contexto, seção denota um segmento longitudinal, isto é, um segmento que se estende na direção longitudinal do dispositivo de impressão.

[0013] De acordo com uma modalidade preferencial particular da presente invenção, as seções a) a c) e e) a g) são dispostas nesta ordem da extremidade a montante para a extremidade a jusante do dispositivo de impressão.

[0014] Alternativamente, as seções a) a c) e e) a g) são dispostas da extremidade a montante para a extremidade a jusante do dispositivo de impressão na ordem: seção de alimentação a), seguida pela seção de pressurização c), seguida pela seção de aquecimento b), seguida pela seção de mistura e), seguida pela seção de resfriamento f), seguida pela seção de cabeça de impressão terminal g).

[0015] De acordo com, ainda, uma modalidade alternativa da presente invenção, as seções a) a c) são combinadas com uma seção, isto é, a seção de alimentação a) é incorporada de modo que seja, também, a seção de aquecimento b) e a seção de pressurização c). A jusante desta seção combinada a), b), c) segue, então, a seção de mistura e), seguida pela seção de resfriamento f), seguida pela seção de cabeça de impressão terminal g).

[0016] Ainda alternativamente, as seções e) e f) são combinadas em uma seção, isto é, a seção de mistura e) é incorporada, de modo que também seja a seção de resfriamento f). Esta modalidade é compatível com a modalidade supracitada, de acordo com a qual as seções a) a c) são combinadas em uma seção, de modo que o dispositivo de impressão desta modalidade da presente invenção compreenda uma seção combinada de alimentação, aquecimento e pressurização a), b), c) e, a jusante da mesma, uma seção combinada de mistura e de resfriamento e), f). Alternativamente, as seções a), b) e c) podem ser diferentes,

de modo que o dispositivo de impressão compreenda uma seção de alimentação a) a montante, a jusante da mesma, uma seção de aquecimento b), a jusante da mesma, uma seção de pressurização c), a jusante da mesma, uma seção combinada de mistura e de resfriamento e), f) e, a jusante da mesma, a seção de cabeça de impressão terminal g).

[0017] A seção de alimentação a) é, em sua modalidade mais simples, a seção de extremidade tubular de um cano.

[0018] A fim de formar a seção de aquecimento, a respectiva seção do dispositivo de impressão pode ser dotada de qualquer meio que seja capaz de aquecer um polímero que está presente no cano, de modo que fusione. Por exemplo, a respectiva seção do dispositivo de impressão pode ser dotada de um elemento de aquecimento ativo, como um elemento de Peltier ou um aquecedor de resistência, ou de um trocador de calor. Mais especificamente, um elemento de Peltier, um aquecedor de resistência ou um trocador de calor pode ser fornecido na parede externa da seção de aquecimento, que é, particularmente preferencial, se a seção de aquecimento b) do dispositivo de impressão é uma seção tubular, de modo que o elemento de Peltier, o aquecedor de resistência ou o trocador de calor seja fornecido na parede externa da tubo.

[0019] É sugerido em um desenvolvimento adicional da ideia da presente invenção para dispor, entre a seção de alimentação a) e a seção de aquecimento b), uma seção de resfriamento. Isso permite evitar de modo confiável que o polímero seja fusionado na seção de alimentação a) devido ao calor transferido para o polímero na seção de aquecimento b) a jusante. A seção de resfriamento pode ser uma seção tubular compreendendo um tubo, em que um elemento de Peltier, um trocador de calor ou preferencialmente aletas de resfriamento sejam fornecidas na parede externa do tubo.

[0020] Quanto à seção de pressurização c) também, a presente invenção não é particularmente limitada. Assim, a seção de pressurização c) pode ser formada por qualquer meio que seja capaz de pressurizar um polímero que está presente no cano, na forma de um sólido (se a seção de aquecimento b) for a jusante da seção de pressurização c)) ou preferencialmente na forma de uma fusão (se a seção de aquecimento b) for a montante da seção de pressurização c)). Preferencialmente, a seção de pressurização c) compreende um compressor de pistão, um compressor de parafuso ou um compressor de engrenagem. Se a seção de pressurização c) for disposta a jusante da seção de aquecimento b), é mais preferencial que a seção de pressurização c) compreenda um elemento de aquecimento para evitar que a fusão de polímero fluindo através da seção de pressurização c) se solidifique. O elemento de aquecimento fornecido na seção de pressurização c) pode ser um elemento de Peltier, um aquecedor de resistência ou um trocador de calor.

[0021] Conforme apresentado acima, de acordo com a presente invenção, a linha de fornecimento de agente de sopro d) tem uma ou mais extremidades de descarga que são conectadas com uma ou mais dentre a seção de pressurização c), a seção de mistura e) e a seção de resfriamento f). Assim, a linha de fornecimento de agente de sopro d) pode compreender três extremidades de descarga, uma das quais é conectada com a seção de pressurização c), a outra das quais é conectada com a seção de mistura e) e a outra das quais é conectada com a seção de resfriamento f). Alternativamente,

a linha de fornecimento de agente de sopro d) pode compreender duas extremidades de descarga, uma das quais é conectada com a seção de mistura e) e a outra das quais é conectada com a seção de resfriamento f). Ainda alternativamente e, na realidade, preferencialmente, a linha de fornecimento de agente de sopro d) compreende uma extremidade de descarga, que é conectada com a seção de mistura e) e, mais preferencialmente, com a parte a montante da seção de mistura e). A última modalidade é particularmente preferencial, quando a seção de mistura e) é disposta a montante da seção de resfriamento f). Se a seção de resfriamento f) for disposta a montante da seção de mistura e), a linha de fornecimento de agente de sopro d) pode ter uma extremidade de descarga, que é conectada com a seção de resfriamento f).

[0022] Em um desenvolvimento adicional da ideia da presente invenção, é sugerido que a seção de mistura e) compreenda um ou mais misturadores estáticos. Mesmo que, em princípio, misturadores dinâmicos como uma extrusora ou um amassador também possam ser usados, é preferencial usar um ou mais misturadores estáticos. Isso é preferencial, visto que assim, elementos móveis ou giratórios, respectivamente, visto que são componentes integrais de um misturador dinâmico, estão ausentes. Por isso, menos manutenção é necessária. Ademais, os misturadores estáticos podem ser incorporados suficientemente pequenos para que possam ser integrados em um tubo com um diâmetro interno de 1 a 10 mm e preferencialmente de 2 a 4 mm.

[0023] A seção de resfriamento f) pode ter, por exemplo, uma seção transversal quadrada, retangular, elipsoide ou circular. Entretanto, é preferencial que a seção de resfriamento f) seja uma seção tubular, que compreende um tubo, em que um elemento de Peltier, um trocador de calor ou aletas de resfriamento são fornecidas na parede externa do tubo. Mais preferencialmente, o diâmetro interno da seção tubular de resfriamento f) é de 1 a 10 mm e particularmente preferencial de 2 a 4 mm.

[0024] De acordo com outra modalidade particularmente preferencial da presente invenção, a seção de cabeça de impressão g) é uma seção tubular afunilada, em que a parte a jusante da seção de cabeça de impressão g) é afunilada de modo a formar a matriz. Preferencialmente, a parte a montante da seção de cabeça de impressão g) tem o mesmo diâmetro interno que pelo menos uma dentre a seção de alimentação a), a seção de aquecimento b), a seção de mistura e) e a seção de resfriamento f) e, mais preferencialmente, tem, de preferência, o mesmo diâmetro interno que todas dentre a seção de alimentação a), a seção de aquecimento b), a seção de mistura e) e a seção de resfriamento f). A matriz tem preferencialmente um diâmetro interno de 0,1 a 1,0 mm e, mais preferencialmente, de 0,1 a 0,5 mm.

[0025] De acordo com outro aspecto, a presente invenção se refere a um método para preparar um objeto tridimensional feito, pelo menos parcialmente, de um polímero expandido, em que o método é realizado no sistema de impressão tridimensional supracitado.

[0026] Preferencialmente, o método compreende as seguintes etapas: a) fundir um polímero de modo a obter uma fusão de polímero,

b) pressurizar a fusão de polímero de modo a obter uma fusão de polímero pressurizada, c) dosar pelo menos um agente de sopro na fusão de polímero pressurizada de modo a obter uma fusão de polímero pressurizada expansível, d) homogeneizar a fusão de polímero pressurizada expansível passando a mesma através de pelo menos um misturador e preferencialmente passando a mesma através de pelo menos um misturador estático, de modo a obter uma fusão de polímero pressurizada expansível homogeneizada, e) resfriar a fusão de polímero pressurizada expansível homogeneizada de modo a obter uma mistura de polímero pressurizada expansível homogeneizada resfriada e f) conformar, depositar e espumar a mistura de polímero pressurizada expansível homogeneizada resfriada extrudando a mesma através da matriz do dispositivo de impressão.

[0027] Em modalidades alternativas, a ordem das etapas supracitadas é alterada. Por exemplo, as etapas a) e b) podem ser realizadas simultaneamente extrudando o polímero através de uma seção combinada de alimentação, aquecimento e pressurização a), b), c).

[0028] Além disso, as etapas d) e e) podem ser realizadas simultaneamente extrudando o polímero de fusão polimérica pressurizada expansível polímero através de uma seção combinada de mistura e de resfriamento e), f).

[0029] Ambas as modalidades supracitadas podem ser combinadas, de modo que as etapas a) e b) sejam realizadas simultaneamente extrudando o polímero através de uma seção combinada de alimentação, aquecimento e pressurização a), b), c) e as etapas d) e e) sejam realizadas simultaneamente extrudando o polímero de fusão polimérica pressurizada expansível através de uma seção combinada de mistura e de resfriamento e), f). Nesta modalidade, o método compreende as etapas: i) fusionar e pressurizar um polímero de modo a obter uma fusão de polímero pressurizada, ii) dosar pelo menos um agente de sopro na fusão de polímero pressurizada, de modo a obter uma fusão de polímero pressurizada expansível, iii) homogeneizar e resfriar a fusão de polímero pressurizada expansível e iv) conformar, depositar e espumar a mistura polimérica pressurizada expansível resfriada, homogeneizada, extrudando a mesma através de uma matriz do dispositivo de impressão.

[0030] Ainda em uma modalidade alternativa, na modalidade supracitada compreendendo as etapas a) a f), a etapa b) pode ser realizada antes da etapa a), de modo que primeiramente o polímero seja pressurizado, antes que o polímero pressurizado seja fusionado.

[0031] Ainda em uma modalidade alternativa, na modalidade supracitada compreendendo as etapas a) a f), a etapa e) pode ser realizada antes da etapa d), de modo que primeiramente a fusão de polímero pressurizada expansível seja resfriada, antes que a fusão de polímero pressurizada expansível resfriada seja misturada.

[0032] Ambas as modalidades supracitadas podem ser combinadas, de modo que o método compreenda as seguintes etapas: b) pressurizar o polímero de modo a obter um polímero pressurizado,

b) fundir o polímero pressurizado de modo a obter uma fusão de polímero pressurizada, c) dosar pelo menos um agente de sopro na fusão de polímero pressurizada de modo a obter uma fusão de polímero pressurizada expansível, d) resfriar a fusão de polímero pressurizada expansível, de modo a obter uma mistura de polímero pressurizada expansível resfriada e e) homogeneizar a mistura polímero pressurizado expansível resfriada passando a mesma através de pelo menos um misturador e, preferencialmente, passando a mesma através de pelo menos um misturador estático, de modo a obter uma mistura de polímero pressurizada expansível homogeneizada resfriada, f) conformar, depositar e espumar a mistura de polímero pressurizada expansível homogeneizada resfriada extrudando a mesma através da matriz do dispositivo de impressão.

[0033] A fim de ajustar o tamanho das bolhas formadas pelo agente de sopro durante a expansão, é sugerido em um desenvolvimento adicional da ideia da presente invenção que pelo menos um agente de nucleação seja adicionado ao polímero, em que o pelo menos um agente de nucleação é preferencialmente adicionado antes da etapa de fusão a) e/ou após a etapa de fusão a), porém, antes da etapa de homogeneização e).

[0034] Bons resultados são particularmente obtidos quando o agente de nucleação é selecionado a partir do grupo que consiste em talco, ceras, grafite, bentonitas e combinações arbitrárias de dois ou mais dos compostos supracitados.

[0035] A presente invenção pode ser realizada com qualquer polímero espumável. Os exemplos adequados, portanto, são polímeros sendo selecionados a partir do grupo que consiste em poliuretanos termoplásticos, poliolefinas (como polietilenos ou polipropilenos), poliésteres (como polietileno tereftalatos), copolímeros de etileno vinilacetato, copolímeros de etileno acetato de butila, poliestirenos, ácidos poliláticos, elastômeros termoplásticos, borrachas de nitrila, copolímeros de acrilonitrila e butadieno, policloroprenos, poli-imidas, cloretos de polivinila e combinações arbitrárias de dois ou mais dos polímeros supracitados.

[0036] O polímero pode entrar na seção de alimentação a) do dispositivo de impressão de qualquer forma, como particularmente na forma de uma fusão de polímero, de granulados de polímero, de péletes de polímero, de um filamento de polímero ou de um fio de polímero, respectivamente.

[0037] Mesmo que a presente invenção possa ser realizada com um ou mais agentes de sopro químicos, é particularmente preferencial que o agente de sopro usado no método de acordo com a presente invenção seja um agente de sopro físico. Os exemplos preferenciais para o agente de sopro físico são aqueles selecionados a partir do grupo que consiste em dióxido de carbono, nitrogênio, água, ciclopentano, isobutano, pentano e combinações arbitrárias de dois ou mais dos compostos supracitados.

[0038] Dependendo do tipo de polímero aplicado, a fusão de polímero pressurizada expansível obtida na etapa c) pode ter uma temperatura de 60 a 270 °C e ser pressurizada até 2 a 50 MPa.

[0039] Por exemplo, se o polímero for um poliuretano termoplástico, a fusão de polímero pressurizada expansível obtida na etapa c) preferencialmente tem uma temperatura de 100 a 180 °C e é pressurizada até 2 a 50 MPa.

[0040] Entretanto, se o polímero for uma poliolefina, como um polietileno ou um polipropileno, é preferencial que a fusão de polímero pressurizada expansível obtida na etapa c) tenha uma temperatura de 60 a 120 °C e seja pressurizada até 2 a 50 MPa.

[0041] De acordo com um aspecto adicional, a presente invenção se refere a um objeto tridimensional, que é obtenível com o método supracitado. O objeto tridimensional pode ser, em particular, um material isolante acusticamente, um acolchoado, um colchão, um tapete, uma esponja, uma sola de sapato, um sapato esportivo, um equipamento protetor, uma estrutura de suporte ou uma estrutura de preenchimento.

[0042] Uma modalidade específica, de acordo com a presente invenção, é subsequentemente descrita com referência à figura 1 anexa.

[0043] Nas figuras: Fig. 1 mostra uma seção transversal esquemática de um dispositivo de impressão para preparar uma fusão de polímero expansível e para depositar um filamento do polímero expansível, em expansão ou expandido sobre uma superfície de um sistema de impressão 3D para preparar um objeto tridimensional feito, pelo menos parcialmente, de um polímero expandido de acordo com uma modalidade exemplificativa da presente invenção.

Fig. 2 mostra uma monocamada quadrada de PET obtida no exemplo 1. Fig. 3 mostra os dois cubos de PET obtidos no exemplo 2. Fig. 4 mostra imagens ampliadas do filamento que foi extrudado através do bocal de impressão no exemplo

2.

[0044] O dispositivo de impressão 10 mostrado na figura 1 compreende, de sua extremidade a montante 12 à sua extremidade a jusante 14, as seguintes seções nesta ordem: i) uma seção de alimentação 16, ii) uma seção de resfriamento 18 iii) uma seção de aquecimento 20, iv) uma seção de pressurização 22, v) uma seção de mistura 24, vi) uma seção de resfriamento 28 e vii) uma seção de cabeça de impressão terminal 30 na extremidade a jusante do dispositivo de impressão incluindo uma matriz 32 para depositar o filamento do polímero expansível, em expansão ou expandido sobre a superfície em que uma linha de fornecimento de agente de sopro 26 que tem uma extremidade de descarga é fornecida, a qual é conectada com a parte superior da seção de mistura 24.

[0045] Enquanto a seção de alimentação 16 é a seção de extremidade tubular a montante do dispositivo de impressão 10, a seção de resfriamento 18 é incorporada com a seção tubular fornecida na parede externa da mesma, com aletas de resfriamento. A seção de aquecimento 20 é uma seção tubular compreendendo elementos de Peltier na parede externa de tubo, enquanto a seção de pressurização 22 compreende um compressor de parafuso. A seção de mistura 24 é uma seção tubular compreendendo um misturador estático, enquanto a seção de resfriamento 28 é uma seção tubular, cuja parede externa é dotada de elementos de Peltier.

[0046] Durante a operação, um método para preparar um objeto tridimensional feito, pelo menos parcialmente, de um polímero expandido é realizado, o qual compreende as seguintes etapas: i) alimentar um polímero à seção de alimentação 16, ii) resfriar o polímero na seção de resfriamento 18 de modo a evitar uma fusão já na seção de alimentação 16, iii) fusionar o polímero na seção de aquecimento 20, de modo a obter uma fusão de polímero, iv) pressurizar a fusão de polímero na seção de pressurização 22, de modo a obter uma fusão de polímero pressurizada, v) dosar pelo menos um agente de sopro através da linha de fornecimento de gás 26 para a fusão de polímero pressurizada na parte a montante da seção de mistura 24 de modo a obter uma fusão de polímero pressurizada expansível, vi) homogeneizar a fusão de polímero pressurizada expansível passando a mesma através do misturador fornecido na seção de mistura 24 de modo a obter uma fusão de polímero pressurizada expansível homogeneizada, vii) resfriar a fusão de polímero pressurizada expansível homogeneizada na seção de resfriamento 28 de modo a obter uma mistura de polímero pressurizada expansível homogeneizada resfriada e viii) conformar, depositar e espumar a mistura de polímero pressurizada expansível homogeneizada resfriada extrudando a mesma através da matriz 32 da seção de cabeça de impressão 30 do dispositivo de impressão 10.

[0047] Subsequentemente, a presente invenção é ilustrada adicionalmente por exemplos não limitantes. Exemplo 1

[0048] A extremidade quente (cabeça de impressão) de uma impressora 3D foi construída de acordo com a Reivindicação 1 do presente pedido de patente para solubilizar diretamente o agente de sopro no polímero fusionado. O diâmetro interno da seção de fusão foi de 1,7 mm. O agente de sopro foi bombeado por meio de uma bomba de HPLC na linha de fornecimento de agente de sopro. A mistura de polímero fusionado e agente de sopro passou através de um misturador estático (4 elementos de SMX DN3), em que o agente de sopro foi homogeneizado com o polímero. Por fim, a fusão impregnada passou através do bocal de impressão de 0,4 mm padrão. A seção de fusão e a injeção de agente de sopro foram aquecidas por um bloco de alumínio aquecido eletricamente, enquanto o misturador estático foi resfriado por um bloco de alumínio sem aquecer o cartucho (dissipação de calor para o ambiente). Ambos os blocos de aquecimento foram aquecidos à mesma temperatura.

[0049] As condições de impressão foram conforme a seguir: Filamento: Pro Fill PET de 3D-Printerstore.ch Temperatura de impressão: 205 °C Velocidade de extrusão: 15 mm/min (vezes 0,6 com o agente de sopro) Agente de sopro: Acetona (0,005 ml/min)

Teor de agente de sopro (17 % p/p)

[0050] A Figura 2 exibe uma monocamada quadrada de PET. A impressão seguiu de fora para dentro, isto é, os ciclos externos de filamento foram situados primeiro. Durante o terceiro ciclo, o fluxo de agente de sopro foi iniciado e a velocidade de extrusão reduzida em 40 %. Os filamentos dos dois primeiros ciclos foram transparentes e claros, enquanto os próximos filamentos claramente continham bolhas causadas pelo agente de sopro.

[0051] No teste realizado, o processo de formação de espuma foi estável; o filamento de polímero espumou constantemente em função do tempo, sem alteração visível no tamanho e/ou taxa de fluxo.

[0052] A precisão dimensional do objeto final não foi afetada visualmente pelo processo de formação de espuma. A fim de compensar pela diminuição de densidade, diminuiu-se a taxa de fluxo durante a impressão do objeto espumado.

[0053] Uma boa adesão entre as camadas nos objetos espumados foi observada e pôde ser confirmada espremendo os objetos espumados manualmente. Exemplo 2

[0054] Dois cubos de PET impressos com o mesmo movimento de bocal de impressão foram mostrados na Figura 3. O cubo esquerdo foi impresso sem adicionar agente de sopro, enquanto o cone direito foi impresso com 17 % de agente de sopro e uma velocidade de extrusão de filamento reduzida por um fator de 0,6. O cubo espumado foi 35 % mais leve que o cubo impresso sem agente de sopro. Como na monocamada acima, as bolhas nos filamentos eram visíveis.

[0055] A Figura 4 mostra imagens ampliadas do filamento que foi extrudado através do bocal de impressão. Na direita, o filamento de PET foi extrudado sem adicionar agente de sopro, com uma velocidade de extrusão de 15 mm/min. O filamento foi claro e homogêneo, não houve bolhas visíveis. Na esquerda, o PET foi extrudado com 9 mm/min e foi adicionada acetona como agente de sopro. Devido ao agente de sopro, o filamento agora continha bolhas, isto é, era espumado.

[0056] No teste realizado, o processo de formação de espuma foi estável; o filamento de polímero espumou constantemente em função do tempo, sem alteração visível no tamanho e/ou taxa de fluxo.

[0057] A precisão dimensional do objeto final não foi afetada visualmente pelo processo de formação de espuma. A fim de compensar pela diminuição de densidade, diminuiu-se a taxa de fluxo durante a impressão do objeto espumado.

[0058] Uma boa adesão entre as camadas nos objetos espumados foi observada e pôde ser confirmada espremendo os objetos espumados manualmente. Lista de Numerais de Referência 10 Dispositivo de impressão 12 Extremidade a montante do dispositivo de impressão 14 Extremidade a jusante do dispositivo de impressão 16 Seção de alimentação 18 Seção de resfriamento 20 Seção de aquecimento 22 Seção de pressurização 24 Seção de mistura 26 Linha de fornecimento de agente de sopro 28 Seção de resfriamento

30 Seção de cabeça de impressão 32 Matriz

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Sistema de impressão tridimensional para preparar um objeto tridimensional feito pelo menos parcialmente de um polímero expandido caracterizado por compreender: i) um dispositivo de impressão (10) para preparar uma fusão de polímero expansível e para depositar um filamento do polímero expansível, em expansão ou expandido sobre uma superfície e ii) um dispositivo de movimento tridimensional para permitir o depósito do filamento de polímero expansível, em expansão ou expandido em um momento predeterminado em uma posição precisa dentro da matriz tridimensional, em que o dispositivo de impressão (10) compreende: a) uma seção de alimentação (16) na extremidade a montante (12) do dispositivo de impressão, b) uma seção de aquecimento (20), c) uma seção de pressurização (22), d) uma linha de fornecimento de agente de sopro (26), e) uma seção de mistura (24), f) uma seção de resfriamento (28) e g) uma seção de cabeça de impressão terminal (30) na extremidade a jusante (14) do dispositivo de impressão (10) incluindo uma matriz (32) para depositar o filamento do polímero expansível, em expansão ou expandido sobre a superfície, em que a seção de mistura (24) e a seção de resfriamento (28) são dispostas a jusante da seção de alimentação (16), da seção de aquecimento (20) e da seção de pressurização (22), em que a linha de fornecimento de agente de sopro (26)

tem uma ou mais extremidades de descarga, que são conectadas a uma ou mais dentre a seção de pressurização (22), a seção de mistura (24) e a seção de resfriamento (28), em que a seção de resfriamento f) é uma seção tubular, que compreende um tubo, em que um elemento de Peltier, um aquecedor de resistência, um trocador de calor ou aletas de resfriamento são fornecidas na parede externa do tubo, e em que a seção de pressurização (22) compreende um compressor de pistão, um compressor de parafuso ou um compressor de engrenagem.

2. Sistema de impressão tridimensional, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que pelo menos as seções (16), (20), (24) e (28) são seções tubulares que têm o mesmo diâmetro interno, que é preferencialmente entre 1 e 10 mm e mais preferencialmente entre 2 e 4 mm.

3. Sistema de impressão tridimensional, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que i) a seção de alimentação (16), a seção de aquecimento (20), a seção de pressurização (22), a seção de mistura (24), a seção de resfriamento (28) e a cabeça de impressão (30) são dispostas nesta ordem da extremidade a montante (12) para a extremidade a jusante (14) do dispositivo de impressão (10), ou ii) a seção de alimentação (16), a seção de aquecimento (20), a seção de pressurização (22), a seção de mistura (24), seção de resfriamento (28) e a cabeça de impressão (30) são dispostas da extremidade a montante (12) para a extremidade a jusante (14) do dispositivo de impressão (10) na ordem: seção de alimentação (16), seguida pela seção de pressurização (22), seguida pela seção de aquecimento (20), seguida pela seção de mistura (24),

seguida pela seção de resfriamento (28), seguida pela seção de cabeça de impressão (30), ou iii) as seções de alimentação, aquecimento e pressurizações (16), (20) e (22) são combinadas a uma seção, que é seguida pela seção de mistura (24) que é seguida pela seção de resfriamento (28) que é seguida pela seção de cabeça de impressão (30).

4. Sistema de impressão tridimensional, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que a seção de aquecimento (20) é uma seção tubular compreendendo um tubo, em que aletas de resfriamento são fornecidas na parede externa do tubo.

5. Sistema de impressão tridimensional, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que a parede da seção de pressurização (22) compreende um meio de aquecimento, que é preferencialmente um elemento de Peltier, um aquecedor de resistência ou um trocador de calor.

6. Sistema de impressão tridimensional, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que a seção de resfriamento (28) é disposta a jusante da seção de mistura (24), e em que a linha de fornecimento de agente de sopro (26) tem uma extremidade de descarga, que é conectada à seção de mistura (24) e preferencialmente com a parte a montante da seção de mistura (24).

7. Sistema de impressão tridimensional, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que a seção de resfriamento (28) é disposta a montante da seção de mistura (24), e em que a linha de fornecimento de agente de sopro (26) tem uma extremidade de descarga, que é conectada à seção de resfriamento (28) ou à seção de mistura (24) e preferencialmente com a parte a montante da seção de mistura (24).

8. Sistema de impressão tridimensional, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que a seção de cabeça de impressão (30) é uma seção tubular afunilada, em que a parte a jusante da seção de cabeça de impressão (30) é afunilada de modo a formar a matriz (32), e em que a parte a montante da seção de cabeça de impressão (30) preferencialmente tem o mesmo diâmetro interno que pelo menos uma dentre a seção de alimentação (16), a seção de aquecimento (29), a seção de mistura (24) e a seção de resfriamento (28) e mais preferencialmente tem, de preferência, o mesmo diâmetro interno que todas dentre a seção de alimentação (16), a seção de aquecimento (29), a seção de mistura (24) e a seção de resfriamento (28), e em que a matriz (32) preferencialmente tem um diâmetro interno de 0,1 a 1,0 mm e mais preferencialmente 0,1 a 0,5 mm.

9. Método para preparar um objeto tridimensional feito pelo menos parcialmente de um polímero expandido, sendo o método caracterizado por ser realizado em um sistema de impressão tridimensional conforme definido em qualquer uma das reivindicações anteriores.

10. Método, de acordo com a reivindicação 9, sendo o método caracterizado por compreender as seguintes etapas: a) fundir um polímero de modo a obter uma fusão de polímero, b) pressurizar a fusão de polímero de modo a obter uma fusão de polímero pressurizada,

c) dosar pelo menos um agente de sopro na fusão de polímero pressurizada de modo a obter uma fusão de polímero pressurizada expansível, d) homogeneizar a fusão de polímero pressurizada expansível passando a mesma através de pelo menos um misturador e preferencialmente passando a mesma através de pelo menos um misturador estático, de modo a obter uma fusão de polímero pressurizada expansível homogeneizada, e) resfriar a fusão de polímero pressurizada expansível homogeneizada de modo a obter uma mistura de polímero pressurizada expansível homogeneizada resfriada e f) conformar, depositar e espumar a mistura de polímero pressurizada expansível homogeneizada resfriada extrudando a mesma através da matriz (32) do dispositivo de impressão (10).

11. Método, de acordo com a reivindicação 9 ou 10, caracterizado pelo fato de que pelo menos um agente de nucleação é adicionado ao polímero, em que o pelo menos um agente de nucleação é preferencialmente adicionado antes da etapa a) e/ou após a etapa a), porém, antes da etapa d).

12. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 9 a 11, caracterizado pelo fato de que o polímero é selecionado a partir do grupo que consiste em poliuretanos termoplásticos, poliolefinas, poliésteres, copolímeros de etileno vinilacetato, copolímeros de etileno acetato de butila, poliestirenos, ácidos poliláticos, elastômeros termoplásticos, borrachas de nitrila, copolímeros de acrilonitrila e butadieno, policloroprenos, poli-imidas, cloretos de polivinila e combinações arbitrárias de dois ou mais dos polímeros supracitados.

13. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 9 a 12, caracterizado pelo fato de que o agente de sopro é um agente de sopro físico e preferencialmente um agente de sopro físico selecionado a partir do grupo que consiste em dióxido de carbono, nitrogênio, água, ciclopentano, isobutano, pentano e combinações arbitrárias de dois ou mais dos compostos supracitados.

14. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 9 a 13, caracterizado pelo fato de que a fusão de polímero pressurizada expansível obtida na etapa c) tem uma temperatura de 60 a 270 °C e é pressurizada até 2 a 50 MPa.