WO2018172993A1 - Dispositivo e método para produção de filamento - Google Patents

Abstract

A presente invenção diz respeito a um dispositivo que recicla termoplásticos para produção de filamento para dispositivos de modelação por deposição de material fundido (FDM) e respetivo método de funcionamento. O termoplástico triturado é introduzido no funil de alimentação (4), empurrado por um fuso acionado pelo motor (1), dentro da camisa (5), cuja força axial é suportada pela chumaceira axial (2). O termoplástico é fundido com o auxílio de resistências elétricas de aquecimento (6) e atravessa uma zona de desgaseificação (7) conectada à bomba de vácuo (3). O termoplástico é forçado a atravessar a cabeça de extrusão (8), sendo arrefecido num tabuleiro de refrigeração (9) com sistema de circulação de água (12). 0 diâmetro do filamento é controlado através do tracionador (11) com base nos dados obtidos no sistema de medição do diâmetro do filamento (10). Todo o processo é controlado por um microcontrolador.

Description

DESCRIÇÃO

DISPOSITIVO E MÉTODO PARA PRODUÇÃO DE FILAMENTO

Domínio técnico

O presente pedido descreve um dispositivo capaz de produzir filamento termoplástico, usando como matéria-prima flocos (pequenos pedaços) de termoplástico obtidos a partir de embalagens ou outros resíduos termoplásticos descartados. O filamento produzido através do dispositivo aqui descrito serve para utilizar como matéria-prima em dispositivos de modelação por deposição de material fundido (FDM) .

Antecedentes

A tecnologia FDM recorre à utilização do método de fabricação aditivo, camada por camada, para produzir objetos tridimensionais a partir de um modelo de desenho assistido por computador. Atualmente, esta tecnologia é já amplamente utilizada em processos de design e prototipagem permitindo simplificar o fabrico de peças e reduzindo o número de processos e de ferramentas para a sua construção. A nível doméstico, apesar de ainda não ter uma utilização muito comum pela população geral, prevê-se que gradualmente hajam cada vez mais habitações a possuir um destes dispositivos.

A maior parte dos equipamentos FDM utilizam filamento de um determinado termoplástico como matéria-prima, sendo o ácido polilático e o acrilonitrilo-butadieno-estireno os mais utilizados, apesar do politereftalato de etileno, o politereftalato de etileno modificado com glicol, o nylon e a poliamida, entre outros, também poderem ser utilizados.

Estes tipos de filamento são produzidos na sua grande maioria em ambiente industrial, onde grandes linhas de extrusão produzem filamento em quantidades industriais. No entanto, algumas extrusoras já foram desenhadas para a extrusão de filamento em ambiente doméstico, tais como a de Lyman, ou a Filastruder que se focam essencialmente na extrusão a partir de pellets termoplásticos, e que calibram o filamento com o diâmetro da cabeça de extrusão. Para além disso, as soluções conhecidas apresentam um processo de produção bastante lento, e requerem que os pellets sejam armazenados em condições de reduzida humidade.

O documento US 2016/0107337 Al descreve um método de obtenção de matéria-prima a partir da reciclagem de resíduos industriais para, posteriormente, ser utilizado em impressoras 3D, apresentando como caraterística essencial a cristalização do termoplástico após a produção do filamento para melhorar a qualidade da impressão do objeto. No entanto, o documento em causa não refere de que forma se processa o controlo do diâmetro do dito filamento nem o controlo da humidade durante o processo de extrusão.

O documento US 2016/0167254 Al descreve um método de obtenção de filamento passível de ser utilizado em dispositivos de FDM, a partir da reciclagem de materiais termoplásticos, apresentando como caraterística essencial o método de extrusão por pistão e controlo do diâmetro do filamento por moldagem contínua. No entanto, o filamento obtido por moldagem contínua apresenta marcas dos moldes que, caso não sejam retiradas, podem interferir no correto funcionamento da máquina FDM para a qual o filamento é produzido, e resultar no seu entupimento. Para além disso ao consistir num método de extrusão continuo, o diâmetro do filamento produzido não pode ser modificado alterando apenas parâmetros de funcionamento do dispositivo, necessitando da troca de todo o molde que compõe o sistema de moldagem continua.

O documento US 2015/0209978 Al descreve um método de obtenção de filamento para utilização em dispositivos de FDM a partir da reciclagem de termoplásticos, capaz de operar em ambientes inóspitos, tais como alto mar ou no espaço. Neste documento é apenas mencionado o uso de uma temperatura ao longo de todo o processo, e o controlo de diâmetro do filamento é feito com base numa matriz arrefecida, sendo o filamento posteriormente calibrado através de tração.

O documento US 2015/0144284A1 Al descreve um método de produção de peças metálicas em ambientes sem gravidade, apresentando como carateristica essencial a utilização de um molde produzido com o auxilio de tecnologia FDM para posteriormente produção de uma peça por injeção.

O documento US 05407624 A refere-se a um método de obtenção de matéria-prima a partir da reciclagem de termoplásticos, apresentando como carateristica essencial o processamento simplificado de resíduos termoplásticos para produção de pellets, em quantidades industriais.

O documento US 2016/0271880 Al refere-se a um método de refrigeração a água utilizado em máquinas FDM para evitar o entupimento quando se utilizam termoplásticos com elevadas temperaturas de fusão, apresentando como carateristica essencial a utilização de um sistema de refrigeração a água na cabeça, prevenindo que o filamento alimentado à máquina ultrapasse temperaturas que alterem significativamente a sua plasticidade antes de ser pretendido, resultando no entupimento da máquina.

Sumário

O presente pedido descreve um dispositivo para produção de filamento, compreendendo:

— um fuso, acionado por um motor, o referido fuso de no mínimo, duas fases, compreendendo numa primeira fase uma zona de alimentação onde se dá a entrada do material termoplástico, uma zona de compressão e uma zona de dosagem; e numa segunda fase uma zona de descompressão, uma zona de desgaseificação, uma zona de compressão e uma zona de dosagem;

— o referido fuso compreendendo uma camisa ao longo do seu comprimento;

— uma cabeça de extrusão, situada na extremidade do fuso oposta à zona de alimentação;

Caracterizado por compreender:

— pelo menos uma resistência elétrica de aquecimento instalada em cada uma das fases do fuso referidas;

— um sistema de desgaseificação compreendendo uma bomba de vácuo conectada à camisa, na zona de desgaseificação do fuso, provocando uma diminuição de pressão ;

— uma unidade de refrigeração;

— uma unidade de controlo de diâmetro de filamento, compreendendo um mecanismo de medição de diâmetro, um tracionador e respetivo motor;

— um microcontrolador configurado para controlar: i. o ciclo de operação das resistências elétricas de aquecimento, através do processamento de dados enviados por pelo menos um sensor de temperatura instalado junto de cada uma das resistências elétricas de aquecimento;

ii. o motor de acionamento do fuso; e

iii. controlar a velocidade do motor de operação do tracionador da unidade de controlo de diâmetro, através do processamento de dados enviados pelo mecanismo de medição de diâmetro.

Num modo particular de realização do dispositivo, a unidade de refrigeração compreende um tabuleiro de refrigeração e um sistema de circulação de água.

Num outro modo particular de realização do dispositivo, o mecanismo de medição de diâmetro é um paquímetro digital.

Num outro modo particular de realização do dispositivo, o mecanismo de medição de diâmetro é do tipo laser.

Ainda num outro modo particular de realização do dispositivo, a unidade de controlo de diâmetro compreende adicionalmente pelo menos dois rolos de tração, dispostos na vertical, que se encontram pressionados um contra o outro por um elástico colocado em chumaceiras plásticas do rolo superior, sendo o movimento dos rolos controlado pelo motor que atua sobre o rolo inferior.

Num outro modo particular de realização do dispositivo, o microcontrolador controla o ciclo de operação das resistências elétricas de aquecimento através do algoritmo de controlo em malha fechada Proporcional-Integral-Derivativo .

Num outro modo particular de realização do dispositivo, o microcontrolador controla a operação do motor através de Modulação por largura de pulso.

Num outro modo particular de realização do dispositivo, a camisa é alhetada na zona de alimentação do fuso.

O presente pedido descreve ainda o método de operação do dispositivo para produção de filamento, compreendendo os seguintes passos:

a) microcontrolador recolhe e processa os dados de temperatura provenientes dos sensores de temperatura instalados junto de cada uma das resistências elétricas de aquecimento (6), atuando até se atingir o regime estacionário na temperatura das referidas zonas;

b) microcontrolador aciona o motor (1) do fuso (13) que promove a rotação do fuso (13) comprimindo e empurrando os flocos de material termoplástico que se encontram na zona de alimentação do fuso (13) ao longo da camisa (5) aquecida pelas resistências elétricas de aquecimento (6), resultando na fusão do termoplástico;

c) material termoplástico fundido chega à zona de desgaseificação, onde a diminuição de pressão causada pela configuração do fuso (13) e pela ligação na tomada de vácuo

(7) entre a camisa (5) e a bomba de vácuo (3) causa o borbulhar do termoplástico e consequente libertação de gases voláteis ;

d) o termoplástico é comprimido contra a cabeça de extrusão

(8) atravessando o orifício desta; e) sob a forma de filamento mas ainda no estado fundido, o termoplástico atravessa a unidade de refrigeração passando pelo tabuleiro de refrigeração (9) que ao forçar o filamento a entrar em contacto com a água oriunda de um sistema de circulação de água (12), fá-lo voltar ao estado sólido;

f) filamento no estado solido é puxado pelos rolos (16) do tracionador (11) da unidade de controlo de diâmetro;

g) calibração da espessura do filamento, através do mecanismo de medição de diâmetro (10), que envia esses dados para o microcontrolador;

h) O microcontrolador processa os dados enviados pela unidade de controlo de diâmetro e varia a velocidade do motor (15) do tracionador (11) para calibrar o diâmetro do filamento, aumentando a velocidade do motor (15) do tracionador (11) para diminuir o diâmetro do filamento, ou diminuir a velocidade do motor (15) do tracionador (11) para aumentar o diâmetro.

Descrição geral

O presente pedido descreve um dispositivo para reciclagem de termoplásticos, produzindo um filamento para utilização em dispositivos de modelação por deposição de material fundido - normalmente designados por impressoras 3D. Para além disso, é igualmente descrito o respetivo método de funcionamento do dispositivo que conduz à produção do dito filamento, partindo da conversão de flocos (pequenos pedaços) de termoplástico, obtidos a partir de resíduos termoplásticos pós-consumo triturados .

O filamento é produzido no dispositivo desenvolvido através de um processo de extrusão de termoplástico, que é alimentado sob a forma de flocos, fundido, extrudido e calibrado durante o seu arrefecimento. Desta forma, a tecnologia agora desenvolvida permite que todo o processo de produção de filamento seja mais independente, na medida em que o utilizador apenas necessita de colocar os flocos de termoplástico num funil de alimentação e colocar a ponta do filamento extrudido num tracionador. A partir dai, o dispositivo funciona de forma independente e é capaz de controlar e monitorizar todo o processo de produção de filamento, nomeadamente os valores de temperatura, obtidos com base em sensores de temperatura colocados junto a cada resistência elétrica de aquecimento, e de diâmetro de filamento, através dos valores obtidos pelo mecanismo de controlo de diâmetro. Para além disso, o dispositivo é capaz de calibrar o filamento autonomamente, e a existência de um sistema de desgaseificação a vácuo permite que não se tenha que fazer uma secagem prévia ao plástico que alimenta o dispositivo, simplificando o processo.

Todo o funcionamento do dispositivo agora proposto é controlado por ação de um microcontrolador . O termoplástico triturado é introduzido num funil de alimentação sendo empurrado por um fuso, acionado por um motor, dentro de uma camisa cuja força axial é suportada por uma chumaceira axial. O termoplástico é fundido com o auxilio de resistências elétricas de aquecimento e atravessa uma zona de desgaseificação conectada a uma bomba de vácuo. O termoplástico é depois forçado a atravessar uma cabeça de extrusão, sendo arrefecido com recurso a uma unidade de refrigeração, baseada num tabuleiro de refrigeração alimentado por um sistema de circulação de água.

O diâmetro do filamento é controlado por uma unidade de controlo de diâmetro, que compreende um tracionador e um mecanismo de medição de diâmetro. Com base nos valores de diâmetro de filamento recolhidos pelo mecanismo, o microcontrolador aciona o tracionador de forma a este puxar o filamento mais rápido (diminuir o diâmetro) ou mais lentamente (aumentar o diâmetro) , de forma a se obter o diâmetro de filamento pretendido.

O dispositivo desenvolvido começa por fundir o termoplástico, com auxilio das resistências elétricas de aquecimento, seguindo-se a sua desgaseificação, com auxilio de uma bomba de vácuo, processo este que, ao remover os gases libertos durante a fusão do plástico, nomeadamente vapor de água, evita a necessidade de pré-secagem do material alimentado. O termoplástico fundido é empurrado contra a cabeça de extrusão e sai por um orifício localizado na sua extremidade, passando daí para a unidade de refrigeração onde o termoplástico, já sob a forma de filamento, é arrefecido e esticado até possuir o diâmetro desejado, enquanto solidifica. À unidade de refrigeração pode ser acrescentado um reservatório com uma massa de água maior, ou um outro mecanismo de refrigeração, para que quando o dispositivo tenha períodos de funcionamento longos, a temperatura da água não varie e, consequentemente, comprometa o funcionamento do processo. Caso a situação não permita que se faça uso da refrigeração a água, poderá ser utilizado outro tipo de refrigeração, como por exemplo refrigeração a ar. Por último, o tracionador da unidade de controlo de diâmetro puxa o filamento a uma velocidade determinada para que este chegue ao fim do processo dentro da tolerância exigida por um dispositivo de FDM. A medição do diâmetro poderá ser feita com recurso a um paquímetro digital, para fazer a medição do diâmetro do filamento na linha, mas pode utilizar-se outros métodos tais como medição a laser. O fuso deve ser dimensionado para um uso geral se o objetivo for extrudir mais do que um termoplástico, ou pode ainda ser dimensionado para um termoplástico especifico, caso apenas se pretenda extrudir um tipo de termoplástico. 0 fuso de uso geral sacrifica algum grau de eficiência em detrimento de universalidade. Em qualquer dos casos, o fuso é compreendido no mínimo por duas fases. A primeira fase é onde o termoplástico é alimentado, fundido e comprimido; na segunda fase o termoplástico é descomprimido para ser desgaseifiçado e novamente comprimido para que haja pressão suficiente para o empurrar através do orifício da cabeça de extrusão. Resumindo, o fuso é compreendido pela primeira fase (com zona de alimentação - onde é introduzido o termoplástico -, zona de compressão - onde o termoplástico é fundido e comprimido - e zona de dosagem - onde o termoplástico comprimido acumula pressão -) e pela segunda fase (com zona de descompressão - o termoplástico é descomprimido resultando no seu borbulhar e facilitando a libertação de gases voláteis contaminantes - , zona de desgaseificação - colocando o termoplástico fundido sob vácuo aumentando a libertação e remoção de voláteis contaminantes -, zona de compressão e zona de dosagem) . As zonas são caracterizadas por possuírem diferentes profundidades de canal, sendo as zonas de alimentação e desgaseificação as de canal mais fundo, as zonas de dosagem as de canal menos fundo e as restantes zonas variam gradualmente a profundidade do canal para unir as zonas com as quais fazem fronteira. Cada uma das zonas possui uma temperatura ideal de funcionamento, e por isso devem ser aquecidas de acordo com os requisitos do termoplástico. Para tal são necessárias zonas de aquecimento distintas. Na primeira zona de compressão (zona de compressão da primeira fase) pode ser utilizado um fuso de barreira, que é capaz de separar o termoplástico no estado sólido do que já se encontra fundido, comprimindo o termoplástico ainda sólido contra a camisa, aumentando assim a eficiência da fusão do termoplástico. A configuração física do fuso pode não estar limitada à descrita, podendo ser dispensada a zona de barreira, e até utilizado um fuso de canal constante.

A presente tecnologia é útil para a produção de bens de consumo a partir de resíduos termoplásticos, bens estes que podem novamente ser triturados, formando flocos. Estes flocos são introduzidos no dispositivo agora desenvolvido e formam novamente um filamento que pode ser utilizado em dispositivos FDM para produzir outros bens de consumo, conferindo assim um certo nível de autossuficiência e independência ao utilizador, servindo igualmente de incentivo à reciclagem, uma vez que o utilizador é quem beneficia diretamente com o resultado da reciclagem.

Desta forma, o dispositivo desenvolvido foi pensado para ser aplicado, preferencialmente, em ambiente doméstico, de escritório e de pequenos negócios, mas pode ser também aplicado em outros cenários, como a indústria e o ensino escolar .

Descrição das Figuras

Para uma mais fácil compreensão do presente pedido juntam-se em anexo figuras, as quais, representam realizações preferenciais que, contudo, não pretendem limitar a técnica aqui divulgada.

Figura 1: Representação esquemática de uma vista em perspetiva do dispositivo desenvolvido, no qual (1) representa o motor que aciona o fuso; (2) representa a chumaceira axial; (3) representa a bomba de vácuo; (4) representa o funil de alimentação; (5) representa a camisa; (6) representa resistências elétricas de aquecimento; (7) representa a tomada de vácuo da zona de desgaseificação ; (8) representa a cabeça de extrusão; (9) representa o tabuleiro de refrigeração; (10) representa o mecanismo de medição de diâmetro de filamento; (11) representa o tracionador; (12) representa o sistema de circulação de água.

Figura 2: Representação esquemática de um corte do dispositivo desenvolvido, no qual (13) representa o fuso.

Figura 3: Representação esquemática da unidade de controlo do diâmetro de filamento no qual (14) representa o acoplamento com rolos que permite ao filamento deslizar na zona de medição do paquímetro; (15) representa o motor do tracionador; (16) representa os rolos de tração; (17) representa as chumaceiras plásticas; (18) representa o paquímetro.

Descrição de formas de realização

Fazendo referência às figuras, algumas formas de realização são agora descritas de forma mais pormenorizada, as quais não pretendem, contudo, limitar o âmbito do presente pedido.

O presente pedido descreve um dispositivo para produção de filamento utilizável em dispositivos FDM, a partir de resíduos de termoplásticos triturados, e respetivo método de funcionamento do dispositivo, que conduz à produção de filamento .

O dispositivo diz respeito a uma extrusora de termoplásticos, cujo fuso é dimensionado de modo a obedecer às características dos termoplásticos que se pretendem extrudir. O dispositivo opera após a estabilização das diferentes temperaturas nas respetivas zonas do dispositivo, o que permite obter um perfil de temperatura ideal à extrusão do termoplástico e que está de acordo com o programado no microcontrolador . Estas temperaturas são alcançadas e mantidas com base no controlo Proporcional-Integral-Derivativo (PID) . Após ser alcançada a estabilidade térmica, o fuso (13) é acionado pelo motor (1), cu a velocidade pode ser controlada através de Modulação por largura de pulso (Pulse-Width Modulation) , mas, dependendo do motor, pode utilizar-se outros métodos de controlo da velocidade .

O motor (1) está acoplado ao fuso (13) por intermédio de uma caixa de velocidades, que permite diminuir ou aumentar a velocidade de rotação do fuso e, consequentemente, aumentar ou diminuir, respetivamente o binário transmitido. Ao rodar, o fuso (13) empurra o termoplástico triturado em flocos que são previamente lavados e colocados no funil de alimentação (4) . Estes flocos são obtidos a partir da trituração de resíduos termoplásticos feita com recurso a trituradores externos, que não são parte integrante da tecnologia aqui descrita. Estes dispositivos trituram o termoplástico até ao ponto em que sua dimensão permita um processo de extrusão com fluidez.

À ação de empurrar o plástico, resulta no fuso (13) uma força axial de reação no sentido oposto a esse deslocamento, que é suportada por uma chumaceira axial (2), sendo a carga distribuída para a base de suporte do dispositivo, não permitindo que o fuso se desloque no sentido oposto ao do fluxo do termoplástico. O termoplástico é empurrado contra a camisa (5) que é aquecida pelas resistências elétricas de aquecimento (6), resultando na sua fusão. Chegando à zona de desgaseificação (7) uma queda brusca na pressão causa o borbulhar do polímero e a sua libertação de humidade, eliminando assim a necessidade de fazer pré-secagem e aumentando a qualidade do produto obtido. Posteriormente o termoplástico fundido é comprimido contra a cabeça de extrusão (8) saindo com um diâmetro igual ao do furo, acrescido da expansão elástica, furo que pode ter vários diâmetros, afetando a velocidade de extrusão, tração e arrefecimento do filamento. Quanto maior o diâmetro do furo e a velocidade de extrusão, maior deverá ser a velocidade do tracionador (11) relativamente à velocidade com que o termoplástico é extrudido pelo dispositivo, e quanto maior o caudal, menor será a eficiência do arrefecimento. O filamento é arrefecido num tabuleiro de refrigeração (9), para que o termoplástico volte ao estado sólido rapidamente, tabuleiro (9) que está constantemente a ser alimentado com água por um sistema de circulação de água (12) constituído por uma bomba de água e uma torneira limitadora de caudal. Esta alimentação induz o transbordar da água do tabuleiro mais pequeno para o tabuleiro onde este se encontra pousado, sendo aí novamente recolhida para o sistema de circulação de água, o que gera uma camada de água constante, aumentando assim o contacto entre a água e o filamento extrudido, aumentando a eficiência do arrefecimento devido à convecção. Por fim, após ser arrefecido, o filamento é puxado por um tracionador (11), o que apenas é possível se o filamento já se encontrar no estado sólido. O tracionador (11) é acionado por um motor (15), que funciona através da rotação dos rolos de tração (16) que possuem uma superfície aderente, que pode ser num material de borracha, para aumentar a aderência. Estes rolos estão pressionados um contra o outro graças a um elástico ou mola colocada nas chumaceiras plásticas (17) do rolo superior. O diâmetro do filamento é medido na linha de extrusão, imediatamente antes do tracionador (11) utilizando um acoplamento com rolos que permite ao filamento deslizar na zona de medição (14) que utiliza um paquímetro digital (18) e uma mola ou elástico para manter o paquímetro (18) a fechar sobre o filamento, detetando assim uma possível diminuição do diâmetro.

O controlo do dispositivo é feito com base num microcontrolador que adquire os valores de temperatura medidos pelos sensores junto de cada uma das resistências elétricas de aquecimento (6) e adequa a potência das resistências elétricas de aquecimento (6) com base nessa informação, utilizando um controlo que pode ser feito por PID utilizando relés de estado sólido a ligar/desligar as resistências elétricas de aquecimento (6) de acordo com a temperatura e programação feita no microcontrolador. A camisa (5) é alhetada na zona de alimentação para prevenir a fusão prematura dos flocos, o que iria resultar no entupimento do dispositivo. Caso as alhetas não dissipem o calor necessário, pode ser adicionado arrefecimento a ar ou a água para aumentar a dissipação de calor na zona. O valor medido pela unidade de controlo de diâmetro de filamento também é adquirido pelo microcontrolador, e com base nessa medição é feita a variação da velocidade do motor (15) do tracionador (11) variando assim a velocidade com que este é puxado pelo tracionador (11) através da zona de refrigeração, ou seja, quanto maior a velocidade com que se puxa o filamento, menor será o diâmetro do filamento e vice-versa. A medição feita na linha de extrusão é obtida pelo microcontrolador e assim o sistema tem o feedback do diâmetro conseguindo a partir daí ajustar a velocidade do tracionador (11) até atingir um ponto em que este se encontre dentro dos parâmetros exigidos por um dispositivo de FDM.

Em termos concretos, o método de funcionamento do dispositivo para produção de filamento compreende as seguintes etapas: a) Introdução de flocos de termoplástico no funil de alimentação (4) após ter sido atingido o regime estacionário na temperatura das diferentes zonas de aquecimento do fuso (13);

b) Ligar o motor (1) que aciona o fuso (13), estando este conectado ao fuso (13) por uma caixa de velocidades;

c) Ao rodar o fuso (13) comprime e empurra os flocos ao longo da camisa (5) aquecida pelas resistências elétricas de aquecimento (6), resultando na fusão do termoplástico;

d) Chegando à zona de desgaseificação (7) uma diminuição drástica de pressão causada pela configuração do fuso (13) - ao aprofundar o canal faz com que haja um maior volume para a mesma quantidade de termoplástico, resultando na sua "descompressão" e consequente contribuição para a queda de pressão na zona - e por uma tomada de vácuo (7) introduzida a partir de um orifício na camisa (5) conectado a uma bomba de vácuo (3) causa o borbulhar do termoplástico e consequente libertação de gases voláteis como o vapor de água, que iriam diminuir a qualidade do filamento ;

e) O termoplástico é comprimido contra a cabeça de extrusão (8) atravessando o orifício desta;

f) Já sob a forma de filamento, mas ainda no estado fundido o termoplástico é puxado pelo tracionador, passando antes por um tabuleiro de refrigeração (9) que ao forçar o filamento a entrar em contacto com a água graças a um sistema de circulação de água (12) faz este voltar ao estado sólido, permitindo assim que este seja agarrado e puxado pelo tracionador (11);

g) Para que a espessura do filamento possa ser calibrada, este é medido junto ao tracionador (11), e o seu diâmetro é enviado ao microcontrolador ; h) O microcontrolador decide se tem que manter a velocidade do motor (15) do tracionador (11) para manter o diâmetro do filamento, aumentar a velocidade do motor (15) do tracionador (11) para diminuir o diâmetro do filamento, ou diminuir a velocidade do motor (15) do tracionador (11) para aumentar o diâmetro;

i) O microcontrolador decide também quando se encontram ligadas as resistências elétricas de aquecimento (6) durante o funcionamento do dispositivo proposto, para que as temperaturas em cada uma das zonas aquecidas seja a predefinida. Isto é feito comparando os valores medidos pelos sensores de temperatura (um por cada uma das resistências elétricas de aquecimento) com os valores de temperatura pré-definidos .

A presente descrição não é, naturalmente, de modo algum restrita às realizações apresentadas neste documento e uma pessoa com conhecimentos médios da área poderá prever muitas possibilidades de modificação da mesma sem se afastar da ideia geral, tal como definido nas reivindicações. As realizações preferenciais acima descritas são obviamente combináveis entre si. As seguintes reivindicações definem adicionalmente realizações preferenciais.

Claims

REIVINDICAÇÕES

Dispositivo para produção de filamento, compreendendo:

— um fuso (13), acionado por um motor (1), o referido fuso de no mínimo, duas fases, compreendendo numa primeira fase uma zona de alimentação onde se dá a entrada do material termoplástico, uma zona de compressão e uma zona de dosagem; e numa segunda fase uma zona de descompressão, uma zona de desgaseificação, uma zona de compressão e uma zona de dosagem;

— o referido fuso compreendendo uma camisa (5) ao longo do seu comprimento;

— uma cabeça de extrusão (8), situada na extremidade do fuso (13) oposta à zona de alimentação;

Caracterizado por compreender:

— pelo menos uma resistência elétrica de aquecimento (6) instalada em cada uma das fases do fuso (13) referidas ;

— um sistema de desgaseificação compreendendo uma bomba de vácuo (3) conectada à camisa (5), na zona de desgaseificação do fuso (13), provocando uma diminuição de pressão;

— uma unidade de refrigeração;

— uma unidade de controlo de diâmetro de filamento, compreendendo um mecanismo de medição de diâmetro, um tracionador (11) e respetivo motor (15);

— um microcontrolador configurado para controlar:

iv. o ciclo de operação das resistências elétricas de aquecimento (6), através do processamento de dados enviados por pelo menos um sensor de temperatura instalado junto de cada uma das resistências elétricas de aquecimento; v. o motor (1) de acionamento do fuso (13); e vi. controlar a velocidade do motor (15) de operação do tracionador (11) da unidade de controlo de diâmetro, através do processamento de dados enviados pelo mecanismo de medição de diâmetro (10) .

2. Dispositivo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a unidade de refrigeração compreender um tabuleiro de refrigeração (9) e um sistema de circulação de água ( 12 ) .

3. Dispositivo de acordo com as reivindicações 1 ou 2, caracterizado por o mecanismo de medição de diâmetro ser um paquímetro digital (18) .

4 . Dispositivo de acordo com as reivindicações 1 ou 2, caracterizado por o mecanismo de medição de diâmetro ser a laser .

5. Dispositivo de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por a unidade de controlo de diâmetro compreender adicionalmente pelo menos dois rolos de tração (16), dispostos na vertical, que se encontram pressionados um contra o outro por um elástico colocado em chumaceiras plásticas (17) do rolo superior, sendo o movimento dos rolos controlado pelo motor (15) que atua sobre o rolo inferior .

6 . Dispositivo de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por o microcontrolador controlar o ciclo de operação das resistências elétricas de aquecimento

(6) através do algoritmo de controlo em malha fechada Proporcional-Integral-Derivativo .

7. Dispositivo de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por o microcontrolador controlar a operação do motor (1) através de Modulação por largura de pulso .

8. Dispositivo de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por a camisa (5) ser alhetada na zona de alimentação do fuso (13) .

9. Método de operação do Dispositivo para produção de filamento das reivindicações 1 a 8, caracterizado por compreender os seguintes passos:

a) microcontrolador recolhe e processa os dados de temperatura provenientes dos sensores de temperatura instalados junto de cada uma das resistências elétricas de aquecimento (6), atuando até se atingir o regime estacionário na temperatura das referidas zonas;

b) microcontrolador aciona o motor (1) do fuso (13) que promove a rotação do fuso (13) comprimindo e empurrando os flocos de material termoplástico que se encontram na zona de alimentação do fuso (13) ao longo da camisa (5) aquecida pelas resistências elétricas de aquecimento (6), resultando na fusão do termoplástico;

c) material termoplástico fundido chega à zona de desgaseificação, onde a diminuição de pressão causada pela configuração do fuso (13) e pela ligação na tomada de vácuo

(7) entre a camisa (5) e a bomba de vácuo (3) causa o borbulhar do termoplástico e consequente libertação de gases voláteis ;

d) o termoplástico é comprimido contra a cabeça de extrusão (8) atravessando o orifício desta;

e) sob a forma de filamento mas ainda no estado fundido, o termoplástico atravessa a unidade de refrigeração passando pelo tabuleiro de refrigeração (9) que ao forçar o filamento a entrar em contacto com a água oriunda de um sistema de circulação de água (12), fá-lo voltar ao estado sólido;

f) filamento no estado solido é puxado pelos rolos (16) do tracionador (11) da unidade de controlo de diâmetro;

g) calibração da espessura do filamento, através do mecanismo de medição de diâmetro (10), que envia esses dados para o microcontrolador;

h) O microcontrolador processa os dados enviados pela unidade de controlo de diâmetro e varia a velocidade do motor (15) do tracionador (11) para calibrar o diâmetro do filamento, aumentando a velocidade do motor (15) do tracionador (11) para diminuir o diâmetro do filamento, ou diminuir a velocidade do motor (15) do tracionador (11) para aumentar o diâmetro.