Experimental validation of a microextruder and in-line rheological characterization of polymeric systems for FDM

Abstract

Anteriormente, a tecnologia de Fused Deposition Modelling (FDM) era predominantemente utilizada para criar modelos e protótipos. No entanto, o crescente interesse nesta tecnologia para aplicações finais levou à realização de trabalhos de investigação focados no desenvolvimento de novos materiais para a produção de filamentos, uma vez que estes são a principal matéria-prima utilizada na maioria das impressoras 3D encontradas em vários ambientes mundialmente. As propriedades reológicas dos materiais a ser utilizados em FDM influenciam a qualidade das peças impressas, uma vez que tem impacto sobre a capacidade da extrusão do material e deste manter a sua forma durante a impressão. Por isso, a determinação das propriedades reológicas do material poderão ajudar a otimização dos parâmetros de impressão e, assim, melhorar a qualidade das peças produzidas. Acoplar fieiras, capilares ou fendas, instrumentadas a extrusoras permite a determinação das caracteristicas reológicas a taxas de corte relativamente altas, isto é, na gama tipicamente obtida no processamento por extrusão (acima de 10 𝑠 −1 ), o que faz dos métodos de caracterização em linha de grande interesse para a caracterização de polímeros fundidos, para a previsão da sua processabilidade e para fornecer a ligação entre as propriedades dos polímeros, os parâmetros de processamento e as características do produto final. O principal objetivo deste trabalho é validar uma linha de microextrusão para a produção de filamentos para FDM e, também, um micro-reómetro com capacidade para a caracterização reológica em linha. Isto permitirá o desenvolvimento e produção de novos materiais para FDM, mas também a capacidade de caracterizar o comportamento reológico de sistemas poliméricos complexos. Nesta contribuição, é apresentado o design e a construção do micro-reómetro e da linha de microextrusão. São realizadas experiências para definir a janela operacional da linha de extrusão. No que diz respeito ao micro-reómetro, dois sensores piezoelétricos, já validados para a reometria de fenda em linha, são montados ao longo da fenda para medir o gradiente de pressão e, assim, permitir a obtenção de curvas de fluxo de polietileno de baixa densidade (LDPE) e copolímero de olefina cíclica (COC). Os resultados são comparados com reómetros off-line (rotacional e capilar). Após a validação do micro-reómetro, são produzidos filamentos de COC e caracterizados dimensionalmente. Por fim, os filamentos são validados numa impressora 3D, e posteriormente, as peças impressas são caracterizadas mecanicamente, através de ensaios de tração.

Previously, Fused Deposition Modelling (FDM) technology was predominantly utilized for creating models and prototypes. However, the growing interest in this technology for end-use applications has led to a surge in research works focused on developing new filament materials, since these are the primary feedstock used in the majority of printers found in various settings worldwide. The rheological properties of the material being used in FDM can affect the quality of the printed parts, as it can impact the ability to extrude the material and maintain its shape during printing. Therefore, an understanding of the rheological properties of the material can help optimize printing parameters and improve the quality of the printed parts. Coupling instrumented capillary or slit dies to extruders allows the determination of rheological characteristics at relatively high shear rates, that is, in the region of practical extrusion processing (greater than 10 𝑠 −1 ), which makes in-extrusion characterization methods of great practical interest for the characterization of polymer melts, for the prediction of their processability and to provide the link between polymers properties, processing parameters and final product characteristics. The main objective of this work is to validate a microextrusion line for filament production for FDM, and also, a microrheometer with capacity for in-line rheological characterization. This will capacitate the research, development and production of new materials for FDM, but, also, the ability to characterize the rheological behaviour of complex polymer systems. In this contribution, the design and construction of the microrheometer and microextrusion line are presented. Experiments are performed to define the operating window of the extrusion line. Concerning the microrheometer, two piezoelectric sensors, already validated for slit rheometry, are flushed mounted along the microslit to measure the pressure gradient and thus produce flow curves of low density polyethylene (LDPE) and cyclic olefin copolymer (COC). The results are compared with off-line (rotational and capillary) rheometers. After the validation of the microrheometer, COC filaments are produced and dimensionally characterized. Lastly, the filaments are tested in a 3D-printer, with the printed parts being mechanically characterized after.