Il National Institute of Technology Rourkela (NIT Rourkela), in India, ha sviluppato un sistema compatto per trasformare rifiuti termoplastici in filamenti destinati alla stampa 3D. Il progetto punta a rendere più accessibile la produzione interna di materiali per tecnologie FDM e FFF, con particolare attenzione al riciclo e alla possibilità di ottenere filamenti compositi rinforzati.
L’impianto è stato progettato da un gruppo di ricerca del NIT Rourkela formato da Sandhyarani Biswas, del Dipartimento di Ingegneria Meccanica, Sujit Sen, del Dipartimento di Ingegneria Chimica, insieme a Jagdish Uday Khatu, Himanshu Singh e Kiran Suna.
Secondo le informazioni diffuse dal NIT Rourkela, il costo di realizzazione del sistema si aggira intorno alle 45.000 rupie indiane, una cifra che colloca l’apparecchiatura in una fascia potenzialmente accessibile a università, laboratori, centri di ricerca, makerspace e piccole strutture produttive interessate a realizzare direttamente i propri materiali per la stampa 3D.
Dalla plastica triturata a un nuovo filamento per la stampa 3D
Il principio alla base della macchina è quello dell’estrusione termoplastica. Il materiale plastico recuperato viene preparato in particelle di dimensioni compatibili con il sistema di alimentazione, introdotto nell’estrusore, riscaldato fino a ottenere una massa sufficientemente fluida e quindi spinto attraverso una filiera.
All’uscita si forma un filamento continuo che deve essere raffreddato, trascinato a velocità controllata e successivamente raccolto.
Questa sequenza può sembrare semplice, ma nella produzione di filamenti FDM la regolarità del processo è determinante. Una delle difficoltà maggiori consiste infatti nel mantenere il diametro del materiale il più possibile costante lungo l’intera bobina.
Una variazione anche limitata della sezione modifica la quantità di materiale che la stampante introduce nell’hotend. Un filamento troppo grande può causare problemi di alimentazione o aumentare la quantità di polimero depositata; uno troppo sottile può provocare sottoestrusione, pareti meno dense e differenze dimensionali sul componente finale.
Per questo motivo il progetto del NIT Rourkela non comprende soltanto l’estrusore, ma integra sistemi dedicati alla regolazione delle condizioni di processo.
Controllo PID della temperatura e raffreddamento del materiale
La macchina utilizza regolatori PID – Proportional Integral Derivative per gestire la temperatura dell’estrusione.
Un controllo PID confronta in maniera continua la temperatura misurata con quella impostata e modifica la potenza fornita agli elementi riscaldanti per ridurre le oscillazioni. Nella lavorazione dei termoplastici questo aspetto è importante perché variazioni della temperatura modificano viscosità e comportamento della massa fusa e, di conseguenza, anche la portata del materiale attraverso la filiera.
Alla regolazione termica si affianca un sistema di raffreddamento controllato.
Il filamento appena estruso non può essere semplicemente avvolto su una bobina: deve prima raggiungere una temperatura alla quale la sua geometria diventi sufficientemente stabile. Se il trascinamento, la temperatura di estrusione e il raffreddamento non sono coordinati, il materiale può assottigliarsi, deformarsi o produrre variazioni di diametro.
Studi sulla produzione di filamenti riciclati hanno infatti mostrato che temperatura dell’estrusore, velocità di avanzamento, velocità di trascinamento e raffreddamento costituiscono parametri strettamente collegati.
Il controllo del diametro è uno dei punti centrali
La produzione di filamenti riciclati è più complessa rispetto alla lavorazione di granuli vergini con caratteristiche note e omogenee.
I materiali recuperati possono presentare differenze nella dimensione delle particelle, nella densità apparente, nel contenuto di umidità e nella storia termica. La plastica proveniente da oggetti già lavorati può inoltre aver subito degradazione durante i precedenti cicli di fusione.
Queste differenze influenzano la viscosità del materiale e la stabilità della portata dell’estrusore.
Ricerche dedicate alla produzione di filamenti da ABS riciclato, per esempio, hanno evidenziato come variazioni nel materiale di partenza possano riflettersi direttamente sulla stabilità del diametro. Per questo le linee di estrusione più evolute utilizzano sistemi di misura ottica o laser e regolano la velocità di trascinamento in funzione del diametro rilevato.
Nel sistema presentato dal NIT Rourkela, il controllo dell’intero percorso di estrusione e raffreddamento punta proprio a ottenere filamenti con una precisione dimensionale sufficiente all’impiego nelle comuni stampanti 3D a estrusione.
Non soltanto plastica riciclata: il progetto punta ai filamenti compositi
Un altro elemento del progetto riguarda la possibilità di mescolare la matrice polimerica con materiali di rinforzo.
Il sistema del NIT Rourkela non è quindi pensato esclusivamente per trasformare plastica triturata in un nuovo filamento dello stesso materiale. La configurazione può essere utilizzata per realizzare filamenti compositi, aggiungendo alla matrice termoplastica particelle o fibre in grado di modificarne le proprietà.
È un settore sul quale la ricerca nell’additive manufacturing lavora da diversi anni.
L’introduzione di fibre o cariche può aumentare rigidità e resistenza del materiale, modificare il comportamento termico o permettere di sviluppare filamenti destinati ad applicazioni specifiche.
Anche con materiali riciclati esistono risultati interessanti. Studi sul polipropilene riciclato rinforzato con fibre di vetro, per esempio, hanno mostrato che una corretta formulazione può ottenere proprietà meccaniche confrontabili in alcuni parametri con quelle di compositi basati su materiale vergine.
La presenza di un rinforzo introduce però altre variabili: distribuzione delle particelle, adesione tra matrice e rinforzo, viscosità, abrasività del materiale e uniformità della miscela devono essere controllate.
Un possibile sistema a ciclo chiuso per i laboratori di stampa 3D
Uno degli scenari più interessanti indicati dal NIT Rourkela è quello di un ciclo locale di recupero.
In un laboratorio di stampa 3D vengono prodotti inevitabilmente supporti, prototipi scartati, pezzi difettosi, prove di calibrazione e altri residui termoplastici.
Una parte di questo materiale potrebbe essere separata, triturata, preparata ed estrusa nuovamente sotto forma di filamento.
In questa configurazione, una struttura dotata di stampanti 3D potrebbe affiancare alla produzione dei componenti anche una piccola linea di recupero del materiale.
Non si tratterebbe di un riciclo illimitato. Ogni nuovo ciclo termico può modificare la struttura molecolare di alcuni polimeri e provocare una progressiva riduzione delle loro prestazioni. In funzione del materiale può quindi essere necessario mescolare una quota riciclata con polimero vergine oppure utilizzare additivi specifici.
Il caso del PET riciclato è indicativo. Alcune ricerche hanno mostrato che il materiale proveniente dalle bottiglie può essere trasformato in filamento da 1,75 mm, ma la perdita di viscosità durante il riciclo può rendere più difficile ottenere un filo dimensionalmente stabile.
Altri studi hanno affrontato il problema utilizzando estensori di catena per modificare la struttura molecolare del PET riciclato, ottenendo filamenti più regolari e più facili da utilizzare in FFF.
Il problema dell’umidità nei materiali riciclati
Un altro parametro importante è l’acqua assorbita dal materiale.
Polimeri come PET, PETG, PA e altri materiali igroscopici devono essere adeguatamente asciugati prima dell’estrusione. La presenza di umidità ad alta temperatura può causare degradazione oppure generare bolle e irregolarità nella massa estrusa.
Nel riciclo il problema può diventare più evidente perché il materiale recuperato può essere stato esposto all’ambiente per lunghi periodi prima della lavorazione.
Un sistema realmente destinato alla produzione ripetibile di filamenti riciclati deve quindi essere inserito in una filiera che comprenda anche selezione, pulizia, triturazione ed eventualmente essiccazione del materiale.
L’estrusore costituisce soltanto uno degli elementi della catena.
Un costo di circa 45.000 rupie per una macchina destinata alla ricerca e alla produzione locale
Il costo dichiarato dal NIT Rourkela, pari a circa 45.000 rupie, è uno degli aspetti che distinguono il progetto.
Le linee professionali per la produzione controllata di filamenti possono comprendere estrusore, vasche di raffreddamento, sistemi laser per la misura del diametro, unità di trascinamento e avvolgitori automatici, raggiungendo costi incompatibili con molti laboratori didattici o piccoli centri di ricerca.
La soluzione sviluppata dal NIT Rourkela cerca invece di concentrare le funzioni necessarie in una macchina portatile e relativamente economica.
L’obiettivo non sembra essere quello di competere direttamente con le linee industriali ad alta produttività utilizzate dai produttori di filamento, ma di permettere la sperimentazione e la produzione in quantità più contenute.
Questo potrebbe risultare utile anche nella ricerca sui materiali, dove produrre internamente piccole quantità di filamento consente di provare differenti percentuali di polimero riciclato, rinforzi e formulazioni senza dover commissionare bobine a produttori esterni.
Dall’automotive alla ricerca: le possibili applicazioni
Il gruppo del NIT Rourkela indica diversi settori nei quali i filamenti ottenuti con il sistema potrebbero essere utilizzati, tra cui automotive, aerospazio, elettronica, beni di consumo, attività didattiche e ricerca.
Nel campo della stampa 3D vengono considerate anche applicazioni biomedicali quali modelli anatomici, strutture scaffold, modelli dentali, protesi e ortesi.
In questi ultimi casi, però, la semplice stampabilità del materiale non è sufficiente. Per qualsiasi applicazione a contatto con il corpo umano diventano determinanti aspetti quali biocompatibilità, sterilizzabilità, tracciabilità del materiale, ripetibilità del processo e rispetto delle normative previste per lo specifico dispositivo.
La macchina del NIT Rourkela va quindi considerata soprattutto come una piattaforma di produzione e ricerca sui materiali, dalla quale possono essere sviluppate formulazioni destinate a impieghi differenti.
Il brevetto protegge il sistema, ma restano da definire diversi dati tecnici
Le informazioni rese disponibili dal NIT Rourkela non indicano ancora in maniera completa quali polimeri siano stati validati, quali materiali di rinforzo siano stati utilizzati e quali percentuali siano state impiegate nelle diverse formulazioni.
Non sono stati inoltre diffusi dati completi sulle tolleranze dimensionali ottenute lungo una bobina, sulla produttività oraria, sulla variazione delle proprietà dopo diversi cicli di riciclo o sulle prestazioni meccaniche delle differenti composizioni.
Sono parametri importanti per capire fino a che punto il sistema possa passare dall’attività di laboratorio a una produzione continuativa.
La tutela brevettuale raggiunta dal gruppo del NIT Rourkela rappresenta quindi una fase del percorso di sviluppo. Per un eventuale utilizzo commerciale saranno necessari ulteriori passaggi legati a standardizzazione, controllo qualità, ripetibilità e qualificazione delle formulazioni.
Produrre il materiale vicino alla stampante
Il valore tecnico del progetto del NIT Rourkela risiede soprattutto nell’integrazione tra riciclo e produzione del materiale.
La stampa 3D a filamento ha reso relativamente semplice produrre un oggetto partendo da un file digitale, ma continua a dipendere in gran parte da bobine preparate industrialmente.
Un estrusore compatto consente invece di intervenire sul passaggio precedente: la preparazione del materiale.
Per università e laboratori significa poter trasformare residui plastici in materia prima, sperimentare compositi e adattare le formulazioni alle proprietà ricercate. Per piccole strutture produttive può offrire la possibilità di studiare sistemi locali di recupero degli scarti.
La vera verifica arriverà dalla capacità del sistema sviluppato dal NIT Rourkela di produrre filamenti con caratteristiche dimensionali e meccaniche ripetibili utilizzando flussi di plastica riciclata differenti.
È proprio questo passaggio — dalla possibilità tecnica di estrudere plastica recuperata alla capacità di ottenere un materiale prevedibile e controllato — a determinare se il riciclo del filamento possa diventare una pratica stabile nella produzione additiva.
Questo articolo è stato redatto con il supporto di strumenti di intelligenza artificiale (AI)
