Process Parameters and Geometric Accuracy in Robotic Pellet Extrusion of Wood-Based Polylactic Acid (PLA) Composites

Resumen Técnico: Parámetros de Proceso y Precisión Geométrica en la Extrusión de Pellets Robótica de Compuestos de Ácido Poliláctico (PLA) con Base de Madera

Planteamiento del Problema
La Fabricación Aditiva de Gran Escala (RAM) robótica mediante extrusión de pellets ofrece una vía sostenible para la fabricación con compuestos de PLA con base de madera. Sin embargo, los datos sistemáticos sobre la precisión dimensional de esta combinación específica de material-sistema son limitados. A diferencia de la Modelación por Deposición Fundida (FDM) basada en filamento, la extrusión de pellets implica la extrusión directa de gránulos crudos, lo que introduce desafíos relacionados con la heterogeneidad del flujo de fundido, la sensibilidad a la humedad y la sincronización entre el movimiento del robot y la alimentación del material. La literatura existente suele centrarse en termoplásticos sin carga o sistemas de filamento, dejando un vacío en la comprensión de cómo los parámetros del proceso influyen en la fidelidad geométrica en la extrusión de pellets de PLA con base de madera. Específicamente, los límites entre los regímenes de deposición estables e inestables, y la interacción entre la velocidad de desplazamiento del robot, la rotación del extrusor y la temperatura de la boquilla, permanecen insuficientemente caracterizados.

Metodología
El estudio empleó un diseño experimental de un factor a la vez (OFAT) para mapear la ventana de proceso para dos grados de PLA con base de madera: KCL Formi® 3D Nordic Birch PLA-20 (20 % en peso de celulosa) y PLA-10 (10 % en peso de celulosa).

• Sistema: Un robot industrial ABB IRB 1600 acoplado a un extrusor de tornillo basado en pellets KFM Eco 3D 18 (boquilla de 3 mm).
• Especímenes: Veinticuatro cubos huecos (100 × 100 × 100 mm nominales) fueron impresos utilizando una trayectoria de herramienta en espiral continua para eliminar artefactos de inicio/parada.
• Parámetros:
  • Velocidad de desplazamiento del robot ($V$): 15, 30 y 45 mm/s.
  • Velocidad de rotación del extrusor ($N$): 3, 4 y 5 rpm.
  • Temperatura de la boquilla ($T$): Cuatro niveles discretos que oscilan entre 150/155 °C y 180/185 °C (Zona 1/Zona 2).
• Métricas: La precisión geométrica se evaluó mediante la desviación media, el Error Absoluto Medio (MAE), la desviación estándar y el porcentaje de error respecto a las dimensiones nominales para la altura del cubo, el espesor de la pared y la altura de la capa.
• Análisis: El conjunto de datos fue analizado para identificar regímenes estables vs. inestables. Dentro del régimen estable ($V \le 30$ mm/s), se desarrollaron matrices de correlación de Pearson y modelos polinómicos de segundo orden para caracterizar las interacciones de los parámetros y el desacoplamiento.

Resultos Clave

1. Dominancia de la Velocidad de Desplazamiento: Se identificó la velocidad de desplazamiento del robot como el determinante primario de la estabilidad geométrica. A 45 mm/s, ambos materiales experimentaron una subextrusión severa, resultando en alturas de cubo por debajo del 25 % del valor nominal (por ejemplo, 15.47 mm para PLA-20). Este modo de falla se manifestó como una pérdida de sincronización donde el material se acumulaba lateralmente (aumentando el espesor de la pared) en lugar de verticalmente.
2. Desacoplamiento del Régimen Estable: Dentro de la ventana operativa estable ($V \le 30$ mm/s), los tres parámetros del proceso exhibieron efectos casi separables en cantidades geométricas específicas:
   • La Velocidad de Desplazamiento gobernó principalmente la altura de la capa.
   • La Rotación del Extrusor gobernó principalmente el espesor de la pared.
   • La Temperatura de la Boquilla gobernó principalmente la altura del cubo.
     Este desacoplamiento respalda un enfoque de calibración secuencial en lugar de una optimización multivariante totalmente acoplada.
3. Sensibilidad Térmica Específica del Material:
   • PLA-20 (20 % fibra): Exhibió una caída brusca en la altura del cubo de 113.35 mm a 150 °C a 77.59 mm a 160 °C, seguida de una meseta térmica donde la altura se mantuvo relativamente estable (77–83 mm) en el rango de 160 a 180 °C.
   • PLA-10 (10 % fibra): Mostró una interacción crítica entre temperatura y rotación. A baja rotación (3 rpm), el aumento de la temperatura de 160 °C a 180 °C causó un colapso catastrófico en la altura del cubo (una reducción del 67.4 %), atribuido a la menor viscosidad del fundido y la falta de refuerzo de fibra, lo que provocó la inanición de la pared. Sin embargo, a 4 rpm, el PLA-10 mantuvo una altura cercana a la nominal incluso a 180 °C, indicando que un mayor flujo de material puede compensar el adelgazamiento térmico.
4. Sobrepaso Sistemático de la Altura de Capa: Todos los especímenes exhibieron alturas de capa que excedían el valor nominal de 0.5 mm (oscilando entre 0.55 y 1.86 mm). Esta desviación sistemática estaba fuertemente correlacionada con la velocidad de desplazamiento dentro del régimen estable, lo que sugiere que está gobernada por el control cinemático y el hinchamiento de la matriz (die swell) más que por los ajustes del slicer por sí solos.

Modelado Predictivo
Se ajustaron modelos polinómicos de segundo orden a los datos del régimen estable:

• PLA-20: Bien descrito por un modelo cuadrático separable (no requiere término de interacción, $R^2_{adj} = 0.68$).
• PLA-10: Requirió un término de interacción temperatura–rotación para capturar con precisión el colapso térmico a baja rotación ($R^2_{adj} = 0.91$). El coeficiente de interacción ($a_5 = +2.43$ mm·°C⁻¹·rpm⁻¹) cuantifica cómo el aumento de la rotación contrarresta la pérdida de altura inducida por las temperaturas elevadas.

Significancia y Reivindicaciones
Los autores afirman que este trabajo establece un marco cuantitativo para evaluar la precisión dimensional en la extrusión de pellets robótica de PLA con base de madera. Las contribuciones primarias son:

1. Identificación del Sobre de Operación: Definir el límite superior del régimen estable en 30 mm/s para esta combinación de material-sistema, más allá del cual la fidelidad geométrica colapsa.
2. Estrategia de Control Desacoplado: Demostrar que, dentro del régimen estable, la velocidad, la rotación y la temperatura pueden ajustarse independientemente para controlar la altura de la capa, el espesor de la pared y la altura del cubo, respectivamente. Esto respalda un procedimiento de calibración de tres pasos propuesto.
3. Calibración Específica del Material: Resaltar que la selección de parámetros no puede ser universal para todos los grados de PLA con base de madera; específicamente, el PLA-10 requiere una estrategia acoplada de temperatura-rotación para evitar el colapso térmico, mientras que el PLA-20 es más robusto térmicamente.

Limitaciones y Trabajo Futuro
El artículo señala explícitamente las siguientes limitaciones:

• Los modelos polinómicos se basan en un conjunto de datos pequeño ($n=10$ por material) sin validación externa; los valores de $R^2$ reportados reflejan el ajuste de entrenamiento más que la precisión predictiva fuera de la muestra.
• El diseño OFAT impide la extracción de un óptimo global numérico mediante la extrapolación de superficies.
• La calibración es específica para el sistema ABB IRB 1600/KFM Eco 3D 18 y la geometría del cubo; no se espera que los coeficientes se transfieran a otros sistemas sin recalibración.
• Se identifica la necesidad de trabajos futuros para validar los modelos con datos externos y emplear diseños de múltiples parámetros (por ejemplo, Taguchi o Metodología de Superficie de Respuesta) para resolver los efectos de interacción de manera más rigurosa.