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

Resumo Técnico: Parâmetros de Processo e Precisão Geométrica na Extrusão Robótica de Compósitos de Ácido Polilático (PLA) à Base de Madeira

Definição do Problema
A Manufatura Aditiva de Larga Escala (RAM) robótica utilizando extrusão de pellets oferece um caminho sustentável para a fabricação com compósitos de ácido polilático (PLA) à base de madeira. No entanto, dados sistemáticos sobre a precisão dimensional para esta combinação específica de material–sistema são limitados. Diferente da Modelagem por Deposição Fundida (FDM) baseada em filamento, a extrusão de pellets envolve a extrusão direta de grânulos brutos, o que introduz desafios relacionados à heterogeneidade do fluxo de fusão, sensibilidade à umidade e à sincronização entre o movimento do robô e a alimentação do material. A literatura existente frequentemente foca em termoplásticos não preenchidos ou sistemas de filamento, deixando uma lacuna na compreensão de como os parâmetros de processo influenciam a fidelidade geométrica na extrusão de pellets de PLA à base de madeira. Especificamente, os limites entre regimes de deposição estáveis e instáveis, e a interação entre a velocidade de deslocamento do robô, a rotação do extrusor e a temperatura do bocal, permanecem subcaracterizados.

Metodologia
O estudo empregou um delineamento experimental de Um Fator por Vez (OFAT) para mapear a janela de processo para dois graus de PLA à base de madeira: KCL Formi® 3D Nordic Birch PLA-20 (20% em peso de celulose) e PLA-10 (10% em peso de celulose).

• Sistema: Um robô industrial ABB IRB 1600 acoplado a um extrusor de parafuso KFM Eco 3D 18 baseado em pellets (bocal de 3 mm).
• Espécimes: Vinte e quatro cubos ocos (100 × 100 × 100 mm nominais) foram impressos usando um caminho de ferramenta em espiral contínua para eliminar artefatos de início/parada.
• Parâmetros:
  • Velocidade de deslocamento do robô ($V$): 15, 30 e 45 mm/s.
  • Velocidade de rotação do extrusor ($N$): 3, 4 e 5 rpm.
  • Temperatura do bocal ($T$): Quatro níveis discretos variando de 150/155 °C a 180/185 °C (Zona 1/Zona 2).
• Métricas: A precisão geométrica foi avaliada usando desvio médio, Erro Médio Absoluto (MAE), desvio padrão e porcentagem de erro em relação às dimensões nominais para altura do cubo, espessura da parede e altura da camada.
• Análise: O conjunto de dados foi analisado para identificar regimes estáveis vs. instáveis. Dentro do regime estável ($V \le 30$ mm/s), matrizes de correlação de Pearson e modelos polinomiais de segunda ordem foram desenvolvidos para caracterizar as interações de parâmetros e o desacoplamento.

Principais Resultados

1. Dominância da Velocidade de Deslocamento: A velocidade de deslocamento do robô foi identificada como o principal determinante da estabilidade geométrica. A 45 mm/s, ambos os materiais sofreram subextrusão severa, resultando em alturas de cubo abaixo de 25% do valor nominal (ex: 15,47 mm para o PLA-20). Este modo de falha manifestou-se como uma perda de sincronização onde o material se acumulou lateralmente (aumentando a espessura da parede) em vez de verticalmente.
2. Desacoplamento do Regime Estável: Dentro da janela operacional estável ($V \le 30$ mm/s), os três parâmetros de processo exibiram efeitos quase separáveis em quantidades geométricas específicas:
   • Velocidade de Deslocamento governou primariamente a altura da camada.
   • Rotação do Extrusor governou primariamente a espessura da parede.
   • Temperatura do Bocal governou primariamente a altura do cubo.
     Este desacoplamento suporta uma abordagem de calibração sequencial em vez de uma otimização multivariada totalmente acoplada.
3. Sensibilidade Térmica Específica do Material:
   • PLA-20 (20% fibra): Exibiu uma queda brusca na altura do cubo de 113,35 mm a 150 °C para 77,59 mm a 160 °C, seguida por um platô térmico onde a altura permaneceu relativamente estável (77–83 mm) na faixa de 160 a 180 °C.
   • PLA-10 (10% fibra): Mostrou uma interação crítica entre temperatura e rotação. Com baixa rotação (3 rpm), o aumento da temperatura de 160 °C para 180 °C causou um colapso catastrófico na altura do cubo (uma redução de 67,4%), atribuído à menor viscosidade da fusão e à falta de reforço de fibras, levando à escassez de parede. No entanto, a 4 rpm, o PLA-10 manteve altura próxima à nominal mesmo a 180 °C, indicando que um maior fluxo de material pode compensar o afinamento térmico.
4. Sobrepasso Sistemático da Altura da Camada: Todos os espécimes exibiram alturas de camada excedendo o nominal de 0,5 mm (variando de 0,55 a 1,86 mm). Esta desviação sistemática foi fortemente correlacionada com a velocidade de deslocamento dentro do regime estável, sugerindo que é governada pelo controle cinemático e pelo inchamento do bocal (die swell) em vez de apenas pelas configurações do slicer.

Modelagem Preditiva
Modelos polinomiais de segunda ordem foram ajustados aos dados do regime estável:

• PLA-20: Bem descrito por um modelo quadrático separável (sem necessidade de termo de interação, $R^2_{adj} = 0,68$).
• PLA-10: Requer um termo de interação temperatura–rotação para capturar com precisão o colapso térmico em baixa rotação ($R^2_{adj} = 0,91$). O coeficiente de interação ($a_5 = +2,43$ mm·°C⁻¹·rpm⁻¹) quantifica como o aumento da rotação neutraliza a perda de altura induzida por temperaturas elevadas.

Significância e Alegações
Os autores alegam que este trabalho estabelece um arcabouço quantitativo para avaliar a precisão dimensional na extrusão de pellets robótica de PLA à base de madeira. As principais contribuições são:

1. Identificação do Envelope Operacional: Definir o limite superior do regime estável em 30 mm/s para esta combinação de material-sistema, além do qual a fidelidade geométrica colapsa.
2. Estratégia de Controle Desacoplada: Demonstrar que, dentro do regime estável, velocidade, rotação e temperatura podem ser ajustadas independentemente para controlar a altura da camada, a espessura da parede e a altura do cubo, respectivamente. Isso suporta um procedimento de calibração de três etapas proposto.
3. Calibração Específica do Material: Destacar que a seleção de parâmetros não pode ser universal entre diferentes graus de PLA à base de madeira; especificamente, o PLA-10 requer uma estratégia acoplada de temperatura-rotação para evitar o colapso térmico, enquanto o PLA-20 é mais robusto termicamente.

Limitações e Trabalhos Futuros
O artigo nota explicitamente as seguintes limitações:

• Os modelos polinomiais baseiam-se em um pequeno conjunto de dados ($n=10$ por material) sem validação externa; os valores de $R^2$ relatados refletem o ajuste de treinamento, não a precisão preditiva fora da amostra.
• O delineamento OFAT impede a extração de um ótimo global numérico via extrapolação de superfície.
• A calibração é específica para o sistema ABB IRB 1600/KFM Eco 3D 18 e para a geometria do cubo; os coeficientes não devem ser transferíveis para outros sistemas sem recalibração.
• Identifica-se a necessidade de trabalhos futuros para validar os modelos com dados externos e para empregar designs de múltiplos parâmetros (ex: Taguchi ou Metodologia de Superfície de Resposta) para resolver os efeitos de interação de forma mais rigorosa.