The development of an innovative 3D printer containing a co-rotating twin screw extrusion unit (Co-TSE) is presented in this work. Material extrusion additive manufacturing (MEX) has been traditionally implemented by filament-based 3D printers with narrow commercial offer of materials. Since the mid-2000s, research efforts have been applied to develop MEX technologies that accept pellets or powders as raw material. The typical solution, based on single screw extrusion, enabled expanding the range of applicable materials, reducing printing costs, and increasing the deposition rates, but have limited process flexibility and mixing capacity. The new design combines a miniaturized modular Co-TSE operated under starve-fed conditions with a benchtop Cartesian platform, and accepts material in powder or micro-pellet form. As with industrial Co-TSE machines, the output and screw rotation speed can be set independently, and its dispersive and distributive mixing capacity can be fine tuned according to a given manufacture. Screw-assisted MEX was investigated in a systematic literature review, revealing the main design advantages, limitations and technology development workflow. The new equipment was developed in three major iterations, starting from the determination of the screw geometry to the simulation of the extrusion process, to ascertain whether the appropriate thermomechanical environment for polymer processing could be created by the proposed design. A functional prototype was built at the end of the third iteration. Extrusion tests were performed under different operating conditions, using polypropylene and a 90/10 wt% polypropylene/polystyrene blend. Two screw configurations were used, with and without kneading discs, to assess the response of the extrusion unit in terms of flow characteristics and mixing performance. The results showed that the mixing elements determine the starting melt position, and the average residence times, as well as the shearing levels which, in turn, affect the homogenization effectiveness. The screw configuration and rotation speed do not affect the output, which depends only on the feed rate. Preliminary deposition tests were conducted to determine the feasible printing parameters. A standard tensile test specimen, a square scaffold and a multicolored rectangular box were successfully printed, validating the innovative design. The mechanical properties of printed test specimens were within the expected values. The blend specimens showed na increase in the Young's module and ultimate tensile strength (1417 ± 101 MPa and 32 ± 1 MPa, respectively), accompanied by a significant decrease in the elongation at break (23 ± 6 %) due to the presence of the PS phase. The Co-TSE AM system not only eliminates the dependency on filamentary feedstock but combines polymer compounding and 3D printing in a single processing route. This represents a significant step towards the availability of a more versatile equipment that can be customized according to the required processing tasks and/or intended application. Future research avenues include using this printer to integrate into a single step the manufacture and printing of polymer blends, bio-composites, and bio-nanocomposites for personalized medical applications.

Este trabalho aparesenta o desenvolvimento de uma impressora 3D baseada em extrusora dupla rosca corrotativa. A manufatura aditiva por extrusão (MAE) tem sido tradicionalmente implementada por impressoras 3D que utilizam filamentos com oferta comercial limitada de materiais. Desde os anos 2000, novas tecnologias MAE que aceitam material em pó ou pellets têm sido propostas. A solução típica, baseada em extrusão rosca simples, expande as opções de materiais aplicáveis, permite reduzir custos de impressão e aumentar as taxas de deposição, mas apresenta pouca flexibilidade de processo e baixa capacidade de mistura. O novo equipamento combina uma mini-extrusora dupla rosca corrotativa modular operada em regime de semipreenchimento com uma plataforma Cartesiana, e aceita material em pó ou micro-pellets. Similar às extrusoras dupla rosca industriais, a vazão e rotação das roscas podem ser definidas independentemente e sua capacidade de mistura pode ser ajustada de acordo com requisitos da manufatura. A MAE assistida por rosca foi investigada em uma revisão sistemática, revelando importantes vantagens e limitações de projeto, assim como o fluxo de desenvolvimento da tecnologia. O novo equipamento foi desenvolvido em três iterações, partindo da geometria das roscas até a simulação do processo de extrusão para verificar se o ambiente termomecânico apropriado seria criado pela mini-extrusora. Um protótipo funcional foi construído ao final da terceira iteração. Testes de extrusão foram realizados em diferentes condições de operação, utilizando polipropileno e uma blenda de polipropileno/poliestireno 90/10 (% em massa). Duas configurações de rosca foram testadas, com e sem elementos de malaxagem, para avaliar as características de fluxo e desempenho de mistura. Os resultados mostraram que os elementos de mistura determinam o início da fusão, os tempos médios de residência, e o nível de cisalhamento que, por sua vez, tem efeito sobre a qualidade da mistura. A configuração e velocidade de rotação das roscas não afetam a vazão, que depende apenas da taxa de alimentação. Testes preliminares de deposição foram realizados para determinar os parâmetros de impressão 3D. Um corpo-de-prova padrão, um scaffold e uma caixa multicolorida foram adequadamente impressos, validando o novo equipamento. As propriedades mecânicas dos corpos-de-prova apresentaram valores em conformidade com a literatura. Os corpos-de-prova impressos com a blenda tiveram aumento no módulo de elasticidade e limite de resistência à tração (1417 ± 101 MPa e 32 ± 1 MPa, respectivamente), acompanhado por uma diminuição significativa no alongamento em ruptura (23 ± 6 %) em razão da presença da fase de PS. A impressora 3D projetada não apenas elimina a dependência de matéria-prima filamentosa, mas combina composição de polímeros e deposição em uma única rota de processamento. Isso representa um passo significativo para a disponibilidade de um equipamento mais versátil que pode ser personalizado de acordo com as tarefas de processamento específicas e/ou aplicação pretendida. As possibilidades de pesquisa futura incluem o uso da impressora para integrar em uma única etapa a fabricação e impressão de blendas poliméricas, biocompósitos e bionanocompósitos para aplicações médicas personalizadas.