Análisis del proceso de modelado por deposición fundida (FDM) con poliácido láctico (PLA)

Resumen

Las técnicas avanzadas de Fabricación Aditiva (Additive Manufacturing, AM) están siendo desarrolladas para diversos sectores, con arquitectura cada vez más controlada. Estas técnicas combinan diseño asistido por ordenador (Computer Aided Design, CAD), con herramientas de fabricación asistida por ordenador (Computer Aided Manufacturing, CAM) para producir estructuras tridimensionales capa a capa en un número cada vez más amplio de materiales para el desarrollo de productos con geometrías complejas y personalizadas. Esto se hace de una forma mucho más rápida y económica que por procesos convencionales, en muchos casos inviables de producir en por otras técnicas en un solo paso, lo que ha supuesto que se convierta en la técnica a la que más atracción se le presta en la denominada cuarta revolución industrial (Industria 4.0). En particular, el Modelado por Deposición Fundida (Fused Deposition Modelling, FDM) es una de las principales tecnologías de Fabricación Aditiva. Sin embargo, sigue siendo una técnica con ciertas limitaciones. Entre ellas destaca la textura característica de la adición en capas y las oquedades existentes entre filamentos depositados (intercara) y entre capas (intercapa). Para homogeneizar o al menos disminuir esta restricción característica se pueden utilizar técnicas de mejora de pre-procesamiento, en función de los parámetros de fabricación desde el diseño, o post-procesamiento, realizadas una vez la pieza está fabricada. Además, la estructura interna de una pieza FDM no es significativamente diferente de la de un material compuesto reforzado con fibra, ya que puede interpretarse como una estructura compuesta con capas de fibras de polímero termoplástico apiladas verticalmente en diferentes disposiciones además de una pequeña cantidad de aire. En FDM, un filamento sólido se extruye en un estado semifundido, que se solidifica en la superficie a una temperatura por debajo de la temperatura de transición vítrea (Tg) del material. La temperatura baja bruscamente de la de fusión a la Tg en 0,55 segundos. Como consecuencia, tiene lugar una contracción volumétrica, desarrollando un enlace débil y una porosidad de la estructura. Existen muchas variables que pueden tener un efecto sobre las características del objeto fabricado y que pueden ayudar a disminuir el efecto anteriormente citado. Por otro lado, una de las principales desventajas de los productos creados por AM y en concreto por FDM, es la calidad superficial y, hasta ciertos niveles de profundidad, la porosidad y la anisotropía del producto resultante, intrínsecos al proceso. No obstante, son los niveles de tolerancias marcados por el cliente los que condicionan la aceptación o rechazo de la pieza creada. Sin embargo, un estudio de los principales parámetros, de las condiciones de contorno o ambientales y de diferentes tipos de post-procesados podría ayudar a predecir y mejorar dichas tolerancias. La predicción real de las propiedades mecánicas efectivas de piezas producidas por las tecnologías aditivas, es muy importante para diversas aplicaciones en ingeniería. Por este motivo, estas características han sido evaluadas atendiendo a diferentes aspectos y teniendo en cuenta variables en la estrategia de fabricación, así como la aplicación de distintos post-procesados en distintas investigaciones. Sin embargo, la tendencia actual existente de eliminar plásticos derivados del petróleo induce a frenar la expansión de esta tecnología. Por este motivo se decide indagar en el comportamiento de un plástico biodegradable ampliamente utilizado en FDM y poco estudiado en la literatura, el poliácido láctico (PLA). De esta manera, el principal objetivo de la Tesis Doctoral es el estudio y mejora de los parámetros de fabricación del proceso FDM con el material PLA. Además, esta Tesis se centra en el desarrollo de protocolos que sirvan de base para el estudio de distintas posibilidades de mejora del acabado superficial así como el diseño de probetas especialmente diseñadas para el análisis del rendimiento de tecnologías AM, sobre las consideraciones ya expuestas.