Caracterización de propiedades mecánicas de piezas en ABS en función de parámetros de proceso de manufactura aditiva FDM

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1 Asociación Española de Ingeniería Mecánica XXI CONGRESO NACIONAL DE INGENIERÍA MECÁNICA Caracterización de propiedades mecánicas de piezas en ABS en función de parámetros de proceso de manufactura aditiva FDM M. Velasco Peña 1, J. Rodríguez Suárez 2, D. Restrepo Ardila 3 1 Centro Metalmecánico. Servicio Nacional de Aprendizaje SENA.Bogotá, Colombia. mavelasco@sena.edu.co. Facultad de Ingeniería Mecánica. Universidad Santo Tomás. Bogotá, Colombia. marcovelasco@usantotomas.edu.co 2 Facultad de Ingeniería Mecánica. Universidad Santo Tomás. Bogotá, Colombia. jhonatanrodriguez@usantotomas.edu.co 3 Facultad de Ingeniería Mecánica. Universidad Santo Tomás. Bogotá, Colombia. deivirestrepo@usantotomas.edu.co La Deposición de material fundido (FDM) es un proceso simple y económico donde un filamento de material fundido es depositado en sucesivas capas por medio de un cabezal extrusor cuyos movimientos son guiados por computador. El FDM es la base de los sistemas de manufactura aditiva open source más baratos disponibles en el mercado e inclusive de sistemas de bioimpresión para ingeniería de tejidos. En el desarrollo de piezas por manufactura aditiva es importante vincular las propiedades geométricas del material depositado con las propiedades mecánicas. En este trabajo se investiga la correlación entre los parámetros geométricos del proceso como espesor de capa, porosidad y ángulo de orientación de los filamentos y las propiedades mecánicas de módulo de elasticidad y resistencia a la fluencia de probetas hechas en Acrilonitrilo Butadieno Estireno (ABS) en un equipo de manufactura aditiva FDM de bajo costo inspirado en la iniciativa REPRAP. Se encontró que cada uno de los parámetros de diseño utilizados para la impresión de las probetas de ABS tuvo influencia en las propiedades de tensión y dureza evaluadas. El ángulo de trama afectó el módulo de elasticidad y el esfuerzo último a la tensión; la porosidad tuvo efecto sobre el módulo de elasticidad y la dureza (a menor porosidad, menor dureza) y el espesor de capa influyó únicamente en el esfuerzo último a la tensión de las estructuras porosas. La modificación del ángulo de trama tuvo un efecto importante sobre el módulo de elasticidad y sobre el esfuerzo último a la tensión. Se evidenció que el cambio en la porosidad influyó sobre el esfuerzo último a la tensión y dureza de las estructuras porosas. 1. Introducción En la actualidad existen muchas tecnologías de manufactura aditiva cada una con características propias y un conjunto de ventajas y desventajas frente a los demás métodos. Uno de los métodos más comunes es el de Deposición de Material Fundido (FDM por sus siglas en inglés). Este proceso presenta un bajo costo en equipos y material comparado con los demás procesos de manufactura aditiva. En el proceso FDM se deposita un hilo de polímero fundido formando sucesivas capas de filamentos cruzados entre sí formando diferentes patrones. Éste y otros métodos de manufactura aditiva han pasado de ser procedimientos de prototipado rápido a un proceso de fabricación que permite obtener piezas funcionales. Para lograr esto es necesario predecir el comportamiento mecánico de las partes considerando las propiedades mecánicas de la materia prima y el efecto de los parámetros del proceso. Diversos autores han llevado a cabo pruebas de propiedades de piezas obtenidas por FDM considerando diferentes propiedades. Ahn et al. [1] trabajaron las características anisotrópicas de elementos de ABS hechos por FDM considerando variables como espacio entre filamentos, ancho de filamento, temperatura de extrusión, color del material y ángulo de trama. Concluyó que las piezas hechas por FDM tienen resistencia a la tensión entre 65 y un 72% de las piezas hechas por inyección y formuló una serie de recomendaciones de diseño de con polímero de ácido poliláctico (PLA) encontrando que la velocidad de impresión y el ángulo de trama afectan de manera importante dicha propiedad mecánica. Wu et al. [3] estudiaron las propiedades del ABS y el PEEK encontrando que las mejores propiedades mecánicas se obtenían con un espesor de capa de 0.3 mm. Tymrak et al. [4] examinaron las propiedades a la tensión del ABS y el PLA encontrando que la resistencia a la tensión de las piezas de ABS hechas en máquinas FDM de bajo costo estaba en un promedio de 28.5 MPa. Por otra parte, Szykiedans et al. [5] observaron que el módulo de elasticidad de las piezas podía estar cercano a los 1.12 GPa. 716

2 Caracterización mecánicas de piezas en ABS hechas por manufactura aditiva FDM Éstos y otros trabajos [6 9] se han centrado en la descripción de los efectos de los parámetros de proceso en las propiedades mecánicas y han hecho análisis estadísticos para determinar lo significativo del efecto de las diferentes variables y sus interacciones. Sin embargo, hasta donde los autores conocen, no hay literatura disponible que haga un análisis de regresión que sirva para estimar una propiedad mecánica en función de parámetros de proceso. Por eso, el objetivo de este artículo es estudiar el efecto del espesor de capa, ángulo de trama y porosidad en el módulo de elasticidad y la resistencia a la tensión en piezas hechas de ABS en una máquina FDM de bajo costo. Para esto se realiza un diseño de experimentos como se aprecia en la sección de Materiales y Métodos y se continúa con un análisis estadístico en la sección de Resultados y discusión. Este trabajo muestra que es posible establecer, con un alto grado de correlación, las propiedades mecánicas en función de los parámetros de proceso estudiados. 2. Materiales y métodos 2.1. Equipo de manufactura aditiva Para la impresión en 3D FDM de las probetas, se empleó una máquina modelo BGC E de la empresa colombiana Voxel C&T (Figura 1). La máquina BGC E está basada en la iniciativa RepRap (MakerGear, Estados Unidos). Se seleccionó por su bajo costo y flexibilidad en el ajuste de parámetros de fabricación. La fabricación con este sistema parte de un archivo STL que contiene la geometría de la probeta que va a ser impresa. A través del Software KISSlicer (KISSlicer, Estados Unidos) la geometría del archivo STL se analiza para generar los códigos de movimiento G que describen las trayectorias y velocidades que debe recorrer la boquilla extrusora que deposita el material termoplástico en sucesivas capas de un grosor determinado de abajo hacia arriba hasta lograr la geometría completa de la pieza. El sistema extrusor reduce el diámetro del filamento de 1.75 mm a 0.42 mm. Figura 1: Impresora 3D a) Vista general de la impresora. b) Detalle de la cama de impresión y boquilla de extrusión. Para la fabricación de las piezas se mantuvieron constantes los parámetros del proceso que se muestran en la Tabla 1. Tabla 1: Parámetros de proceso constantes para la fabricación de las probetas. Parámetros Valor Velocidad de deposición 35 mm/s Ancho de la extrusión de relleno 0.44 mm Forma de relleno Rectilínea Tiempo de calentamiento de la mesa 5 min Temperatura cama de impresión 60 C Temperatura de fusión 180 C 717

3 Marco Antonio Velasco Pena et al Equipo de manufactura aditiva La materia prima para la elaboración de las probetas es el Acrilonitrilo butadieno estireno (ABS). El ABS es un termoplástico obtenido por polimerización de estireno y acrilonitrilo en presencia de polibutadieno. El rango de temperatura de trabajo del ABS se ubica entre -20 y 80 C. Aunque el ABS es amorfo, por lo que se considera que no tiene temperatura de fusión verdadera, la temperatura a la que puede ser conformado es cercana a los 230 C. Esta baja temperatura junto con sus propiedades mecánicas lo hace uno de los materiales más usados en manufactura aditiva FDM. En este trabajo, la materia prima para la producción de las probetas es ABS en forma de filamento de 1.75 mm (Shaxon Industries, Inc., China) con una densidad de 1050 kg/m 3, un módulo de Young de 2.3 GPa y un esfuerzo último de MPa a temperatura ambiente Diseño de las probetas El diseño externo de las probetas corresponde a lo especificado en la norma ASTM 638D. Por su parte, las variables que serán estudiadas son los parámetros del proceso de manufactura FDM, y se explican a continuación: Espesor de capa (e): Este parámetro de impresión, corresponde al grosor de cada capa de filamentos que deposita la boquilla extrusora. Este parámetro define la resolución en el eje Z de la impresora FDM. Este parámetro afecta el número de capas que compone el objeto impreso, el acabado o rugosidad superficial de las piezas impresas y el tiempo requerido para obtener la pieza. A menor espesor, mayor tiempo de impresión. En este trabajo, se definieron dos valores para espesores de capa e: 0.2 mm y 0.3 mm. En ambos casos, el ancho del filamento es 0.42 mm y esta definido por programación en el software Kisslicer y por el diámetro fijo de la boquilla de la impresora 3D. Las dimensiones de los filamentos se aprecian en la Figura 2. Figura 2: Espesor de capa (e) de las probetas evaluadas. a) e = 0.2 mm; b) e = 0.3mm. Porosidad (p): Es el porcentaje de volumen vacío en el material, considerando la proporción del volumen vacío con respecto al volumen total de la estructura impresa. Está relacionado con el porcentaje de relleno o infill que es el parámetro de proceso en el software de impresión. La porosidad está dada por el espacio entre filamentos teniendo en cuenta que el diámetro del filamento es constante. Para el diseño interno de las probetas se consideraron dos valores de porosidad: 50 y 67%. El algoritmo interno del software Kisslicer calcula automáticamente el espacio adecuado entre filamentos, para conseguir los niveles deseados de porosidad en las piezas impresas. Ángulo de trama (a): Es el ángulo en que se depositan los filamentos en cada capa considerando la orientación de los ejes de la máquina que están alineados con los ejes de las probetas. Se emplearon para la impresión de las probetas dos ángulos de trama: 0-90 y como se aprecia en la Figura

4 Caracterización mecánicas de piezas en ABS hechas por manufactura aditiva FDM (a) Figura 3: Ángulos de trama evaluados a) Ángulo de trama (a) = 0-90 ; b) Ángulo de trama (a) = Con las variables espesor de capa (e), porosidad (p) y ángulo de trama (a) se realizó un diseño experimental factorial de tres factores y dos niveles sin repetitividad para un total de ocho corridas. Los factores y niveles se muestran en la Tabla 2. La combinación de valores para cada uno de los tres factores se muestra en la Tabla 3. Tabla 2: Parámetros y niveles del experimento. Parámetro de impresión Nivel mínimo Nivel máximo Espesor de capa (e) 0.2 mm 0.3 mm Porosidad (p) 50% 67% Ángulo de trama (a) Pruebas mecánicas Tabla 3: Diseño factorial de media fracción (8 probetas) Probeta Parámetro de proceso e (mm) p (%) a ( ) N O Q R T U W X La medición de las propiedades mecánicas se realizó en una máquina de ensayo de materiales TiniusOlsen H5KT (Tinius Olsen, Estados Unidos) con una celda de carga de 5kN y siguiendo las recomendaciones de la norma ASTM D 638. La velocidad de carga del ensayo fue de 500 mm/min. Los resultados se analizaron mediante el software estadístico Minitab (Minitab, Estados Unidos). Los ensayos mecánicos de tensión se hicieron conforme la norma ASTM D Resultados y Discusión 3.1. Propiedades mecánicas Se realizaron ensayos de tensión en las ocho probetas obteniendo un comportamiento similar al que se muestra en la Figura 4 para todas las probetas. El módulo de elasticidad se toma como la pendiente de la recta tangente al inicio de la deformación. (b) 719

5 Marco Antonio Velasco Pena et al. Esfuerzo (MPa) Esfuerzo vs Deformación 16,00 14,00 12,00 10,00 8,00 6,00 4,00 2,00 0,00 0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00 12,00 14,00 16,00 18,00 20,00 Deformación unitaria (%) Figura 4: Gráfica esfuerzo deformación para la probeta N. Para cada una de las probetas se obtuvieron los resultados que se muestran en la Tabla 4. Tabla 4: Diseño factorial de media fracción (8 probetas) Parámetro de impresión Módulo de elasticidad (MPa) Probeta Esfuerzo último a la tensión (MPa) Elongación a la rotura (%) e (mm) p (%) c (mm) a ( ) N O Q R T U W X En el caso del módulo de elasticidad, las probetas T y W impresas con porosidad (p) 67% y ángulo de trama (a) presentaron los valores más bajos (87.36 y MPa respectivamente). Por otro lado, las probetas O y R impresas con porosidad (p) 50% y ángulo de trama (a) 0-90 presentaron los valores más altos (128.7 y MPa respectivamente). En cuanto al esfuerzo último a la tensión, se encontró que la probeta R con porosidad (p) 50% y ángulo de trama de 0-90, soportó una mayor carga antes de presentar falla (21.4 MPa); en contraste a la probeta T, producida con ángulo de trama de y que resistió 10.9 MPa. Estos comportamientos pueden deberse a la orientación de los filamentos. Las fibras verticales en el primer caso, soportan la carga de forma paralela a su eje aumentando su resistencia a la tracción. Por otro lado, los mayores valores registrados para el esfuerzo último a la tensión en el material ABS se encontraron entre 10 y 20 MPa, sin embargo, los valores más cercanos a 20 MPa, fueron promovidos por la siguiente configuración de parámetros de impresión: 50% de porosidad, espesor de capa 0.3mm y ángulo de trama de Análisis estadístico Se realizó una prueba de análisis de varianza con nivel de s.05, para determinar si los parámetros usados en el diseño afectan significativamente el comportamiento de las diferentes probetas para las propiedades de módulo de elasticidad y esfuerzo último a la tensión. Los resultados de los ANOVA se recopilaron en la Tabla 5. En el ANOVA se observa que el módulo de elasticidad de las probetas en ABS se afectó significativamente (P = 0.001) por el ángulo de trama que contribuye con un valor del %. Las probetas fabricadas con ángulos de trama de 0-90 presentaron mayor módulo de elasticidad y esfuerzo último a la tensión, respecto a las fabricadas 720

6 Caracterización mecánicas de piezas en ABS hechas por manufactura aditiva FDM con ángulo de trama de Esto probablemente se debe a la orientación de los filamentos y a la distribución de los esfuerzos sobre los mismos. En el caso del ángulo de trama a=0-90, una porción importante de los filamentos están ubicados en la misma dirección de la fuerza, soportando tensión pura, mientras que en el caso de ángulo de trama a= se ocasionan esfuerzos combinados sobre los filamentos y las uniones entre estos. Este fenómeno disminuye sustancialmente la capacidad de las probetas de soportar las cargas de tensión. Tabla 5: Análisis de varianza y significancia estadística para el comportamiento mecánico de estructuras porosas de ABS. Factores Módulo de elasticidad Esfuerzo último a la tensión Contribución (%) Valor P Contribución Valor P Espesor de capa (e) * Porosidad (p) * ** Ángulo de trama (a) * * Error Total Por otro lado, se aprecia que los tres factores estudiados tuvieron efecto sobre el esfuerzo último a la tensión. El ángulo de trama tuvo el mayor porcentaje de influencia (54.90%), seguido del espesor de capa (21.86%) y de la porosidad (18.53%). El ángulo de trama como parámetro de fabricación para las probetas de ABS, influyó de manera altamente significativa (P=0.001) en el esfuerzo último a la tensión de este material. A su vez, la porosidad afectó el esfuerzo último a la tensión con nivel de significancia estadística de P = Además de lo anterior, se realizó un análisis de regresión múltiple para obtener las ecuaciones Tabla 6, que permitió modelar las propiedades mecánicas en función de los factores de diseño. Se aprecia que los modelos obtenidos representan razonablemente la relación entre las propiedades mecánicas de tensión y módulo de elasticidad, y los parámetros utilizados para el diseño de las probetas al mostrar coeficientes de correlación mayores al 95%. Tabla 6: Modelos de regresión para las propiedades mecánicas de las probetas fabricadas en función de los parámetros de impresión. Los valores de ángulo de trama son 45 para la trama y 90 para la trama Coeficiente de Propiedad mecánica Ecuación de Regresión correlación R 2 (%) Espesor de Capa Porosidad Ángulo de Resistencia a la tracción Trama Espesor de Capa 64.0 Porosidad Ángulo de Módulo de elasticidad Trama 4. Conclusiones Cada uno de los parámetros de proceso usados para la impresión de las probetas en ABS tuvo influencia en las propiedades mecánicas evaluadas. En este caso, el ángulo de trama afectó el módulo de elasticidad y el esfuerzo último a la tensión; la porosidad tuvo efecto sobre el módulo de elasticidad y el espesor de capa influyó en el esfuerzo último a la tensión de las estructuras porosas. El material evaluado presentó mayor resistencia a la tracción a mayor espesor de capa, menor porosidad y menor ángulo de trama a=0-90. Este comportamiento probablemente fue causado por la acción combinada de los parámetros anteriormente mencionados, debido a que a mayor espesor de capa, mayor área de los filamentos y menor porosidad aumenta el área transversal que soportó la carga en cada una de las probetas. Además, el ángulo de trama a=0-90 permitió que los filamentos por su disposición, soportaran esfuerzos de tensión y como consecuencia aumentara el esfuerzo último a la tensión de las probetas. La modificación del ángulo de trama tuvo un efecto importante sobre el módulo de elasticidad y sobre el esfuerzo último a la tensión. Se evidenció que el cambio en la porosidad influyó sobre el esfuerzo último a la tensión de las probetas. 5. Referencias [1] S.-H. Ahn, M. Montero, D. Odell, S. Roundy, P.K. Wright. Anisotropic material properties of fused deposition modeling ABS, Rapid Prototyping Journal, 8, No 4, (2002),

7 Marco Antonio Velasco Pena et al. [2] M. Plan. Effect of Layer Thickness, Deposition Angle, and Infill on Maximum Flexural Force in Fdm-Built Specimens, Journal for Technology of Plasticity, 39, No. 1, (2014), [3] W. Wu, P. Geng, G. Li, D. Zhao, H. Zhang, and J. Zhao. Influence of layer thickness and raster angle on the mechanical properties of 3D-printed PEEK and a comparative mechanical study between PEEK and ABS, 8, (2015), [4] B.M. Tymrak, M. Kreiger, J.M. Pearce. Mechanical properties of components fabricated with open-source 3-D printers under realistic environmental conditions, Materials and Design, 58, (2014), [5] K. Szykiedans, W. Credo. Mechanical Properties of FDM and SLA Low-cost 3-D Prints, Procedia Engineering, 136, (2016), [6] J.A. Choren, S.M. Heinrich, M.B. Silver- additive manufacturing applications, Journal of Materials Science, 48, No 15, (2013), [7] L. Novakova-Marcincinova, J. Novak-Marcincin. Verification of Mechanical Properties of ABS Materials used in FDM Rapid Prototyping Technology, Proceedings in Manufacturing Systems, 8, No 2, (2013),. [8] C.S. Lee, S.G. Kim, H.J. Kim, S.H. Ahn. Measurement of anisotropic compressive strength of rapid prototyping parts, Journal of Materials Processing Technology, , (2007), [9] A. Bagsik, V. Schöoppner. Mechanical Properties of Fused Deposition Modeling Parts Manufactured with ULTEM 9085, Proceedings of ANTEC, 2011,(2011),